Akkuteknologiat kehittyvät vauhdilla

Kirjoittajat: Insinööri AMK Mika Turska, asiantuntija, Uudistuva teollisuus -osaamisryhmä, Lapin ammattikorkeakoulu; Insinööri AMK Jouni Kanto, asiantuntija, Uudistuva teollisuus -osaamisryhmä, Lapin ammattikorkeakoulu; DI Tuomas Kelloniemi, asiantuntija, Älykäs rakennettu ympäristö -osaamisryhmä, Lapin ammattikorkeakoulu.

Digitalisaation myötä akkuteknologiaa on nykymaailmassa kaikkialla; suurella osalla maailman ihmisistä on henkilökohtainen matkapuhelin, jossa on tyypillisesti Litiumakku. Akkuja on käytetty varavoimana jo pitkään, tavanomaisimmin lyijyakustoilla.

Seuraava murros on käynnistynyt autoilussa; ilmastonmuutosta vastaan kamppailu vaatii autoteollisuutta siirtymään fossiilisten polttoaineiden käytöstä yhä enemmän sähköisiin energialähteisiin. Euroopan Unionin neuvostossa jäsenmaiden sopima 55valmiuspaketti rajoittaa jäsenmaissa myytävien uusien autojen hiilidioksidipäästöjen määrää verrattuna 2021 tasoon. Tämä käytännössä pakottaa auton valmistajia siirtämään tuotantoaan täyssähkö- ja hybridiautoihin. (Euroopan Unionin neuvosto, 2023)

Tästä nähdään jo osviittaa uusien autojen rekisteröinneissä vuosien 2021 ja 2022 välillä. EU:n alueella bensiinikäyttöisten uusien autojen rekisteröinnit ovat laskeneet 12,8 prosenttia ja dieselkäyttöiset 19,7 prosenttia. Uusien autojen rekisteröinneissä uusien täyssähköautojen määrä on kasvanut 28 prosenttia ja hybrideissä on ollut muutaman prosentin kasvua.

Vuonna 2022 uusista Euroopan Unionin alueella rekisteröidyistä uusista henkilöautoista 44,1 prosenttia oli ajoakun ja sähkömoottorin omaavia ajoneuvoja. Täyssähköisiä ajoneuvoja myytiin yli miljoona satatuhatta kappaletta ja niiden osuus kaikista myydyistä oli 12,1 prosenttia. (ACEA, 2023)

Kuvio 1. EU:ssa rekisteröidyt uudet henkilöautot vuonna 2022. (Mukaillen ACEA, 2023)

Kasvava uusiutuvien energialähteiden osuus sähköntuotannossa lisää myös omalta osaltaan akkujen tarvetta tasapainottamaan vaihtelevaa energiantuotantoa. Suurimmat akut ovat energiayhtiöiden asentamina energiavarastoratkaisuna konttimaisissa rakenteissa ja pienempiä ovat taloyhtiö-/yksityisomisteiset taloakut.

Akkujen käytön voimakas lisääntymineen lisää myös tarvetta akkuteknologian osaamiselle. Suomessa työ- ja elinkeinoministeriö on tehnyt useita selvityksiä akkuteknologioihin liittyen, joiden päätavoitteina ovat olleet selvittää Suomen kansallista akkustrategiaa vuoteen 2025 ja synnyttää Suomeen akkuklusteri.

Näiden syiden johdosta selvitimme erillisessä Akkustrategiaryhmässä Lapin ammattikorkeakoulun akkuteknologiaosaamista ja lisäosaamisen tarpeita sekä opetuksen että tutkimus-, kehittämis- ja innovaatiotoiminnan kannalta.

Akkuarvoketjut

Akkuteknologian kehityksen ja investointien ympärillä tapahtuu paljon Suomessa ja Pohjois-Euroopassa. Suunnitelmia on vireillä ja akkuhankkeita on käynnissä useita, joten akkuarvoketjulla tulee olemaan suuri merkitys Suomen kestävässä talouskasvussa, investoinneissa ja työllistymisessä. Kerrannaisvaikutukset ulottuvat varmuudella monille aloille. Lapin alue on jäämässä ulos tästä kehityksestä.

Akkujen tuotanto alkaa akkumineraaleista. Niitä louhitaan esimerkiksi Terrafamen Euroopan suurimmassa nikkelikaivoksessa Sotkamossa ja Boliden Kevitsassa Sodankylässä. Akuissa käytetään myös kobolttia, mangaania ja litiumia, ja teknologian kehittyessä vaihtoehdot lisääntyvät. Nyt on jo esimerkiksi Kiinassa kehitelty kaupalliseksi ns. ”suola-akku” eli natriumioniakku. Tämän etuna on pienempi hinta ja vähäisemmät ympäristöhaitat.

Mineraalit jatkojalostetaan kemikaaleiksi, kuten nikkelisulfaatiksi. Kemikaalitehtaita toimii muun muassa Sotkamossa ja Harjavallassa. Myös arvoketjun seuraava lenkki toteutunee Suomessa, kun BASF Battery Materials alkaa jalostaa kemikaaleista prekursorimateriaaleja Harjavallassa. Suomen Malmijalostuksen omistama Finnish Battery Chemicals suunnittelee samaa Haminassa.

Prekursorimateriaaleista jalostetaan katodimateriaaleja, joiden tuotantoa Finnish Battery Chemicals valmistelee Kotkassa. Katodeista kootaan paristoja muistuttavia akkukennoja. Norjalaisyhtiö Freyrillä on suunnitelma akkukennotehtaan perustamisesta Vaasaan. Viimeinen vaihe on akkujen kokoonpano. Sähköautojen akkuja kootaan esimerkiksi Valmet Automotiven tehtailla Salossa ja Uudessakaupungissa. (Lepola, A. 2022)

Kuva 1. Suomalainen akkuarvoketju (Lähde: Finnish minerals group 2022)

Suomen maaperästä löytyy kyllä merkittävä määrä litium-ioniakkujen valmistuksessa tarpeellisia mineraaleja kuten kobolttia, nikkeliä, litiumia ja grafiittia, mutta kaivostoimintaa ei näihin liittyen täällä Lapissa ole tällä hetkellä kuin Kevitsan kaivoksella Sodankylässä. Siksipä osaltaan myös voidaan todeta arvoketjua tarkkailemalla, että Lapin ammattikorkeakoulun osaaminen ja suuntaus voisi sijoittua ketjun loppupäähän.

Ympäristöystävälliset ja tehokkaat ratkaisut akkujen testauksessa ja kierrätyksessä (myös ns. Second-life akut) ovat jo nykypäivää ja niiden merkitys kasvaa jatkuvasti. Esimerkiksi Muhoksella toimiva kasvuyritys Cactos on kehittänyt älykkään sähkönvarastointijärjestelmän, joka hyödyntää käytettyjen Tesla-sähköautojen akkuja. Tällaista sähkövarastoa voidaan käyttää varavoimana sähkökatkosten aikana ja sen avulla voidaan myös tasata kulutus- ja hintapiikkejä. Energian varastointia ja innovointia siis parhaimmillaan.

Lapin AMK:n kehitysympäristöt ja akkuteknologiat

Lapin ammattikorkeakoululla on olemassa olevia akkuteknologiaa hyödyntäviä laitteita ja laitekokokonaisuuksia, joiden käyttöä hyödynnetään opetuksessa. Laitteilla tehdään erinäisiä harjoitustöitä, joilla saadaan kosketuspintaa akkuteknologiaan erilaisissa ympäristöissä.

Kemin toimipaikasta löytyy Benning 110V Tasajännitekeskus, Nocart saarekekonvertteri ja Fronius nanogrid -järjestelmä. Rovaniemen yksikössä akkuteknologiaa löytyy rakennuslaboratorion aurinkosähköjärjestelmästä ja tulevaisuudessa akkutekniikkaa voidaan testata rakenteilla olevassa olosuhdehuoneessa, joka rakennetaan noin kolme metriä korkeaan konttiin erillisellä jäähdytysjärjestelmällä.

Benning 110V Tasajännitekeskus

Lapin AMK:n Kemin toimipisteen sähkövoimalaboratoriossa on Benningin valmistama 110V tasajännitekeskus. Keskus on tarkoitettu varmistamaan sähkön saanti sähkölaitoksen suoja- ja ohjauslaitteistoissa, joissa äkilliset sähkökatkokset voisivat aiheuttaa mittavia haittoja ja turvallisuusriskejä. Keskus on siis niin sanottu varavoimalähde.

Ammattikorkeakoulu käyttää keskusta opetuksessa, kun opiskellaan sähkölaitoksen toimintaa ja ohjausta. Keskus varastoi energiaa lyijyakkuihin, joista se purkaa sitä sähkökatkoksen syntyessä. Keskuksen yhteydessä on myös sen toiminnan ohjaukseen vaikuttavia laitteita, kuten sähköverkon monitorointiin ja kytkennän vaihtamiseen liittyviä laitteita.

