BEV vai PHEV? Korjattuja laskelmia Tekniikka & Talous -lehden sähköautoartikkeliin 8.2.2018

Tekniikka & Talous -lehden toimittaja Harri Junttila kirjoitti 8.2.2018 mielenkiintoisen artikkelin otsikolla "Kirjoitin miksi en osta täyssähköautoa, sain somessa sapiskaa" - Täyssähköauto vaatii kymmeniä vuosia tai satojatuhansia kilometrejä ohittaakseen lataushybridin hinnassa ja puhtaudessa (linkki). Artikkelin pääaihe oli plug-in hybridin (PHEV) ja täyssähköauton (BEV) vertailu kulujen ja päästöjen osalta. Aihe on tärkeä, koska tulevaisuudessa paras autotyyppi kullekin autoilijalle riippuu omasta käyttötarpeesta, eli ajoprofiilista, eikä sama autotyyppi ole paras kaikille.

Toimittaja korjasi julkaisuun jo yhden virheen, mutta valitettavasti jutun laskelmissa on vieläkin kaksi isoa virhettä ja yksi pieni huolimattomuusvirhe. Yritän seuraavassa mahdollisimman tarkasti perustella, miksi nämä ovat virheitä ja miten tulokset muuttuvat korjausten jälkeen. En tee tätä kirjoitusta mollatakseni toimittajaa, vaan tehdäkseni korjatut laskelmat. Ehkä tutkijanluonteestani johtuen minua häiritsee, jos tieteellisiä julkaisuja tulkitaan väärin tai niinkin luotettavaan lehteen kuin T&T jää virheellistä tietoa, virheiden löytämisen ollessa vaikeaa tutkijallekin.

T&T:n jutun pääpointti on täysin validi: monille PHEV on halvempi ja ekologisempi vaihtoehto CO2-päästömielessä BEV:iin verrattuna. Täysin pätevän pääsanoman uskottavuutta vesittää osittain se, että laskelmissa on virheitä.

Artikkelin päävirheet ovat:

1. Akun päästöt on laskettu väärin, ollen isompina kuin lähdeartikkelissa
2. Polttomoottorin päästöt oli laskettu liian pieninä (tämä korjattu juttuun)
3. 36000 km/v ajoskenaario on epärealistinen, tuottaen PHEV:lle liian edullisen tuloksen
4. Nissan Leafin vertailulaskelmissa unohtuneet PHEV:n valmistuspäästöt

Huom: Kaikki virheet parantavat PHEV:n tuloksia suhteessa BEV:hen! Täten korjatut tulokset poikkeavat reilusti artikkelin alkuperäistuloksista, varsinkin 36 000 km ajoprofiilissa. Seuraavassa keskitytään kohtiin yksi ja kolme, 4. virheen korjaus sisältyy ensimmäisen virheen korjauslaskelmiin.

Päästölaskelmat korjatuilla akun päästöt

T&T:n jutun auton valmistuksen päästölaskelmat perustuvat Nature-lehdessä julkaistuun tieteelliseen artikkeliin: https://www.nature.com/articles/s41598-017-16684-9. Tämä julkaisu viittaa akun valmistuksen päästöjen osalta taas Fordin ja LG:n tutkijoiden julkaisuun https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.6b00830, jonka täyteen versioon minulla tutkijana on pääsy. Ford/LG-julkaisun data perustuu Ford Focus Electric-malliin 24 kWh akulla, jota myytiin vuosina 2011-2017, joten käytetty akkutekniikka on jo erittäin vanhaa. Akkujen nopean kehityksen vuoksi julkaisujen tulokset ovat jo vanhentuneita. Molemmat julkaisut ovat kuitenkin luotettavia, ja Focuksen tuloksia ovat muutkin luotettavat tahot käyttäneet. Mutta on huomioitava, että akkujen tehotiheyksien parantuessa päästöt kilowattituntia kohden pienenevät, koska päästöt riippuvat pääsääntöisesti akun massasta kapasiteetin sijasta.

