Sähköauton hyötysuhde on omaa luokkaansa – Polttomoottoriautoon verrattuna ero on todella suuri
Sähköauton tekninen mielekkyys on täysin hyvän hyötysuhteen varassa. Näin se toimii.
Sekä litiumioniakkua ladattaessa että sitä purettaessa syntyy lämpöhäviöitä. Lämpöhäviöitä syntyy sitä enemmän mitä suurempi on akun läpi kulkeva virta. Akun energiahyötysuhde kokonaiselle lataus-purkusyklille on käytännössä noin 90 % suuruusluokkaa. Akun ikääntyessä sen häviöt kasvavat.
Tehoelektroniikan hyötysuhde
Sähköautossa energiaa muutetaan muodosta toiseen useamman kerran: ensin auton sisäinen laturi muuttaa sähköverkon vaihtosähkön akulle sopivaksi tasasähköksi ja syöttää sen akkuun. Kun autolla ajetaan, muunnos tehdään toiseen suuntaan: auton muuttaja muuttaa akun tasasähkön moottorille sopivaksi vaihtosähköksi. Tämän muunnoksen hyötysuhde riippuu käytetystä tehoelektroniikasta, mutta on yleensä vähintään 90 %, parhaimmillaan yli 95 % per muuttaja.
Koska muunnos tehdään sekä ladattaessa että ajettaessa, tehoelektroniikan hyötysuhteeksi sähköisellä voimalinjalla tulee 90 % x 90 % = 81 %, eli noin 80 prosenttia.
Yleensä sähköautoissa sisäinen laturi ja moottoria syöttävä muuttaja ovat kaksi erillistä komponenttia, mutta ne voidaan integroida myös samaksi moduuliksi, kuten Renault Zoessa on tehty. Tällöin säästetään hieman tilaa.
Moottoria syöttävää muuttajaa kutsutaan usein invertteriksi, joka tarkoittaa teollisuudestakin tuttua vaihtosuuntaajaa tai taajuusmuuttajaa.
Pikalaturin hyötysuhde
Siinä missä vaihtosähkölatausasema on käytännössä vain älykäs pistorasia suojalaitteineen, pikalatauksessa sähköverkon vaihtosähkö muutetaan akulle sopivaksi tasasähköksi kiinteässä pikalaturissa ja akkuun syötetään tasavirtaa latausasemalta saakka.
Pikalaturien ja suurteholaturien hyötysuhteet ovat tyypillisesti 93 – 97 % suuruusluokkaa. Ero voi tuntua pieneltä, mutta esimerkiksi 250 kW latausteholla 4 % hyötysuhteen parannus tarkoittaa 10 kW leikkausta hukkatehosta. Jos laturi toimii keskimäärin 150 kW teholla 6 tuntia päivässä, energiaa säästyy 36 kilowattituntia ja vuositasolla peräti 13 MWh, pienen omakotitalon sähkönkulutuksen verran.
Hyötysuhteesta laskettu hukkatehon määrä kertoo samalla mutkattomasti osasyyn sille, miksi pikalaturissa muunnos sähköverkon vaihtosähköstä akun tasasähköksi tehdään auton ulkopuolisessa laturissa eikä auton sisällä. Kun latausteho on satoja kilowatteja, hukkatehoa eli hukkalämpöä syntyy pahimmillaan toistakymmentä kilowattia. Tällaisia tehoja käsittelevän jäähdytyksen toteuttaminen kompaktisti autoon on kallista ja tilaavievää. Laturi on helpompi ja halvempi toteuttaa kiinteästi asennettavana ilmajäähdytteisenä elektroniikkana kadun varteen kuin sovittaa autoon. Mahdotonta tämä ei tietenkään ole: onhan tehokkaissa sähköautoissakin satoja kilowatteja käsittelevä taajuusmuuttaja, tai useampi sellainen, moottoreita varten.
Moottorin hyötysuhde
Sähkömoottoreiden hyötysuhteet ovat hyviä, jopa reilusti yli 95 %. Hyötysuhde säilyy vielä yli 90 prosentissa hyvin laajalla käyttömomentti- ja kierroslukualueella. Tämä on merkittävä etu verrattuna polttomoottoriin, jonka hyötysuhde osakuormalla jää heikoksi.
Pistorasiasta pyörille
Karkean arvion sähköisten komponenttien kokonaishyötysuhteesta saa kertomalla laturin, akun, invertterin ja moottorin hyötysuhteet keskenään. Jokaisen hyötysuhde on 90 prosentin suuruusluokkaa, joten kokonaishyötysuhde on 90 % potenssiin neljä, eli 66 prosenttia.
Hihavakiona voidaan siis sanoa, että sähköautoon ladatusta sähköstä menetetään karkeasti kolmasosa ennen kuin se saadaan pyörittämään moottorin akselia.
