Sähköautot - Nyt!

Vedyn valmistus ei ole ainoa päänsärky.
- Myös vedyn kuljetus on vaikeaa: vety vuotaa teräslevystä suoraan läpi, joten säiliöiden pitää olla paksuja ja raskaita.
- Ilmaan karkaava vety tuhoaa tehokkaasti otsonikerrosta.
- Vetypolttokennot ovat tavattoman kalliita. Niiden valmistukseen tarvitaan platinaa.

Toistetaan taas itseä. En jaksa uskoa vedyn järkevyyteen sähköauton energianlähteenä vaikka vetypolttokennot saataisiinkin nykyistä edukkaammaksi, koska:
1) Pienimpänä ja kevempänä alkuaineena vety haihtuu säiliöistä => Ei sovellu hyvin pitkäaikaiseen säilytykseen.
2) Polttoainesäiliössä yleensä nestemäisessä muodossa, jotta tavaraa saadaan mukaan riittävästi => vaatii hyvin matalia säilytyslämpötiloja => Polttoainesäiliöstä tulee raskas ja polttoaineen syöttäjärjestelmästä ilmeisen monimutkainen.
3) Vedyn jakeluinfrakstruktuurin puuttuminen lähes tyystin. Vanhaa polttoaineen jakeluverkostoa ei voida tähän käyttää ihan pikku muutoksin => Verkoston teko maksaa maltaita ja sellainen ei synny ihan heti.

Tähän kun vielä lisätään Pakokaasuun mainitsemat vedyn tuotantoon liittyvät ongelmat ja vetypolttokennon kalleus, niin enpä usko vetyautojen ihan heti yleistyvän, sen verran monta on esteitä vielä ratkottavana.

.. Mutta tuo DEFC saattaa olla parempi vaihtoehto, etanolia voi jaella nykyisessä huoltoasemaverkossa kohtuu pienin modauksin, käsittääkseni sen energiatiheyskin on vetyä parempi => yli 500km ajomatka on saavutettavissa => vähän harvempikin jakeluverkosto riittää hyvin ensi alkuun.. Ja hyvä argumentti etanolin puolesta on, että polttoainetta voidaan tehdä erillään sähkönjakeluverkostosta… Ja lähitulevaisuudessa etanolia tullaan enenevässä määrin tekemään ei-syötävästä biomassasta, mikä etanolin valmistuksessa on se suositeltavin linjaus.

Itse en tiedä, kuinka kehittynyttä tuo etanolipolttokennotekniikka on verrattuna vastaaviin vetyversioihin ja kuinka hyvin ne soveltuvat autokäyttöön. Tämä lienee myös se suurin hidaste DEFC:n käyttöönoton tiellä..

.. Omassa mielessä kajastelee haave sähköautosta, joka olisi "akku-DEFC-hybridi", autossa vakiona luokkaa 50kWh - 75kWh kevyt akusto, jolla ajetaan valtaosa päivittäisistä, lyhyistä ajoista ja monen sadan kilometrin ajoja varten käyttöön tulisi voimanlähteeksi DEFC. Tämä skenaario tietty edellyttää, että etanolia on riittävästi saatavilla.

Kyllähän noita akkujen pikalatausysteemejäkin kehitellään, mutta ei tarvitse olla kovinkaan suuri sähkönero kun pikku laskelmilla huomaa luvassa olevat käytännön haasteet. "Pitää vaan järkätä niitä 250kW:n latauspisteitä" ! .. Jep jep, mitenköhän toi toimii kun pikalautaus vaativien autojen määrän kasvaa reilusti ? Hetkittäisen tehon tarve kasvaa aika lailla. Tämä saattaa taas vaatia isoja investointeja nykyiseen sähkönjakeluverkostoon (jos siis ihmiset siirtyvät aktiivisesti käyttämään pikalatausta)

"Itse en tiedä, kuinka kehittynyttä tuo etanolipolttotekniikka on verrattuna…"

Siinä missä Litium-Titanaatti ja SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ovat suurin piirtein valmiita kaupalliseen käyttöön, DEFC on vielä tutkimuskäytössä. Sillä saavutetaan vasta enintään 140 mW/cm2 ja prototyyppi tuottaa 1.5 W energiaa joka toivon mukaan kehittyy tutkimusten myötä. SOFC pääsee parhaillaan 100 MW:n luokkaan.

Etuna tosin on se, että nimensä mukaisesti etanolia (8 kWh/kg) voidaan syöttää suoraan polttokennolle ilman huipputeknisiä painekammioita kuten vedyssä (30-40 kWh/kg*) tarvitsee. Myöskään DEFC ei tarvitse myrkyllistä metanolia (6.1 kWh/kg) kuten DMFC (100 mW - 1 kW). Eikä tarvitse odotella onnettomuuksia**.