T&T:n jutussa on käytetty Nature-lehden jutun akun päästölukua 100 kgCO2-eq/kWh, mutta sen päälle toimittaja lisää "lisäpäästöinä" julkaisun esimerkkiluvut (BEV 2.6 tCO2-eq, PHEV 0.6 tCO2-eq), toisin kuin muut vastaavien päästölukujen käyttäjät. Seuraavassa laatikossa on lainaus toimittajan lähteenä käyttämän Nature-lehden artikkelin akun päästöjä käsittelevästä tekstistä ja selitys siitä, miksi mitään toimittajan mainitsemia lisäpäästöjä ole olemassa tämän artikkelin tarkemman lukemisen perusteella.

"The higher utilisation of the given battery has implications for the life cycle CO2-eq emissions of PHEV as compared to BEV. While the current emissions during the vehicle construction are higher for BEV (due to the higher battery capacity), the higher emissions during the vehicle usage phase by the combustion engine is balancing this PHEV advantage.

Today, one kWh of battery capacity causes about 100 kg CO2-eq emissions during its construction phase[reference] (see also in the supplementary materials). Consequently, the additional construction phase emissions for the battery are smaller for PHEV (on average 0.6 t of CO2-eq) than for BEV (on average 2.6 t of CO2-eq). Yet, PHEV include internal combustion engines and complex gear boxes, which lead to additional emissions of about 0.6 t of CO2-eq per vehicle during the construction phase (see supplementary materials).  

Thus, currently the overall CO2-eq emissions from vehicle construction are about 1.4 t higher for BEV than for PHEV."

Ensimmäisessä tekstikappaleessa sanotaan, että BEV:n valmistuspäästöt ovat isommat kuin PHEV:n johtien BEV:n isommasta akusta. Toisen tekstikappaleen alussa mainitaan akun päästökerroin kilowattituntia kohden. Kappaleen toinen lause sanoo, että tästä johtuen PHEV:n akun lisäpäästö (verrattuna normaaliin polttomoottoriautoon) on pienempi kuin BEV:issä ja antaa esimerkkilukemat (PHEV 0.6 tCO2-eq, BEV 2.6 tCO2-eq). Lisäpäästö viittaa edelliseen tekstikappaleeseen, joka kertoo, että akun valmistuksesta yleensäkin syntyy lisäpäästöjä auton valmistukseen. Parhaiten kuitenkin huomaa, ettei mitään T&T toimittajan käyttämiä lisäpäästöjä ole, kun tarkistaa mistä lainauksen viimeisen lauseen päästöluku tulee. Siinä PHEV:in ja BEV:in valmistuspäästöjen eroksi saadaan 1.4 t = 2.6 t (BEV akunvalmistuspäästö) - 0.6 t (PHEV akunvalmistuspäästö) - 0.6 t (PHEV polttomoottori-&vaihteistovalmistuspäästöt). Eli päästöihin ei ole lisätty mitään lisäpäästöjä, vaan kaikki akun valmistuspäästöt tulevat suoraan esimerkkiluvuista (jotka juontuvat kertoimesta 100 kgCO2-eq/kWh). Jotkin yllä olevan lainauksen lauseet ovat niin vaikeaselkoisia, että ymmärrän kyllä, että toimittaja on voinut tuon ymmärtää väärinkin.

