Elektrisõidukid on olnud olemas autode ajaloo algusest peale. Kuid kiiresti saavutas sisepõlemismootor edumaa kui parim jõuallikas. Elektrisõidukite areng säilis rongide, trammide ja trollibusside näol, kuid aku toiteallikana jäi tahaplaanile võrreldes odavate ja energiamahukate naftaproduktidega. Tänapäeval, ligi sajand hiljem, võib elektrisõiduk taas päevakorda tõusta. Naftavarud on ammendumas, autode hulk on kasvanud ülisuureks ja linnad vaevlevad õhusaasteprobleemide käes, mistõttu sisepõlemismootor on sattumas oma edu ohvriks.

Suure tõenäosusega jääb personaalne transport endiselt oluliseks majanduse osaks, mis eeldab et autod peavad muutuma puhtamaks ja kasutama energiat efektiivsemalt. Alltoodud diagrammil on autode kasvu prognoos USA-s ja maailmas tervikuna.

Võrdlus sisepõlemismootoriga autoga

Enamus uuringuid näitavad, et elektrisõidukid aitavad vähendada energiahulka, mis on vajalik personaalseks transpordiks. Vaadeldes vaid autot saab väita, et elektrimootor on oluliselt efektiivsem, kui sisepõlemismootor.

Akutoitel elektriauto kasutegur on 74%, samas kui sisepõlemismootoriga sõiduki kasutegus on vaid 18 %. Teisisõnu 74 % elektrivõrgust võetavast energiast, millega laetakse akusid jõuab veojõuna ratastesse, umbkaudu 8-10% kulutatavast energiast on võimalik saada pidurdusenergiast tagasi, mis tõstab kasuteguri 80%-ni. Sisepõlemismootoriga auto puhul vaid 18% auto kütusepaaki lastavast vedelkütuse energiast jõuab ratasteni.

Kaod fossiilkütuse muutmisel tarbija juures kasutatavaks elektrienergiaks on samas oluliselt suuremad, kui fossiilkütuse muutmisel tarbija juures olevaks autokütuseks. Täpsemalt 83% naftas sisalduvast energiast jõuab bensiinina tarbijani, samas kui vaid 21-28% energiast jõuab elektrienergiana tarbijani. Kui arvesse võtta kogu ahelat peaks akutoitel elektriauto olema sõltuvalt energia liikumise ahelatest energiakasutuselt umbes 30% efektiivsem võrreldes analoogse sisepõlemismootoriga autoga. Võrdlused hübriidauto ja sisepõlemismootoriga autoga on veelgi keerulisemad kuna lisanduvad mitmed tehnoloogiast tulenevad muutujad.

Sõltumata sellest, kas elektrisõidukid on hetkel säästlikumad 10, 20 või 30% muutub energia kasutamine nendes tehnoloogia arenedes järjest efektiivsemaks. Samuti muutub efektiivsemaks elektrienergia tootmine elektrijaamades. Oluliseks tuleb pidada ka saaste paremat kontrollimise võimalust elektrijaamades võrreldes miljonite automootoritega.

Elektrisõidukid on universaalsed algse energiaallika suhtes, võimaldades kasutada tuule- hüdro, päikese- ja tuumaenergiat, mis on oluliselt keskkonnasäästlikumad kui fossiilkütused. Umbes kolmandik USA-s akutoitel elektrisõidukites kasutatavast elektrist toodetakse maagaasist, enamus Kanadast kasutab hüdroenergiat. Prantsusmaal toodetakse ligi 80% elektrienergiast tuumajaamades, EL-s keskeltläbi 30%. Võimalused elektrienergia tootmiseks on väga laiad ja arenevad pidevalt.

Samas ei põhjusta akutoitel elektrisõidukid suuri kulutusi ülekandeliinide arendamisele ega ka vaja lisavõimsusi elektrijaamades, kuna valdavalt toimub akude laadimine öösiti, kui tarbimine on väiksem ja enamasti ka elektrienergia odavam. Sellega seoses muutub ka elektrijaamade kasutamine efektiivsemaks, kuna koormus jaotub ööpäeva lõikes ühtlasemalt. Üldjoones saab öelda, et ekspluatatsiooni käigus akutoitel elektrisõiduk ei tekita mingit reostust, kogu kaasnev saaste tekkimine jääb energia tootmise kohtadesse

Võrdlus vesiniku kütuseelemendiga autoga

Võrreldes akutoitel elektrisõidukeid (AES) ja vesiniku kütuseeelemendiga (VKE) sõidukeid kui nullemissiooniga sõidukite (NES, ingl. keeles Zero-Emissions-Vehicle) potentsiaalseid lahendusi tuleb vaadelda nii üldist energiatarbimist kui ka suutlikkust ja kogumaksumust.

