Tulevaisuudessa sähköautojen määrä kasvaa dramaattisesti ja niille pitää kehittää toimiva pikalatausjärjestelmä. Voisiko autoja pikaladata aurinkoenergialla?

Matkustajien ja tavaran kuljetus on käymässä läpi suurta muutosta sähköisten kulkuneuvojen yleistymisen vauhdittamana ja alan markkinoiden odotetaan jatkuvasti kasvavan. Kaikista myytävien kulkuneuvojen markkinoista sähköautot edustavat vielä kuitenkin varsin pientä osuutta. Arvion mukaan vuonna 2025 myydään kymmenisen miljoonaa sähköajoneuvoa ja että niiden osuus tulisi olemaan noin puolet markkinoista vuoteen 2050 mennessä.

Useimmat näistä ajoneuvoista ladataan, kun ne ovat yön yli pysäköityinä yhdistettynä oman parkkipaikan pistoketolppaan, jolloin lataus tapahtuu hitaasti. Osa ajoneuvoista voidaan ladata nopeasti tienvarren latauspisteissä, kun huoltoasemilla tapahtuva pikalataus yleistyy tulevaisuudessa.

Kun useita latauspisteitä toimii yhtä aikaa, sähköverkon kulutushuiput saattavat paikallisesti muodostua suuriksi. Tällöin paikalliset verkkohäiriöt ja kapasiteettikatkokset saattavat yleistyä, ellei siirtoverkkoihin ja voimalaitoksiin tehdä riittäviä – usein massiivisia – lisäinvestointeja. Tässä artikkelissa tarkastellaan sähköajoneuvojen lataamisen nykytilannetta ja pohditaan, miten tilanne tehontarpeen osalta kehittyy lähitulevaisuudessa. Lopuksi tuodaan esiin, miten tehontarpeen lisäys voidaan toteuttaa käytännöllisesti, kestävästi ja kaupallisesti järkevällä tavalla.

Sähköauton lataaminen nyt

Nykyisten vaihtovirtalatausjärjestelmien yleisissä ja yksityisissä jakeluasennuksissa jaettavan energian määrä vaihtelee. Tason 1 vaihtovirtalaturit toimivat 120 voltilla (enimmillään 2 kW) ja tason 2 laturit toimivat 240 voltilla jakaen enimmillään tehoa 20 kW. Molemmissa tapauksissa AC/DC-tehon muunnos suoritetaan ajoneuvoon asennetussa laturissa pistokeliittymän sijaan (erityisesti suojaus- ja veloitustoimintojen suorittamisen vuoksi). Kustannusten, koon ja painon asettamien rajoitusten vuoksi ajoneuvon kojelaudassa olevan laturin jakeluteho jää tavallisesti alle 20 kW:n.

Vaihtoehtoisesti jos käytetään tasavirtalatausta vaihtovirran sijaan lataus voi tapahtua suuremmilla tehotasoilla. Tason 3 tasavirtalaturit toimivat jopa 450 voltilla (jolloin jakeluteho enimmillään 150 kW) ja uusimmat superlaturit jopa 800 voltilla (tuottaen enimmillään 350 kW). Turvallisuussyistä ylin jännite on rajattu tuhanteen volttiin, silloin kun latauspistoke on yhdistetty ajoneuvoon. Tasavirtalatauksessa tehonmuunnos suoritetaan latausasemassa, joka yhdistetään suoraan auton akkuun. Tällöin ei tarvita ajoneuvon kojepaneelissa olevaa painoa lisäävää ja tilaa vievää laturia.

Mitä tarvitaan tulevaisuudessa?

Sähköautojen määrän yleistyessä maanteillä autoilijat haluavat, että ajoneuvojen lataaminen tapahtuu yhä nopeammin ja vaivattomammin. Kuvitellaan esimerkiksi seuraavanlaista latausskenaariota, mikä saattaa hyvinkin olla todellisuutta kymmenen vuoden kuluessa. Tienvarren latausasemassa on viisi DC-latauspaikkaa, joihin viisi autoa voi pysähtyä samanaikaisesti latautumaan. Jos kussakin autossa on 100 kWh:n akku, jossa latausta on jäljellä 25 %, ja jos kuljettajat haluavat ladata akkunsa 75 % latauskapasiteettiin 15 minuutissa, sähkönsiirtoverkosta tarvittavan tehon kokonaismäärä latausasemalla tulisi olemaan:

5 x (75 % - 25 %) x 100 kWh/0,25 h = 1 MW

Latausasemaa syöttävän sähkönsiirtoverkon kapasiteetin on pystyttävä kestämään näitä ajoittaisia 1 MW:n huippuarvoja, mistä aiheutuu joitakin seuraamuksia tehonjakelun infrastruktuuriin. Tarvitaan hyvin tehokkaita ja monipuolisia aktiivisia tehokertoimen korjaukseen (PFC) tarkoitettuja komponentteja varmistamaan, ettei sähkönsiirtoverkon taajuutta häiritä ja että se pysyy stabiilina ja suorituskykyisenä. Tarvitaan myös hintaa nostavia muuntajia, kun yhdistetään pienjännitteisiä latausasemia suurjännitteiseen sähkönsiirtoverkkoon, ja kaapeleiden, joilla siirretään tehoa voimalaitokselta latausasemalle, tulee olla mitoitettu siten että ne kestävät siirrettäviä virtatasoja. Mitä suuremman kapasiteetin akuilla ajoneuvot on varustettu, sitä suurempien tehohuippujen sietämistä vaaditaan.

