Työssä on johdannon lisäksi seitsemän lukua. Luvussa 2 erotetaan litiumioniakun elinkaaresta kolme vaihetta, joissa yritys voi toimia akkumarkkinoilla. Luvussa 3 eritellään litiumioniakkujen nykyisiä käyttösovelluksia keskittyen niihin, joilla nähdään Suomessa eniten potentiaalia, ja sivutaan muita tunnettuja käyttökohteita.
Luvussa 4 esitellään jaotteluperusteet, joilla yritysasiakkaita voidaan jakaa erilaisiin segmentteihin kannustimien ja haittojen tarkempaa yritysprofiilikohtaista jaottelua varten. Luvussa 5 kirjallisuuskatsauksesta tunnistetaan rahallisia ja ei rahallisia haittoja ja kannustimia, ja näitä jäsennellään akun elinkaaren eri vaiheisiin ja välittömiin ja välillisiin haittoihin ja kannustimiin. Luvussa 6 perustellaan metodi, jolla tutkimuskysymyksiin vastattiin, ja kerrotaan kerätyn datan lähteet ja miten data kerättiin. Luku 7 esittää sekä haastattelujen tulokset että laskelmia akkujen taloudellisesta kannattavuudesta. Luku 8 on työn yhteenveto, jossa saatuja tuloksia analysoidaan tarkemmin, ja annetaan energiayhtiölle suosituksia toimintatavoista.
Luvussa 8 tarkastellaan myös työn heikkouksia ja jatkotutkimustarpeita.
Esitellyt luvut jakautuvat kahteen osaan. Ensimmäinen osa (luvut 2-4) sisältää kirjallisuuskatsauksen litiumioniakkujen elinkaareen, niiden nykyisiin käyttösovelluk-siin ja erilaikäyttösovelluk-siin yritysprofiileihin sekä yritysten toimintaan vaikuttaviin piirteikäyttösovelluk-siin.
Työn toinen osa (luvut 5-7) keskittyy erittelemään kirjallisuudesta akkujen käyt-töönottoon liittyviä haasteita ja kannustimia, ja ottaa näiden arviointiin mukaan asiakashaastattelut. Toisessa osassa haittoja ja kannustimia myös jäsennellään kap-paleessa 2 eriteltyihin akun elinkaaren eri vaiheisiin, ja arvioidaan akkujen käyttö-kohteita erilaisille yritysprofiileille, jotka on muodostettu kappaleessa 4 esiteltyjen jaotteluperusteiden mukaan.
Ensimmäinen osa toimii pohjana ja asettaa rajat toiselle osalle. Akun elinkaarelle määritetään tietyt lohkot, akkujen käyttösovelluksista eritellään potentiaalisimmat vaihtoehdot ja yritysprofiilien luomiseen valitaan sopivat jaotteluperusteet. Näi-den perusteella työn toisessa osassa suoritetaan analyysia ja tarkastellaan akkujen käyttöönottoon liittyviä haittoja ja kannustimia elinkaaren eri vaiheissa sekä eri käyttösovellusten potentiaalia eri yritysprofiileille.
2 Litiumioniakun elinkaari
Tässä kappaleessa tutustutaan sähkövaraston elinkaareen. Sähkövaraston elinkaares-ta on tunnistettu kolme vaihetelinkaares-ta, tuoelinkaares-tanto-, käyttö- ja kierrätysvaihe (Pellow et al.
2020), ja elinkaaren vaiheet on vielä jaettu osa-alueisiin jotka on tunnistettu Business Finlandin Batteries From Finland -raportista (2019). Kuva 2 havainnollistaa sähköva-raston elinkaarta ja sen osien suhdetta toisiinsa. Toimijat voivat myös olla aktiivisia useammassa elinkaaren prosessissa, esimerkiksi Suomalaisista kaivosalalla toimivista yhtiöistä useat toimivat myös jalotusvaiheessa, sijoittuen näin sekä raaka-aine- että materiaalivaiheeseen. Akkuja ja kennoja valmistavat yhtiöt voivat myös olla aktiivisia toimijoita käyttövaiheessa. (Business Finland 2019)
Kuva 2: Sähkövaraston elinkaaren eri vaiheet.