Kuva 2. Benning 110V tasajännitekeskus vasemmalla ja sen apulaitteet.

Kuva 3. Benning 110V tasajännitekeskuksen lataus/monitorointi paneeli.

Nocart saarekekonvertteri

Kemin toimipisteessä on myös Nocartin valmistama saarekekonverteri. Laite on tarkoitettu sähkönsaannin varmistamiseen ja monen eri energialähteen hyödyntämiseen (aurinkopaneelit, tuulivoima…). Saarekekonvertterin avulla voidaan varmistaa esimerkiksi maatilan sähköistys yleisen sähkökatkon aikana.

Laitetta käytetään opetuksessa sähkönlaadun mittauksiin ja simuloimaan energialähteen vaihtamista sähköverkossa, kun verkko on käytössä.

Kuva 4. Nocart saarekekonvertteri.

Energy ECS Fronius nanogridi

Energy ECS -hankkeessa on hankittu Lapin AMK:lle testikäyttöön omakotitalokokoluokan nanogrid-järjestelmä. Järjestelmä koostuu hybridi-invertteristä, akkupaketista, aurinkopaneeleiden simulointijärjestelmästä ja energiankulutuksen ohjausjärjestelmästä.

Järjestelmän avulla voidaan turvata omakotitalon energian saanti yleisen sähkökatkon aikana. Lisäksi järjestelmällä voidaan ohjata energian kulutusta pörssisähkömarkkinoiden spothintojen perusteella halvempaan ajankohtaan. Järjestelmä on tällä hetkellä rakenteilla ja on tarkoitus saada käyttöön vuoden 2023 loppuun mennessä.

Rovaniemen kampuksen aurinkosähköjärjestelmä

Rovaniemen kampuksen rakennuslaboratorioon on Älykkään Elinympäristön Teknologiat hankkeessa hankittu 11 kWp aurinkosähköjärjestelmä kahdella 5 kW kolmivaiheisella vaihtosuuntaajalla ja kaksi taloakkua: Sonnen valmistama sisäisellä kolmivaiheisella vaihtosuuntaajalla oleva ECO 8.0 sarjan 16 kWh LiFePO4 taloakku sekä Froniuksen valmistama Fronius Hybrid vaihtosuuntaajan tasavirtapuolelle asennettava Solar Battery 12 9,6 kWh käytettävällä kapasiteetilla oleva LiFePO4 taloakku. Fronius Ohmpilot on kolmivaiheinen älykäs vaihtosuuntaajan verkkoliittymän kautta säädettävä ohjain ylijäämäsähkön varastoimiseksi lämpöenergiaksi vesivaraajaan.

Aurinkosähköjärjestelmä on mahdollisuus irrottaa ja erottaa verkosta omaksi saarekkeekseen erillisellä manuaalisella kytkimellä. Järjestelmä on ollut mukana mm. Solarctic-hankkeessa yhtenä pilottikohteena. Opetuksessa järjestelmää on harvakseltaan käytetty oppilastöissä, mutta tulevaisuudessa pyritään myös saamaan sisällettyä talo- ja energiatekniikan opintokokonaisuuksiin. Aurinkosähköjärjestelmän ryhmäkeskuksessa on Fronius Smart Meter älykkääseen kaksisuuntaiseen energianmittaukseen.

Lapin AMK:n tulevaisuus akkuteknologioiden suhteen

Keräsimme projektissa myös Lapin ammattikorkeakoulun Kemin ja Rovaniemen yksiköiden opetustoimeen kuuluvien ajatuksia akkuteknologiasta ja sen tulevaisuuden näkymistä. Kysely antoi ymmärtää, että muun muassa jatkuvaan oppimiseen ja ymmärryksen lisäämiseen tarvittaisiin resursseja sekä koulutusta. Akkujen testaaminen ja akkutekniikan kehittäminen nähdään selvästi opetuksen kannalta tärkeänä asiana ja niiden tuominen lähemmin opetukseen nähdään järkevänä.

Alla otteita sähkö- ja automaatiotekniikan, rakennus-, talo- ja energiatekniikan sekä tieto- ja viestintätekniikan opetushenkilöstön palautteesta.