Eikä tässä vielä kaikki
Tämän lisäksi häviöitä syntyy voimansiirrossa, kuten polttomoottoriautossakin – tosin hieman vähemmän, koska muuttuvavälityssuhteista vaihteistoa useine hammaspyöräpareineen ei tarvita. Suurimmassa osassa sähköautoja on vain alennusvaihde ja tasauspyörästö.
Sähköhävikkiä siis syntyy – mutta onko kolmannes itse asiassa paljon vai vähän? Se on todella vähän, sillä polttomoottorin hyötysuhde on käytännön ajossa 10–20 % suuruusluokkaa. Tätä voidaan parantaa erilaisilla hybridisointiratkaisuilla, mutta lähellekään sähköauton hyötysuhdetta ei millään konstilla ole mahdollista päästä.
Tutkimustietoa: Lataaminen joka päivä ei ehkä olekaan järkevää
Tuore ranskalaistutkimus valottaa latauskäyttäytymisen vaikutusta sähköauton akun heikkenemiseen ajan ja käytön saatossa. Ranskalaistutkijoiden tuore artikkeli on julkaistu tammikuussa IEEE Transactions on Vehicular Technology -lehdessä.
Sähköauton akun varauskyky heikkenee tunnetusti sekä ajan että lataus-purkusyklien saatossa. Myös lämpötila sekä lataus- ja purkusyklien syvyys vaikuttavat akkuun, kuten myös lataus- ja purkuteho.
Yksi tutkimushaasteista on datan puute: akun kuntoa ei kirjata katsastuksen yhteydessä minnekään, eikä kunnolle ole yksiselitteistä standardoitua määritelmää. Esimerkiksi leasing-yhtiön keräämästä riittävän laajasta kilometrimäärä- ja akun kuntodatasta voidaan päätellä jotakin, mutta esimerkiksi auton lataustavan ja käyttölämpötilan vaikutukset jäävät usein hämärän peittoon.
Aikaisemmasta tutkimuksesta tiedetään, että akun lataaminen aivan täyteen ja purkaminen aivan tyhjäksi nopeuttavat akun heikkenemistä. Myös akun seisottaminen täyteen varattuna nopeuttaa vanhenemisprosessia.
Ranskalaistutkimuksessa kehitettiin malli, jonka paikkansapitävyys varmistettiin vertaamalla sitä Renault Zoen 41 kWh:n akkujen valmistajan kokeelliseen akunvanhenemistestidataan. Lopuksi tutkijat simuloivat erilaisia käyttöskenaarioita selvittäen muun muassa sitä, kuinka auton lataaminen päivittäin tai harvemmin vaikuttaa akun ikääntymiseen.
Tulosten mukaan akku heikkenee sitä hitaammin, mitä matalampi on akun keskimääräinen varaustaso. Esimerkiksi jos akku ladataan aivan täyteen joka neljäs päivä, akulla kestää saavuttaa 80 % SoH-arvo 36 % kauemmin kuin joka päivä täyteen ladattaessa, päivittäisen ajomäärän pysyessä samana. Vuosina ajat ovat 8,6 vuotta ja 6,3 vuotta. Pitkäikäisimmäksi – 14 vuotta 80 % SoH-rajan saavuttamiseen – akku saatiin varaamalla se korkeintaan 30 %:iin. Tällainen käyttö sopii kuitenkin huonosti käytännön ajoon
Tulokset puoltavat sitä, että akun pitkäikäisyyttä silmällä pitävän sähköautoilijan kannattaa säätää akku latautumaan matalaan varaustasoon, ja ladata akku täyteen ainoastaan ennen pitkiä reissuja. Tutkijat korostavat, että tulosten yleistettävyys vaatii testejä myös muilla akkumalleilla.
Tiesitkö, että…
- vaikka sähköautossa on regeneroiva jarrutus, taloudellisempaa on silti, jos vauhdin hiljentämisen pystyy tekemään ennen moottorijarrutusta – regeneroinnissa syntyvät häviöt menevät tuuleen, jolloin kokonaishyötysuhde jää pienemmäksi.
- pikalatauksessa häviöt ovat taas aina suurimmat kuin hitaassa latauksessa. Kokonaisenergiansäästö ja akun kestävyys myös se, jos akkua joudutaan esilämmittämään latausta varten.
Sähköistä liikennettä numeroina
- 2 % – sähkön siirtohäviöt ovat Suomen kantaverkossa (Fingrid) vain noin 2 % koko Suomen sähkönkulutuksesta. Suunnilleen toinen mokoma häviöitä syntyy verkkoyhtiöissä sähkön jakelussa.
- 1/3 – Myös sähkön tuotannossa tapahtuu häviöitä. Esimerkiksi ydinvoimalan hyötysuhde on vain 30 prosentin suuruusluokkaa, koska turvallisuussyistä voimalassa ei voida käyttää korkeita lämpötiloja ja voimalat ovat niin kaukana asutuksesta, että hukkalämmön hyödyntäminen on vaikeaa.