Pikalatauksista vielä sen verran, että jatkossa liikenneasemat tulisi sijoittaa uudistuksen (seuraavina vuosikymmeninä pylväistä maakaapeleihin) myötä suurjännitteen läheisyyteen. Tällöin esimerkiksi 6 latauspistettä veisi 1.5 MW läheisestä 10-400 kV @ 50 Hz kolmivaihe-suurjännitteestä. Pientaloissa ja tornitaloissa yms. pitäisi riittää 2-8 tunnin sähkötolppa.

*) Osa mainitsee tämän olevan jopa 50-65 kWh / kg, mutta tuo on kyseenalainen. Esitetyt arvot sen sijaan otettu mm. fysiikan kirjallisuudesta.
*.1) Crude-öljy tuottaa parhaimmillaan 12 500 Wh / kg.

**) Quantum of Solace (2008) lopussa oleva toimintakohtaus.

Eli siis polttokennoauton energianlähteinä on tutkittu vetyä, metanolia ja etanolia.
Vedyn valmistaminen on hankalaa, metanoli on myrkyllistä, joten paras vaihtoehto on tällä hetkellä etanoli.
Yllä on varsin asiantuntevasti selvitetty asiaa, jonkinlainen sivu löytyy myös Wikistä:
http://en.wikipedia.org/wiki/Direct-ethanol_fuel_cell
—
Tämänhetkiset saavutukset:
"Technofil has produced a 1.5 W Direct Ethanol Fuel Cell prototype. The prototype consists of two monoplanar fuel cells giving an output voltage of 0.9 to 0.5 V depending on the load.

On 13th of May 2007 a team from the University of Applied Sciences in Offenburg did present world's first vehicle powered by a DEFC at Shell's Eco-marathon in France. The car "Schluckspecht" attended a successful test drive on Nogaro Circuit powered by a DEFC stack giving an output voltage of 20 to 45 V (depending on load)."
—
Mikähän tilanne mahtaa olla tällä hetkellä? En edes löytänyt Technofil-yhtiötä, onko jokin öljyfirma sen ostanut ja lopettanut?
Onko DEFC-polttokennoauto tulossa tuotantoon 20-30 vuoden päästä kuten kaikki "vaihtoehtoiset" polttokennoviritelmät?
Ensimmäiseen viestiini viitaten, vedyllä aiotaan sarjatuotantoon vuonna 2015.

Etuna tosin on se, että nimensä mukaisesti etanolia (8 kWh/kg) voidaan syöttää suoraan polttokennolle ilman huipputeknisiä painekammioita kuten vedyssä (30-40 kWh/kg*) tarvitsee. Myöskään DEFC ei tarvitse myrkyllistä metanolia (6.1 kWh/kg) kuten DMFC (100 mW - 1 kW).

Noihin energiatiheyksiin tuijottaessa kannattaa muistaa, että autokäytössä myös lukema MJ/L merkitsee jotain.

Vety: 143 MJ/kg, 10,1 MJ/L (neste) tai 5,6 MJ/L (700 bar kaasu)
Diesel: 46,2 MJ/kg, 37,3 MJ/L
Bensiini: 46,4 MJ/kg, 34,2 MJ/L
Etanoli: 30 MJ/kg, 24 MJ/L
Metanoli: 19,7 MJ/L, 15,6 MJ/L

(MJ/kg:sta saadaan kWh/kg jakamalla 3,6:lla. En vain pidä wattituntien käytöstä muuten kuin sähkön yhteydessä, kun sitten joka alkaa heti vertailla lämpöarvoja ja sähköä.)

Joten kyllähän siihen syy on, että öljyjalosteita käytetään. Vedyn kohdalla tuohon tilavuuteen pitää vielä tietysti lisätä tankin vaatimat suhteellisen raskaat ja tilaavievät rakenteet.

Itse en tiedä, kuinka kehittynyttä tuo etanolipolttokennotekniikka on verrattuna vastaaviin vetyversioihin ja kuinka hyvin ne soveltuvat autokäyttöön. Tämä lienee myös se suurin hidaste DEFC:n käyttöönoton tiellä..

Etanolipolttokennon hyvyyttä määriteltäessä sitä pitää verrata etanolin polttamiseen polttomoottorissa. Jälkimmäisellä tavalla etanolin lämpöarvosta on saatavissa nykyään yleisesti käytössä olevalla teknologialla ainakin kolmannes sähköksi ajoneuvossa.

