Kuinka paljon energiaa höryttää ihmisen atomeiksi?

Kuva: Flickr Vanessa Pike-Russell CC BY

Aiemmin pohdiskelimme sitä, että bensiinitankin energiasisältöinen 500 kWh superkondensaattori voi räjähtää 43 telamiinan teholla. Tästä tuli vastaväitteitä, että kondensaattori voi puhauttaa energiansa pihalle hitaasti eikä räjähtää hetkessä.

Asian voi kyllä nähdä näinkin.

Mutta 500 kWh:n vapautuminen lämmöksi on kaikilla tavoin tuhovoimainen tapahtuma.

Yksi mielenkiintoinen vertailukohta on Scientific Americanin blogi [1] siitä, voiko säde höyryttää ihmisen ilmaan kuin scifi-elokuvan laserase konsanaan. Artikkeli päätyy siihen, että ihmisen täydelliseen höyryttämiseen tarvitaan kolme gigajoulea. Silloin jokainen ihmisen molekyylisidos on pilkottu. Tämä vastaa energiaa, jolla sulattaa 5000 naulaa rautaa (2270 kg, iso maastoauto). Jos halutaan vain höyryttää ihmisessä oleva vesi, tarvitaan 0,142 gigajoulea. Tätäkin pidetään paljona, koska se on suunnilleen yhtä paljon energiaa kuin oli maailman suurimmassa ei-atomipommissa.

Tästä vielä jatketaa Quora-keskustelussa [2] siitä, voisiko salama höyryttää ihmisen ilmaan. Salaman energiaksi todeltaan 0,03 gigajoulea, joten siinä ei ole kuin prosentti ihmisen täydelliseen höyrystämiseen tarvittavasta energiasta.

Mutta 55 litran bensatankkia vastaava 500 kWh superkondensaattori on kaksi gigajoulea!

Tankillinen bensiiniä on kaksi kolmasosaa energiasta, joka höyryttää yhden ihmisen atomeiksi, tai se voi höyryttää 14 ihmisen kaiken veden, tai sulattaa 1500 kilon auton. Täyttääksesi auton tankin, sinun pitää vangita 67 salaman kaikki teho.

En laittaisi autoni takapenkin alle sellaistakaan superkondensaattoria, joka ei räjähdä.

[1] http://blogs.scientificamerican.com/but-not-simpler/2013/09/12/excerpts-from-the-mad-scientists-handbook-so-youre-ready-to-vaporize-a-human/
[2] http://www.quora.com/How-strong-would-lightning-need-to-be-to-disintegrate-a-human
[3] http://www.sahkolamppu.com/2014/11/superkondensaattori-autossa-on-kuin-43.html

Superkondensaattori autossa on kuin 43 telamiinaa

Hirshiman atomipommi
(Vai sinä sunnuntaiajelulla?)
Kuva: Wikipedia

55 litraa bensiiniä autosi bensiinitankissa vastaa 430 kiloa TNT-räjähdettä.

Bensiinin saaminen räjähtämään TNT-räjähteen tavalla ei ole mahdollista. Mutta jos autossasi on superkondensaattori, jossa on sama energia kuin bensiinitankissa, se lienee aika helppo saada räjähtämään kuin 430 kiloa TNT:tä. Jopa aivan vahingossa.

En liene ainoa, joka on armeijassa seurannut oikean telamiinan räjäytystä. Telamiinassa on 10 kiloa TNT:tä ja se riittää nostamaan 30 tonnin panssarivaunua metrin verran ilmaan.

Pistäisitko aivan oikeasti autosi takakonttiin 43 telamiinaa viritettynä?

Selityksiä:

TNT:n energiamäärä on tosiaankin yllättävän pieni, vain noin kymmenesosa bensiinistä. Tuhovoima tulee siitä, että energia vapautuu nopeasti.

Litrassa bensiiniä on noin 9,1 kWh. Litrassa dieseliä on noin 9,8 kWh.

55 litraa bensiiniä on noin 500 kWh (tankillinen bensiiniä vastaa 50 eurolla sähköä, sähkö maksaa hieman alle euron ”litra”). Yleensä ajatellaan, että sähköauton hyötysuhde on parempi kuin bensiiniauton, mutta ”hukka”energiasta Suomessa kulutetaan iso osa auton lämmittämiseen.

Tonnissa TNT:tä on 4,184 gigajoulea ja kilotonni on miljoona kiloa TNT:tä eli 4184 gigajoulea. Kilossa TNT:tä on noin 1,2 kWh. (http://en.wikipedia.org/wiki/TNT_equivalent).

