Mikä on autoilun tulevaisuus: Jatkuuko ladattavien sähköautojen ryntäys vai tuleeko rinnalle uusia vaihtoehtoja? Onko polttomoottorilla tulevaisuutta? Tuleeko vety lopulta myös henkilöautoihin ja miten käy fossiilivapaille polttoaineille?
1. Polttokenno ja vety
Polttokennoon perustuva vetyauto on sähköauto, jossa sähkö tuotetaan ajon aikana polttokennon avulla. Näin isokokoisten ja painavien akkujen tarve poistuu, mikä olisi valtava etu mm. akkujen tuotannon, raaka-aineiden ja kierrätyksen kannalta. Lisäksi autoista olisi mahdollista tehdä nykyisiä akkusähköautoja kevyempiä, mikä vähentäisi autojen energian kulutusta.
Vedyn käyttöä polttokennon reaktioaineena puoltaa sen puhtaus. Polttokennosta vapautuu sähköenergian lisäksi ainoastaan vettä ja lämpöenergiaa. Vetytankkaus on lähes yhtä nopea toimenpide kuin bensiiniauton tankkaus.
Kun polttokennoauton kaikki nämä edut summataan yhteen, on selvää, että autotehtaat ovat kiinnostuneita aiheesta. Eteneminen massamarkkinoille antaa kuitenkin vielä odottaa itseään.
Vedyn ja polttokennon tulemisesta autoiluun on puhuttu jo yli 20 vuotta. VTT:n johtava tutkija Jari Ihonen, mikä on ollut suurin este tai haaste sille, että polttokennoautot eivät ole vieläkään päässeet sarjatuotantoon ja laajemmin markkinoille?
”Aiemmin oli elinikään liittyviä ongelmia sekä kustannukset. Molemmat on ratkaistu, mutta kustannukset saadaan riittävän alas henkilöautoja varten alas vain suuren mittakaavan sarjatuotannolla.”
Voidaanko polttokenno valmistaa nykyään jo kohtuullisin kustannuksin?
”Voidaan valmistaa, jos valmistusmäärät saadaan riittävän suuriksi. Polttokennon ohella vetysäiliön hinta on merkittävä kustannustekijä. Raskaassa ammattiliikenteessä tankattavan vedyn hinta on huomattavasti polttokennojärjestelmän hintaa tärkeämpi.”
Vierailin Mercedes-Benzin polttokennotehtaalla neljä vuotta sitten. Siellä insinööri kertoi, että heiltä meni kaksikymmentä vuotta selvittää, miten polttokenno käynnistetään ja sammutetaan. Hän vertasi polttokennoa isoon voimalaitokseen ja toisaalta kemialliseen prosessiin, joita ei voi käynnistää ja sammuttaa ”napista painamalla”. Ovatko tällaiset haasteet täysin mennyttä aikaa?
”Käynnistyksen ja pysäytyksen eri elinikää laskevat ongelmat tunnetaan nykyään hyvin ja ne voidaan ratkaista eri tavoin. Mikäli käynnistykseen voidaan käyttää muutaman sekunnin sijaan pari minuuttia, ovat nämä vielä paljon helpompia ratkaista. Hybrideissä voidaan ajaa akulla tämä aika.”
Entä polttokennoauton käynnistäminen Pohjolan oloissa kovassa pakkasessa?
”Jos käynnistykseen käytetään pari minuuttia aikaa, kylmäkäynnistys ei ole mikään ongelma. Isompi haaste on oikeastaan luotettava kuivaus ennen pysäytystä pakkasella, mutta sekin onnistuu.”
Moni asiantuntija on sitä mieltä, että polttokennolla on tieliikenteessä iso potentiaali raskaassa liikenteessä, mutta huonommat tulevaisuudennäkymät henkilöautopuolella. Onko asia mielestäsi näin?
”Kyllä, akut täyttävät liikkumisen tarpeet henkilöautopuolella hyvin laajasti. Raskaissa pitkän matkan kuljetuksissa akun paino ja latausaika heikentävät kuljetusten tuottavuutta, erityisesti jos reitit ovat vaihtelevia.
