Sähköautojen yleistyessä myös niissä käytettyjen akkujen määrät lisääntyvät ja joudutaan miettimään, mitä käytöstä poistettaville akuille tullaan tekemään. Kierrätys yhdistettynä uusiokäyttöön energiavarastona voisi olla eräs ratkaisu, etenkin jos käytettyjen akkujen purku- ja testausprosesseja saadaan parannettua.
| Artikkelin on kirjoittanut Mouser Electronicsin Mark Patrick. Hän tuli Mouserin palvelukseen kesällä 2014 työskenneltyään aiemmin RS Componentsilla markkinointitehtävissä ja sitä ennen Texas Instrumentsissa sovelluskehityksen tuessa. Hänellä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Coventryn yliopistosta. |
Huoli ajoneuvon toimintasäteen riittävyydestä ei enää ole merkittävästi rajoittamassa kuluttajien kiinnostusta akkukäyttöisiä sähköautoja kohtaan. Myötämielisyyttä ovat lisänneet tehdyt parannukset voimalinjojen suunnittelussa, latauspisteiden yleistyminen, pikalatausmahdollisuudet sekä kuljettajien ja autonomistajien lisääntynyt ymmärrys sähköautoilua kohtaan ylipäätään. Autonostajat uskovat, että nykyajan sähköautot ovat turvallisia ja selviytyvät hyvin päivittäisessä käytössä ja että ainoastaan pieni osuus matkoista on sellaisia, joissa eteen tulee tarve pysähtyä lataamista varten kesken matkan.
Toisaalta kokemukset matkapuhelimien yhteydessä ovat osoittaneet missä määrin litiumioniakut menettävät tehoaan käyttöiän pidentymisen johdosta ja miten toistuvat lataamiset ja purkamiset vaikuttavat akkujen kuntoon: Käyttöiän lähestyessä loppuaan yhdellä latauksella saatava käyttöaika lyhenee ja lataamiskertojen tarve kasvaa. Sähköautoissa Li-ion-akun toimintakyvyn heikkeneminen käyttöiän myötä vaikuttaa ajoneuvon toimintasäteeseen ja suorituskykyyn. Kun akun kapasiteetti on pienentynyt noin 80 prosenttiin, sen ei katsota enää kelpaavan ajoneuvon tehon tuottamiseen. Ajoneuvon käytöstä riippuen tähän pisteeseen päädytään 8-10 vuodessa. On myös syytä panna merkille, että pikalataaminen, johon on paljon panostettu osana sähköauton toimintasäteeseen ja matka-aikaan liittyvien haasteiden ratkaisua, tunnetusti lyhentää akun käyttöikää.
Iso ratkaistava ongelma on, mitä käytöstä poistettaville akuille pitäisi tehdä? Tutkimusyhtiö Fleetcarman ennusteen mukaan vuonna 2030 käytettyjä akkuja kertyisi 11 miljoonaa tonnia. Sähköautojen kysynnän ennustetaan kasvavan jatkuvasti eikä sitä ainakaan hillitse se, että jotkin EU-maat ovat aikeissa kieltää polttomoottoreilla varustettujen ajoneuvojen myynnin seuraavan 20 vuoden kuluessa. Kehityskulun seurauksena arvioidaan, että maailman tieverkostossa tarvitaan vuoteen 2040 mennessä puoli miljardia latauspistettä Li-ion-akulla varustettuja hybridi- ja sähköautoja varten.
Ilmeinen suuntaus on ottaa talteen käytettyjen akkujen materiaalit ja hyödyntää niitä uusien akkujen valmistamisessa. Taloudellisesti ja ympäristön kannalta järkevä toimintamalli olisi hyödyntää käytettyjen akkujen jäljelle jäänyttä kapasiteettia niin pitkälle kuin mahdollista vielä ennen niiden väistämätöntä ja lopullista kierrätykseen laittamista. Vaikka akut eivät enää kelpaisikaan sähköautoissa käytettäväksi, niillä olisi uusiokäyttöä sovelluksissa, joissa niiden heikentyneellä suorituskyvyllä ei olisi vaikutusta loppukäyttäjän käyttäjäkokemukseen. Tällaisia mahdollisia sovelluksia olisivat toimiminen energiavarastona erilaisissa käyttökohteissa, kuten aurinko- ja tuulisähköä tuottavissa mikrogeneraattoreissa, varateholähteissä, älykkään sähköverkon hallintalaitteissa ja (kuinka ollakaan) sähköautojen latausasemien tehonsyöttölaitteissa.