Konversion voi tehdä esim. sivulla: http://www.convertunits.com/from/kWh/to/kiloton+[explosive]

Hiroshiman atomipommi oli noin 30.000 kertaa auton bensiinitankki (13 kilotonnia).

Telamiinan paino on tarkkaan ottaen 9,5 kiloa TNT:tä plus 60 gramman räjäytin. (http://fi.wikipedia.org/wiki/Telamiina)

Superkondensaattorin purkautumisen nopeus on arvailua, mutta yleensä entropia voittaa, ja vastaavissa vikatilanteissa sähkö löytää purkautumistien noin 20 nanosekunnissa. Joka tapauksessa se voi aivan oikeasti räjähtää.

(Korjattu 21.11.2014: Kilotonni on 4148 GJ, ei 4.148 GJ, joka on tonni TNT:tä.)

Katso myös jatko-osa: http://www.sahkolamppu.com/2014/11/kuinka-paljon-energiaa-horyttaa-ihmisen.html

Autoihin sähköistyksen mukana lisää painoa – kuinka käy jalankulkijan?

Sähköautot ovat melkoisesti tavallisia autoja painavampia. Jos hetkessä kaikki autot vaihdettaisiin sähköautoiksi, lisääntyisivätkö tappavat jalankulkijaonettomuudet?

Nissan Leaf -sähköauton paino on noin 1500 kiloa. Vastaavan Toyota Yaris 5-ovisen hatchback-auton paino on vain 1100 kiloa.

Akut tekevät sähköautosta melkoisen painavan eikä sähkömootorikaan ole olennaisesti polttomoottoria kevyempi.

Auton liike-energia on suoraan verrannollinen auton painoon.

Sähköauto on jalankulkijalle tavallista autoa vaarallisempi kohdattava.

Sähköauton pikalataus ei kovin realistista

Netissä puhutaan paljon siitä, kuinka nopeaa ja helppoa sähköauton pikalataus pian on. Valitettavasti tässä tulee aika nopeasti fysiikka vastaan.

Otetaan esimerkiksi Chevrolet Voltin 16,5 kWh:n akku. Tällä akulla Volt kulkee hyvällä säällä 61 kilometriä.

Chevrolet Volt
Chevrolet Volt

Ison saunan kiukaan teholla (8,25 kW) akkua siis lataa kaksi tuntia. Tämä onnistuu kolmivaihesähköllä, jossa jokaisessa vaiheessa on 16 ampeerin sulake.

Mikäli latauksen haluaa nopeammaksi, sähköä tarvitaan paljon enemmän. Tavallisen omakotitalon pääsulake on 3x25A eli tunnissa tuota Voltia ei aivan tavallisessa omakotitalossa voi ladata.

Tavallisen omakotitalon maksimiliittymä on 3x80A (3x63A ellei halua uusia kotiin tulevaa johtoa paksummaksi), mutta tuollainen liittymä maksaa esimerkiksi Helsingin Energialla 3968 € normaalin 1879 € sijaan. Jokainen vaihe on tuolloin puolisen senttiä paksu kuparijohto, mikä ei ole aivan halpaa. Tällä liittymällä Volt latautuu puolessa tunnissa.

Sähköauton Pikalataus Kolmessa minuutissa?

Jos haluamme ladata Voltin samassa ajassa kuin bensiiniauton tankkaa, noin kolmessa minuutissa, tarvittava ampeerimäärä on

  • 16,5 kWh / 0,05 h = 330 kW
  • 330 kW / 230 V = 1,4 kA = 1400 A

Löysin Ebaystä myynnissä 435 ampeerin alumiinikaapelia, joka on reilun tuuman paksu. Kun noita laittaa neljä vierekkäin, niin silloin virta riittää Volt-sähköauton lataamiseen kolmessa minuutissa.

Tässä vaiheessa amerikkalaisia alkaa itkettää heidän 120 V kotijännitteensä. Kaikkien johtojen pitää olla USA:ssa kaksi kertaa paksumpia.

Seuraava temppu onkin sitten nostaa jännitettä lisää. Helsingin Energian hinnastosta löytyvät 10 kV, 20 kV ja 110 kV liittymätyypit. On tosin vaikea kuvitella kotitalouden haluavan sellaista sähköauton takia. Liittymisen hinta on 22320 € + paljon lisäkuluja.

20 kV liittymällä Volt-auton akku latautuisi täyteen kolmessa minuutissa aivan ohuella muutaman neliömillimetrin johdolla.