Henkilöautopuolella on jonkin verran sellaista yksityis- ja ammattikäyttöä, jossa akuilla on vaikeaa pärjätä. Muun muassa asuntovaunun veto ja peräkärryt luovat haasteita toimintamatkan suhteen.”
2. Vety polttomoottorin polttoaineena
Yleensä vetyautoista puhuttaessa tarkoitetaan polttokennoautoja, mutta on myös toisenlaisia vetyautoja, tavallaan kokonaan toinen erillinen haara vetyautotaloutta. Vetyä voidaan käyttää polttoaineena polttomoottoriautoissa, jolloin pakoputken päästä tulee pääasiassa vesihöyryä.
Jos ollaan tarkkoja, paikallinen nollapäästöisyys ei kuitenkaan täysin toteudu. Pakoputken päästä tulee vesihöyryn lisäksi hieman typen oksideja ja pieniä jäämiä voiteluöljyn palamistuotteista.
Onko vety yksi mahdollinen polku, joka mahdollistaa polttomoottorien uuden elinkaaren tulevaisuudessa?
”Kyllä, osassa sovelluksista vetypolttomoottorit voivat olla hyvin kilpailukykyisiä verrattuna polttokennoihin. Ainakin alkuvaiheessa hankintakustannus voi olla huomattavasti polttokennoja alempi. Jos vety on kohtuuhintaista, polttomoottorin polttokennoa korkeampi kulutus kompensoituu alemmalla hankintahinnalla.
Moottoreita voidaan myös valmistaa niin, että vedyn ja muiden polttoaineiden (maakaasu, diesel) seoksia voidaan käyttää joustavasti. Tämä antaa joustavuutta vedyn käyttöön ja helpottaa jakeluinfrastruktuurin rakentamista. Lisäksi ajoneuvossa ei tarvita niin suuria kaasusäiliöitä kuin sadan prosentin vetykäytöllä.”
Voiko yksi ja sama vedyn jakeluasema palvella sekä polttokennoautoja, että vetyä polttoaineena käyttäviä polttomoottoriautoja, vai tarvitaanko erityyppistä vetyä?
”Polttokennokelpoinen vety kelpaa aina vetypolttomoottoreihin. Vetypolttomoottoreissa voidaan käyttää varsin heikkolaatuista vetyä.
Vetypolttomoottorit voivat helpommin käyttää esimerkiksi natriumkloraattivalmistuksen sivutuotevetyä koska vedyn puhdistusta tarvitaan vähemmän.
Polttomoottorilaadun vetyä ei vielä jaella jakeluasemilla. Tämän vetylaadun tankkauksen esto polttokennoautoihin on yksi asia mikä jatkossa tulee ratkaista.”
Voidaanko ajatella niin, että jos polttokennoratkaisu sopii paremmin raskaaseen liikenteeseen ja vetypolttomoottorit olisivat taas sopivampi ratkaisu tulevaisuuden henkilöautoihin?
Tässä ei ole mitään yksinkertaista kaavaa. Käyttöolosuhteet ja käyttötapa sekä saatavat tuet ja vedyn hinta ratkaisevat enemmän kuin ajoneuvon tyyppi. Polttokennojen parempi hyötysuhde alentaa polttoainekuluja ja vaadittavaa polttoainesäiliön kokoa.
Toisaalta dieseliä ja vetyä eri seossuhteissa käyttävä ratkaisu voi pärjätä huomattavan pienellä vetysäiliöllä koska sataprosenttinen dieselkäyttö on aina varalla.
3. Kaasuautot
Biokaasulla olisi päästöjen vähentämisessä iso potentiaali, koska kaasu sopii polttoaineeksi periaatteessa kaikkiin vanhoihinkin polttomoottoriautoihin. Biokaasu olisi parhaimmillaan puhdasta ja kotimaista lähienergiaa. Myös taloudelliset realiteetit puoltavat biokaasun laajempaa käyttöä.
Jos Suomessa liikenteessä olevan henkilöauton arvo on keskimäärin muutama tuhat euroa, ei ole mahdollista, että ne kaikki voitaisiin korvata sähköautoilla pitkään aikaan. Toisaalta parin tuhannen euron investointi kaasumuunnokseen voisi olla hyvinkin realistinen ja toteutettavissa melko nopeasti laajassakin mittakaavassa.
