Akkutuotanto Euroopassa tulee kasvamaan dramaattisesti. Näin arvioi Hyundai Motor Groupin tuotekehitysjohtaja David Labrosse. Mutta Euroopan likaisissa maissa sähkön tuotantotapojen pitää muuttua, jotta sähköautojen käyttö olisi ekologista.
Yli 13 prosenttia Hyundai-konserniin kuuluvan Kian vuonna 2019 valmistamista autoista käyttää polttomoottorin sijaan tai sen lisänä vaihtoehtoisia voimanlähteitä –sähkön osuus autoissa kasvaa jatkossa.
”Me tulemme saavuttamaan EU:n asettaman päästötavoitteen, 95 grammaa kilometriä kohti, emmekä maksa sakkoja tavoitteesta jäämisestä”, Kia Goes Electric –tapahtumassa puhunut Hyundai Motor Groupin eurooppalaisen R&D-keskuksen tuotekehitysjohtaja David Labrosse totesi Rüsselsheimissa.
Labrossen mukaan raaka-aineiden saatavuus tulee rajoittamaan sähköistettyjen autojen tulemista. Kialle ratkaisevaa sähköavusteisten autojen ja sähköautojen tuotannossa on uusi akkutehdas, jonka korealainen elektroniikkajätti LG rakentaa Puolaan. Tehdas tulee ruokkimaan akuilla Kian Slovakiassa sijaitsevaa Zilinan autotehdasta. Labrosse uskoo, että kymmenen vuoden kuluttua me nauramme nykyisen akkutuotannon vaatimattomuudelle.
”Autojen tekeminen ei kuitenkaan ole helppoa bisnestä eikä helppo tapa tehdä rahaa”, Labrosse huomauttaa. Asiakkaiden käyttäytymistä ei ole helppo ennustaa ja automallien painojen hallitsemisessa riittää painimista.
”Hankalinta on saada pienet autot täyttämään päästövaatimuksia, koska niiden hinnoittelu ei anna pelivaraa”, hän toteaa.
Tämän seurauksena dieselmoottorit häviävät pienistä autoista, ja esimerkiksi Seat Miin valmistaminen bensiinimoottorillakin on loppunut – tarjolla on vain sähköversio. Kokonaan dieselit eivät kuitenkaan häviä. Kian edustajat uskovat, että dieselteknologiaa käytetään vielä ainakin pari vuosikymmentä.
Euroopassa panostetaan akkutuotantoon
Myös aasialaisen akkutuotannon armoilla olleet eurooppalaiset autonvalmistajat panostavat akkujen kehitykseen kotimantereella. Esimerkiksi BMW Group keskittää akkujensa kehityksen ja testauksen Müncheniin avattuun akkukennojen kehityskeskukseen. Keskuksen tavoitteena on kaksinkertaistaa akkujen energiatiheys ja parantaa akkujen käytettävyyttä kuluttajien arjessa.
BMW Groupin keskuksen tavoitteena on akkujen energiatiheyden kaksinkertaistaminen vuoteen 2030 mennessä verrattuna nykyisen BMW i3 -sähköautomallin akkuun. Kehitystyössä paneudutaan akkujen valmistuksen koko arvoketjuun ja kehitetään sekä akkukennojen materiaaleja että rakenteita.
Yksi tärkeimmistä vaiheista akkujen kehityksessä on oikeiden valmistusmateriaalien valitseminen ja niiden toiminta yhdessä. Akkuteknologian kestävä kehitys ja raaka-aineiden saatavuus ovat merkittävimpiä tekijöitä sähköisen liikkumisen kehityksessä.
Koko hankintaketju vaatii jatkuvaa tarkastelua, jotta hankintojen kestävyys ja eettisyys voidaan taata. Tulevaisuudessa BMW aikoo hankkia materiaalinsa suoraan tuottajilta, jolloin hankintaketjun vastuullisuus on entistäkin paremmin hallittavissa.
BMW Group investoi akkukennojen kehityskeskukseen 200 miljoonaa euroa. Investoinnilla se haluaa panostaa tekniikan kehitykseen, mutta myös turvata työpaikkoja ja pitää akkuosaamisen yhtiön sisällä.
Elinkaarensa lopussa olevat akut voidaan siirtää muihin käyttökohteisiin esimerkiksi varastoimaan uusiutuvalla energialla tuotettua sähköä. BMW varmistaa jo akkujen suunnitteluvaiheessa, että akut ovat kierrätettävissä suuressakin mittakaavassa. Tavoitteena on, että 90 % akusta voidaan kierrättää.
Likaisia sähkömaita Euroopassa
Vaikka sähköautojen myynti on viimeisten kuuden vuoden aikana on kasvanut voimakkaasti, niiden osuus on edelleen pieni. Esimerkiksi Saksassa vain 7,9 prosenttia henkilöautoista on edes jossain määrin sähkö- tai kaasukäyttöisiä ja niistäkin 73 prosenttia on hybridejä, joihin on laskettu myös 48 voltin järjestelmää käyttävät kevythybridiautot.
Sähköautojen ekologisuus riippuu eri maiden sähköntuotantomuodoista. ”Päästöt ovat voimakkaasti riippuvaisia kunkin maan energiapolitiikasta”, Kia Motors Europen tuotesuunnittelun johtaja Duarte Ramalho totesi ja näytti pylväikköä, joka kertoi, että varsinkin Virossa ja Puolassa energiatuotannon hiilidioksidipäästöt ovat isoja, Virossa 819 grammaa ja Puolassa 773 grammaa kilowattituntia kohden.
Tuplasti yli eurooppalaisen keskiarvon ne ovat myös Kyproksella, Maltalla ja Kreikassa. Muun muassa Hollanti, Saksa ja Irlanti kuuluvat nekin likaisiin maihin, sillä niiden sähköntuotannon CO2-päästöt ovat selvästi suurempia kuin EU:ssa keskimääräinen 296 g/kWh.
Toisessa ääripäässä ovat Pohjoismaat, Liettua ja Latvia sekä Itävalta ja Ranska. Pienimmät päästöt ovat Liettuassa, 18 grammaa, ja Ruotsissa 13 grammaa kilowattituntia kohden. Norja ei ole pylväikössä mukana, koska se ei ole EU:n jäsen.
Vallankumous tarpeen energian tuotantotavoissa
Suuren saksalaisen autojärjestön ADAC:n mukaan sähköautot vaativat vallankumouksen energian tuotantotavoissa.
“Vaikka kaikki ajaisivat sähköautoilla, ei hiilidioksidipäästöistä päästä eroon, jos energia tuotetaan pääosin fossiilisella energialla. EU-maiden energiasta yli 70 prosenttia tuotetaan fossiilisista lähteistä”, Ramalho muistutti kuulijoita.
Saksalaisilla tuotantotavoilla, joilla hiilidioksidipäästöt ovat 441 grammaa kilowattituntia kohden, sähköauton kasvihuonepäästöt ovat vain kymmenkunta prosenttia alhaisemmat kuin bensiinillä kulkevan auton ja dieselautoon ero on vieläkin pienempi.
Sähköauton valmistaminen tuottaa enemmän hiilidioksidipäästöjä kuin polttomoottoriauton. Polttomoottoriauton tuotantopäästöt ovat 6–7 tonnia ja 35 kilowatin korkeajänniteakulla varustetun sähköauton 11–12 tonnia. Jos polttomoottoriauto tuottaa 95 g/km hiilidioksidipäästöjä, viiden tonnin eron kurominen umpeen vaatii 52 632 kilometrin matkan ennen kuin sähköauto on sen kanssa samalla viivalla.
Kun sähköauton tuotannon päästöt huomioidaan, sillä pitää ADAC:n mukaan ajaa 37 500 kilometriä sataprosenttisesti uusiutuvalla energialla ennen kuin päästöt ovat pienemmät kuin autolla, joka käyttää bensiiniä, jossa on 5 prosenttia bioetanolia. Jos dieselpolttoaineessa on 7 prosenttia bioetanolia, sähköauto selättää sen päästöissä 40 500 kilometrin kohdalla.
Saksalaisilla sähköntuotantotavoilla sähköautolla pitää ADAC:n laskelmien mukaan ajaa 125 500 kilometriä ennen kuin sen päästöt ovat pienemmät kuin bensiiniautolla ja 219 000 kilometriä ennen kuin se voittaa dieselauton.
Ajotapa syö 40 prosenttia
Toinen ulottuvuus sähköautoilun ekologisuuteen on akun koko: mitä isompi akku, sitä epäekologisempaa ajaminen on auton painon vuoksi, sillä iso akku lisää merkittävästi auton massaa.
Teknologia kuitenkin vaihtelee maasta toiseen ja niin vaihtelee autojen painokin. Kian edustajat ottivat esimerkiksi USA:ssa tehdyn hybridimallin, joka on painavampi kuin vastaavanlainen Etelä-Koreassa tehty auto. Tätä nykyä parhaaseen tulokseen päästään nikkelin, koboltin ja mangaanin yhdistelmällä, jossa mangaani pidentää akun ikää ja nikkeli kennojen tiheyttä. Kia Niron EV-täyssähköversiossa on peräti 294 kennoa.
