yritysasiakkaille
Eero Järvinen
Sähkötekniikan korkeakoulu
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 24.9.2021.
Työn valvoja
Prof. Ilkka Keppo
Työn ohjaaja
DI Kristiina Siilin
Copyright © 2021 Eero Järvinen
Tekijä Eero Järvinen
Työn nimi Sähkövarastojen käyttöönoton haasteet ja kannustimet yritysasiakkaille Koulutusohjelma Sustainable Energy Systems and Markets
Pääaine Advanced Energy Solutions Pääaineen koodi ELEC3048 Työn valvoja Prof. Ilkka Keppo
Työn ohjaaja DI Kristiina Siilin
Päivämäärä 24.9.2021 Sivumäärä 76 Kieli Suomi
Tiivistelmä
Nykyinen sähköjärjestelmämme kehittyy nopeasti suuntaan, missä yhä suurempi määrä sähköstä tuotetaan uusiutuvilla energialähteillä. Tämän lisäksi yhteiskunnan sähköistyminen luo uusia haasteita sähköverkon vakaudelle. Näihin haasteisiin on esi- tetty ratkaisuksi sähkövarastojen ottamista suuremmaksi osaksi energiajärjestelmää.
Sähkövarastojen laajempi yleistyminen edellyttää niiden käyttöönottoa energiajärjes- telmän useilla alueilla, myös muiden tahojen kuin energiayhtiöiden toimesta.
Tässä diplomityössä tutkitaan sitä, millaisia haasteita tai kannustimia litiu- mioniakkujen käyttöönottoon liittyy energiayhtiön yritysasiakkaiden näkökulmasta.
Haasteita ja kannustimia jaotellaan akun elinkaareen ja yritysasiakkaan profiiliin liittyen, ja akkujen käyttökohteiden soveltuvuutta erilaisille yritysasiakkaille tar- kastellaan. Tavoitteena oli selvittää, mitkä tekijät jarruttavat litiumioniakkujen yleistymistä, ja millaisia mahdollisuuksia yritykset kokevat niiden tarjoavan. Li- säksi haluttiin kartoittaa sitä, miten suhtautuminen litiumioniakkuihin vaihtelee yritysprofiilin mukaan.
Haasteita ja kannustimia selvitettiin kirjallisuustutkimuksen avulla, ja tämän jäl- keen arviointiin otettiin mukaan energiayhtiön yritysasiakkaiden asiantuntijahaastat- telut. Haastatteluiden lisäksi akkujen käytön taloudellista kannattavuutta arvioitiin talouslaskelmien avulla. Merkittävimmiksi haasteiksi osoittautuivat akkujen korkea hinta, suurten akkujen uusi teknologia ja esimerkkitapausten puute. Merkittävimpiä kannustimia akkujen käyttämiselle oli huipunleikkaustoiminta, säätövoimatoiminta, akuista saatava brändihyöty ja akkujen käytöstä oppiminen.
Työn tulosten perusteella voidaan sanoa, että yritysasiakkaat näkevät litiumio- niakuissa potentiaalia ja ovat kiinnostuneita niiden suuremmasta hyödyntämisestä omissa energiaongelmissaan. Akkujen taloudellisesti järkevä hyödyntäminen edellyt- tää kuitenkin niiden käytön parempaa optimoimista ja useampia esimerkkitapauksia.
Akkujen markkina ja teknologinen kyvykkyys kehittyvät jatkuvasti, ja niiden tiivis seuraaminen on edellytys sille, että energiayhtiö osaa tarjota litiumioniakuilla sopivia ratkaisuja sen yritysasiakkaille.
Avainsanat Litiumioniakku, akun elinkaari, akun käyttökohde, asiakasprofiili
Aalto University, P.O. BOX 11000, 00076 AALTO www.aalto.fi Abstract of the master’s thesis
Author Eero Järvinen
Title Advantages and challenges of implementing lithium-ion batteries for corporate customers
Degree programme Sustainable Energy Systems and Markets
Major Advanced Energy Solutions Code of major ELEC3048 Supervisor Prof. Ilkka Keppo
Advisor M.Sc. (Tech) Kristiina Siilin
Date 24.9.2021 Number of pages 76 Language Finnish
Abstract
Current electricity system is developing rapidly and more variable renewable energy is implemented. This among the general electrification of society generates challenges for the stability of the grid. One proposed solution to these challenges is making electricity storage a more common part of the energy system. Larger generalization of electricity storage demands their implementation in various areas of the system and also by other parties beside energy companies.
This thesis examines what kind of challenges and advantages lithium-ion battery implementation offers for corporate customers of an energy company. Challenges and advantages are divided by life cycle phase and different battery applications suitability is rated between different customer profiles. The goal was to identify factors which delay the generalization of batteries and what kind of opportunities batteries offer for corporations. Attitude of different customer profiles towards batteries was also charted.
Challenges and advantages were examined through literature review and customer interviews. The economical viability of the batteries was reviewed through a few case calculations. The most significant challenges proved to be high initial cost of the batteries, new technology in large scale applications and lack of example cases.
The most significant advantages were peak shaving operation, operating in reserve markets, positive societal image and learning from the battery use.
According to the results of this thesis, corporate customers see potential in the batteries and are interested in implementing them increasingly. To operate batteries economically however, better optimization and example use cases are needed. The market and technological performance are in constant development and only by observing this carefully the energy companies can offer the batteries for correct customers and for correct use cases.
Keywords Lithium-ion battery, battery life cycle, battery application, customer profile
Esipuhe
Tämä diplomityö on tehty toimeksiantona Helen Oy:lle. Työn valmistumista ovat edesauttaneet kaikki minulle läheiset ihmiset, mutta erityiskiitoksen ansaitsevat oh- jaajani Kristiina Siilin ja valvojani professori Ilkka Keppo. Kristiina tarjosi minulle uusia näkökulmia ja keskustelukumppanin, jonka ansiosta en jäänyt ajatusteni kans- sa yksin. Lisäksi hänen tarkkanäköisyytensä ansiota on, että lukijat eivät liiaksi kärsi kirjoitusvirheistä. Ilkka auttoi minua nivomaan kappaleet yhteen, ja hänen kommenttinsa saattoivat minut ymmärtämään itsekin paremmin, mistä työssäni oikeastaan on kyse. Kiitos myös Helenille työni mahdollistamisesta.
Valmistumiseni myötä toivon, että voin tarjota muille edes murto-osan siitä tuesta, mitä opiskeluaikana itse sain. On aika asettaa seuraava tavoite.