Aurinkoenergialla lisää tehoa

Helpompi ja taloudellisempi ratkaisu, jossa ei ole tarvetta asentaa uusia siirtolinjoja eikä suuria muuntajia, on käyttää paikallisesti toteutettavia uusiutuvan energian lähteitä kuten aurinko- ja tullisähköä osana tehontuottoa. Ne ovat luonteensa mukaisesti myös ainoastaan ajoittain hyödynnettävissä, mutta huolellisesti suunniteltuina niitä voidaan käyttää täyttämään sähköautojen lataamisen aiheuttamia ajoittaisen kysynnän huippuja sähkönsiirtoverkossa.

Aurinkokennojen valosähköisen teknologian hinta on halventunut 80 prosenttia viimeisen kymmenen vuoden aikana, mikä on vaikuttanut uusiutuvien energiajärjestelmien jatkuvaan yleistymiseen. Kehitystä ovat vauhdittaneet vaatimukset hiilipäästöjen vähentämisestä.

Nykyisin aurinkoenergian osuus maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta on vielä alle viisi prosenttia, mutta sen osuuden odotetaan olevan kolmannes vuoteen 2050 mennessä. Aurinkoenergian osuuden kasvu vaikuttaa siihen, miten sähköä tullaan tuottamaan ja kuluttamaan – voimalaitosten sähköntuotantoa on hallittava siten, ettei sähkönsiirtoverkkoon syötetä liikaa sähköä ja että kuluttajat enenevässä määrin voisivat käyttää sähköä, joka on tuotettu heidän asuntojen yhteydessä olevilla paikallisilla aurinkoenergiajärjestelmillä. Tämä vaatii huolellista suunnittelua, että pystytään tasapainottamaan sähkönkulutusta keskitetyn sähkönsiirtoverkon ja paikallisen uusioenergiatuotannon syöttämän sähkön välillä, kun reagoidaan muuttuviin kulutustarpeisiin. Tässä esitetyssä esimerkissä latausasema on kytketty suoraan 500 kW tehoa syöttävään aurinkosähköjärjestelmään, jolloin yleisestä sähkönsiirtoverkosta tarvitaan vain 500 kW:n syöttöteho.

Energia talteen kulutusta tasaamaan

Usein väitetään, että aurinkosähköjärjestelmän tuottamaa sähköä käytettäessä suurimmat latausnopeudet ovat saatavissa ainoastaan päivän valoisana aikana, jolloin aurinko paistaa kirkkaimmillaan. Tämä väite ei kuitenkaan pidä aina paikkaansa. Järkevä ratkaisu saadaan aikaa energian varastointijärjestelmää (ESS, Energy Storage System) käyttämällä. Ne ovat sähköisiä vastineita kaasu- ja öljysäiliöille, joita käytetään monissa kotitalous- ja teollisuussovelluksissa. Kotitalouden sovelluksissa on varsin suoraviivaista kytkeä PV-invertteri varaavaan akkuun, joka latautuu auringon paistaessa päiväsaikaan ja jolla voidaan sitten yöaikaan ladata sähköauton akkua.

Teollisuusympäristössä ESS-järjestelmä soveltuu moniin tarkoituksiin PV- ja muiden uusioenergiaa tuottavien teholähteiden reguloinnista tai pimeäkäynnistysten varmistamisen tuottamisesta dieselgeneraattorien tarpeen korvaamiseen. ESS-järjestelmien käyttö on myös taloudellisesti järkevää, koska niitä hyödyntämällä olemassa olevia siirtolinjoja voidaan päivittää tai vaihtaa asteittain pidemmän ajan kuluessa, kun sähköautojen pikalatauksen kysyntä kasvaa. Näiden järjestelmien markkinoiden arvioidaan kasvavan nopeassa tahdissa nykyisestä 20 GWh:sta yli 2000 Gwh:iin vuoteen 2050 mennessä.

Tässä esitetyssä latausasemassa ESS-järjestelmä käyttäytyy suurikapasiteettisen akun tavoin varastoiden ja syöttäen aurinkosähköjärjestelmän (tai muiden uusioenergialähteiden) tuottamaa energiaa latauspaikalle tarpeen mukaisesti ja että kaikki ylijäämäenergia jaetaan sähkönsiirtoverkkoon. ESS-järjestelmä mitoitetaan siten, että saavutetaan paras tasapaino huipputehon kysynnän ja energiavaraston kapasiteetin välillä (mihin suuresti vaikuttaa saatavissa olevan paikallisesti tuotetun energian (aurinko, tuuli, ja muut) määrä, latauspaikkojen lukumäärä ja muut paikallisesti yhdistettävät kuormitukset).

Sähköautojen myynnin kasvaesdsa autoilijoilla on syytä odottaa, että auto on mahdollista ladata lyhyessä ajassa, mikä merkitsee pikalatausinfrastruktuurin yleistymistä. On selvää, että nykyistä sähkönsiirtoverkkoa ei ole suunniteltu odotettavissa olevaa ajoittaisen huippukulutuksen tarpeita varten. Kun yhdistetään aurinkosähköisiä PV-järjestelmiä energian varastointijärjestelmiin, saadaan toteutettua realistinen ja kilpailukykyinen vaihtoehto suurimittaiselle sähkönsiirtoverkon infrastruktuurin kunnostusurakalle, joka muussa tapauksessa olisi odotettavissa.