Uusiokäytöstä ekologisesti kestävää liiketoimintaa
Akkujen uusiokäytölle odotettavissa olevat markkinat toisivat liikevaihdon ja työllisyyden lisäksi uusia mahdollisuuksia ratkaista sähköautojen käytettyjenakkujen lisääntyvän määrän tuomia ympäristöön kohdistuvia haasteita. Lux Researchin tutkimuksessa vuonna 2017 on arvioitu, että uusiokäyttöön otettava akku voisi tuottaa jopa 65 GWh energiaa vuoteen 2035 mennessä. Käytetyt akut tulee kerätä ja purkaa, minkä jälkeen uudelleen käyttöön aiotut kennot testataan ja valitaan niistä uusiokäyttöön soveltuvat kennot. Sen jälkeen uudelleen käyttöön soveltuviksi valitut kennot ryhmitellään ryhmiin, joissa kennojen jäljellä oleva toimintakunto on samalla tasolla ja joista sitten kootaan kennot toimintakelpoisiksi uusiokäytettäviksi akuiksi.
Teknologiayritykset voivat sitten tuotteistaa uusiokäyttöakut markkinoille. Tästä esimerkkinä voidaan mainita brittiläinen Powervault, jonka älykkäiden energiavarastojärjestelmien avulla voidaan hyödyntää asuntokohtaisesti kotona tuotettua aurinko- ja tuulienergiaa sekä edullisen ajan verkkosähköä. Kotona oleva energiavarasto auttaa myös julkista sähköntuottajaa hallitsemaan paremmin kuluttajakysyntää ja välttämään valtavia kulutushuippuja tarjoamalla käyttöaikaan perustuvia joustavia kuluttajamaksuja.
Ruotsalainen Göteborgissa sijaitseva yhtiö Box of Energy on valinnut samantyyppisen lähestymistavan kuin Powervault. Molempien yhtiöiden tarjoamissa tuotteissa sähköautoista uusiokäyttöön otettuja akkuja käytetään sellaisissa järjestelmissä kuten akunhallintaelektroniikassa, sähköverkon ja aurinko- tai tuuligeneraattorin yhdistävissä ohjauspiireissä, turva- ja suojausjärjestelmissä.
Soveltamisen kannalta oleellisiin toimintoihin, kuten akunhallintaan ja tehonsuojaukseen liittyvää teknologiaa ja osaamista on saatavissa muun muassa seuraavilta alan yrityksiltä: Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology ja Texas Instruments. Viimeksi mainittu on julkaissut mallisuunnittelun akunhallintajärjestelmästä, joka on sovitettu autoelektroniikan ja energiavarastoinnin Li-ion-akkuja käyttäviin sovelluksiin. Analog Devicesilla on useita mallisuunnitteluja Li-ion-akkuja hyödyntäviin järjestelmiin akunhallinnasta ja tehonsuojauksesta akkutestaukseen.
Sähköauton akkuja koskevat EU-määräykset ovat valmisteilla ja niissä odotetaan edellytettävän autonvalmistajia huolehtimaan, etteivät heidän autojensa akut päädy ympäristöä pilaamaan. Autovalmistajat itse lähestyvät asiaa useallakin tavalla. Nissan Europe on liittynyt ryhmään toimijoita, jotka pohtivat akkujen uusiokäyttöön liittyviä kysymyksiä. Projektin osana on rakennettu 1 MWh:n energiavarastointijärjestelmän prototyyppi ja kehitetty nopeutettu menetelmä, jolla käytetty akku saadaan uusiokäyttöön soveltuvaksi aikaisemman kolmen tunnin sijasta kolmessa minuutissa.
Teslan vuonna 2019 julkaiseman Impact Reportin mukaan akkujen käyttöikä on pidempi kuin itse ajoneuvojen ja että akuista sata prosenttia on kierrätettävissä siinä vaiheessa kun sähköauto menee romutettavaksi matkamittarissaan tyypillisesti 130 000 – 200 000 mailin lukemat. Autokannastaan kokoamaansa dataan viitaten Tesla väittää, että käytöstä poistettavien akkujen kapasiteetista on yleensä jäljellä yli 90 prosenttia verrattuna niiden alkuperäiseen täyteen kapasiteettiin uutena.
Volkswagen on ilmoittanut aikeestaan hyödyntää akkujen uusiokäyttöä ja kierrätystä. Se on tutkinut mahdollisuutta uusiokäyttää akkuja – kunhan käytettyjä sähköauton akkuja alkaa olla riittävästi saatavissa – tuotantolaitostensa energiavarastoinnissa ja muissa projekteissa yhteistyössä muiden yritysten ja kunnallisten toimijoiden kanssa. Se on tutkinut myös mahdollisuutta kunnostaa joitakin käytettyjä akkuja tiettyjä komponentteja vaihtamalla uudelleen käytettäväksi sähköautoissa. Ne akut, jotta eivät enää sovellu uudelleen käytettäväksi tai korjattavaksi uusiokäyttöön puretaan ja hajotetaan siten, että uudelleen käyttöön soveltuvat raaka-aineet saadaan talteen.