Espoo, 24.9.2021 Eero Järvinen
6
Sisällys
Tiivistelmä 3
Tiivistelmä (englanniksi) 4
Esipuhe 5
Sisällys 6
Lyhenteet ja symbolit 8
1 Johdanto 9
1.1 Työn rajaus . . . 9
1.2 Työn tavoitteet . . . 11
1.3 Työn rakenne . . . 12
2 Litiumioniakun elinkaari 13 2.1 Tuotantovaihe . . . 13
2.1.1 Raaka-aineet . . . 14
2.1.2 Materiaalit . . . 16
2.1.3 Akut ja kennot . . . 17
2.2 Käyttövaihe . . . 18
2.2.1 Sovellukset . . . 19
2.2.2 Uudelleenkäyttö . . . 20
2.3 Kierrätysvaihe . . . 22
3 Litiumioniakkujen nykyinen käyttö 24 3.1 Nykyisiä käyttösovelluksia . . . 24
3.1.1 Säätövoima . . . 26
3.1.2 Energiankulutuksen aikasiirto . . . 29
3.1.3 Kulutushuippujen tasaaminen . . . 32
3.2 Muita käyttösovelluksia . . . 34
4 Erilaiset yritysasiakasprofiilit 36 4.1 Jaotteluperusteet . . . 36
4.1.1 Kulutusprofiili . . . 36
4.1.2 Huipputehon tarve . . . 38
4.1.3 Vastuullisuus . . . 39
4.2 Epäkiinnostavat yritysasiakasprofiilit . . . 40
4.3 Yritysten toimintaan vaikuttavat seikat . . . 41
5 Kirjallisuuskatsauksesta tunnistetut haitat ja kannustimet 42 5.1 Haitat . . . 42
5.1.1 Rahalliset haitat . . . 42
5.1.2 Muut haitat . . . 43
5.2 Kannustimet . . . 44
5.2.1 Rahalliset kannustimet . . . 45
5.2.2 Muut kannustimet . . . 45
5.3 Kannustimien ja haittojen jäsentely . . . 47
6 Menetelmä 50 6.1 Metodi . . . 50
6.2 Data . . . 51
7 Tulokset 52 7.1 Haastattelujen tulokset . . . 52
7.2 Akkujen taloudellinen kannattavuus . . . 56
8 Yhteenveto 60 8.1 Merkittävimmät haasteet ja kannustimet . . . 60
8.1.1 Merkittävimmät haasteet . . . 61
8.1.2 Merkittävimmät kannustimet . . . 61
8.2 Energiayhtiön rooli sähkövarastojen käyttöönotossa . . . 62
8.3 Työn heikkoudet ja jatkotutkimus . . . 63
8.3.1 Työn heikkoudet . . . 63
8.3.2 Tarve jatkotutkimukselle . . . 64
Viitteet 65
A Haastattelurunko 76
8
Lyhenteet ja symbolit Lyhenteet
aFRR automatic Frequency Restoration Reserve BMS Battery Management System
CSR Corporate Social Responsibility DOD Depth Of Discharge
DSM Demand Side Management
FCR-D Frequency Containment Reserve for Disturbances FCR-N Frequency Containment Reserve for Normal Operation FFR Fast Frequency Reserve
HV High Voltage kW Kilowatti
LCO Litiumkobolttioksidi LFP Litiumrautafosfaatti LMO Litium-mangaanioksidi LV Low Voltage
mFRR manual Frequency Restoration Reserve MV Medium Voltage
NCA Nikkelikobolttialumiinioksidi NMC Nikkelimangaanikobolttioksidi PS Peak Shaving
SOC State Of Charge SOH State Of Health
UPS Uniterruptible Power Supply
aiheuttavat ihmiskunnalle haasteita, joihin tulee vastata pikimmiten, jotta vaikutuk- set jäisivät mahdollisimman vähäisiksi. Suomessa yli kaksi kolmannesta päästöistä on aiheutunut energiasektorista, mikä lisää painetta ympäristöystävällisempiin toiminta- tapoihin (Tilastokeskus 2019). Uusiutuvan energiantuotannon lisäämisessä haasteena ovat muunmuassa tuuli- tai aurinkovoiman vaikea ennustettavuus. Kun uusiutuvaa energiaa lisätään järjestelmään yhä enemmän, sen vaihtelevuudesta tulee kasvavissa määrin ongelma energiajärjestelmälle (Müller & Welpe 2018). Uusiutuvan energian määrän kasvua tukee myös sen jatkuvasti halpeneva hinta. Viimeaikaisten tapah- tumien valossa uusiutuvilla energialähteillä tuotettu sähkö on hinnallaan alittanut fossiilisiin perustuvat sähköntuotantomenetelmät, joten yrityksiä kiinnostaa investoi- da uusiutuviin sähköntuotantotapoihin myös muista, kuin ympäristösyistä. (Popular Mechanics 2020) Tämä vaatii sähköjärjestelmältä kuitenkin enemmän joustoa. Yksi keino vastata tähän ongelmaan on lisätä sähkövarastojen määrää järjestelmässä, jol- loin ylituotantoa pystytään paremmin keräämään varastoon, ja alituotannon hetkillä energiantarvetta voidaan taas paremmin kompensoida varastoidulla energialla.
Uusiutuvan energiantuotannon kasvun lisäksi sähkövarastot tarjoavat houkuttele- van liiketoimintaympäristön. Valtioneuvoston julkaisemassa Suomen kansallisessa akkustrategiassa vuosille 2021-2025 arvioidaan, että Suomella voi olla merkittävä asema kansainvälisessäkin akkuliiketoiminnassa (Työ- ja elinkeinoministeriö 2021).
Jotta liiketoiminta olisi kannattavaa, tulee energiayhtiöiden ja muiden alalla olevien toimijoiden ymmärtää sähkövarastoinvestointien insentiivejä ja toisaalta haasteita, joita sähkövarastoinvestointeihin liittyy. Suurin osa akuista valmistetaan yhä Aasian seudulla (The Business Research Company 2018), mutta Euroopan akkumarkkinoi- den arvon on ennustettu kasvavan 250 miljardiin euroon vuoteen 2025 mennessä (The European Battery Alliance 2017). Kasvava Euroopan akkumarkkina kannus-
taa EU:n maita panostamaan myös omaan akkuteollisuuteensa, ja tunnistamaan vahvuusalueita, joilla se voi olla kannattavasti mukana akkumarkkinoilla.
1.1 Työn rajaus
Sähkövarastoja on olemassa monia erilaisia, jotka eroavat ominaisuuksiltaan, yleisyy- deltään, materiaaleiltaan ja käyttökohteiltaan. Sähkövarastot voidaan jakaa kuuteen eri luokkaan; mekaanisiin, sähkökemiallisiin, sähköisiin, lämpökemiallisiin, kemialli- siin ja lämpövarastoihin. (Luo et al. 2015) Tässä työssä keskitytään sähkökemiallisiin varastoihin, ja sähkökemiallisista varastoista erityisesti litiumioniakkuihin ja niiden käyttöön liittyviin haasteisiin ja kannusteisiin. Litiumioniakkuteknologioita on lu- kuisia johtuen useista eri seoksista ja käytetyistä katodimateriaaleista (Chagnes &
Światowska 2015), joilla on omia erityispiirteitään ja sovelluskohteitaan. Tässä työssä eritellään pääpiirteittäin eri litiumioniakkuteknologiat ja niiden sovelluskohteet, mut- ta varsinaisessa sähkövarastojen käyttöönottoon liittyvässä analyysissä keskitytään yleisesti litiumioniakkuihin, eikä eri akkukemioita eritellä.
Työ rajautuu litiumioniakkuihin niiden kaupallisen kannattavuuden ja nopean
10
hinta- ja teknologiakehityksen vuoksi. Litiumioniakkujen odotetaan pysyvän hallitse- vana akkuteknologiana vielä ainakin seuraavat 10 vuotta (Business Finland 2019) ja ennustetun hintakehityksen mukaan yhä useammat litiumioniakkujen sovellukset muuttuvat tulevaisuudessa kaupallisesti kannattaviksi (Lombardi & Schwabe 2017).
Kuvasta 1 voidaan nähdä litiumioniakkujen nopea hintakehitys vuosien 2013-2020 aikana (Bloomberg New Energy Finance 2020), ja ne soveltuvat hyvin erilaisiin sovelluksiin kuten kotitalousakuiksi, sähköisiin ajoneuvoihin tai teollisuusakuiksi.
Tämä monipuolisuus kannustaa lisäämään ymmärrystä juuri tästä sähkövarastotyy- pistä. Akkujen hinnan on ennustettu jatkavan laskuaan ja olevan lähellä 100 €/kWh vuoteen 2023 mennessä (Bloomberg New Energy Finance 2019).