Võrdleme sõidukeid mille hetkeline maksimumvõimsus on 100kW ja kogu kasutatav energiahulk 60 kWh. Selline energiahulk võimaldab sõita väiksema keskklassi sõiduautol nagu näiteks Honda Civic umbes 480 km.

Vaatleme suhtelist efektiivsust, tankimise protsessi, kaalu, ja energiaallika füüsikalisi pakrameetreid. eeldame, et mõlemi sõiduki puhul on energiaallikaks taastuv energia nagu näiteks tuule-, hüdro- või päikeseenergia.

Järgmisena vaatleme sama suutlikuse saavutamiseks vajamineva energiaallika füüsikalisi parameetreid ja hinda. Võrdluse puhul on oluline ära märkida, et sõltuvalt tehnoloogiast on

VKES puhul määravamaks saavutatav võimsus, AES puhul pigem energiahulk, ühe laadimisega läbitav vahemaa.



Vesinikkütuseelemendiga sõidukis olevate komponentide mass, maht ja masstootmise eeldatav maksumus

Akutoitel elektrisõidukis olevate komponentide mass, maht ja masstootmise eeldatav maksumus

Kaasaegne kütuseelement toodab umbes 182W/kg ning et saavutada piisav suutlikus moodustab kogu vajalik tehnika koos vesinikumahuti ja muunduritega kogu auto massist 721 kg. Li-ioon aku suudab salvestada 143Wh/kg ning saavutamaks analoogset suutlikust peab akude ja muundurite kaal moodustama 504 kg auto massist. (allikas Arthur D. Little uurimus)

Kütuseelemendi element toodab 95W/dm3 ning koos vesinikumahuti ja muunduritega on vajalike komponentide maht 1,465m3. Li-ioonaku suudab salvestada 161Wh/dm3 ning koos muunduritega on vajalik maht 0,469m3. (allikas Arthur D. Little uurimus)

Hetkel on vesinikkütuseelemendi maksumus 2665kr/kW 100kW võimsusega kütuseelemendi puhul. Lisades vesinikumahuti, kontrolleri ja mootori hinna saame kogumaksumuseks 380000kr. Li-ioonaku maksumus hetkel on 3250 kr/kwh ja lisades kontrolleri ja mootori hinna saame kogumaksumuseks 260000kr.

Kokkuvõtteks võib öelda, et kütuseelement energiaallikana võrreldes Li-ioon akudega on ligi poolteist korda raskem, kolm korda mahukam ja poolteist korda kallim, kulutades ligi kolm korda rohkem energiat kilomeetri kohta. Samuti on säilitatav vesinik suureks ohuks õnnetuste puhul. Kütuseelemendi eeliseks kindlasti on võimalus tankida lühikese aja jooksul.

Eeldades, et lähiaastatel on fossiilkütused endiselt energiaallikateks võib vaadelda ka tasuvust juhul, kui vesinikukütuseelemendi toiteks kasutatav vesinik saadakse maagaasist, mis alandab oluliselt kasutatavava vesiniku hinda. AEs puhul tuleks eeldada, et elektrienergia saadakse nii fossiilsest kütusest kui ka taastuvatest energiaallikatest. Kalifornias (California Air Resources Board) 2001. a. tehtud uuringute tulemusena on ka sel juhul akutoitel elektrisõiduk 8% odavam võrreldes analoogse kütuseelemendil põhinevaga. Arvestades maailmamajanduses toimuvaid protsesse, gaasi ja teiste fossiilkütuste hinna hüppelist tõusu, järjest lisanduvat sõidukite hulka ja süvenevat saastekoormust võib pidada akutoitel elektrisõidukeid väga perspektiivikateks.

allikad: A Cost Comparison of Fuel-Cell and Battery Electric Vehicles

Stephen Eaves*, James Eaves

Eaves Devices, Charlestown, RI, Arizona State University-East, Mesa, AZ


Akud ja nende ekspluatatsioon

Suurem osa hetkel kasutatavatest elektriautodest kasutab süvatsükli plii-happeakusid.