Teoriassa polttokennolla on hyvinkin mahdollisuudet päästä polttomoottorin ja generaattorin yhdistelmää paremmaksi. Tässä kohdassa ei kuitenkaan kannata vielä pidättää hengitystä, DEFC:n matka ajoneuvokäyttöön soveltuvaksi (olosuhdekestävyys, hinta, koko, hyötysuhde) on pitkä.

etanolia voi jaella nykyisessä huoltoasemaverkossa kohtuu pienin modauksin

Hyvin pienin. Ja kun sitä ei-syötävästä biomassasta tehtävää etanolia tulee kuitenkin alkuvaiheessa kovin vähän, niin sen voisi sitten sotkea saman tien bensan sekaan ja myydä E10-nimellä. Melkein kaikki bensiinikäyttöiset autot suostuvat vaurioitta liikkumaan tuolla tavaralla.

Kokonaan toinen kysymys on se, kuinka paljon etanolia voidaan tehdä biomassasta ekologisesti ja ekonomisesti järkevästi. Joskus tuntuu, että ekologisin vaihtoehto olisi myydä riittävän puhdasta etanolia halvalla huoltsikoilla ja laittaa kaikkiin autoihin alkolukot. Litralla etanolia pitäisi yhden autoilijan päivätolkulla pois ratista.

"Mikähän mahtaa tilanne olla tällä hetkellä…"

Osa huipputekniikan ja -tieteen tutkijoista tai yhtiöistä ei edes ylläpidä verkkosivuja tai ne on suljettu ulkoisilta IP-osoitteilta (ns. julkiset käyttäjät). Tuosta polttokennosta on olemassa ainakin esitys verkossa. Ilmeisesti Italialaisen ICCOM-CNR Instituutin ja Technofil:n kehittämä laite.

http://www.iccom.cnr.it/altro/fuelcell.pps

Lisäksi hauska tuotekehitysilmoitus (Vodkasta iPodille virtaa):
http://www.horizonfuelcell.com/file/DEFC_Press_Release.pdf

Sitten enemmän fysiikan tai kemian opintoja vaativaa tekstiä (ainakin approbatur-opinnot, Laudatur-opinnot täydelliseen ymmärrykseen), mutta perusasioita saa selville vähemmälläkin:
http://www.electrochem.org/meetings/scheduler/abstracts/214/0931.pdf
- Graduate School of Life Science and Systems Engineering, Kyushu Institute of Technology

http://www.princeton.edu/~abbgroup/Mann.Langmuir.2006.pdf
- Department of Chemistry, Princeton University

… sitten sivumainintana että on noita polttokennoja paljon enemmänkin (tutkijoita ja tutkimusryhmiä on moneen makuun, niin sanoakseni), mutta pitääkseni asiat edes jotenkin luettavana en alkanut kaikkia luetella.

Mainitsin arvot kWh per kg, koska fysikaalisia ominaisuuksia tarkasteltaessa tuo on ehkä helpompaa vaikka autoilussa kieltämättä käytetään lähes yksinomaan tilavuutta eli litraa (teknisempiä autourheilua lukuun ottamatta, kuten F1). Lisäksi tietty tilavuus eri ainetta voi helposti painaa eri määriä, jolloin sillä on eri vaikutuksia kokonaisuuteen. Tuo E10 kokeilu/käyttö tavanomaisessa autossa voi osoittautua arpajaispeliksi. Luultavasti kaasutin hajoaa, ellei auto ole ihan uudempaa sukupolvea. Joissakin hinta-laatusuhteeltaan heikommissa ajoneuvoissa myös polttonesteen syöttöletkut voivat sanoa itsensä irti.

Lisäksi Fraunhofer IZM Instituutilta viime vuonna (huhtikuu 2008) tullut tutkimusreportti, missä mainitaan mm. tehokkuuden kasvaneen jo 150 - 200 mW/cm2 luokkaan:
http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/16854/1/dtip08034.pdf

Tuo Technofil:n ja ICCOM-CNR Instituutin kehittämä laite on ilmeisesti vuodelta 2002 tai aiemmin kehitetty.

… siis tutkimusraportti, jäi vielä englanti osittain päälle.

Tuo E10 kokeilu/käyttö tavanomaisessa autossa voi osoittautua arpajaispeliksi. Luultavasti kaasutin hajoaa, ellei auto ole ihan uudempaa sukupolvea. Joissakin hinta-laatusuhteeltaan heikommissa ajoneuvoissa myös polttonesteen syöttöletkut voivat sanoa itsensä irti.

Ei nyt sentään. Tukholmassa taitaa kaikki pumpusta saatava ysivitonen olla oikeasti E5-polttoainetta (5 % etanolia), ja sitä voi käyttää missä hyvänsä bensavehkeessä (muistaako joku vielä sen jäänestopullollisen, joka kaadettiin tankkiin). Noin muuten ylivoimaisesti suurin osa 95E:tä polttavasta autokannasta voi käyttää E10:ä, mutta asia kannattaa tarkistaa valmistajilta. Esimerkiksi Floridassa tulee ensi vuoden alussa voimaan laki, jonka mukaan puhdasta bensiiniä ei saa enää myydä, vaan E10 on pakollinen.