Sähkövarastojen käytön lisääntyessä tulevaisuudessa tulee niiden uudelleenkäytet-tävyyteen ja kierrätetuudelleenkäytet-tävyyteen kiinnittää enenevissä määrin huomiota, jotta niiden käyttö olisi kestävää ja kiertotalouden arvojen mukaista (Väyrynen & Salminen 2012). Euroopassa on tahtotilana saavuttaa suurempi omavaraisuus akkujen suhteen, ja esimerkiksi Suomalainen Batcircle 2.0 -konsortio sai vastikään lisärahoitusta tähän tutkimustyöhön. (Tekniikka & Talous 2021) Tavoitteena on parantaa prosesseja kaikissa arvoketjun vaiheissa, lisätä merkittävästi akkujen kierrätystä ja varmentaa käytettyjen akkujen ympäristöystävällisyyttä.
2.1 Tuotantovaihe
Tuotantovaiheeseen kuuluu raaka-aineiden kerääminen ja jalostaminen sopiviksi ma-teriaaleiksi, sekä näiden materiaalien käyttäminen kennojen tekemiseen ja yhä näiden kennojen kasaaminen halutuiksi akuiksi. Romare & Dahllöf (2017) nostavat esiin sen, että tuotantovaihe on akun elinkaaren vaiheista energiaintensiivisin, joskin Zubi et al. (2018) korostavat akun käyttövaiheessa kuluvaa energiaa. Tuotantovaiheessa
14
on kuitenkin merkittävät mahdollisuudet vähentää akuista syntyviä päästöjä esimer-kiksi puhtaan energian käyttöä lisäämällä. Suomessa on runsaasti tuotantovaiheen materiaali- ja raaka-ainelohkoissa toimivia yrityksiä, ja juuri kaivos- ja jalostustoi-minta koetaan Suomen vahvuuksiksi akkujen arvoketjussa. Toistaiseksi akkujen ja kennojen osalta Suomessa on vielä verrattain vähän toimintaa. (Business Finland 2019) Esimerkiksi Terrafame on hiljattain rakentanut Suomeen uuden akkukemikaa-litehtaan, joka on yksi maailman suurimpia. Tehtaan akkukemikaalien hiilijalanjälki taas on maailman pienimpiä. (Terrafame 2021).
2.1.1 Raaka-aineet
Litiumioniakkuihin tarvitaan akkukemiasta riippuen erilaisia raaka-aineita litiumin lisäksi. Chagnes & Światowska (2015) ovat eritelleet litiumin käyttökohteita eri so-velluksiin, ja jo vuonna 2013 akkujen valmistus on ollut suurin yksittäinen litiumin käyttökohde 44 %:n osuudella kaikesta käytetystä litiumista. Tämän osuuden on ennustettu kasvavan suuresti, ja jos referenssinä käytetään vuosien 2003 ja 2013 vuosittaista litiumin käytön kasvua (7,8 %/vuosi), globaalit litiumvarannot hupe-nisivat jo ennen vuotta 2050. Voi kuitenkin olla, että uudet materiaalit, litiumin kierrätyksen tehostuminen tai uusien akkutyyppien yleistyminen hidastavat kasvua.
Lisäksi uusien litiumesiintymien löytyminen voi kasvattaa tunnettua litiumreserviä.
(Chagnes & Światowska 2015) Parhaillaan litiumin saatavuutta ei pidetä kriittisenä ongelmana, mutta tilanteen ennustetaan huononevan tulevaisuudessa (Zubi et al.
2018).
Lähes kaikki tunnettu litium on joko suolajärvissä (82 %) tai pegmatiitissa (17 %).
Suolajärviresursseista tärkeimmät sijoittuvat Etelä-Amerikkaan Chileen, Boliviaan ja Argentinaan. Tärkeimmät pegmatiittiresurssit sijaitsevat Brasiliassa. Suomessa on myös hieman pegmatiittiresursseja. Tuotantokustannukset litiumille ovat hieman halvemmat suolajärviresurssien osalta kuin pegmatiitin, mutta molempien osalta kustannusta voi vähentää jokin litiumin hankinnan sivutuotteena saatu aine. Vuonna 2014 suolajärvistä hankitun litiumin keskimääräinen kustannus oli hieman yli 1600
€/t ja pegmatiitista hieman yli 3000 €/t. (Chagnes & Światowska 2015)
Litiumin lisäksi litiumioniakkujen katodiin, anodiin, separaattoriin, elektrolyyt-tiin ja kehykseen tarvitaan myös muita raaka-aineita. Katodikemioita on usei-ta, joista Kushnir (2015) esittelee seuraavat: Litiumkobolttioksidi (LCO), Litium-mangaanioksidi (LMO), Litiumrautafosfaatti (LFP), Nikkelimangaanikobolttioksidi (NMC) sekä Nikkelikobolttialumiinioksidi (NCA). Näitä käytetään erilaisissa so-velluskohteissa ominaisuuksiensa mukaisesti, ja yleisimmät katodikemiat vuonna 2016 olivat LFP, NMC ja LCO (Christophe Pillot 2017). Kuvassa 3 on esitetty raaka-aineiden osuuksia sähköajoneuvon käyttöön tarkoitetussa litiumioniakussa.