Kuva 1: Litiumioniakkujen kennojen hintakehitys vuosina 2013-2020. Käytetty dolla- rille kurssia 1 $ = 0.85 €. (Bloomberg New Energy Finance 2020)
Sähkövarastojen määrän on ennustettu kasvavan energiajärjestelmässä lähitulevai- suudessa (Pellow et al. 2020). Tässä työssä on tarkoituksena selvittää energiayhtiöiden yritysasiakkaiden motivaatiota sähkövarastojen hyödyntämiseen omassa liiketoimin- nassaan, tai hyödyntämistä omien energiatarpeidensa täyttämisessä. Sähkövarastoja hyödynnetään jo sähköverkkoyhtiöiden taholta, ja jotkin yritykset ovat ottaneet sellaisia käyttöönsä, mutta niiden laajempi käyttö myös energia-alan ulkopuolisissa yrityksissä ei ole vielä yleistä. Yritysten kasvava kiinnostus sähkövarastoihin voisi kuitenkin esimerkiksi lisätä paikallisesti tuotettua uusiutuvaa sähköenergiaa, joten selvittämällä sähkövarastoihin liittyviä haasteita ja kannusteita energiayhtiö voi suunnitella toimintaansa ja pidemmällä aikavälillä lisätä sähkövarastojen määrää energiajärjestelmässä.
Kuvassa esitetty hintakehitys koskee akkujen kennoja, ja akkujärjestelmän hinta on energiayksikköä kohden todellisuudessa suurempi. Halvasta kennohinnastaan huoli- matta litiumioniakkujärjestelmät ovat vielä erityisesti suuressa kokoluokassa hintavia,
joten niiden merkittävä yleistyminen energiajärjestelmässä kaipaa tuekseen myös muita investoivia tahoja, kuin energia- tai sähköverkkoyhtiöitä. Energiayhtiöissä on asiantuntijuutta ja halua hyödyntää edellämainittuja liiketoimintamahdollisuuksia, joten niillä on merkittävä rooli sähkövarastojen yleistymistä lisäävänä toimijana. Li- tiumioniakut kattavat useita eri käyttökohteita ja niiden arvo yksittäiselle käyttäjälle on vielä epäselvä (Battke et al. 2013), joten energiayhtiöt, joilla on keskusteluyh- teys paikallisiin energiaintensiivisiin yrityksiin, voivat esimerkiksi viestinnällä ja pilottihankkeilla normalisoida akkuhankintoja.
1.2 Työn tavoitteet
Työ- ja elinkeinoministeriön luoman kansallisen akkustrategian (2021) mukaan Suo- men vahvuuksia akkujen arvoketjussa ovat erityisesti ympäristöasiat sekä sääntely, innovaatiot ja infrastruktuuri. Business Finlandin Batteries From Finland -raportti (2019) nostaa Suomen vahvuuksiksi erityisesti raakamateriaaleihin liittyvät osa-
alueet, halvan energian, digitaalisten ratkaisujen osaamisen ja ankarien sääolojen sovellusosaamisen. Perehtymällä sähkövaraston elinkaareen voidaan löytää sen eri vaiheisiin liittyviä haasteita ja mahdollisuuksia, jotka vaikuttavat sähkövarastojen käyttöönottoon. Toisaalta tutustumalla energiayhtiön asiakkaiden tarpeisiin ja ny- kyisiin ajatuksiin sähkövarastoista saadaan ajankohtainen kuva siitä, näkevätkö myös muut tahot kuin energia- tai verkkoyhtiöt potentiaalia sähkövarastojen käyttööno- tolle. Työn tavoitteena on tunnistaa niitä haasteita ja kannustimia, jotka Suomessa vaikuttavat erilaisten yritysten sähkövarastojen käyttöönottoon.
Kun sähkövaraston elinkaaren eri vaiheet on tunnistettu ja sähkövaraston po- tentiaalia on tarkasteltu niiden kautta, on myös energiayhtiön helpompi fokusoida toimintaansa ja toisaalta tarjota yritysasiakkaille tukea niillä alueilla, joissa haastei- ta on löydetty eniten. Haasteiden tunnistaminen tarjoaa itsessään mahdollisuuksia esimerkiksi poliittisten toimien suunnittelulle, mikäli sähkövarastojen yleistymisen katsotaan olevan yhteiskunnallisesti tavoiteltava päämäärä. Valtion tukitoimet voi- si kohdentaa paremmin ja niillä voitaisiin saada merkittävämpiä saavutuksia, kun juurisyyt ovat paremmin tiedossa.
Työn pohjana toimii kaksi alla olevaa tutkimuskysymystä.
• Millaisia haasteita ja kannustimia sähkövarastojen käyttöönottoon liittyy yri- tysasiakkaiden näkökulmasta?
• Miten energiayhtiö voi olla asiakkaiden tukena sähkövarastoinvestointien kans- sa?
Tutkimuskysymysten pohjana toimivat hypoteesit siitä, että sähkövarastoilla voi olla vielä tuntemattomia hyötyjä yrityksen toiminnalle, sekä siitä, että kaikki niiden hankintaan tai käyttöönottoon liittyvät haasteet eivät liity sähkövarastojen hintaan.
Ensimmäinen kysymys liittyy suoraan siihen, mitä sekä rahallisia että ei rahallisia haasteita sähkövarastojen käyttöönottoon liittyy. Työ pyrkii selvittämään, onko varastojen korkea hinta ainoa syy olla investoimatta sähkövarastoihin, vai löytyykö
12
niistä myös muita haittoja. Haittoja selvitettäessä tulee ilmi myös se, millaista potentiaalia yritysasiakkaat sähkövarastoissa näkevät, ja millaisia ongelmia niillä nähdään voitavan ratkaista.
Toinen kysymys on konkreettisempi, ja pyrkii vastaamaan energiayhtiölle sii- hen, mitä tulisi tehdä, jotta sähkövarastoinvestoinneista tulisi asiakkaille houkut- televampia. Nämä toimet voivat liittyä viestintään, palvelumalleihin, tarkempiin kustannuslaskelmiin tai mihin tahansa esille nousevaan asiaan. Jos sähkövarastojen hyödyt esimerkiksi nähdään epävarmoina, energiayhtiö voi panostaa hyötyjen tar- kempaan kvantifioimiseen. Tämän kysymyksen vastaus on riippuvainen ensimmäisen kysymyksen vastauksista.
1.3 Työn rakenne
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 erilaisiin yritysprofiileihin sekä yritysten toimintaan vaikuttaviin piirteisiin.
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 vaihetta, tuotanto-, 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 kierrätettävyyteen 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 akunhallintajärjestelmät (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.