E85 (85 % EtOH, 15 % bensiiniä) onkin sitten toinen kaveri. Sen kohdalla autoon tarvitaan parikin muutosta. Toinen on se, että materiaalien pitää kestää etanolia. Tämän vaatimuksen ilmeisesti osapuilleen kaikki uudet autot (vaan eivät vanhemmat) täyttävät. Toinen vaatimus on se, että tietokoneen on osattava pitää ruiskutussuuttimet riittävän pitkän ajan auki. Suurin osa uusista bensavehkeistä suostuu kyllä ajamaan E85:llä ilman vakavia vaurioita, mutta moottorinohjaus valittaa kovin.

Sinänsä olisi tietysti fiksuinta direktiivitasolla todeta, että kaikkien EU:ssa myytävien uusien autojen pitäisi olla FlexiFuel-vehkeitä E85-käyttöön. Siinä ei hävittäisi mitään, koska modifikaatiot eivät sen kummemmin haittaa tavallisen bensiinin käyttöä.

E5 meneekin vielä kaikissa autoissa ilman muutoksia, mutta sitten kyseessä olikin ne korkeaseoksisemmat (E10 - E100) joissa käytännössä on esiintynyt ongelmia.

E5: Toimii kaikissa ajoneuvoissa

E5 - E10: Ajoneuvoissa (yli 15 - 20 vuotta vanhat) voidaan joutua vaihtamaan:
… Kaasutin

E10 - E25: Ajoneuvoissa (yli 15 - 20 vuotta vanhat) voidaan joutua vaihtamaan:
… Polttonesteen syöttö
… Polttonesteen pumppu
… Polttonesteen paineistuslaite
… Polttonesteen suodatin
… Käynnistysjärjestelmä
… Haihdutusjärjestelmät (polttonestehöyryjen talteenotto)
… Polttonestesäiliö
… Katalysaattori

E25 - E85: Ajoneuvoissa (yli 15 - 20 vuotta vanhat) voidaan joutua vaihtamaan:
… Perusmoottori
… Moottoriöljy (öljyn laadun päivitys)
… Imusarjat
… Pakoputkistot

E85 - E100: Ajoneuvoissa (yli 15 - 20 vuotta vanhat) voidaan joutua vaihtamaan:
… Kylmäkäynnistysjärjestelmä

Nämä tiedot perustuvat tarvittuihin muunnoksiin Brasilian autoteollisuudessa (lähinnä Volkswagen do Brasil Ltda.) sen jälkeen kun etanoliohjelma aloitettiin Brasiliassa vuonna 1979. Se, että Ruotsissa ei olla koettu vastaavia ongelmia johtuu todennäköisimmin siitä, että joko ei olla käytetty riittävän korkeaseoksista polttonestettä (riittävän kauan aikaa) tai autot ovat keskimäärin uudempia ja/tai laadukkaampia.

E5 meneekin vielä kaikissa autoissa ilman muutoksia, mutta sitten kyseessä olikin ne korkeaseoksisemmat (E10 - E100) joissa käytännössä on esiintynyt ongelmia.

No niin… Siis missä se ongelma oli? Viisi prosenttia etanolia saa lorauttaa kaikkeen bensaan, joten asiaan ei tarvitse kiinnittää mitään huomiota ennen kuin sitä jäte-etanolia on yli viisi prosenttia maan vuotuisesta bensankäytöstä.

Sen jälkeen voidaan vaihtaa kaikki 95E-mittarit tankkaamaan E10:ä. Autokannasta muutama prosentti on epäyhteensopivia, joten niiden autojen omistajat joutuvat siirtymään 98E:hen (joskin osa näistä autoista joutuu käyttämään 98E:tä jo nyt). Tällöin meille mahtuu etanolia 10 prosenttia kaikesta kulutuksesta. (Tämä on muuten Saksassa jo vireillä.)

Koska FlexiFuel-autot yleistyvät joka tapauksessa, osa asemista voi etanolin saatavuuden parantuessa siirtyä myymään 98E:n sijasta E85-polttoainetta. Edelleenkään ei tarvita mitään lisäinvestointeja, ja tuossa vaiheessa (optimistisesti vuonna 2020) todennäköisesti 98E:tä kaipaavien määrä on jo kovin vähäinen, jolloin sitä tarvitsee tarjota enää harvemmissa paikoissa.

Etanolin lisääminen liikennepolttoaineena ei siis ole mistään muusta kiinni kuin itse litkun saatavuudesta.

"No niin… Siis missä se ongelma oli?…"

Anna olla. Unohda koko asia.