Autojen hybridisointi - ympäristönsuojelu johtanut ojasta allikkoon?

Teksti: professori Juha Pyrhönen, LUT Energia, sähkönkäyttötekniikka

Tiukkenevat ympäristömääräykset ja jatkuvasti kasvavat polttoainekustannukset nostavat esiin tekniikkaa, jonka avulla sekä päästöjä että energiakuluja voidaan pienentää suorituskyvyn kärsimättä. Toisaalta päästöjen vähentäminen saattaa johtaa energiatehokkuuden heikkenemiseen. Aikanaan bensa-autojen katalysaattoreiden käyttöönotto nosti kulutusta merkittävästi.

Henkilöautodieseleissä siirtyminen reilun kymmenen vuoden aikana EURO II -normista EURO V -normiin näkyy noin 10 prosentin kasvuna polttoaineen kulutuksessa. Esimerkiksi Volkswagenin 1.9 TDI -moottorin kulutus kymmenen vuotta sitten oli parhaimmillaan 197 g/kWh, kun nykyinen TDI 2.0 - 475 NE EURO V -moottori kuluttaa 216 g/kWh. Näin ympäristönsuojelu johtaa osittain ojasta allikkoon ja koneiden polttoainetalouden parantamiseen on etsittävä uusia keinoja. Onko hybriditekniikasta apua?

Hybridisoinnin motivaatio ja erilaiset hybridit

Autojen valmistajat ovat tuoneet japanilaisten johdolla erilaista hybriditekniikkaa markkinoille jo pitkään. Kriittisen tarkkailijan on kuitenkin hankala ymmärtää, mikä on varsinainen käyttövoima tälle kehitykselle. Usein hybridimalleja tarjotaan malliston yläpäässä ja pahimmillaan niin, että autossa sekä polttomoottori että sähkömoottori kumpikin tuottavat kumpikin 200 kW maksimitehoa, jolloin hybridistä ei ole enää mitään hyötyä energiankulutuksen suhteen, mutta - kyllä lähtee, jos kumi pitää! Järkevän ympäristöajattelun asemesta meille tarjotaan 1960-luvun muskeliautojen suorituskykyä uudessa, muka vihertävässä kääreessä.

Jos auto haluttaisiin rakentaa todella energiatehokkaaksi ja ympäristöystävälliseksi pitäisi ensin pohtia, mikä on käytännössä vaadittava suorituskyky ja varsinkin, mikä on autolla ajettaessa sen keskimääräinen tehontarve ja sitten satsata riittävään sähköiseen energiavarastoon.

Kuinka tehokas auton moottorin pitäisi olla?

Tavallinen perheauto kulkee noin 15 kW:n teholla 100 km/h, mikä on Suomessa tyypillinen maksiminopeus. Tarvitaanko autossa siis tätä suurempaa moottoria? Kun ajetaan polttomoottorilla, sen suurta tehoa tarvitaan kiihdytyksissä. Muulloin iso polttomoottori käy lähes tyhjäkäyntiä ja kuluttaa suhteettoman paljon. Jos nopeus nostetaan tasaiseen sataan kahteen kymppiin, nousee tehotarve, mutta jää silloinkin alle 25 kW:n.

Suomessa kukaan ei pysty ajamaan juuri missään oloissa laillisesti edes satasen keskinopeutta. Kun otetaan huomioon auton erilaisten apulaitteiden kulutus, voidaan todeta, että 25 kW on maksimiteho, jota tarvitaan auton reippaan matkanopeuden ylläpitämiseksi keskimäärin.

Järkevimmästä päästä lienee uusi pistokehybridi, jonka akkukapasiteetti on 4.4 kWh ja sähkökoneen teho 60 kW. Polttomoottorin teho on kuitenkin edelleen 73 kW, vaikka vain alle puolet siitä olisi tarpeen. Kaupunkiajossa talvella polttomoottoria tarvitaan auton sisätilojen lämmittämiseen. Kunnon polttoainelämmitin olisi fiksumpi vaihtoehto.

Miksei kukaan valmista oikeasti energiapihejä autoja?

Jos tehdään todella energiapihi hybridi, varustetaan se esim. noin 30 kW:n dieselmoottorilla, joka pyörittää noin 40 prosentin hyötysuhteella korkean hyötysuhteen generaattoria (95 %), joka tuottaa sähkön auton liikkumiseen ja apulaitteille. Käytännössä tämä auto kulkisi noin 3-4 litralla 100 kilometriä matka-ajossa, ja kaupungissa sen kulutus olisi hyvin matala. Sarjahybridissä jarruttaminen tapahtuisi lähes kokonaan sähköä akkuun syöttäen, joten kaupunkikulutus romahtaisi nykyisestä. Auton suorituskyky olisi kuitenkin räväkkä, kun sähköisen ajomoottorin teho voidaan hyötysuhteen kärsimättä valita esim. noin 100 kW:n tienoille.

Tällaista hybridiautoa ei kuitenkaan kukaan valmista. Miksi? No siksi, että autotehtaiden on tärkeää tukea olemassa olevan infran käyttöä. Moottoritehdas pukkaa isoja koneita, yhtään nimellisteholtaan 30 kW:n kaksisylinteristä moottoria ei ole tuotannossa. Mekaaninen vaihteistokin jää tarpeettomaksi sarjahybridissä. Mitä tehdä vaihteistotehtaalle ja koko muulle tuotanto- ja jakeluketjulle? Kätevintä on siis tarjota autoja, joissa on iso moottori ja lisäksi kallis sähkökäyttö, josta ei ympäristön kannalta ole mitään hyötyä. Mutta näillä mennään, kunnes kehitys kehittyy?