Akun koostumus voi vaihdella akkutyypin ja erityyppisten akkujen välillä, mutta koska juuri sähköajoneuvoakut kasvattavat akkuteollisuutta (Pellow et al. 2020), sähköajoneuvoakun koostumus antaa hyvän kuvan yleistilanteesta raaka-ainetarpeita arvioidessa. Kaikkien aiemmin mainittujen katodikemioiden tarpeen oletetaan kas-vavan vuoteen 2025 mennessä, erilaisilla intensiteeteillä. NMC kemian odotetaan kasvavan nopeiten 15 % vuosittaisella vauhdilla, ja sen osuuden ennustetaan olevan
41 % katodiaktiivimateriaaleista vuonna 2025 (vrt. 26 % vuonna 2016). (Christophe Pillot 2017)
Kuva 3: Raaka-aineiden osuuksia litiumioniakussa. Muihin aineisiin kuuluu esimer-kiksi muovi ja elektrolyyttimateriaali. (Richa et al. 2014)
Suomessa akkujen raaka-aineiden suhteen on hyvä tilanne Suomen ollessa ainoa EU:n valtio, missä on omaa kobolttituotantoa. Tämän lisäksi Suomessa on myös grafiitin, nikkelin, kuparin ja litiumin tuotantoa, ja näitä kaikkia käytetään akkujen raaka-aineina. (Dehaine et al. 2020) Koska Suomen stategiaan kuuluu panostaminen akkujen arvoketjun kestävyyteen ja kiertotalouteen (Työ- ja elinkeinoministeriö 2021) on mahdollista, että tulevaisuudessa suuri osa raaka-aineista saadaan kierrätyksen kautta, eikä raaka-aineiden riittävyyttä kannata arvioida pelkästään luonnonvarojen riittävyyden tai esiintyvyyden suhteen. Euroopan komissio on myös esittänyt ehdo-tuksensa uusista vaatimuksista kierrätetyn materiaalin suhteen, ja niiden mukaisesti esimerkiksi kierrätetyn koboltin määrän tulee uusissa akuissa olla vuonna 2030 12 %, ja vuonna 2035 20 %. (European Committee 2020)
Toistaiseksi kierrätys on kuitenkin vielä vähäistä, sillä vain pieni osa akkujen raaka-aineista on kaupallisesti kannattavaa kierrättää nykyisillä teknologioilla. (Chag-nes & Światowska 2015) Tilanne voi kuitenkin kehittyä nopeasti, ja vaikka monien raaka-aineiden osalta materiaalitarve katetaan lähes täysin uudella, louhitulla tuotan-nolla, oli vuonna 2020 esimerkiksi Euroopan kobolttitarpeesta jo 22 % kierrätettyä kobolttia (Suomen Malmijalostus Oy 2020). Sun et al. (2019) myös osoittavat, että raaka-ainaiden hankinta ei ole yleisesti riskialttein akkujen elinkaaren vaihe. Suu-rempia riskejä sisältyy jalostus- tai tuotantovaiheeseen, poislukien koboltin suhteen, jonka osalta suurimmat riskit sijoittuvat juuri raaka-aineiden hankintaan. Tämä voi johtua esimerkiksi Kongon dominoivasta asemasta koboltin tuottajana. Jalostus-ja tuotantovaiheet tarjoavat siis mielenkiintoisia mahdollisuuksia myös sellaisille tahoille, jotka eivät voi suoraan kilpailla esimerkiksi raaka-aineiden hankinnassa.
16
2.1.2 Materiaalit
Raaka-aineista jalostetaan yhä sopivia materiaaleja kenno- ja akkuvalmistusta var-ten. Aiemmassa kappaleessa mainittiin lyhyesti tavallisimmat katodikemiat LCO, LMO, LFP, NMC ja NCA. Katodin lisäksi akkuihin tarvitaan anodi, elektrolyytti ja separaattori, sekä kehys. Anodimateriaaliksi on vakiintunut grafiitti jota on helposti saatavilla. Anodin, katodin ja separaattorin yhteiskustannus on akussa pienempi kuin pelkän katodin, mikä voi vaikuttaa siihen, että katodikemiat saavat osakseen enemmän huomiota, kuin akun muut materiaalit. (Christophe Pillot 2017) Akun elinkaaren materiaali-vaiheeseen liittyy raaka-aineiden prosessointi kemikaaleiksi ja osa-tuotteiksi, joita akkujen ja kennojen valmistuksessa käytetään (Sun et al. 2019).