“Jos testaaminen tarkoittaa sitä, että arvioidaan akkujen kuntoa, tilaa ja kuntoa, olisi tätä hyvä käydä opetuksessa läpi. On käsitys, että monella akkujen kuntojen arviointi perustuu uskomukseen, kun sen pitäisi perustua havainnointiin ja mittauksiin
(referenssitieto/historiadata). Kun tunnetaan anatomia, niin tiedetään käyttäytyminen ja osataan tulkita tilannetta.”

“Talo- ja energiatekniikan opiskelijoiden kokonaisuuden kannalta olisi hyvä tietää akkutekniikan perusteet, koska hehän mitoittavat lämmitysjärjestelmät ja niiden laitteet, jolloin he voivat samalla loppukäyttäjille suositella akkuja osana järjestelmää.”

“Pelkät sähköakut eivät välttämättä mene riittävän pitkälle vaan pitäisi perehtyä enemmänkin myös muihin energiavarastoihin. Uudet akkuteknologiat ja innovaatiot sekä niiden kehitysaste olisi hyvä saada näkyviin opetuksessa.”

“Ajankuvaan peilaten se on tärkeä ja se pitää ottaa meidän puolellamme huomioon melkein kaikessa. Meillä on liikkuvia laitteita, sensoreita, antureita ja koska toimimme lapin alueella, niin erämaaolosuhteissa toimivat akkujärjestelmät ja latausinfra kiinnostaa. Eli akkujen lataaminen. Energian tuotanto on tietenkin myös yksi, koska onhan ne akut saatava ladattua.”

Tavoitetila akkuteknologian suhteen

Tulevaisuus näyttää siltä, että akkuteknologiat kehittyvät jatkuvasti ja niillä tavoitellaan korkeampaa energiatiheyttä, pidempää käyttöikää ja hintojen edullisuutta. Näiden pohjalta voisi ajatella, että tärkeimmät kehityskohteet ovat kierrätettävät ja kestävät materiaalit sekä nopeampi lataus ja turvallisuus.

Tätä ajatusta peilaten Lapin ammattikorkeakoulu voisi ottaa yhdeksi painopisteeksi uusien litiumakkujen kierrätyksen mahdollisuudet, esimerkiksi vanhojen akkujen “second life” vaiheet energiavarastoina. Myös osaamisen kehittämistarpeet akkujen kierrätykseen liittyvästä teknologiasta olisi tarpeellista kirkastaa. Kaikenlainen puuhastelu asian ympärillä voi auttaa löytämään uusia innovatiivisia ratkaisuja akkujen kierrätykseen ja edistää alan kehitystä.

Akkuteknologioiden kehittyessä ei myöskään turvallisuutta voi sivuttaa. Akkujen korkean riskin turvallisuustestaukseen suunniteltua testauslaboratoriota, jossa voitaisiin suorittaa erityyppisiä turvallisuustestejä akkukennojen lisäksi akkumoduuleille tai -paketeille, ei ilmeisesti löydy vielä Suomesta. Tässä voisi olla yksi alue, johon Lapin ammattikorkeakoulu voisi suuntautua TKI-puolella ja mahdollisissa hankkeissa.

LÄHTEET

ACEA, 2023. New Car Registrations by Fuel Type, European Union. Verkkojulkaisu.
Viitattu 2.6.2023. https://www.acea.auto/files/20230201_PRPC-fuel_Q4-2022_FINAL-1.pdf

Euroopan Unionin neuvosto, 2023. 55-valmiuspaketti: neuvostolta asetus uusien henkilö- ja pakettiautojen hiilidioksidipäästöistä. Verkkojulkaisu. Viitattu 2.6.2023. https://www.consilium.europa.eu/fi/press/press-releases/2023/03/28/fit-for-55-councilhttps://www.consilium.europa.eu/fi/press/press-releases/2023/03/28/fit-for-55-council-adopts-regulation-on-co2-emissions-for-new-cars-and-vans/adopts-regulation-on-co2-emissions-for-new-cars-and-vans/

Lepola, Arvokkaat akkumateriaalit kiertävät kaivoksista tehtaisiin ja sähköautoista uusiokäyttöön. Verkkojulkaisu. Viitattu 5.6.2023
https://fi.ramboll.com/media/artikkelit/kaupungit/akkumateriaalien-kierto

Finnish minerals group, 2022. Akkuarvoketjun kehittäminen – Nostamme jalostusarvoa akkuarvoketjussa. Viitattu 7.8.2023. https://www.mineralsgroup.fi/fi/tyomme-tarkoitus/akkuarvoketjun-kehittaminen.html.