Luvun 100 kgCO2-eq/kWh lähteenä on Ford/LG-julkaisu, jonka sisältämä kirjallisuusselvitys antaa haarukan 39−196 kgCO2-eq/kWh aikaisempien tutkimusten perusteella (katso alla oleva kuva julkaisusta). Ford Focukselle he saavat kokonaispäästöksi 3.4 tCO2-eq. Samoja Ford Focuksen päästöarvoja käyttää myös Tekniikan maailman juttu https://tekniikanmaailma.fi/lehti/23b-2018/sahkoauton-co2-kuorma-syntyy-valmistuksessa/, saaden 64 kWh akun päästöksi 64 kWh x 140 kgCO2-eq/kWh = 9 tCO2-eq. Siten T&T:n jutun BEV:n akun päästö 9 tCO2-eq saadaan kyllä tulokseksi 140 kgCO2-eq/kWh -päästöllä, mutta ei toimittajan viitteen arvolla 100 kgCO2-eq/kWh. 100 kgCO2-eq/kWh on lähempänä nykytodellisuutta, koska T&T:n toimittajan laskennoissa käyttämän Kia Niro EV:n akun tehotiheys 64 kWh/457 kg=0,14 kWh/kg on 77% isompi kuin akkupäästötuloksen Ford Focuksen 24 kWh/303kg=0,079 kWh/kg. Jos päästöt akkukiloa kohden olisivat pysyneet samassa Focuksen ajoilta, todellinen luku nykyisin olisi lähempänä 80 kgCO2-eq/kWh. Kuitenkin Nature-lehden artikkelin päästökertoimen 100 kgCO2-eq/kWh käyttö on edelleen turvallinen ja oikeutettu valinta. Kuitenkin pitää huomata, ettei missään muussa kuin T&T:n jutussa akun päästötiheydestä lasketun CO2-päästön päälle lisätä mitään lisäpäästöä. CO2-päästötiheys sisältää jo valmiiksi kaikki päästöt kilowattituntia kohti.

Akkujen päästöt kilowattituntia ja kilogrammaa kohden, kuva Fordin ja LG:n julkaisusta. Alkuperäinen kuvateksti: ”Comparison of cradle-to-gate GHG emissions (a) per kWh and (b) per kg of battery. A specific energy of 0.1 kWh/kg is assumed for batteries in EPA (2013).”

Mitä sitten tapahtuu T&T:n artikkelin laskelmille, jos korjaa akun päästölaskelmat 100 kgCO2-eq/kWh päästötiheydellä ilman virheellisiä lisäpäästöjä. Seuraavassa on mahdollisimman alkuperäisen artikkelin tavalla esitettynä korjatut päästölaskelmat, käyttäen osittain toimittajan tekstejä. Vertailussa on siis Kia Niro EV 64 kWh akulla ja Kia Niro PHEV 8,9 kWh akulla. Toimittajan käyttöskenaario on sellainen, että hän ajaa 18 000 km vuodessa, josta PHEV:llä hän voisi ajaa sähköllä 14 000 km, loput 4 000 km bensalla. Tämä käyttöskenaario on hyvin tyypillinen Suomessa, siksi hyvä laskentaan.

Akun valmistuksen päästöt:

• Kia Niro EV: 64 kWh x 100 kg = 6 400 000 grammaa CO2-päästöjä voimanlähteen valmistuksen aikana
• Kia Niro PHEV: 8,9 kWh x 100 kg + 600 kg = 1 490 000 grammaa päästöjä voimanlähteiden valmistuksen aikana

Tästä seuraa, että PHEV:ssä valmistuspäästöt 6 400 000 – 1 490 000 = 4 910 000 grammaa BEV:tä pienemmät.

Ajamisen päästöt (nämä oikein alkuperäisartikkelissa):

• BEV: 17 kWh x 180 (00) x 105 g = 321 kiloa CO2-päästöjä eli 17 grammaa kilometrille
• PHEV:
• Sähkö: 17 kWh x 140 (00) x 105 g = 250 kiloa CO2-päästöjä 
• Bensa: 144 g x 4 000 = 576 kiloa CO2-päästöjä

Yhteensä Kia Niro PHEV:in päästöt ovat vuodessa 826 kiloa eli 46 grammaa kilometrille. Kia Niro PHEV:illä ajaessa päästöjä on siis 29 grammaa per kilometri enemmän kuin BEV:illä ajaessa.

Kun sitten jaetaan tuo valmistuksen päästöjen erotus 4 910 000 grammaa ajamisen päästöjen erolla 522 000 (29 g x 18 000 km) grammalla vuodessa, huomataan että ajamalla BEV:istä tulee puhtaampi 9,4 vuodessa. Eli toimittajan päätelmä edelleen oikea. Tällä käyttöprofiililla PHEV erittäin järkevä vaihtoehto.

Vertailussa Nissan Leafin ja Kia Niro PHEV:n välillä on yllämainitun virheen lisäksi huolimattomuusvirhe PHEV:in päästöjen osalta.

Nissan Leafin valmistuspäästöt: 40kWh x 100 kg = 4 000 000 grammaa valmistuksen aikaisia päästöjä.

Tässä kohtaa vertailussa Leafin ja PHEV:n välillä alkuperäisartikkelissa PHEV:n valmistuksen päästöt unohtuneet kokonaan. Kahden korjauksen jälkeen saadaan seuraava lasku: (4 000 000-1 490 000)/522 000 = 4,8 eli Leafistä tulee ajamalla puhtaampi 4,8 vuodessa. Siten pieniakkuinen BEV alkaa olla puhtaampi vaihtoehto myös 18 000 km vuodessa ajavalle, vaikka PHEV:illäkin pääsisi suurimman osan ajosta sähköllä. Kannattaa myös huomata, että Kia Niro PHEV ja Nissan Leaf 40 kWh ovat saman hintaiset (noin 36 000 euroa molemmat), joten rahallisestikin pieniakkuinen BEV tulee hieman edullisempi halvempien ajokustannusten vuoksi. T&T:n jutussa toimittaja ottaa Leafin hinnan uudesta 3.ZERO-lanseerausmallista, eikä perusmallista, joka on edelleen hinnastossa 3.ZERO:n rinnalla.

Realistisempi 36 000 km ajoprofiili

PHEV-laskelmat 36 000 kilometrillä vuodessa vaativat isomman realismin tarkistuksen. Laskelmassa vuodessa 28 000 km ajettiin sähköllä ja loput 8 000 km bensalla. 28 000 kilometriä vuodessa sähköllä PHEV:llä vaatii kolme täyttä latausta joka päivä ja suurimman osan bensakilometreista varaamista talviolosuhteisiin, sillä talviolosuhteissa ohjaamon lämmitys PHEV:eissa (melkein kaikilla PHEV-malleilla) toimii polttomoottorin hukkalämmöllä. (Joissain PHEV:eissä voi pakottaa auton talvellakin puhtaaseen sähkömoodiin, mutta silloinkin talven vaikutus sama: lämmitys tapahtuu sähköllä, jolloin sähköinen toimintamatka lyhenee ja polttomoottoria tarvitaan talvella enemmän yli 50 km ajomatkoilla kuin kesällä.) Siten mielestäni T&T jutun 36 000 km skenaariossa on epärealistiset oletukset. Toimittajan ajoskenaarion 18 000 km on PHEV:ille optimaalinen ajomäärä vuodessa ja näillä vuosikilometreillä PHEV parhaimmillaan. Kuitenkaan realistista 36 000 km skenaariota ei saa vain kertomalla 18 000 km ajoprofiilin tuloksia kahdella, sillä PHEV:n akku on yksinkertaisesti liian pieni vaadittavan isoille keskimääräisille päivittäisille kilometreille.