  • 330 kW / 20 kV = 16,5 A
  • 16,5 A ~ 3 mm²

Tuo vastaa paksuudeltaan paksuinta kaiutinkaapelia. 20 kV tosin aiheuttaa tappavuudeltaan aivan erilaisia vaatimuksia kuin stereot.

20 kV avojohdon turvaetäisyys on 2-3 m ja myös päällystetyn riippujohdon turvaetäisyys on 1,5 metriä. Noin korkea jännite aiheuttaa ympärilleen sähkökentän, joka on vaarallinen tuota lähempänä vaikka johtoon ei koskisikaan.

610 km ajomatka?

Olettakaamme, että akkutekniikka kehittyy valtavasti. Ollakseen vertailukelpoinen tavallisen bensiiniauton kanssa, Voltin kantaman pitäisi olla kymmenkertainen, 610 kilometriä. Akun pitäisi siis olla 165 kWh. Halpaahan tuo olisi, täysi tankkaus vain luokkaa 17 euroa nykyisellä kuluttajahinnalla. Mutta myös latauksen sähkövaatimukset kymmenkertaistuvat.

Tankkaus kotoisella 230 V sähköllä kolmessa minuutissa vaatisi 14000 ampeeria. Tuuman alumiinikaapeleita tarvitaan 33 kappaletta rinnakkain.

20 kV sähköllä kolmen minuutin tankkaus tarkoittaa 165A virtaa. Tuo ei ole kuin kolmisen milliä paksu kuparijohto (25-30 mm²). Paksuuden puolesta tämä on realistinen johto. Mutta 20 kV ei ole kovin mukava jännite.

Ja minkälainen sähkövoimala pystyisi vastaamaan tällaiseen sähköauton lataukseen? Latauksen teho on

  • 165 kWh / 0,05h = 3,3 MW

Pääkaupunkiseudulla olevat kaukolämpö/yhteistuotantovoimalat ovat sähköteholtaan 20 MW luokkaa (esim. Keravan voimalaitoksen sähköteho on 21 MW). Tuollainen voimalaitos lataa yhtä aikaa kuutta autoa.

Sähköautolla Lappiin?

Valitettavasti näköpiirissä ei ole mitään mahdollisuutta, jolla voisit ajella yhdellä latauksella 1000 km Lappiin. Käytännössä joudut lataamaan autosi 60 kilometrin välein ainakin kahden tunnin ajan. 1000 km ajomatkalla auton latauksia joutuu tekemään 16 kertaa eli niihin menee 32 tuntia. Bensiiniautolla tuohon matkaan menee noin 12 tuntia.

Varoitus: tässä artikkelissa mainitut johtojen paksuudet ovat vahvasti viitteellisiä. Älä yritä tätä kotona.

Kuva: Mario Roberto Durán Ortiz CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19840831

Suomessa myytiin viime vuonna 51 sähköautoa

Suomessa myytiin vuonna 2012 51 sähköautoa. Trafin tiedotteen mukaan sähköautoja oli vuoden 2012 lopussa tieliikenteessä 56 kappaletta.

Viime vuonnna rekisteröitiin siis suunnilleen yksi sähköauto viikossa.

51 on kutenkin 21 sähköautoa enemmän kuin vuonna 2011, jolloin sähköautoja rekisteröitiin vähän yli kaksi kuussa.
Uutisesta ei selviä, kuinka moni näistä myytiin yksityishenkilölle.

Akkujen latauksen kova hinta – sähkön varastointi ei vielä kannattavaa

Olen muutaman kerran väittänyt, ettei sähköautojen akkujen käyttö sähkön tilapäiseen varastointiin ole kovin hyvä ajatus, vaikka tätä usein ehdotetaankin. Keskustelun herättämänä palaan aiheeseen.

Sähköauton akkujen latauksen hinta

Hyvän lähtökohdan laskelmille antaa Jukka Kuisman insnöörityö vuodelta 2011 [1]. Tiedot ovat tuskin kovin paljoa vuodessa muuttuneet.

Talukosta 2 [1] saadaan suoraan eri sähköautoakkutekniikat. Olen valinnut kaikissa tapauksissa optimistisimman luvun (halvin, tehokkain, kevyin). Jos näillä luvuilla sähkön varastointi ei ole järkevää, niin se ei ole sitä millään muualtakaan löytyvillä luvuilla nykyisellä akkutekniikalla.