Perspektiivseteks saab kindlasti lugeda liitium-ioon ja nikkel-metallhüdriidakusid, mille mahutavus massi kohta on oluliselt suurem, samas ka salvestatava energiahulga maksumus mitu korda kõrgem.

Pliiakude variantideks on geelakud ja AGM tüüpi akud. Geelakudel on elektrolüüt geeli kujul, mistõttu kaob vajadus lisada akusse vett. AGM akudes on elektrolüüt klaasfiibrist mattides.

Geel ja AGM akuta mahutavus on üldjoones 20% väiksem, hind ligi kaks korda kõrgem, eluiga võrreldes happeakudega lühem. Geel ja AGM akud ei vaja vee lisamist, on ohutumad ja neid saab kasutada erinevates asendites (hape ei voola välja), nende isetühjenemine toimub aeglasemalt ning laadimine ja tühjenemine toimub väiksemate kadudega (vt tabel allpool). Geelakud on sobivamad süvatsükliga protsesside juures, AGM akud pigem käivitusakudena ja kohtades kus süvatsüklit vaja pole.

Süvatsükli plii-happeakude igapäevasel kasutamisel tuleb umbes kord nädalas kontrollida elektrolüüdi taset ja vajadusel lisada destilleeritud vett.

Aku laetuse taset saab kõige täpsemalt kindlaks teha mõõtes elektrolüüdi erikaalu, mida teostatakse hüdromeetriga. Katkestatud vooluahela puhul on pinge akuklemmidel samuti üsna heaks indikatsiooniks. Sel juhul peaks aku olema mõned tunnid koormuseta, et akus tuimuvad elektrikeemilised protsessid oleks stabiliseerunud.

Süvatsükli pliiakude tüüpiline isetühjenemise tase on 4% nädalas 25 kraadi C juures, mistõttu akusid tuleks kindlast kahe kuu tagant uuesti laadida

Mäluefekti puudumise tõttu sobivad plii-happeakud väga hästi elektriautode energiaallikaks, ehk neil puudub vajadus akut enne taaslaadimist täiesti tühjaks laadida.

Et valida akudele sobiv laadija tuleb arvesse võtta nii akude mahutavus kui ka laadimise intervall. Kasutused, kus laadimine toimub suhteliselt harva, piisab laadijast mille laadimisvoolu tugevus on 10-13% aku 20 tunni tühjenemistsükli mahutavuse väärtusest. Kui akud tuleb kindlasti laadida 8-10 tunni tuleks jooksul peaks vool olema 20% 20 tunni tühjenemistsükli mahutavuse väärtusest.

näiteks: hea laadimisvool akule, mille 20 tunnise tühjenemisperioodi mahutavus on 225 Ah, peaks olema 22-29A. Sõltuvalt saadaolevate laadijate parameetritest võib kasutada natuke suurema ja natuke väiksema laadimisvooluga laadijaid.

Laadimise ajal ei tohi akude temperatuur ületada 48°C. Kui temperatuur kasvab kõrgemaks tuleb laadimine katkestada ja lasta akudel jahtuda enne laadimise jätkamist.

Temperatuuri mõju akude mahutavusele ja elueale

Süvatsükli pliiakude mahutavus antakse +25°C juures

Üldine reegel on, et:

- iga -8.5°C vähendab mahtuvust 10%

- iga +8.5°C suurendab 10%

Temperatuurid üle 25°C vähendavad aku eluiga.

0°C juures on akudel 30% vähem mahutavust. seetõttu alla 0°C tuleks elektriauto kasutamisel ette näha termoisoleeritud temperatuurikontrolliga, jahutamist ja soojendamist võimaldavate akumahutid. Pliiakude suure massi ja soojusmahutavuse tõttu saab akude soojendamise ühildada laadimisega, piisava soojusisolatsiooni korral kulub akude mahajahtumiseks mitu ööpäeva.

