5000 ampeeria – haluanko ladata sähköautoni nopeasti?

Vanhoista Sähkölamppuartikkeleista löytyy monta, jossa varoitellaan, ettei
aivan heti kannata uskoa väitteitä sähköauton lataamisesta minuuteissa.
Joko sähkön jännite tai virta nousee vaarallisiin lukemiin.

TM julkaisi artikkelin YouTube-videosta, joka havainnollistaa hyvin, miltä
näyttää, jos sähköauton pikalataus menee pieleen.

Videossa nähtävät kondensaattorit ovat 20 000 ampeeria ja 3000 volttia.
Tämä tekee 60 MW eli pienen kaupunkivoimalaitoksen verran tehoa.
Tällaisessa kondensaattorissa on kuitenkin hyvin vähän energiaa,
joten teho on tuollaisella tasolla korkeintaan millisekunteja.

Mutta, jos kondensaattorissa olisi tarpeeksi energiaa, niin
60 MW teholla saisi ladattua auton akkuja nopeudella 17 kilowattituntia sekunnissa. 100 kWh akku latautuisi kuudessa sekunnissa.

Jos joku menee pieleen, tulos näyttää samalta kuin videossa.

TM: Oletko koskaan nähnyt 5000 ampeerin sulaketta, entä oletko nähnyt kuinka sellainen pamahtaa

Kuinka paljon energiaa höryttää ihmisen atomeiksi?

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.

Kuva: Flickr Vanessa Pike-Russell CC BY

[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

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.

Kuva: Wikipedia Hirshiman atomipommi (Vai sinä sunnuntaiajelulla?)

(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.