2.2 Käyttövaihe
Käyttövaiheeseen lukeutuu sekä valmiiden akkujen käyttäminen erilaisissa sovel- luksissa (tarkastellaan yksityiskohtaisemmin luvussa 3) että jo käytettyjen akkujen uudelleenkäyttö. Uudelleenkäyttö voi olla ratkaisu esimerkiksi tilanteessa, jossa akun primäärinen käyttökohde on tarkkaan säädelty, ja akkua ei saa enää käyttää alkupe- räisessä tarkoituksessa. Toistaiseksi tällaista sääntelyä on vielä vähän, mutta se voi lisääntyä lähitulevaisuudessa. (European Committee 2020) Yleisesti 2nd life akuiksi on ajateltu akkuja, joiden kapasiteetti on pienentynyt 80 %:iin alkuperäisestä, koska tällöin akun ikääntyminen ei ole enää välttämättä lineaarisesti ennustettavaa, mikä voi vaikuttaa niiden luotettavuuteen alkuperäisessä käyttötarkoituksessa. (Naumann et al. 2015)
2.2.1 Sovellukset
Litiumioniakkuja on niiden kaupallistumisen jälkeen käytetty useissa hyvin erilaisissa sovelluskohteissa. Vuonna 1991 elektroniikkayhtiö Sony lanseerasi ensimmäisen kau- pallisen, pienikokoisen litiumioniakun, joka soveltui pienelektroniikkakäyttöön (Sony Corporation 1991). Sittemmin litiumioniakut ovat yleistyneet myös monissa muissa ympäristöissä kuin pienelektroniikassa. Christophe Pillot (2017) tunnistaa raportis- saan suurimmiksi yksittäisiksi sovellusaloiksi autoteollisuuden, pienelektroniikan ja teollisuuden. Pienelektroniikka on yhä suuri kohde akkujen käytölle, mutta tulevai- suudessa autoteollisuudessa tarvittavat akut ja teollisen kokoluokan akut kasvattavat todennäköisesti osuuttaan merkittävästi (Horiba 2014). Erityisesti autoteollisuuden oletetaan olevan eräänlainen suunnannäyttäjä, ja autoteollisuuden akkuteollisuu- dessa käyttöönotettavat prosessit mitä todennäköisimmin yleistyvät myös muuhun käyttöön tuotettavien akkujen yhteydessä, ja toisaalta autoteollisuuden käyttöön valmistettavien akkujen volyymi määrittää pitkälti esimerkiksi akkujen alenevan hintakehityksen tahtia. (Pellow et al. 2020)(Business Finland 2019)
Kuten aiemmin mainittiin, erilaiset katodikemiat sopivat erilaisiin sovelluskohtei- siin. Mainittujen kolmen yleisimmän käyttökohteen, pienelektroniikan, autoteollisuu- den ja teollisuuden yleisimmiksi akkukemioiksi voisi nimetä vastaavasti LCO, NMC ja LFP katodikemiat. LCO on vanha ja hyvin tunnettu katodikemia, jonka haitta- puoliin lukeutuvat haasteet turvallisuuden kanssa (lämpökarkaaminen) sekä nikkelin ja koboltin tarve. NMC on yleisesti sähköautojen akuissa vakiintunut katodikemia, joka on turvallisempi ja suorituskykyisempi kuin LCO, mutta valmistuskustannus on korkeampi, ja samat raaka-ainetarpeet sisältyvät myös NMC:n käyttöön. LFP omaa loistavan suorituskyvyn, eliniän ja turvallisuuden sekä halvat materiaalikustannukset, mutta häviää muille kemioille energiakapasiteetillaan. Siksi sen käytön on povattu lisääntyvän merkittävästi, kun stationaariset energiavarastot yleistyvät, sillä niiden sovelluskohteissa energiakapasiteetti ei ole yhtä merkittävä tekijä kuin kannettavassa elektroniikassa tai sähköajoneuvoissa. (Christophe Pillot 2017)(Horiba 2014)(Kushnir 2015)
20
Taulukko 1: Katodikemioiden vertailua. (Kushnir 2015)(Horiba 2014)(Zubi et al.
2018)
Taulukossa 1 on vertailtu eri katodikemioiden ominaisuuksia. Jokaisen katodike- mian kohdalla on nostettu oleellisimmat huomiot jotka vaikuttavat siihen, millaisissa sovelluksissa niillä on nähty potentiaalia. Akkuala myös kehittyy hurjaa vauhtia, ja esimerkiksi kustannusten aleneminen voi tapahtua lyhyessäkin ajassa jonkin katodi- kemian osalta, joten taulukon arvoihin tulee suhtautua varovaisesti.
Suomalaiset yhtiöt toimivat akkujen sovelluksissa tarjoten ja kehittäen esimerkiksi haastavien olosuhteiden latauspalveluita, sähköverkkoa tukevia akkupalveluita, meri- liikenteen sähköistymistä ja raskaan työkoneiston sähköistymistä. (Business Finland 2019) Haastavien olosuhteiden latauspalveluita kehittää esimerkiksi Kempower, jonka latureiden toimivuutta testataan kylmissä olosuhteissa (Kempower 2021). Raskaita sähköisiä työkoneita tarjoaa esimerkiksi Sandvik, jonka koneet tarjoavat vaihtoehtoja perinteisille diesel-käyttöisille kaivoslaitteille (Sandvik 2021). Suuremman kokoluokan sähköverkkoa tukevat akut ovat myös yleistyneet, ja esimerkiksi Sinebrychoffin tuo- tantolaitoksen yhteyteen rakennetaan 20 MWh akku, joka tarjoaa sähkömarkkinoille kulutusjoustoa ja näin liikevaihtoa Sinebrychoffille (Sinebrychoff 2021).
2.2.2 Uudelleenkäyttö
Akkujen uudelleenkäyttö saa jatkuvasti enemmän huomiota, kun sähköajoneuvojen määrä lisääntyy yhteiskunnassa. Sähköajoneuvojen akuille luvataan tyypillisesti 8 vuoden takuu, jonka aikana akun kapasiteetin ei tulisi tippua alle 70 % (CarAdvice 2020). Koska sähköautot ovat alkaneet yleistyä suuresti vasta 2010-luvun loppupuo- lella (IEA 2021), vanhojen sähköajoneuvojen akkujen kohtalo tullee ajankohtaiseksi jossakin vaiheessa 2020-lukua. Uudelleenkäyttö koskee erityisesti vanhoja sähköajo- neuvojen akkuja, koska niissä on edelleen suhteellisen suuri kapasiteetti (70-80 %) hyödynnettävänä, mutta ne eivät enää sovellu alkuperäiseen tarkoitukseensa. Lisäksi näitä akkuja on määrällisesti paljon, joten niiden uudelleenkäytöllä on mittakaavae- tuja. Ajoneuvoakuissa tarvitaan myös suuri virrantiheys, mikä ei ole välttämätöntä
stationaarisille akuille. Tämä tukee uudelleenkäyttöä vähemmän vaativissa kohteissa.
(Pagliaro & Meneguzzo 2019)
Uudelleenkäyttöä koskevia sääntöjä on tulossa lisää. Näin pyritään varmistamaan myös uudelleenkäytettävien akkujen laatua ja turvallisuutta, joita uusien akkujen kohdalla on valvottu jo pitkään. (European Committee 2020) Alkuperäisten akkuval- mistajien, akkujen käyttäjien ja akkujen uudelleenkäyttöön valmistelevien tahojen olisi suotavaa tehdä jatkuvaa yhteistyötä, jotta akkujen uudelleenkäyttö sujuisi mah- dollisimman tehokkaasti. Nykyiset standardit akkujen vaaditusta kunnosta tietyissä sovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa, ovat osaltaan risteäviä. Esimerkiksi ISO stan- dardeissa sähköajoneuvoilta ei vaadita mitään tiettyä suorituskykyä, mutta muissa standardeissa suorituskykytesti katsotaan hylätyksi, jos jokin akun parametri (te- ho, kapasiteetti) on alle 80 % alkuperäisestä. (Ruiz 2018) Akkujen uudelleenkäyttö on siis hieman harmaata aluetta, mikä vähentää sen kiinnostavuutta investoijan näkökulmasta.
Akkujen uudelleenkäytössä niiden terveydentilan seuranta jo käytön aikana on oleellista. Suomessa toimiva yhtiö Akkurate tarjoaa akun kunnon seurantapalvelua, joka mahdollistaa esimerkiksi akun oikea-aikaisen kierrätyksen tai käyttökohteen vaihtamisen. (Akkurate 2021) Akun vanheneminen on monimutkainen prosessi johon vaikuttavat useat seikat, mukaan lukien käytetty teho, akun tyhjenemisaste (Depth Of Discharge (DOD)) ja akun SOC (Casals et al. 2019).
Koska käytettyjen litiumioniakkujen markkina on vielä suhteellisen pieni ja tulee kasvamaan vasta tällä vuosikymmenellä (Kuva 5), esimerkkisovelluksia on rajallisesti.