Biokaasu kuitenkin unohtuu tällä hetkellä lähes kokonaan keskusteltaessa autojen tulevaisuuden käyttövoimasta. Tämä on kuitenkin luonnollista, koska autonvalmistajat eivät enää tuo markkinoille uusia kaasuautoja.
EU-lainsäädäntö ja päästömittausperiaatteet suosivat sähköautoja ja toisaalta autonvalmistajat haluavat karsia kuluja keskittymällä kehitystyössä vain yhteen voimanlähteeseen.
Pitäisikö meillä Suomessa valtion edelleen tukea voimakkaasti kaasumuunnoksia eli myöntää muutostukea, kun auto muutetaan bensiinikäyttöisestä kaasukäyttöiseksi?
”Konversioiden tukeminen on poliittinen valintakysymys. Paljon ajavalle kaasumuunnos (muutama tuhat euroa) voi maksaa itsensä takaisin ilman tukiakin. Sama koskee korkeaseosetanolia, jonka konversio maksaa noin tuhat euroa, jopa alle.
Kasvihuonekaasupäästöjen osalta voi todellisia päästövaikutuksia laskea monella eri tapaa ja tulokset ovat vaihtelevia. Siten poliittisen päätöksenteon tueksi on hyvä käydä laajaa ja avointa keskustelua eri oletuksista ja niistä seuraavista epävarmuuksista. Tämä koskee myös Ilmastopaneelin laskuria, jossa on aika monta oletusta ja lähtöarvoa.
Erityisesti huomioitavaa on, että suurien henkilöautojen valmistuksen päästöt ovat edelleen suuret. Siten autojen ennenaikainen romuttaminen voi jopa lisätä päästöjä, erityisesti jos vaihtoehtona olevan eliniän jatkon yhteydessä tapahtuisi muunnos kaasu- tai etanoliautoksi.
EU-regulaatio ohjaa jätepohjaisen biokaasun valmistamiseen liikennekäyttöä varten. Biokaasun käytön kasvu Suomessa tukisi kotimaisia biokaasuinvestointeja, koska biokaasulla ei juurikaan käydä rajat ylittävää kauppaa.
Toisen sukupolven etanolin osalta syy-yhteys ei ole näin suoraviivainen. Toisen sukupolven etanolihankkeita saattaa jatkossa vauhdittaa biogeeniselle hiilidioksidille syntyvä markkina, koska etanolin valmistuksessa saadaan biogeeninen CO2 talteen varsin edullisesti moneen muuhun prosessiin verrattuna.”
4. Muut fossiilivapaat polttoaineet
Uusista ei-fossiilisista polttoaineista puhuttaessa kuulee usein termin ”sähköpolttoaine”. Kyse on kuitenkin nestepolttoaineesta, jonka valmistamiseen tarvitaan sähköä. Nimi sähköpolttoaine on siis oikeastaan väärä ja harhaanjohtava.
Olipa nimi mikä tahansa, sähkön avulla voidaan joka tapauksessa valmistaa nestepolttoainetta, joka kelpaa polttoaineeksi nykyisiin ja myös vanhoihin polttomoottoriautoihin.
Kuinka ison potentiaalin näet tällaisella ”e-fuel” polttoaineella tulevaisuuden henkilöautoissa? Onko tässä mahdollisuus polttomoottoreiden uuteen elinkaareen ja onko näkymä enemmän vai vähemmän todennäköinen verrattuna vetypolttomoottoreihin?
”Nestemäisiä sähköpolttoaineita kehitetään erityisesti meriliikenteen ja lentoliikenteen tarpeisiin. Meriliikenteessä metanoli ja ammoniakki ovat pääasialliset mielenkiinnon kohteet. Lentoliikenteessä pyritään nykyisen kaltaisen kerosiinin tuottamiseen synteettisesti.
Kaasumaisista polttoaineista synteettinen kaasumainen ja nesteytetty metaani toimisivat sellaisenaan CNG:n ja LNG:n korvaajana niin meri kuin maaliikenteessä.