Yleisin syy 36 000 km/v kokoluokan ajomääriin vuodessa on pitkä työmatka. Otetaan siten laskennan pohjaoletukseksi, että suurin osa kilometreistä tulee työmatkasta. Oletetaan ajoprofiilin perustaksi yli 50 km (eli käytännössä 50-150 km) työmatka suuntaansa, ja optimistisesti latausmahdollisuus myös töihin. Talven lämmitystarve polttomoottorilla (tai sähköllä) huomioiden PHEV:llä keskimäärin 40 km tästä päästään sähköllä. Päivän loput ajot pitää tehdä myös bensalla. Mielestäni tämä on järkevä oletus, sillä kolmas päivittäinen täysi lataus vaatisi latausaikaa 3h työpäivän jälkeen. Arkiajoa on keskimäärin noin 230 työpäivää vuodessa, joten sähköllä arkiajosta hoituu 18400 km. Siten realistisempi jako voisi olla 20 000 km vuodessa sähköllä ja loput 16 000 km bensalla.

Lasketaan tämä realistisempi 36 000 km skenaario korjatuilla valmistuspäästöillä. Aloitetaan kuluista.

• BEV: 17 kWh x 360 (00) x 0,13 = 795 euroa kustannus ajamisen vaatimasta sähköstä vuodessa.

Lasketaan PHEV uusilla suhteilla:

• PHEV: 17 kWh x 200 (00) x 0,13 = 442 euroa sähkön osalta + 5 litraa x 160 (00) x 1,45 = 1160 euroa bensan osalta eli yhteensä 1602 euroa vuodessa.

Erotus BEV:in hyväksi on 807 euroa. Se tarkoittaa, että ajokustannusten puolesta BEV muuttuu edullisemmaksi 11,15 vuodessa. Edelleen PHEV edullisin vaihtoehto Kia Niroista! Leaf taas tulisi kokonaisuutena edullisemmaksi identtisestä hankintahinnasta johtuen.

Päästöjen osalta tilanne muuttuu myös:

• BEV:in osalta vuosittaiset päästöt voidaan laskea kertomalla kahdella 18 000 km/v päästölaskelman luvut eli saadaan 642 kiloa, jolloin kilometrikohtaiset päästöt eivät muutu, vaan ovat edelleen 17 g/km.
• PHEV:in ajamisen päästöt:
• Sähkö: 17 kWh x 200 (00) x 105 g = 357 kiloa CO2-päästöjä +
• Bensa: 144 g x 16000 = 2304 kiloa CO2-päästöjä

Yhteensä Kia Niro PHEV:in päästöt ovat vuodessa 2661 kiloa eli 74 grammaa kilometrille. Kia Niro PHEV:illä ajaessa päästän siis 57 grammaa per kilometri enemmän kuin BEV:illä ajaessa. Vuosipäästöjen osalta ero on 2019 kiloa BEV:in eduksi.

Milloin nyt BEV tulee puhtaammaksi kuin PHEV? Jaetaan valmistuksen päästöero käytön päästöerolla, 4 910 000 / 2 019 000 = 2,4 eli runsaasti ajavan BEV muuttuu ympäristöystävällisemmäksi vajaassa kahdessa ja puolessa vuodessa, 87 500 kilometrin ajon jälkeen. Pelkkiä päästöjä ajatellen BEV olisi siis järkevämpi.

Ja kannattaa huomata, että tämä laskelma vaatii siis latausmahdollisuuden töihin. Jos sitä ei olisi, sähköllä on vaikea päästä yli 10000 km vuodessa. Tehdään uusi laskelma tasaluvuilla: 10000 km sähköllä ja 26000 km bensalla. Tällöin PHEV:in vuosipäästöt olisivat 3922 kg, jolloin BEV:n tulee ympäristöystävällisemmäksi jo 1,5 vuodessa, edullisemmaksi vajaassa seitsemässä vuodessa. Jos vertaa 40 kWh Leafiin, ympäristöystävällisemmäksi päästään jo 0,75 vuodessa. Leafin ja Niro PHEV:n samanhintaisuudesta seuraa, että Leafilla säästöä 1300 euroa vuodessa.