Casals et al. (2019) tunnistavat artikkelissaan neljä potentiaalista kohdetta akkujen uusiokäytölle: Sähköautojen pikalatausasemat, oman tuotannon kulutuksen maksi- mointi, verkon avustuspalvelut ja verkon investointien lykkääminen. Sähköautojen pikalatausasemat kuluttavat hetkittäin suuria tehoja, mutta eivät vaadi kovin suurta energiakapasiteettia. Jotta verkko säästyisi suurilta tehovaihteluilta, akkuja voisi käyttää tarjoamaan lisätehoa pikalatausasemilla. Oman tuotannon kulutuksen mak- simointi on tulevaisuudessa yhä kiinnostavampi aihe, kun pientuotanto ja esimerkiksi kotitalouksien aurinkopaneelit lisääntyvät. Pienet kotitalousakut (kokoluokaltaan 5-10 kWh) voivat auttaa käyttäjää siinä, että päiväsaikaan tuotettu energia ei valu verkkoon, vaan sen voi hyödyntää itse illalla. Verkon avustuspalveluilla voidaan tasa- ta verkon taajuutta. Sähköverkon toimintaa avustavat ratkaisut ovat Suomessakin jo todennettu akkujen käyttökohde (Fingrid Oyj 2020a) ja niitä käsitellään tarkemmin luvussa 3. Verkon investointien lykkäämisessä akuilla tarjotaan puskurointiapua muuntajille silloin, kun energiantarve yrittää muuntajan kapasiteetin.
22
Kuva 5: Uusiokäytössä hyödynnettävien akkujen määrän (GWh) lisääntyminen tulevaisuudessa. Lähde: Hans Eric Mellin (2018)
Toistaiseksi esimerkiksi verkon avustuspalveluihin käytetetyt akut ovat olleet uusia. Tämä voi johtua mainituista ongelmista regulaatiossa ja standardien epäsel- vyyksistä. Näiden selventämiseksi tehdään kuitenkin jatkuvasti työtä, ja hintaennus- teet uusiokäyttöön valjastettavista akuista ovat hyvin positiivisia, mikä puolestaan kannustaa lisäämään akkujen määrää sähköinfrastruktuurissa. Uusiokäyttöön valjas- tettavien akkujen hinnan arvellaan olevan n. 30 % uusien akkujen hinnasta (Kamath et al. 2020) tai ainakin alle 100 €/kWh, samassa hintaluokassa lyijyakkujen kanssa (Pagliaro & Meneguzzo 2019). On siis hyvin mahdollista, että staattisissa akuissa yleistyvät juurikin uusikäyttöön valjastetut akut, hinnan ollessa yksi suuri yleisty- mistä jarruttava tekijä. Yksi merkittävä positiivinen puoli akkujen uusiokäytössä on, että kierrätysvaiheen toimijat saavat lisää aikaa kierrätysprosessien kehittämiseen.
Kun uusiokäytetyt akut tulevat kierrätettäviksi vasta mahdollisesti 2030-luvulla, ne saadaan myös kierrätettyä tehokkaammin.
2.3 Kierrätysvaihe
Kun akku on elinkaarensa päässä, siitä yritetään erottaa raaka-aineita ja materiaale- ja joita voitaisiin taas hyödyntää joko muissa sovelluksissa tai akkujen elinkaaren alkuvaiheen prosesseissa. Kierrätykseen saapuvien akkujen lähes koko arvo koostuu seitsemästä akussa olevasta raaka-aineesta koboltista, litiumista, kuparista, grafiitista, nikkelistä, alumiinista ja mangaanista (Pagliaro & Meneguzzo 2019). Kierrätysproses- seissa siis juuri näiden raaka-aineiden eroteltavuus on olennaista, vaikka ne ovatkin vain noin puolet akkujen koostumuksesta (Kuva 3). Myös uusien akkujen arvosta on noin 50 % tai yli raaka-ainekustannuksia, joten kierrätettävässäkin akussa on huomattavasti arvoa jäljellä (Nelson et al. 2012) (Berckmans et al. 2017).
Kierrätystapa vaihtelee eri toimijoiden välillä, ja tyypillisesti erotellaan mekaani-
nen, pyrometallurginen ja hydrometallurginen kierrätysprosessi. Mekaaninen prosessi perustuu akkujen mekaaniseen hajottamiseen ja siivilöintiin, jossa hienommat aktii- vimateriaalit saadaan eriteltyä karkeammista runkorakenteista. Pyrometallurgisessa prosessissa eritellään ensisijaisesti kobolttia tai nikkeliä, ja etuna tässä prosessissa on, että akut eivät tarvitse mitään esikäsittelyä ja prosessissa voidaan samalla käsitellä monenlaista akkujätettä. Hydrometallurgisessa prosessissa mekaanisen esikäsitte- lyn jälkeen aineet liuotetaan ja näin saadaan hienompi aine tarkemmin eroteltua.
Hydrometallurgisessa prosessissa voi syntyä paljon jätettä, kun liuotinta on suhteessa käsiteltävään aineeseen paljon. (Pinegar & Smith 2019a)(Pinegar & Smith 2019b)
EU:ssa jäteakut ovat markkinoille saattajan vastuulla, ja jokaisen tahon, joka tuottaa akkuja, on myös vastaanotettava käyttöikänsä lopussa olevia akkuja, tai muu- ten hoidettava akkujätteen käsittely (EU 2006). Käytännössä kierrätys järjestetään kolmannen osapuolen yrityksillä, jolloin akkuja valmistavien ja markkinoille saatta- vien yritysten ei tarvitse itse hoitaa akkujätettä vaan riittää, että ne rahoittavat näitä kolmansia tahoja. Suomessa Suomen Autokierrätys on vastikään rekisteröitynyt myös sähköautojen akkujen kierrätystä hallinnoivaksi tahoksi, joka katsoo että vaaditut tavoitteet keräyksen ja kierrätyksen suhteen saadaan täytettyä. (Business Finland 2019) European Committee (2020) ehdottaa myös laajennettua tuottajavastuuta ensimmäistä kertaa markkinoille laskettavien akkujen suhteen. Keräysvaatimuksia ja kierrätystehokkuuksia myös nostetaan portaittaisesti, mikä aiheuttaa toimenpiteitä jäsenvaltioiden kierrätyselimissä.
Suomessa akkuja kierrättäviä yrityksiä ovat esimerkiksi Fortum (hydrometallurgi- nen prosessi) ja Akkuser (oma, Dry-Technology prosessi). Fortum on myös ilmoittanut laajentavansa kierrätystoimintaansa ja lisäävänsä mekaanisen kierrätyslaitoksen tu- kemaan hydrometallurgista prosessiaan (Fortum Oyj 2021). Fortum on aiemmin ilmoittanut 80 % kierrätystehokkuudestaan koboltin, nikkelin ja mangaanin suhteen (Fortum Oyj 2020) mikä viestii ekonomisesti kannattavasta kierrätysprosessista. Ak-
kuserin prosessissa ei käytetä vettä, kemikaaleja tai kuumennusta, mikä vähentää prosessin ympäristökuormitusta. (Akkuser 2021)
Kierrätysprosessien kehittäminen Suomessa on tärkeää, koska hyvät ja tehokkaat toimet houkuttelevat Suomeen akkujätettä myös rajojen ulkopuolelta, kuten on Akkuserin tapauksessa. Tällä tavoin Suomi voi potentiaalisesti saada myös lisää kysyttyjä akkujen raaka-aineita, erityisesti jos se pysyy kierrätysosaamisessa muita alueita edellä.
24
3 Litiumioniakkujen nykyinen käyttö
Tässä kappaleessa tutustutaan litiumioniakkujen erilaisiin käyttökohteisiin. Säätö- voimaa, oman tuotannon kulutuksen maksimointia ja kulutushuippujen tasaamista käsitellään tarkemmin, ja kappaleen lopussa esitellään muita käyttösovelluksia tai tulevia mahdollisuuksia. Kappaleessa keskitytään kooltaan suuriin akkusovelluksiin, ja esimerkiksi edellisessä kappaleessa mainittua pienelektroniikkaa ei tarkastella.
Nykyisiä käyttösovelluksia tarkastellaan kappaleessa teknisestä näkökulmasta.