Akkutyyppi  Energiatiheys Hyötysuhde Hinta Hajoaminen
            kWh/kg        %          e/kWh latauskertoja
Lyijy       0,055         80          70   1000 
NiMH        0,080         70         141   2000
Li-Ion      0,130         95         141   3000
Li-Pol      0,200         ?          106   3000

Olkaamme lisää optimistisia ja unohtakaamme joidenkin akkujen huono hyötysuhde. Samoin litiumakkujen latauskerrat eivät taulukossa ole lähteen taulukossa olleet 1000 vaan tekstissä optimistisemmin arvioitu 3000.

Laskemme taulukon perusteella, minkälainen akku on yhden kilowattitunnin akku ja kuinka paljon sen lataaminen maksaa ja kuinka monta kiloa yhdestä latauksesta syntyy akkujätettä.  Taulukkomme tiedot ovat siis positiivisemmat mahdolliset, mitä nykyakuilla voidaan saavuttaa.

Akkutyyppi  Paino Hinta Yhden latauksen  Jätettä
                        hinta            /1000 latausta
            kg    e     c                kg
Lyijy       18,2   70   7,0              18
NiMH        12,5  141   7,4               6
Li-Ion       7,7  141   4,7               3
Li-Pol       5,0  106   3,5               2

Jatkaessamme optimistisia laskelmiamme, voimme keskittyä Litium-polymeeri-akkuun. Tosin ne eivät ole vielä kovin yleisiä autoissakaan mm. siksi, että ne vaativat toimiakseen 80-120 asteen lämpötilan. Emmekä siis tiedä Litium-polymeeriakun hyötysuhdettakaan, joten olemme olettaneet sen häviöttömäksi.

Kannattaako?

Kysymyksemme on siis, että jos autossani on Litium-polymeeriakut, kaikki infrastruktuuri on jo maksettu, koska sähköauto on jo ostettu ajamista varten, kannattaako minun mihin hintaan antaa sähköyhtiön antaa ladata ja tyhjentää akkuni.

Vastaus on, ettei ainakaan halvemmalla kuin 3,5 c/kWh.

Ja tuo hinta on jumalattoman optimistinen.

Ja jokaista tuhatta kilowattituntia kohden (arvo kuluttajalle tällä hetkellä noin 100 euroa, pörssissä 40 euroa) syntyy ainakin kaksi kiloa akkujätettä. Lyijyakuilla jätettä syntyy 18 kiloa. Uutta akkua on ostettava tuhatta kilowattituntia kohden ainakin 35 eurolla (Li-Pol).

Kannattaisiko sähköä varastoiva laite tehdä?

Muutaman kerran vuodessa sähköpörssissä sähköä ostavan ja myyvän yrityksen kannattaisi käyttää litium-polymeeriakkuja kuorman tasaukseen – jos akuista ei tarvitse maksaa. Sähkön hintaero vuorokauden kalleimman ja halvimman tunnin välillä ei esimerkiksi  viimeisen kahdeksan päivän aikana ole ollut kolmea ja puolta senttiä kilowattitunnilta. Suurin minimi- ja maksimihinnan välinen ero oli maaliskuun 12. päivä ja se oli hieman alle kolme senttiä kilowattitunnilta. Keskimääräinen ero oli 2,2 c/kWh. Kaikkein kovimmilla pakkasilla ero voi olla paljonkin, mutta näitä päivä ei ole vuodessa kovinkaan montaa. Latauksen pitäisi maksaa todennäköisesti luokkaa yksi sentti kilowattitunnilta, että investointi maksaisi itsensäkin.

Mikäli sähkön varastointia tekee tavallinen kuluttaja, laskelmaa sotkee verot, sähkön siirtohinnat, provisiot jne. Arvonlisäveroa lukuunottamatta kuluttajan sähkön hinnan ero on kuitenkin sama kuin pörssisähkön vaihtelu. Prosentuaalisesti kuluttajan sähkön hinta vaihtelee paljon vähemmän kuin pörssihinta, mutta absoluuttisesti sentteinä kilowattitunnilta hinta vaihtelee arvonlisäverolla nostetun määrän. Kuluttajan kannattaa siis varastoida sähköä omaan käyttöönsä jo, kun hintaero vuorokauden sisällä on 2,8 c/kWh. Myös yösähkön halvempi siirtohinta lisää tätä kannttavuutta noin sentillä. Eli kuluttajan ehkä kannattaa tasata omaa kuormaansa jo noin kahden sentin vuorokausittaisilla hintaeroilla – mutta kovin muhkeisiin säästöihin tuossa ei vielä päästä. Korostan vielä, että tämäkin laskelma on optimistisin mahdollinen.

[1] Jukka Kuisma, Sähköautojen lataustekniikat (Metropolia, insinöörityö)