Aku valikul tuleks lähtuda reeglist, et optimaalne läbisõit ja suutlikkuse tagamiseks peaks plii-happeakude kasutamise korral akude mass moodustama vähemalt kolmandiku sõiduki massist. Paremat energiamahutavusega akude nagu Li-ioon akud on hetkel veel väga kallid, ühe komplekti maksumus keskmise sõiduauto puhul ületab 200 000 krooni.  Pliikude paralleelset ühendamist tuleks kindlasti vältida, kuna akud tühjenevad erineva kiirusega ja nad hakkavad tühjenemise käigus üksteist laadima, vähendades sellega akude mahutatavust ja samuti ka akude eluiga.

Happeakute ehituse iseärasuste töttu tuleb akumahutite ehitamisel tähelepanu pöörata ohutusnõuetele. Erinevalt geel- ja AGM akudest, eraldub tavalistest happeakudest laadimisprotsessi mõnedel faasidel vesinikku, mis kogunedes moodustab plahvatusohtliku segu. Selle vältimiseks peab olema tagatud akude juures korralik ventilatsioon. Avatud kohtades, nagu näiteks mootoriruum(vaata pilt), kus on tagatud õhu vaba liikumine nii alt kui ka ülalt vabaneva vesinikuga probleeme ei teki, mistõttu akumahutid on konstrueeritud lahtistena

Kasutusvõimalused

Lihne elektriauto on kasutatav linna- ja linnalähisõidukina, näiteks pere teise autona. Samuti on otstarbekas kasutada elektriautot linasiseses transpordis vähese saaste ja madalate ekspluatatsioonikulude tõttu.

Keskkonnakaitse

Elektriautos võrreldes sisepõlemismootoriga autoga on väga vähe keskkonnaohtlikku saastet tekkitavaid komponente. Pole sisepõlemismootorile iseloomulikke sageli vahetatavaid jäätmetekitajaid nagu mootoriõli, küünlaid, õli ja õhufiltreid, puuduvad kiiresti mehhaaniliselt kuluvad komponendid ja keerukad mehhaanilised lahendused. Põhikomponentideks on akud, elektrimootor ja kontroller.

Elektrimootor on vähe remonti vajav, vahelduvvoolu mootoril on ainsateks kuluvateks osadeks kuullaagrid, mis vajavad vahetust üliharva ja ei ole keskkonnaohtlikud, alalisvoolumootoritel on kulumaterjalideks sageli ka harjad. Elektrimootori eluiga on väga pikk ja tema hilisem utiliseerimine lihtne ja vähe jäätmeid tekitav.

Kontroller on tüüpiliselt pikaealine ei oma peale kontaktorite liikuvaid osi, tema utiliseerimine kujutab endast tavalist elektroonikaseadmete utiliseerimist ja ei erine oluliselt näiteks arvuti utiliseerimisest. Elektroonikajäätmeid tekib 20-30 kg peale auto eluea lõppu 10-15 aasta pärast.

Plii-happeakud on peaaegu 100% taaskasutatavad. Plii on tänapäeval maailmas kõige taaskasutatavam metall üldse. Näiteks kogu metall, mille akutootja Trojan Battery Company hangib akuplaatide valmistamiseks on taaskasutatav plii. Vanade akude plastmahutid ja kaaned neutraliseeritakse ja töödeldakse ümber uuteks akukorpusteks. Kasutatud elektrolüüti kasutatakse reoveepuhastuses, mõnel juhul ka puhastatakse ja müüakse maha kui akuhappe. Osades ettevõtetes eraldatakse ammooniumsulfaat ja kasutatakse ära väetisena. Separaatorid on tihti kasutusel energiaallikana ümbertöötlemisprotsessis.


Lõpptarbija saab kasutatud pliiakud tagastada müüjale või ohtlike jäätmetega käitlemise ettevõtetele nagu näiteks Kesto OÜ, asukohaga Paljassaare põik 9a, Põhja-Tallinna linnaosa, Tallinn, Harju maakond. Kuna plii on väärtuslik metall, saab kasutatud akude tagastamisel osa raha tagasi.

Elektriautod Eestis

Elektriautode kasutamise võimaluste kohta Eestis olema saanud väga palju informatsiooni  kahe elektriautoga mitme aasta jooksul läbi viidud testide ja katsetuste käigus. Läbitud on kokku üle 20 000 km nii suvel +30C juures kui ka talvel -25C juures.

Kasutusel olevad elektriautod:

http://www.austinev.org/evalbum/968

http://www.austinev.org/evalbum/846