Vaikka joissakin tieteellisissä artikkeleissa on suoritettu myös asiakasymmärrykseen liittyviä haastatteluja (esimerkiksi Römer et al. (2012)), akkujen käyttöä tarkas- tellaan kirjallisuudessa tyypillisesti niiden teknologisen potentiaalin näkökulmasta.
Asiakasnäkökulmaa akkujen potentiaalisista käyttökohteista saadaan haastattelujen kautta työn myöhemmässä vaiheessa.
3.1 Nykyisiä käyttösovelluksia
Kiinnostus suuren kokoluokan sähkövarastoihin on lisääntynyt erityisesti sen myötä, kun vaihtelevan uusiutuvan sähkön tuotanto aurinko- ja tuulivoiman myötä on lisääntynyt, ja vaikeasti ennustettava tuotanto on aiheuttanut haasteita sähköverkon taajuuden ylläpidossa (ilmiötä kuvataan tarkemmin kohdassa 3.1.1). Sähkövarastojen, ja nimenomaan litiumioniakkujen, on nähty olevan yksi ratkaisu tunnistettuihin ongelmiin. (Römer et al. 2012) Sähkövarastojen ongelmaksi on kuitenkin tunnistettu investointien kannattavuuden arviointi ja toisaalta uuden teknologian epävarmuus.
Akkujen käytöstä ei ole vielä riittävästi tutkimusta, ja vaikka niiden käyttökohteita on tunnistettu, epävarmuudet eivät kannusta toimijoita investointeihin. Akkujen tunnistettuja käyttökohteita ovat esimerkiksi tajuudensäätö- ja -korjaustoimenpiteet, hintaoptimointi, sähkön varastointi, huipunleikkaus ja tuotannon ennustettavuuden parantaminen. Yksittäisten käyttökohteiden sijaan kannattavuutta voisi parantaa se, että yhtä akkua hyödynnettäisiin mahdollisimman monella tavalla. (Baumgarte et al.
2020) Tässä käyttökohteita tarkastellaan erikseen.
Taulukko 2: Joitakin tunnistettuja suurten akkujen käyttökohteita (Baumgarte et al.
2020)
Taulukossa 2 on esitetty joitakin akkujen käyttömahdollisuuksia. Käyttökohteiden soveltuvuus riippuu monista seikoista, kuten geologisesta sijainnista tai sähköverkon kunnosta, joten käyttökohteita tulee tarkastella tilannekohtaisesti. Taajuudensäätö on erityisen tärkeää alueilla, joissa on paljon tuuli- tai aurinkoenergiaa, niiden taajuu- den heilahteiluihin vaikuttavan luonnon vuoksi. Hintaoptimointi soveltuu parhaiten sellaisissa tilanteissa tai sellaisilla alueilla, missä sähkön hintaheilahtelut ovat merkit- täviä. Sähkön varastointi on kiinnostavaa kun ollaan esimerkiksi alueella, missä ei ole liittymäpistettä valtakunnalliseen sähköverkkoon. Huipunleikkaus on soveltuvinta, kun hetkittäiset kulutuspiikit ovat merkittäviä (kulutusprofiileja tarkastellaan luvus- sa 4.). Tuotannon ennustettavuuden parantaminen on spesifi käyttökohde sähkön tuottajia varten. Varavoimana akun käyttö on mielenkiintoista esimerkiksi alueilla, joissa tavataan paljon sähkökatkoksia muunmuassa säävaihteluiden vuoksi.
Baumgarte et al. (2020) esittävät artikkelissaan kolme erillistä ansaintalogiikkaa, joiden kautta sähkövarastot voivat tuottaa rahallista hyötyä niiden käyttäjälle. Hin- taoptimointi nojaa siihen, että varastojen avulla voidaan vähentää hankitun sähkön määrää, kun sen hinta on korkeimmillaan. Tämä toiminta voi muuttua yhä kiin- nostavammaksi, kun pohjoismaat siirtyvät 15 minuutin sähkömarkkinaan (Fingrid Oyj 2020b). Toiseksi, sähkövarastoilla voidaan välttää kustannuksia, esimerkiksi vas- taamalla paremmin ennustettuja tuotantomääriä jolloin vältytään sakkomaksuilta.
Kolmanneksi, sähkövarastoilla voidaan lykätä tai poistaa kokonaan tarvittavia inves- tointeja liittyen esimerkiksi verkon vahvistukseen (tämä oli myös tunnistettu uusio- käyttöakuille sopivaksi käyttökohteeksi luvussa 2.2.2). Erilaiset käyttösovellukset voivat siis tarjota hyötyjä eri näkökulmista.
Sähkövaraston käyttötarpeesta riippuen akku toimii sähköverkon eri jännitealueil- la. Suurempaan verkkojännitteeseen liityttäessä voi aiheutua ylimääräisiä kustan-
26
nuksia esimerkiksi muuntajista, joten todennäköisesti vain suuremman kokoluokan asennukset ovat kannattavia. (Hesse et al. 2017) Kuvaan 6 on hahmoteltu eri jänni- tealueille soveltuvia akun käyttökohteita. Korkeajänniteverkko (High Voltage (HV)) tarkoittaa yli 36 kV jännitealueita, keskijänniteverkko (Medium Voltage (MV)) 1-36 kV jännitealueita ja pienjänniteverkko (Low Voltage (LV)) alle 1000 V jännitealueita.
Kuva 6: Litiumioniakkujen eri käyttösovellukset soveltuvat verkon eri jännitealueille.
Kuten aiemmin mainittiin, tässä kappaleessa tarkastellaan akkujen sovelluskohtei- ta teknisestä perspektiivistä, eikä eri käyttökohteiden liiketoimintamalleja käsitellä.
Baumgarte et al. (2020) ovat artikkelissaan korostaneet liiketoiminnan kannattavuut- ta akkuinvestointeja harkitessa, sillä akkujen yleistymisen vaateena on, että uudet toimijat saavat investoinneilleen tuottoa. Näihin asioihin ja mahdollisiin rajoitteisiin, mitä akkuliiketoimintaan liittyy, paneudutaan työn tuloksissa. Kannattavuuteen vaikuttavat monet asiat akkujen hintakehityksestä Suomen sähkömarkkinoihin, ja se onkin yksi syy, miksi kannattavuutta on ollut vaikea esittää numeerisesti. (Battke et al. 2013)
3.1.1 Säätövoima
Vaihtelevan tuuli- ja aurinkovoiman tuoma muutos sähköverkkoon aiheuttaa haastei- ta verkon ylläpidossa. Kuten työssä on jo aiemmin mainittu, litiumioniakut voivat olla tulevaisuudessa merkittäväkin toimija verkon ylläpidossa ja taajuuden säädössä.
Tästä syystä säätövoima nähdäänkin hyvin potentiaalisena käyttökohteena akuille (Römer et al. 2012) (Hesse et al. 2017). Haasteet aiheutuvat siitä, että sähköverkkoon ei voida varastoida energiaa, vaan sähkön tuotannon ja kulutuksen on jokaisena ajanhetkenä oltava yhtä suuret. Koska täydellinen ennustettavuus on mahdotonta, sähköverkossa on jatkuvasti joko hieman enemmän tuotantoa tai kulutusta, mikä aiheuttaa sähköverkon taajuuteen muutoksia. Kun tuotantoa on enemmän kuin ku- lutusta, taajuus pyrkii nousemaan, ja kulutuksen ylittäessä tuotannon, taajuus taas
laskee. Näitä taajuudenmuutoksia kompensoidaan taajuusreserveillä, joita hallinnoi Suomessa Fingrid. (Fingrid Oyj 2021b) Perinteisessä sähköverkossa resilienssiä ovat tuoneet suuret pyörivät generaattorit, joiden inertia on vakauttanut verkkoa. Tätä inertiaa ei ole tuuli- tai aurinkovoimaloissa. (Datta et al. 2019) Säätövoiman on myös todettu olevan kaupallisesti kannattavaa verrattuna muihin akkujen käyttötarkoituk- siin. (Fong et al. 2017)
Datta et al. (2019) osoittavat artikkelissaan, että vielä hieman yli 14 % tuulivoiman osuudella sähköverkko ei tarvitse tuekseen sähkövarastoja. Kuitenkin vähän alle 18 % osuudella sähköverkon heilahtelut eivät enää ole sallittujen arvojen rajoissa.