Oma käyttöprofiilini

Ylläolevat enemmän ajavan ajomäärät ja -profiili ovat lähellä minun lukujani, eikä minulla ole latausmahdollisuutta töissä. Ajan 30000 km vuodesta, joka koostuisi PHEV:llä seuraavasta:

1. 85 km työmatka 200 kertaa vuodessa, yhteensä 17000 km. Päivittäin 45 km bensalla ja 40 km sähköllä, eli vuodessa 9000 km bensalla ja 8000 km sähköllä.
2.  20 x 450 km työmatkaa vuodessa, 9000 km bensalla.
3. 4000 km pikkuajoa ja lomareissuja, puolet sähköllä, eli 2000 km bensalla ja 2000 km sähköllä.

Eli yhteensä

Sähköllä 10 000 km

Bensalla 20 000 km

Minun tapauksessani PHEV:in vuosipäästöt olisivat 3059 kg ja BEV:n 536 kg, jolloin BEV:n tulee ympäristöystävällisemmäksi vajaassa kahdessa vuodessa. Lisäksi oikeasti ajan 40 kWh Leafilla kaikki ajoni, joten sen pienemmät valmistuspäästöt huomioon ottaen pääsen ympäristöystävällisemmäksi tasan vuodessa. Leafin ja Niro PHEV:n ollessa samanhintaiset, Leafilla syntyy säästöä 1008 euroa vuodessa.

Yhteenveto

Korjattujenkin laskelmien jälkeen isoakkuisen sähköauton ostamisen järkevyys Suomessa keskimääräisillä 18 000 vuosikilometreillä on kyseenalaista, jos suurin osa ajosta voidaan tehdä sähköllä PHEV:illäkin. Toisaalta PHEV:illä puhtaasti ajaminen vaatii enemmän vaivaa käyttäjältä sen osalta, että auto pitäisi lähes aina pysäköidessä saada kiinni lataukseen. Pieniakkuinen sähköauto tulee pidemmän päälle vähäpäästöisemmäksi ja lähes aina halvemmaksi. Tosin pienen akun kanssa pidemmät ajomatkat vaativat enemmän vaivaa puolen tunnin pikalatauksineen 150-250 km välein.

Jos vuosittaiset ajomatkat ovat yli 30 000 km ja kärsivällisyys riittää pikalatauksiin pitkillä matkoilla, BEV on hyvä, halpa ja vähäpäästöinen valinta. Mitä pienemmällä akulla pärjää, sen puhtaampaa ja halvempaa ajaminen on. Usein ensimmäistä sähköautoa suunnittelevat liioittelevat oman tarpeensa akun koolle. Useimmat suomalaiset pärjäisivät hyvin 40 kWh akulla, jos auto vähäkulutuksinen. Itse päätin ottaa riskin ja kokeilla miten pärjään Leafilla, ja ihan hyvin olen pärjännytkin.

Tarinan opetus: ekologisuus ja edullisuus riippuvat käyttäjän käyttöprofiilista. Jokainen joutuu tekemään laskelmat omilla luvuillaan.

Huomautus akkujen päästöjen arvioinnin vaikeudesta

Akkujen valmistuksen nykyisiä päästölaskelmia voi pitää vain suuntaa-antavina, sillä akut ja niiden valmistus muuttuvat nopeasti. Esimerkiksi Volkswagen on ilmoittanut, että se pyrkii valmistamaan I.D. -brändin autot hiilidioksidineutraalisti. Samoin Tesla on suunnitellut, että Gigafactory siirtyy tulevaisuudessa täysin uusiutuvan energian käyttöön. Tästä johtuen akun päästöjä laskiessa pitää katsoa missä maassa, missä tehtaalla ja minä vuonna ne on tuotettu. Oikeastaan päästöt riippuvat myös jokaisen akun valmistukseen osallistuvan tuotantolaitoksen käyttämän sähkön alkuperästä, joten oikeiden päästölukujen saaminen on lähes mahdotonta, jos valmistaja ei niitä kerro.