Henkilöautopuolella on potentiaalia vaikeaa arvioida. Teknologian, kustannustason ja regulaation kehitykseen liittyy paljon epävarmuuksia.
Kokonaismarkkinan pitää olla kohtuullisen suuri, jotta sopivia synteettisiä polttoainelaatuja aletaan valmistaa henkilöautoja varten.”
Tällä hetkellä synteettisen ”e-fuel” polttoaineen tuottaminen on kallista, mikä käytännössä estää pumppumyynnin kuluttajille. Esimerkiksi Isossa-Britanniassa on tällä hetkellä ainoastaan yksi synteettistä bensiiniä tarjoava jakeluasema. Onko hinta ainoastaan alkuvaiheen pientuotannon ongelma vai iso haaste myös tulevaisuudessa?
”Kustannustaso on haaste myös tulevaisuudessa. Suuren mittakaavan tuotannossa ja edullisella sähköllä saadaan kustannuksia alas. Kustannustasosta 10–20 vuoden päästä on paljon erilaisia arvioita.”
5. Lähitulevaisuus
Tämä hetken trendi ovat akkusähköautot. Ovatko ne tulleet nyt jäädäkseen, mikä on valistunut ennusteesi?
”Henkilöautopuolella kaikki valmistajat ovat laittaneet pääosan tuotekehityspanostuksistaan akkusähköautoihin ja myös regulaatio EU:ssa ohjaa tähän suuntaan. Tähän ei ole muutosta näköpiirissä.”
Jos tulevaisuus on akkusähköautojen, se ilmeisesti edellyttää, että akkuihin löytyy tulevaisuudessa halvempia ja ympäristöä vähemmän kuormittavia materiaaleja (ilman kobolttia tai ylipäätään ilman merkittävää kaivostoimintaa). Miten näitä haasteita voidaan taklata?
”Koboltista ja myös nikkelistä pystytään tarvittaessa luopumaan, kun käytetään litiumrautafosfaattiakkuja (LFP) ja useat valmistajat näin jo toimivat. Tämä tarkoittaa hieman lisääntynyttä painoa akulle.
Akkumateriaalien saatavuudessa ja hintatasoissa esiintyy voimakasta vaihtelua, mikä on haaste autovalmistajille. Myös materiaalien tuotannon hiilijalanjälki ja eettisyys ovat valmistajille tärkeitä.
Näitä haasteita voidaan ratkoa pitkäaikaisilla toimitussopimuksilla. Natriumpohjaisia akkuja on jo koetuotannossa, mutta on epävarmaa saavuttavatko ne riittäviä ominaisuuksia korvatakseen litiumpohjaiset akut ajoneuvoissa.”
Onko näköpiirissä isoa harppausta tällä saralla?
”Pikaladattavuuden paraneminen yhdessä suurteholatausinfran laajenemisen kanssa on merkittävin lähiajan kehitys, mikä parantaa akkusähkön sovellettavuutta sekä henkilöautojen että raskaan liikenteen osalta.
Kun latausinfra on kattava, voidaan hyväksyä pienempi, kevyempi ja edullisempi akku ajoneuvoon.”
Japanista on saatu tietoa, että kiinteäelektrolyyttinen akku voisi ratkaista monia haasteita akkujen raaka-aineiden suhteen ja myös kapasiteetti voisi kasvaa reilusti. Olisiko kiinteäelektrolyyttinen akku lähitulevaisuuden ratkaisu?
”Kehityksestä ja tuotteista on julkistettu niin vähän tietoja, että arviota on vaikeaa tehdä. Erilaisia käänteentekeviä akkuteknologioita on julkistettu runsaasti viimeisen 10–15 vuoden aikana, mutta laajaan tuotantoon nämä eivät ole vielä tulleet.
Käytännössä on nähty pääasiassa samojen akkutyyppien merkittävää kehitystä niin energiatiheyden, pikaladattavuuden kuin hintatason osalta.”
Markus Nieminen
Haastateltavana oli VTT:n johtava tutkija Jari Ihonen. Taustatietoja antoi VTT:n johtava tutkija Jussi Solin.