Artikkelissa on tutkittu järjestelmän resilienssiä erinäisissä häiriötilanteissa, mutta se antaa suuntaviivoja sille, millä tuulivoiman osuudella sähköverkossa alkaa näkyä ongelmia vaihtelevasta tuotannosta johtuen. Suomen sähköntuotannosta oli vuonna 2020 tuulivoimaa 11.8 % ja aurinkovoimaa 0.4 % (Energiateollisuus 2021), joten tuleviin ongelmiin olisi kannattavaa varautua nyt. Kuvasta 7 on nähtävissä, miten tuulivoiman osuus Suomen sähköntuotannosta on kehittynyt vuosien 2006 ja 2020 välillä. Suomen Tuulivoimayhdistyksen mukaan tuulivoimateollisuuden tavoitteena on tuottaa noin 30 % Suomen sähköstä (30 TWh) vuoteen 2030 mennessä. Tämä voi aiheuttaa haasteita sähköverkon taajuuden ylläpidon suhteen. (Finnish Wind Power Association 2020)
Kuva 7: Tuulivoiman kehittyminen Suomessa. Data: Energiateollisuus (2021) Fingrid hallinnoi Suomessa seuraavia eri taajuusreservejä: Taajuusohjattu käyt- töreservi (Frequency Containment Reserve for Normal Operation (FCR-N)), Taa- juusohjattu häiriöreservi (Frequency Containment Reserve for Disturbances (FCR- D)), Nopea taajuusreservi (Fast Frequency Reserve (FFR)), Automaattinen taajuu- denhallintareservi (automatic Frequency Restoration Reserve (aFRR)) ja Säätösähkö-
28
markkinat ja nopea häiriöreservi (manual Frequency Restoration Reserve (mFRR)).
Näillä reserveillä on omat tarkoituksensa, FCR-N ja FCR-D pyrkivät pysäyttämään taajuuden muutoksen sen alentuessa tai kohotessa, aFRR ja mFRR taas pyrkivät palauttamaan taajuuden toivottuun 50 Hz arvoon. FFR on uudentyyppinen reservi, joka on suunniteltu käytettäväksi pienen inertian hetkinä. (Fingrid Oyj 2021b)
Kuvassa 8 on havainnollistettu taajuuden käyttäytymistä sähköverkossa. Suo- messa taajuuden normaalirajat ovat 49.9 - 50.1 Hz, ja taajuus vaihtelee sähkön kulutuksen ja tuotannon epäsuhdan mukaisesti kaikkina ajanhetkinä hieman. Pienet taajuudenmuutokset eivät kuitenkaan aiheuta häiriöitä sähkön kuluttajille. Suu- remmat taajuushäiriöt voivat kuitenkin aiheuttaa esimerkiksi vahinkoa laitteille, jolloin verkon taajuuden tarkka monitorointi ja sen vakaana pitäminen on olennaista.
(Kirby et al. 2002) On myös mahdollista, että tulevaisuuden kehittyneemmät elektro- niset laitteet ovat alttiimpia taajuuden vaihteluille, jolloin verkon taajusvaatimukset kiristyvät. Tällöin säätövoiman tarve kasvaisi entisestään.
Kuva 8: Sähköverkon taajuus vaihtelee myös normaalissa tilanteessa jonkin verran, koska kulutusta ja tuotantoa ei ole täsmälleen saman verran.
Juuri akut ovat säätövoiman kannalta mielenkiintoisia monesta eri syystä. Niillä on mahdollista vastata verkon taajuuden vaihteluihin hyvin nopeasti ja tarkasti, ja hyödyntämällä BMS:ä niiden käytöstä johtuvaa ikääntymistä voidaan hillitä tehok- kaasti. Akkujen jännitteenkäyttöaluetta säätämällä voidaan vaikuttaa sekä akun ikääntymiseen että sen hyödynnettävyyteen reservimarkkinoilla, ja akulla voi erilai- sissa käyttötilanteissa ja verkoissa olla tarvetta erilaiselle teho-kapasiteetti -suhteelle.
Akut ovat siis helposti modifioitavissa, ja modulaaristen akkujen tapauksessa myös jälkikäteen muokattavissa. (Fleer & Stenzel 2016)
Akkujen käyttöön säätövoimana kannustaa myös säätövoimalle ominainen pienen energiakapasiteetin tarve. Datta et al. (2019) osoittavat artikkelissaan, että käy-
tettäessä akkua taajuudenhallintaan siltä ei vaadittu paljoa energiakapasiteettia, vaan yhden verkon vian jälkeen akun kapasiteetti oli lähes täysin sama kuin en- nen vikaa, vaikka se oli kompensoinut vian aiheuttamaa häiriötä verkossa. Akkua pystyttiin siis käyttämään myös uusiin kompensointeihin heti, ja oikeanlaisella hal- linnalla akun varaustaso voitaisiin pitää ikääntymisen kannalta suotuisalla alueella.
Tämä myös mahdollistaa esimerkiksi ajoneuvoakkujen uudelleenkäytön säätövoima- tarkoituksessa, koska pienentynyt energiakapasiteetti ei aiheuta haittaa toiminnalle.
(Neubauer & Pesaran 2011) Säätövoima ei käyttökohteena edellytä akuilta saman- laista suoriutumiskykyä tai energiakapasiteettia, kuin esimerkiksi ajoneuvoakuilta vaaditaan.
Säätövoimaa tarjoavat akut tarvitsevat tuekseen tarkan ohjausjärjestelmän. Järjes- telmän peruskomponentit ovat akku, kaksisuuntainen DC/AC-muunnin ja verkkoon kytketty muuntaja. Ohjausjärjestelmän tehtävä on valvoa verkon taajuutta ja jänni- tettä, ja tarvittaessa lähettää signaali akulle joko akun purkamisesta tai lataamisesta, verkon tilanteen tasaamiseksi. Verkon tilanteen tarkkailun lisäksi ohjausjärjestelmän tulee seurata akun varaustasoa, jotta se ei nouse tai laske jännitealueen ulkopuolelle.
(Datta et al. 2019) Akkujen käyttäminen säätövoimana edellyttää hyvää hallinta- järjestelmää myös siksi, että tehokkaan käytön takaamiseksi akkujärjestelmän tulee voida huomioida tulevaisuuden muutokset sähköverkon taajuudessa (esimerkiksi tuu- len voimakkuuden vaihtelut jotka voivat vaikuttaa tuulisähkön tuotantoennusteeseen) ja toisaalta konkreettiset, hetkittäiset muutokset sähköverkon jännitetilassa. Akun täytyy kyetä optimoimaan oma toimintansa nykyhetkessä yhdistäen siihen kuitenkin tulevaisuuden olosuhteet. (Maeyaert et al. 2020)
Säätövoima on osaltaan jo hyvin tunnettu akkujen käyttötapa, ja sitä sovelle- taankin muunmuassa Suomessa. Tämä johtuu osittain siitä, että akkuja voidaan säätövoiman lisäksi käyttää yleensä myös muihin tarkoituksiin, joten säätövoiman tarjoaminen reservimarkkinoille voi tehdä akun hankkimisesta muuhun tarkoitukseen kannattavampaa. Aiemmin mainittujen akun ominaisuuksien lisäksi tätä käyttötar- koitusta tukee siis säätömarkkinoiden kautta akun suurempi käyttöaste. On kuitenkin tärkeää ymmärtää, että akun käyttäminen muihin kuin alkuperäiseen tarkoitukseen voi heikentää sen suoriutumista tässä pääasiallisessa tarkoituksessa. (Maeyaert et al.
