Aurinkotalous mukaan keskusteluun ekoautoilusta

Autoilu tuottaa noin viidenneksen Suomen kasvihuonepäästöistä, kun autoja liikutetaan fossiilisin polttoainein. Ilmastonmuutos on saanut monet intoilemaan sähköautoilun puolesta. Se kuulostaa hienolta, puhtaalta ja ympäristöystävälliseltä. Satojen kilometrien ajomatkan tarjoavan akun valmistaminen nykytekniikalla rasittaa kuitenkin ympäristöä sekä itse auton omamassaa kohtuuttomasti.

Akun valmistamisesta aiheutuva hiilidioksidipäästö on peräti noin 150 kg/kWh eli 100 kWh akun valmistaminen tuottaa noin 15 000 kg hiilidioksidipäästön. Akkujen ominaisenergia on varsin vaatimaton, eikä varsinaista läpimurtoa ole juuri näköpiirissä.

Esimerkiksi Tesla Model S:n 400 V NCA akun ominaisenergia on 160 Wh/kg. Niinpä 100 kWh akun kokonaismassaksi tulee peräti 625 kg. Tämä on yli kymmenkertainen bensa-auton täyden tankin massaan verrattuna ja aiheuttaa autolle merkittävän, aina mukana raahattavan taakan.

Joitakin autoja saa sekä sähkö- että bensaversiona. Akun valmistaminen tuo niin suuret päästöt, että autoilla on ajettava jopa 60 000 km ennen kuin sähköauton kokonaispäästöt alittavat bensa-auton päästöt [TM 23/18]*. Tämän arvion perustana on oletus, että sähköauto ladataan suomalaisella sähköllä, jonka hiilidioksidipäästö on keskimäärin 164 kg CO2/MWh tai että bensa-auto tankataan suomalaisella polttoaineella, joka sisältää 10% biokomponenttia.

Sähköautoissa käytetään yleisesti NMC- tai NCA-akkuja, joihin tarvitaan kobolttia. Akku koostuu periaatteessa neljästä kohteesta, katodista ja anodista sekä eristeestä niiden välissä ja elektrolyytistä. Litiumioni-akku on akku, jossa litiumioni liikkuu anodin ja katodin välillä. Litiumioni liikkuu akun purkautuessa anodista katodiin ja ladattaessa katodista anodiin. NMC tai NCA -nimitykset tulevat akun katodin pääasiallisesta koostumuksesta. Anodi on näissä tapauksissa pääosin grafiittia eli hiiltä.

Katodin nikkelipitoisuus vaikuttaa erityisesti akun tehoon, mangaani stabiiliuteen ja koboltti akun energiatiheyteen. Teslan akkujen katodeissa ei ole mangaania, vaan katodi koostuu litiumista, nikkelistä, koboltista ja alumiinioksidista (NCA). Akkua valmistettaessa aktiivista katodimateriaalia tarvitaan tyypillisesti noin 1.6 kg kWh:a kohti.

Koboltin niukkuus maapallolla muodostaa ongelman akkujen laajamittaisen valmistuksen kannalta. Niukkojen kobolttivarantojen vuoksi sen käytettävää määrää pyritään kaikin keinoin minimoimaan, mutta samalla menetetään helposti akun kapasiteettia. 100 kWh:n NMC-akussa on katodimateriaalia noin 160 kg, josta koboltin osuus on minimissään noin 4 % eli 6.4 kg. Valmistajista Panasonic on saanut NCA-akuissaan koboltin määrän lasketuksi noin yhdeksään kiloon 100 kWh kohti.

Mikäli miljardi autoa haluttaisiin varustaa 100 kWh:n NMC- tai NCA-akulla, tarvittaisiin Maan arvioidut kobolttiresurssit kaksinkertaisesti. Mikäli taas kaikki Euroopan autot varustettaisiin tällaisin akuin, tarvittaisiin noin 140 Terrafamen kaivosta tuottamaan tarvittava koboltti.

Nopein tapa vähentää autoilun ilmastovaikutusta on tuoda markkinoille 100 % uusiutuvia polttoaineita.