Ison auton ja ison akun yhdistelmällä ajokki on niin painava, että luksussähköautot ovat melkoisia sähkörosvoja. Kun ajotapa vaikuttaa voimakkaasti sähkön kulutukseen ja sitä myötä täyssähköauton toimintasäteeseen, tämä vielä korostuu isoissa autoissa. Suomessakin voi nähdä Tesla-kuskien ajavan rauhallisesti ja moottoritiellä jopa alle nopeusrajoitusten, että sähkö riittäisi perille asti.
Kian edustajat kuvasivat sähkön riittävyyttä kompaktin Niron täyssähköversion toimintasäteellä, jota urheilullinen ajotapa lyhensi peräti 41,7 prosenttia rauhalliseen vauhtiin ja ennakoivaan ajotapaan verrattuna. Maksimissaan 458 kilometrin ajomatka yhdellä latauksella lyheni normaaliajossa 382 kilometriin ja vauhdikkaassa ajossa 267 kilometriin.
Pohjoismaissa hinataan autoja
Yleistyäkseen sähköautot tarvitsevat myös nykyistä paremman latausverkoston. Sähköautojen käyttämisen kannalta tärkeä tekijä onkin Ionity-niminen joint venture -yritys, joka on luomassa pikalatauslaitteiden verkostoa ympäri Eurooppaa. Volkswagen-konsernin, BMW:n, Daimlerin ja Fordin yhteisyritys laajeni viime syyskuussa, kun Hyundai Motor liittyi mukaan Ionityn osakkaaksi.
Ionityn tavoitteena on asentaa valtateiden varsille neljäsataa CCS-standardin mukaista nopeaa 350 kilowatin DC-latausasemaa, joilla autoja voi ladata kohtuullisilla kustannuksilla.
Kia Motors puolestaan tulee tarjoamaan vuodesta 2021 lähtien automalleja, jotka 800 voltin latausteholla pystyvät ottamaan täyden hyödyn Ionityn nopeista latausasemista.
Kian tilaisuudessa nousi esiin kysymys täyssähköautojen hinauskyvystä. Pohjoismaiset asiakkaat kysyvät autoilta hinauskapasiteettia ja Kian tuotekehittäjät kuulemma painiskelevat kysymyksen parissa.
”Mallistossamme Kia Ceed on puhtaasti eurooppalainen tuote, ja sen sähköversiot on helpompi tehdä hinauskykyisiksi kuin maailmanlaajuisesti myytyjen automallien”, David Labrosse totesi.
Sääntely komplisoituu
Nykyisellään liikenteen osuus Euroopan hiilidioksidipäästöistä on 12 prosenttia ja tieliikenteen osuus siitä 73 prosenttia eli yhdeksän prosenttia kokonaispäästöistä.
Saksassa polttomoottoriautojen hiilidioksidipäästöt laskivat selvästi vuoteen 2016 asti. Kun päästöt vuonna 1998 olivat 188,6 g/km uutta henkilöautoa kohti, ne olivat vuonna 2016 enää 127,4 g/km per uusi auto. Sen jälkeen suunta on kääntynyt dieselautojen myynnin vähenentyessä: vuonna 2017 uusien autojen keskimääräinen päästö oli 127,9 g/km ja 2018 se oli jo 130,1 g/km.
Ensi vuonna voimaan astuva EU-säädös edellyttää, että kunkin autovalmistajan tekemien uusien autojen päästöt ovat keskimäärin enintään 95 g/km, mikä käytännössä merkitsee sitä, että autojen keskimääräinen kulutus saa olla vain 4,1 litraa/100 km. Se on puolitoista litraa vähemmän kuin nykyisten uusien autojen keskimääräinen 5,6 litraa/100 km.
Päästövaatimukset riippuvat kuitenkin autojen painosta, ja keskimääräistä painavammilla autoilla päästöraja on korkeammalla. Vaatimustaso lasketaan kaavalla 95+ax(M-Mo), jossa a=0,0333, M=auton omamassa ajokunnossa ja Mo=1 379,88 kg.
Ramalho esitteli Kian tilaisuudessa myös lukuja sääntelyn monimutkaistumisesta. Kun vuonna 1970 pakokaasusäännökset mahtuivat 20 sivulle, vuoden 2005 Euro 4 -päästövaatimukset ja päästöjen NEDC-mittaustavan säännöstekstit nielivät 180 sivua. Vuonna 2017 voimaan tulleita Euro 6d -päästörajoituksia koskevien säännösten sivumäärä on jo 920 sivua. Siitä 270 sivua koski ECE R83.07 -normitusta, 470 sivua WLTP-mittaustapaa ja 180 sivua RDE-mittauksia.
Puhtaampia konsepteja
Kian edustajien mukaan 48 voltin kevythybridijärjestelmä vähentää polttomoottorin hiilidioksidipäästöjä 4–7 prosenttia samalla, kun se kasvattaa kiihdytyksissä käytettävissä olevaa huipputehoa.
”Erityisesti tänä kuluvana vuonna olemme keskittyneet sähköavusteisten moottoreiden kehittämiseen Euroopan markkinoille. Esimerkiksi sähkötoiminen turboahdin lisää selvästi moottorin alavääntöä”, Labrosse kertoi.
Hyundai Motor Group jatkaa polttomoottorin kehittämistä myös CVVD-teknologialla, jossa jatkuvasti vaihteleva venttiiliajoitus optimoi sekä moottorin tuottamaa tehoa, että polttoainetaloudellisuutta, mikä samalla vähentää päästöjä. Uudessa 180-hevosvoimaisessa turboahdetussa SmartStream G1.6 T-GDi -bensiinimoottorissa on myös matalapaineinen pakokaasujen kierrätys LP EGR ja uusi lämmönohjausjärjestelmä.
Johtaja David Labrosse esitteli Rüsselsheimissa myös paralleelia hybridikonseptia, jossa pyritään maksimaaliseen tehokkuuteen ja minimaaliseen voimansiirron energiahäviöihin.
Paralleelissa järjestelmässä akku ja polttomoottori tuottavat virtaa sähkömoottoriin, josta voima välitetään vaihteiston kautta vetäviin pyöriin. Sähköautomaisella reagoinnilla päästään nopeampaan kiihtyvyyteen kuin perinteisellä hybridillä ja auto yltää pelkän sähkömoottorin voimalla 120 km/t nopeuteen asti.
Polttomoottorin tuottamalla energialla on aiemminkin ruokittu sähkömoottoria: BMW i3:n range extenderillä varustetussa versiossa polttomoottori tuottaa energiaa sähkömoottoriin virran loppuessa akusta, mutta paralleelissa hybridissä sähkömoottori käyttää molempia virtalähteitä yhdessä.
Testiajossa yötäpäivää
Hyundai Groupin kehitystyötä tehdään Opelin kotikaupunkina tunnetussa Rüsselsheimissa sijaitsevassa tutkimus- ja kehityskeskuksessa. Keskus avattiin vuonna 2003 ja ensi alkuun se panosti testikapasiteettiin yhdellätoista testipenkillä ja kahdella dynamometrillä.
Nykyään Hyundai Groupin keskuksessa tehdään paljon hybridien kehitystyötä. Keskuksen edustaja esitteli, kuinka ensin kehitetään polttomoottori ja sitten simuloidaan hybridiratkaisu siihen. Jo varhaisessa vaiheessa kokeillaan rekuperointia ja energian talteenottoa. Samalla kun kontrolloidaan poltto- ja sähkömoottorin yhteistoimintaa, tutkitaan myös mukavuustekijöitä niin että eri voimanlähteet eivät tunnu kuljettajasta liian erilaisilta.
Moottorit pyörivät testikeskuksessa yötäpäivää ja automatiikka muuttelee säätöjä. Lämpötiloja, päästöjä ja muita muuttujia mittaamalla katsotaan, millaisilla spekseillä päästään parhaisiin tuloksiin. Jos sitten dynamometrissä herää kysymyksiä, moottori palaa testipenkkiin.
Tutkimuskeskuksessa voidaan simuloida niin erilaisia kuormitus- ja ympäristöolosuhteita kuin testimenetelmiäkin, joilla voimalinjat kalibroidaan eurooppalaiseen makuun sopiviksi. Korkeajänniteakkujen testauslämpötilaa voidaan vaihdella -30°C pakkasesta +50°C helteeseen.
Autoja testataan myös asiakaskunnossa ja testeissä käytetään ajorobottia, joka käyttää voimalinjaa samalla tavalla kuin ihmiskuljettaja. Keskuksessa tehdään luonnollisesti myös WLTP-säädösten mukaista päästöarvojen testausta.
In-house-testien jälkeen loput testit tehdään käytännön olosuhteissa Ruotsissa ja Espanjassa. Kian ja Hyundain mallien laatua ja kestävyyttä koetellaan myös Nürnburgringin legendaarisella vanhalla, pitkällä ja vaativalla radalla Nordschleifella.