Katodiaktiivimateriaalien tuotanto on pitkälti keskittynyt Aasiaan, kuten koko-naisuudessaan akkujenkin tuotanto. Aiemmin mainittiin kaikkien katodikemioiden tarpeen olevan kasvussa. Kuvassa 4 on vielä havainnollistettu miten tarve vaihtelee eri kemioiden välillä, ja miten suuri osa tuotannosta sijaitsee Kiinassa.
Kuva 4: Eri katodikemioiden tarpeita vuosina 2000-2025(ennuste). Lähde: Christophe Pillot (2017)
Suomessa on hyvät edellytykset ja osaaminen litiumioniakkujen materiaalien tuotannolle, ja esimerkiksi Terrafamen uusi akkukemikaalitehdas on mitoitettu tuot-tamaan nikkelisulfaattia noin miljoonan ja kobolttisulfaattia noin 300 000 sähköauton tarpeisiin vuodessa. (Terrafame 2020) Keliberillä on käynnissä sekä uusien litiumkai-vosten ja litiumin rikastuslaitoksen että litiumhydroksiditehtaan rakennuttaminen, ja sen tavoitteena on tuottaa kestävää ja laadukasta litiumhydroksidia akkutuotantoa varten vuodesta 2024 alkaen (Keliber 2021). Venäläinen yhtiö Nornickel on myös vastikään ilmoittanut kasvattavansa nikkelin tuotantoaan Harjavallassa nykyisestä 65 000 tonnista 100 000 tonniin vuoteen 2026 mennessä (Daily Finland 2021).
Vähemmän raaka-aineintensiivisiä materiaaleja akuille ovat kehikot, jäähdytysjär-jestelmät ja akunhallintajärjäähdytysjär-jestelmät (Battery Management System (BMS)).
Joiden-kin akun materiaalien tarve on myös riippuvaista akun käyttökohteesta tai koosta.
Suurempien, esimerkiksi verkkoon kytkettyjen akkujärjestelmien jäähdytystarve on kriittisempi kuin pienempien akkujen, joissa ei synny yhtä herkästi kuumia keskitty-miä. BMS taas tulee erityisen tarpeelliseksi esimerkiksi sähköajoneuvojen akuissa, joissa akun käyttö on vaihtelevaa ja akun kuntoa on tärkeä seurata ja ylläpitää.
BMS-järjestelmillä voidaan esimerkiksi hallita sitä, ettei akku lataudu liikaa tai purkaudu alle suositeltujen jännitetasojen. Järjestelmällä voidaan valvoa yksittäisten kennojen lämpötilaa ja jännitetasoa (State Of Charge (SOC)) ja luoda näin hyvä yleiskuva akun kunnosta (State Of Health (SOH)) (Väyrynen & Salminen 2012).
Tulevaisuudessa akkujen jäljitettävyys ja kunnon seuraaminen voi olla yhä tärkeäm-pää uusien kierrätysvaatimusten tullessa voimaan, ja BMS voi auttaa myös akun kunnon seuraamisessa. Suomen akkustrategiassa nostetaan yhdeksi vahvuudeksi tuotannon jäljitettävyys, ja esimerkiksi akun kunnon seuraaminen ja siinä apuna käytettävät digitaaliset ratkaisut voivat olla Suomelle hyviä toimintakenttiä (Työ- ja elinkeinoministeriö 2021).
Akkukemikaalien ja materiaalien valmistukseen, säilytykseen ja kuljetukseen liit-tyy EU:n alueella erinäisiä rajoituksia, joilla pyritään estämään esimerkiksi terveys-vaikutuksia ihmisille. EU:n REACH-asetus synnyttää velvoitteita sekä kemikaalien tuottajille että niiden käyttäjille, kuten akkuvalmistajille. (Turvallisuus- ja kemi-kaalivirasto 2021) Tämäkin kannustaa Suomea lisäämään omaa, EU:n normien ja vaatimusten mukaista akkumateriaalituotantoaan.
2.1.3 Akut ja kennot
Väyrynen & Salminen (2012) jaottelevat akun neljään eri komponenttiin: kennoon, moduuliin, nippuun ja systeemiin. Kenno on yksinkertaisin osa, jolla on jokin tietty jännite ja kapasiteetti riippuen teknologiasta. Moduuli on ryhmä kennoja yhdistet-tynä sarjaan tai rinnan, jotta kapasiteettia ja jännitetasoa saadaan korkeammiksi.