Jos Suomessa alettaisiin juuri tänään ostaa pelkästään sähköautoja, menisi autokannan täydelliseen sähköistymiseen 20 vuotta. Päästöjä pitää kuitenkin laskea paljon tätä nopeammin. Nopein tapa vähentää autoilun ilmastovaikutusta on tuoda markkinoille 100 % uusiutuvia polttoaineita.

Mikäli bio- tai sähködieseliä tai sähköbensiiniä voisi tankata sellaisenaan, poistaisi se auton ilmastovaikutuksista 90 % heti ensimmäisestä tankkauksesta lähtien. Perinteisten biopolttoaineiden ongelmana on raaka-aineen saatavuus. Biomassoja ei mitenkään riitä kaikkeen autoiluun, joten ne tarjoavat vain osittaisratkaisun.

Kestävän ratkaisun autoilun energiantarpeeseen tarjoaa aurinkotalous. Ihmisen vuosittain käyttämä energiamäärä saapuu Auringosta 90 minuutissa ja vuodessa on kaikkiaan 525600 minuuttia! Aurinko- ja tuulisähkön hinta on pudonnut nopeasti. Niiden hinta on maailmalla tällä hetkellä noin 15 €/MWh ja hinnan ennustetaan laskevan. Esimerkiksi Fortum ennustaa aurinkosähkön maksavan Chilessä tulevaisuudessa vain 6 €/MWh.

Edullisen aurinko- ja tuulisähkön avulla voidaan tuottaa ilmastoneutraaleja polttoaineita. Sähköllä hajotetaan vettä vedyksi ja hapeksi. Ilmasta, merivedestä tai tehtaan piipusta erotetaan hiilidioksidi raaka-aineeksi. Vedystä ja hiilidioksidista valmistetaan haluttuja synteettisiä hiilivetyjä. Vetyä saa sähkön avulla vedestä noin 80 % hyötysuhteella, metaania syntyy noin 60 % hyötysuhteella ja synteettistä dieseliä noin 50 % hyötysuhteella. Tuulisähkön kustannus on Suomessakin jo selvästi alle 30 euroa/MWh, ja sähködieselin hinta olisi tällä hinnalla tuotettuna noin euron litralta. Hinta laskee entisestään, kun tekniikka kehittyy ja sähkö halpenee.

Kaiken kaikkiaan voidaan todeta, että mitä yksinkertaisempaa polttoainetta voidaan käyttää sitä energiatehokkaampi ja halvempi prosessista tulee. Vedyn varastointi on vaikeaa, mutta metaani vaikuttaa mielenkiintoiselta tulevaisuuden sähkövarastolta, koska sen varastointi on helppoa. Sitä paitsi metaanin jakelulle on maailmassa jo laaja infrastruktuuri valmiina.

Tulevaisuuden perheauto on sähköauto, jossa on pienehkö, noin kokoluokan 10 kWh akku, jossa on tehoa noin 100 kW. Siihen luonnonvarat riittävät. Pienen energiakapasiteetin akun voi ladata yön yli kotona tai työpaikan pistorasiasta päivällä. Nykyisen ajokäyttäytymisemme mukaisesta päivittäisistä ajoista 50 % saadaan verkkosähkölle. Koko maan kattavaa kallista pikalatausinfraa ei tarvitse rakentaa.

Kokonaisajomme toista puolikasta varten autoon tarvitaan oma, kemiallista energiaa hyödyntävä voimalaite ja sitä varten varasto, esimerkiksi metaanisäiliö. Voimalaitteen tehoksi riittää 20 kW. Kun laite optimoidaan tähän yhteen toimintapisteeseen eikä sitä muuten käytetä, saadaan sen energiahyötysuhde korkeaksi.

Edellä kuvatun kaltainen sähköauto vastaa kaikkiin perheen tarpeisiin. Sillä pääsee 1000 km yhdellä tankkauksella, joten perhe ei tarvitse toista autoa edes pitkille matkoille. Näin saadaan autoilusta sekä energia- että resurssitehokasta ja akun varauksen loppumisen aiheuttama hermoilu voidaan lopettaa.

Juha Pyrhönen, professori, LUT School of Energy Systems

* Lähde: Tekniikan Maailma 23/2018: "Torjuuko sähköauto oikeasti ilmastonmuutosta"

Lue seuraavaksi: