Matti Liiske: tere tulemast, elektriauto!

jaga E-post prindi artikkel saada vihje Loe ja lisa kommentaare

FOTO: SCANPIX

Riik ostab pool tuhat elektriautot, rajab nende laadimisvõrgu ning kavatseb pakkuda sadadele elektriauto ostjatele soodustusi. Nende uudiste valguses annab maaülikooli emeriitprofessor Matti Liiske põgusa ülevaate, millises seisus on praegu elektriautode tehnoloogia kõigi oma plusside ja miinustega.

FOTO: Repro

Lõpuks on hakanud elektriautode tootmine ja müük elumärke ilmutama. Senistest üksikutest katsetest on kujunemas enamiku autofirmade jõuproov elektriautode tootmises.

Toyota Priuse hübriidauto, Honda FCX kütuselemendiga elektriauto ja Tesla Roadsteri akumulaatoriga elektriauto valmistamise eeskuju on olnud nakkav paljudele autofirmadele. Ajakirjandus teatab mitmete elektriautode, nagu Mitsubi­shi iMiEV, Nissan Leaf, Citroën C-Zero, Peugeot iOn jt, tootmisest või isegi peatsest Eestisse jõudmisest.

Jättes praegu kõrvale hübriid­ajamiga auto, vaataks lähemalt nn puhta elektriauto tähtsamaid omadusi ja sõlmi. Oluline on energiamuundur või -salvesti, mida kasutatakse. Näiteks Honda FCX toodab elektrienergiat vesinikust autos kohapeal. Kütuselement on võimeline surupaagist saadud vesiniku ja õhust võetud hapniku oksüdatsiooni keemilise energia muutma otse elektrienergiaks ja soojuseks, kusjuures heitmeks on ainult veeaur.

Kogukasutegur (elekter + soojus) on 80–90 protsenti. Kaks kolmandikku saadud energiast moodustab elekter, ülejäänu. Selline auto võiks ka öösel maja elektriga varustada ja kütta.

Protsess toimub mehaanilise vahelülita ja seepärast on elektri tootmise efektiivsus kaks korda parem kui elektri tootmisel sisepõlemismootoriga või elektrijaamas auruturbiiniga. Vesiniku kõrval saab kasutada ka vesinikurikast gaasi või vedelikku.

Täpsemalt öeldes kasutatakse autol kütuselementidest koostatud patareid. Elektrimootori toiteks vajaliku pinge saamiseks tuleb jadamisi ja suurema voolutugevuse saamiseks rööbiti lülitada hulk elemente.

Kütuselemendi töö on vastupidine protsess elektrolüüsile ja tuntud juba üle 150 aasta. Elektrolüüsi teel võime paiksete seadmetega veest ja elektrist uuesti toota vesinikku. Kütus­element on siiski veel liiga kallis. Üks kallis koostisosa on plaatinast katalüsaator. Uued tehnoloogiad on aga võimaldanud selle kalli metalli vajadust kütuselemendis vähendada kümneid kordi.

Kütuselementidest odavamaks on osutunud akude kasutamine. Selliseid ­autosid on hakatud nüüd enam tootma. Akumulaatoriteks võivad olla pliiakud, mis on aga suhteliselt vähese energiamahutavusega massiühiku kohta. Tootmistehnoloogia on see-eest ammu tuntud ja olemas pikaajalised kasutuskogemused.

Viimasel ajal on kasutatud liitiumioon akupatareisid. Seni rohkem tuntud mobiiltelefonides ja sülearvutites. Need akud on pliiakudest kallimad, kuid mahutavad sama massi juures rohkem.

Tesla Roadsteril on neid kasutatud kõige kauem. Selle auto akupatareis on üle 6000 elemendi. Jääb loota, et elektriautode laiem kasutamine lükkab tagant uute kergete odavate akude loomist. Praegu on aku elektriauto kõige kallim ja lühiealisem sõlm.

Akusid saab laadida tavalisest kodu elektrivõrgust, alaldi paikneb autol, kuid kuna koduvõrk ja pardalaadija on väikese võimsusega, kestab laadimine kaua, ööga saab akupatarei siiski laetud ning pealegi odavama elektrienergiaga. Garaažis ja teel laadimisjaamades on võimsamad laadijad, mis võimaldavad poole tunniga laadida 80% aku mahtuvusest. Kiirlaadimine ei sobi hästi pliiakudele.

Autofirmad on oma elektriautosid reklaaminud kui CO2 nullemissiooniga autosid. See on ainult osaline tõde ja võimalik siis, kui kasutame tuule-, päikese-, hüdro- või aatomielektrijaamast saadud energiat.

Muide, tuumaelektrijaam ja elektriauto sobiksid omavahel väga hästi, eriti siis, kui akude maht tulevikus võimaldab sõita kogu päeva akut laadimata. Tuumajaama võimsust ei ole kerge reguleerida ja seepärast vajab see päeval töötava tööstuse asemel öösel lisatarbijaid.

Teine elektriauto oluline sõlm on sagedusmuundur. Kütuselemendist või akust saadud alalisvool muudetakse kolmefaasiliseks vahelduvvooluks. Selleks kasutatakse sagedusmuundureid, mis muundavad alalisvoolu soovitud sagedusega vahelduvvooluks.

Selline muundamine võimaldab mootoris kõige lihtsamal viisil saada pöörlevat liikumist ja suurt pöördemomenti. Muunduri poolt muundatud voolu sagedusest sõltub mootori kiirus. Paigalt liikumist alustatakse nullsagedusest ja suurendatakse seda järk-järgult.

Tänapäeval kasutatakse muundurites võimsustransistore. Muunduri ja seega ka elektrimootori tööd juhib autojuht kiirus- ja piduripedaali ning režiimivalikute teel elektroonikaseadmete abil.

Auto elektrimootor on enamasti kolmefaasiline püsivmagnetitega sünkroonmootor või asünkroonmootor. Viimast on aga keeruline kasutada pidurdamiseks. Need on kõige lihtsamad ja töökindlamad tuntud mootoritest. Sellisel mootoril on liikuvaks osaks ainult induktor (rootor), mille võll toetub kahele kuullaagrile. Kasutegur 80–90 protsenti.

Võrrelge seda sisepõlemismootoriga! Elektrimootor arendab suurt pöördemomenti ka väikestel pööretel ja ei vaja käigukasti, nagu sisepõlemismootoriga auto ajam. Elektriajamiga autol on küll reduktor, kuid see vähendab pöörlemiskiirust ja toimib momendi võimendina. Selline lahendus võimaldab kasutada suure kiirusega ja seega väikese massiga mootorit.

On ehitatud ka elektriautosid, mille ratas on ühtlasi sünkroonmootor. Telje peal paikneb kolmefaasiline staatorimähis, välisinduktori moodustab ratta velg, mille sisepinna sisse on valatud püsivmagnetid. Aeglase pöörlemiskiiruse saamiseks tuleb ehitada kümmekond pooluspaari (paarkümmend N-S magnetit vaheldumisi).

Kuna võimsus on momendi ja kiiruse korrutis, siis mootori madala kiiruse juures on vaja suurt momenti. Sellise mootori-ratta lahenduse juures ei piisa neljast rattast, vaid autole on alla pandud kaheksa ratast. Puuduvad aga igasugused ülekanded, mootori ainsaks liikuvaks osaks on velg, millel paikneb rehv, kogu auto kere on sõitjate ja toiteallikate päralt.

Kõigi elektriautode üks eelis on rekuperatiivpidurduse võimalus. Auto pidurdamiseks muudetakse mootor generaatoriks ja auto liikumisenergia muundub akude laadimiseks sobivaks elektrienergiaks. Seega pidurdamisel ei muudeta auto kineetilist energiat enam pidurites soojuseks, mis õhku haihtus, vaid akude elektrienergiaks.

Transistoridel töötava vaheldi võib muuta alaldiks, seega sünkroongeneraatori vahelduvvool alaldatakse akude laadimiseks sobivaks alalisvooluks. Pidurdusenergia tagastamine on eriti oluline linnasõidul, kus kiirendused ja pidurdused vahelduvad pidevalt. Mehaanilisi pidureid kasutatakse seisupiduritena ja eriti intensiivseks või väikese kiiruse juures pidurdamiseks.

Elektriauto piduriklotsid-kettad kuluvad märgatavalt vähem kui tavaautol ja elektri­auto ei tarbi linnas oluliselt rohkem energiat kui maanteesõidul. Muidugi ei tarbi foori all seisev elektriauto midagi, sest mootor seisab.

Eesti ja põhjamaade jaoks jääb veel üks probleem − külm talv. See tingib vajaduse soojendada autosalongi enne sõitu ja see sõidu ajal soe hoida, selleks vajatakse elektrit. On vaja garaaži või laadimisjaama kodu lähedal. Salongi soojendamine sõidu ajal nõuab märgatavalt energiat ja sõidumaa laadimiste vahel lüheneb.

Seda, et elektriauto salong talvel külm on, ei peaks kartma. Kõik sõltub autokonstruktori tahtest, kui võimsa kütteseadme ta raatsib paigaldada. Salongi kütteks saab aga kasutada ka akude laadimisel või töötamisel eralduvat soojust, see asjaolu tõstab optimismi.

Elektriauto eelised ja puudused

Elektriauto on vanem kui sisepõlemismootoriga auto, kuid sajanditaguste teadmiste ja tehnoloogiate tõttu said eelisarengu otto- ja diiselmootorid.

Elektriauto eelised:

•    auto ise ei saasta keskkonda

•    müra on väiksem

•    auto kiirendus on parem

•    ei vajata käigukasti

•    energiakulu ja energia maksumus on väiksemad

•    elektrimootor on väga lihtne ja töökindel

•    mootori kasutegur ulatub 90 protsendini

•    mootor käivitub mis tahes välistemperatuuri juures

•    mootori kiirus ja moment on kergesti juhitavad

•    elektrimootori maksimaalne moment on kaks-kolm korda suurem nimimomendist, st vajaduse korral saame suure kiirenduse

•    enamiku auto kineetilisest energiast saab pidurdamisel tagastada akusse

•    liiklusummikus elektriauto ei vaja energiat ega saasta keskkonda

•    on loota uut tüüpi akude kasutusele võtmist (näiteks tsink-õhk- akud on kolm korda kergemad võrreldes liitiumioonakudega sama mahtuvuse juures)

•    elektrienergiat võib saada loodussõbralikest allikatest (päike, tuul, hüdro-, termaal- ja tuumaenergia)

Akudega elektriauto puudused:

•    akupatarei ühe laadimisega läbitakse 150–400 km

•    akude suur mass, maksumus ja lühike tööiga

•    akude laadimiseks kulub aega

•    elektrienergia tootmise kasutegur soojusjaamas on võrreldav sisepõlemismootori kasuteguriga

•    kivisöe ja põlevkiviga töötavad elektrijaamad saastavad keskkonda

•    kütuselemendiga autol tuleb kasutada pidurdusenergia salvestina eraldi
elektrienergiasalvestit, näiteks superkondensaatorit

•    kütuselement on kallis

•    pliiakusid kahjustab kiire laadimine

•    plii on mürgine

Arvestades asjaolu, et autofirmad on elektriautodesse rohkem panustanud viimasel aastakümnel ja sisepõlemismootorit on täiustatud enam kui sajand, tuleb olla optimistlik. Kolmefaasilise vahelduvvoolumootori kasutamine alalisvoolumootori asemel on parandanud oluliselt ajami töökindlust ja võimaldab mootori momenti juhtida (valida momendi suuruse vastavalt vajadusele). Selline tehnoloogia sai võimalikuks tänu pooljuhtelektroonika arengule. Akude puudujäägi korvab kütuselement ja jääb oodata ainult selle hinna alanemist. Kütuselementi saab jõuallikana kasutada ka veoautodel, bussidel ja rongidel.

Matti Liiske

Tagasi üles