Nippu on yhä ryhmä moduuleja kytkettynä sarjaan yhdessä pakkauksessa, ja sys-teemi koostuu useista nipuista sisältäen lisäksi esimerkiksi jäähdytysjärjestelmän ja akunhallintajärjestelmän.
Akkujen valmistukseen ja siihen liittyvään sääntelyyn on kiinnitetty viime aikoina paljon huomiota ja toimenpiteitä. EU:n oma akkutoimija, The European Battery Alliance, perustettiin vuonna 2017 tavoitteenaan kehittää Eurooppalaista akkuteolli-suutta ja akkujen arvoketjua (The European Battery Alliance 2017). Lisäksi vuoden 2020 lopulla Euroopan komissio julkaisi ehdotuksensa uudistetusta direktiivistä liit-tyen akkuihin ja käytettyjen akkujen kierrätettävyyteen. Vaatimukset aiheuttavat laajoja toimenpiteitä akkujen valmistajille, sillä esimerkiksi vuodesta 2026 alkaen jokaisesta valmistetusta akusta tulee olla tallenne, mistä käy ilmi akun keskeiset ominaisuudet. Tämä tallenne tulee tallentaa avoimeen yleiseen tietokantaan, joka on käytössä myös vuodesta 2026 alkaen. (European Committee 2020)
Akkuihin on myös tulossa uusia tehokkuus- ja suorituskykyvaatimuksia. Akkujen valmistajien tulee myös olla tarkemmin selvillä siitä, millainen hiilijalanjälki heidän markkinoilleen saattamilla akuilla on, ja vuodesta 2027 alkaen akuille tulee voimaan enimmäishiilijalanjälki. (European Committee 2020) Suuri osa uusista vaatimuksesta
18
on astumassa voimaan 2020-luvun loppupuoliskolla, joten nykyisillä akkuvalmistajilla on vielä noin 5 vuotta aikaa muokata omaa toimintaansa uusien säännösten mukaisek-si. Lisäsääntely myös mahdollistaa Euroopan paremman kilpailun akkumarkkinoilla Aasian kanssa.
Kuten aiemmin mainittiin, tuotantovaihe on akun elinkaaren vaiheista energiain-tensiivisin. Emilsson & Dahllöf (2019) avaavat raportissaan akkujen ja kennojen valmistuksessa käytetyn energian tarvetta ja siitä syntyvää ympäristökuormaa. Tuo-tantoon käytetyn energian alkuperällä on iso merkitys, sillä aiemmasta raportista (Romare & Dahllöf 2017) poiketen arvot päästöistä noin puolittuivat, kun käytetty sähköenergia arvioitiin lähes täysin päästöttömäksi. Lisäksi huomionarvoista on, että kennojen valmistamiseen tarvittu energia oli dominoiva verrattuna kasaamiseen vaa-dittuun energiaan. Raportissaan Emilsson ja Dahllöf keskittyivät juuri sähköautojen akkujen valmistukseen tarvittuun energiaan ja tästä syntyneisiin päästöihin, mutta Peters et al. (2017) raportista huomattiin eri katodikemioiden välillä olevan melko pieniä eroja päästöissä, vaikka LFP ja NMC kemioissa ne olivat hieman suuremmat.
Toisaalta, näistä kemioista löytyi myös eniten tietoa, kun joistakin kemioista läh-teitä oli vain vähän. Emilssonin ja Dahllöfin huomioita voi näin pitää jokseenkin yleispätevinä.
Suomessa myös akkujen valmistuksen saralla on tapahtunut kehitystä viimevuosi-na. Valmet Automotive aloitti akkujen tuotannon Salossa vuoden 2019 loppupuolella, ja päätti laajentaa laitosta vuoden toiminnan jälkeen. Yhtiö myös ennustaa, että juuri akkusysteemien ja sähköautoratkaisujen liiketoiminta tulee kasvamaan merkit-tävästi ja mahdollisesti ohittamaan yhtiön perinteisen autovalmistuksen liikevaihdon tulevaisuudessa. (Valmet Automotive 2020) Akkujen ja kennojen valmistuksen ja alueelletuonnin sääntelyn lisääntyessä EU:ssa tämänkaltaisten investointien määrä voi lisääntyä, jos nykyiset suuret akkutuottajat eivät kykene muokkaamaan toimin-taansa ajoissa. Työ- ja elinkeinoministeriö (2021) ovat Kansallisessa akkustrategiassa huomioineet Must-Win Battle -teemoihin sekä sen, että Suomesta tulisi kestävän ja vastuullisen akkutuotannon vahva toimija, että sen, että Suomi maana houkuttelisi lisää investointeja akkuteollisuuden saralla.