Uusiokäyttöön vai kierrätykseen?
Samalla kun sähköautojen akkujen markkinat kasvavat, niissä tarvittavien raaka-aineiden kuten koboltin, mangaanin, nikkelin, kuparin, hiilen ja litiumin hintojen odotetaan nousevan. Joidenkin näiden raaka-aineiden hinnat ovat jo nykyisin nousseet nopeasti, millä voi olla vaikutusta akkuja käyttävien tehdessä päätöstä ohjataanko käytetyt akut uusiokäyttöön vai kierrätettäväksi, jolloin voidaan hyödyntää yhä kalliimpien raaka-aineiden arvonnousu myytäessä ne eteenpäin.
Painoa päätöksenteossa voi olla myös sillä, kuinka kehittyneitä prosesseja on käytettävissä akkuja uusiokäyttöön valmisteltaessa ja kierrätykseen laitettaessa. Nykyisin käytettyjen akkujen purkaminen, testaaminen ja kennojen kunnostaminen uusiokäytettäväksi tapahtuvat pääsääntöisesti manuaalisesti. Kehittämällä automaatiota yhdistettynä esimerkiksi Nissanin ehdottamaan nopeaan kennojen kunnostamiseen, voisi olla ratkaisu uusiokäyttöakkujen suosion lisäämiseen energiavarastoina verrattuna täysin uusien akkujen käyttöön energiavarastoina. Toisaalta kierrätystä voidaan myös edistää kehittämällä esimerkiksi uusia kemiallisia prosesseja korkeatasoisten materiaalien tuottamiseksi uusien akkujen tuotantoa varten.
Autonvalmistajien ja heidän akkutoimittajiensa kannattaa optimoida akkusuunnittelu siten, että käytetyn akun poistaminen ajoneuvosta tapahtuu helposti samoin kuin sitä seuraava akun purkaminen ja osiin erottelu. Sähköauton omistajan kannalta toimiva akkujen uusiokäyttömarkkina, kannustava kierrätysmahdollisuus tai molemmat ovat omiaan alentamaan autonomistajan kokonaiskustannuksia.
Samalla kun tuotekehityksen ja markkinavoimien rooli taloudellisten ja teknisten kysymysten osalta on keskeistä, on otettava myös huomioon lainsäädännön asettamat muut vaatimukset akkujen uusiokäyttöä koskien. Yhä enemmän säännöksiä on odotettavissa akkujen uusiokäyttöön liittyen markkinoiden yhä laajentuessa, kun uusia toimijoita on tulossa kasvaville markkinoille ja akkujen tarjonta lisääntyy. Ja koska uusiokäyttöakkuja sisältävät tuotteet ovat varsin uusi tuoteryhmä, on tarve kerätä lisää dataa niiden suorituskykyyn ja luotettavuuteen liittyen.
Yhteenveto
On hyvä asia, että etsitään ratkaisuja mitä käytetyille sähköautojen akuille pitäisi tehdä. Sekä uusiokäyttöön tarkoitetut sovellukset että kierrätys tähtäävät käytettyjen akkujen ympäristölle aiheutuvien ongelmien vähentämiseen ja edesauttavat uudenlaisten työllistymismahdollisuuksien luomista. Jokaisessa lähestymistavassa on omat haasteensa.
Käytettyjen akkujen uusiokäytön pitää olla kilpailukykyistä uusiin akkuihin tai kierrätykseen laittamiseen verrattuna, jos niitä halutaan käyttää energiavarastoina. Joko alkuperäisen käytön tai uusiokäytön jälkeen lopullisena ratkaisuna on sitten tehokas kierrätys.
Lisätietoa
- https://www.fleetcarma.com/electric-vehicle-batteries-reused-recycled/
- https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12399-Modernising-the-EU-s-batteries-legislation
- https://www.tesla.com/impact-report/2019
- https://www.volkswagen.co.uk/electric/research/sustainability/recycling-your-battery
- https://www.ft.com/content/c489382e-6b06-11e7-bfeb-33fe0c5b7eaa
Tekoäly siirtyy pilvestä koneisiin, kameroihin, antureihin ja robotteihin. Reunalla yksi laitteistoratkaisu ei kuitenkaan sovi kaikkeen, vaan suorituskyky on sovitettava mallin, datan ja käyttökohteen mukaan.