2020)
3.1.2 Energiankulutuksen aikasiirto
Akkuja voidaan käyttää myös siihen, että tarjolla olevaa energiaa varastoidaan jol- lakin ajanhetkellä ja käytetään myöhemmin. Tarvetta tällaiselle järjestelylle voisi olla Suomessa esimerkiksi kesäaikaan, kun aurinkovoimalla tuotettua sähköä voi jossakin käyttöpaikassa syntyä enemmän kuin kulutusta, eikä ylituotantoa haluta myydä sähköverkkoon, tai kun halutaan hyötyä yöajan halvemmista sähkön hin- noista. Ylituotannon oma hyödyntäminen voi olla kiinnostavaa erityisesti sellaisille yritysasiakkaille tai kohteille, jotka omaavat laajan alueen tai alueita jonne voisi sijoittaa aurinkovoimalan. Mainitut tilanteet ovat päinvastaiset, sillä sähkön hinta on halvimmillaan tyypillisesti yöaikaan jolloin sähköä varastoitaisiin yöllä päiväaikaa varten, ja ylituotannon hyödyntämisessä taas sähköä varastoidaan päivällä muuta
30
aikaa varten. Tarkastelemme seuraavaksi näitä kahta tilannetta.
Oman tuotannon kulutuksen maksimointi
Secchi & Barchi (2019) osoittavat artikkelissaan, että akkujen avulla voidaan nostaa merkittävästi itsetuotetun sähkön kulutusta ja välttää ylijäämäsähkön siirtä- mistä sähköverkkoon. Sopivalla aurinkovoimala- ja litiumioniakkukonfiguraatiolla itse käytetyn sähkön määrä saatiin nostettua yli kaksinkertaiseksi verrattuna ti- lanteeseen, jossa akkuja ei ollut käytössä. Artikkelissa käsiteltiin asuinkiinteistöjä, mutta tulokset voidaan jollain tasolla yleistää muihinkin tapauksiin, joissa on omaa tuotantoa. Toki on hyvä pitää mielessä, että akkujen kapasiteettivaatimukset ovat teollisuudessa erilaisia verrattuna asuinkiinteistöihin.
Suurimmat haasteet oman tuotannon kulutuksessa liittyvät tuotannon vuorokausi- tai vuodenaikasidonnaisuuteen. Sähkön vuodenaikakohtaisessa varastoinnissa on ai- nakin toistaiseksi keskitytty vielä muihin teknologioihin, kuten suuriin vesi- tai pumppuvesilaitoksiin jotka edustavat valtaosaa kaikesta maailman energiavarastoka- pasiteetista (Vinois 2012), tai vetyyn, joka nähdään tulevaisuuden energiajärjestel- mässä yhä tärkeämpänä kausivarastona (Petkov et al. 2021). Akkuja voisi hyödyntää Suomessa erityisesti kesäaikaan, jolloin päivällä saatua ylituotantoa olisi mielekästä hyödyntää toisena ajankohtana. Kuvassa 9 on vielä nähtävillä, miten aurinkosähkön tuotanto on jakautunut vuorokauden aikana 1.6.2021 (Koko suomen aurinkosähkö- tuotanto). Tuotanto on yksittäisessä käyttöpaikassa vielä vahvemmin keskittynyttä, ja yöaikaan tuotantoa ei käytännössä ole.
Kuva 9: Aurinkosähköä tuotetaan runsaasti keskellä päivää, mutta iltaisin, öisin ja aamuisin vain hyvin rajallisesti. Data: Fingrid Oyj (2021a)
Aurinkosähkön oma käyttäminen itse sen sijaan, että sen myisi verkkoon on houkuttelevaa siitä syystä, että verkkoon myytynä sähköstä saa huomattavasti pienemmän tuoton kuin mitä sähkön ostaminen verkosta maksaa. Tämä johtuu
siitä, että ostetusta sähköstä kuluttaja joutuu maksamaan myös sähkön siirron ja veron, jotka muodostavat sähkön kokonaiskustannuksesta noin 2/3. (Energiavirasto 2021) Joissakin tapauksissa suhde voi olla vähemmän, jos asiakkaan ei tarvitse maksaa täyttä sähköveroa. Sähköenergian hinta myös vaihtelee myyjä- ja tapauskohtaisesti.
Pienillä kuluttaja-asiakkailla tuotantomäärät ovat tyypillisesti hyvin maltillisia joten akun käyttäminen ei todennäköisesti ole kannattavaa. (Berrada et al. 2017) Suuremmilla yritysasiakkailla voi kuitenkin olla merkittävänkin kokoista omaa tuo- tantoa, jolloin sähköntuotannon oma hyödyntäminen aiheuttaa taloudellisia hyötyjä, ja lisäksi suuren ylituotannon siirtäminen verkkoon ei ole yhtä triviaalia kuin pie- nemmän kokoluokan voimaloissa. Oman tuotannon hyödyntämisen lisäksi suurille asiakkaille kyse on energiajärjestelmän optimoinnista sinänsä.
Hintaoptimointi
Hintaoptimoinnissa akkujen tarkoitus on varastoida sähköä silloin, kun se on edullista, ja hyödyntää varastoitua sähköä silloin, kun sähkön hinta nousee jonkin kynnyspisteen yli. Aina akkua ladatessa ja akkua purkaessa toimintaan liittyy myös häviöitä, jotka johtuvat epäideaalisista akuista. Mahdollista käyttöä on havainnollis- tettu kuvassa 10, jossa on mallinnettu ideaalisen akun toimintaa. (Bradbury et al.
2014)
Kuva 10: Hintaoptimoinnissa akkua ladataan, kun sähkö on halpaa, ja puretaan, kun sähkö on kallista. (Bradbury et al. 2014)
Monet tutkimukset (Zakeri & Syri (2014), Campana et al. (2021), Berrada et al.
(2017), Robert et al. (2018)) osoittavat, että akun käyttö yhteen tarkoitukseen, kuten
32
hintaoptimointiin, ei ole ainakaan tositaiseksi kannattavaa. Hintaoptimointi muiden käyttötarkoitusten lisäksi on kuitenkin hyödyllistä ja jopa automaattista, sillä mikäli akun varaus putoaa päivän aikana muihin käyttötarkoituksiin ja se tarvitsee ladata yön aikana seuraavaa päivää varten, ovat yön tunnit tyypillisesti myös sähkön hin- nan osalta edullisimpia. (Campana et al. 2021) Hintaoptimoinnin hyödyllisyys tulee siis erityisesti sen kyvystä tukea akun muita käyttömuotoja. Energiamarkkinoiden muutos vaikuttaa kuitenkin myös sähkön tuntihintaan, jonka on ennustettu olevan yhä vaihtelevampi tulevaisuudessa uusiutuvien energialähteiden yleistymisen myötä.
Zakeri & Syri (2014) Mitä volatiilimpi sähkön tuntihinta (tai tulevaisuudessa 15 minuutin hinta) on, sitä suurempia taloudellisia hyötyjä on hintaoptimoinnilla mah- dollista saavuttaa. Toisaalta on hyvin mahdollista, että hintaoptimoinnin lisääntyessä myös hintaerot tasoittuvat kysynnän ja tarjonnan tasautumisen vuoksi.
Akun sopiva mitoittaminen on oleellista, jotta kustannukset saadaan pidettyä mahdollisimman pieninä, mutta akku on kuitenkin kylliksi iso toimimaan halutulla tavalla. Robert et al. (2018) katsovat artikkelissaan sopivaksi energiavaraston kooksi noin 6 tuntia, mutta sopiva koko riippuu myös käyttöpaikasta. Liian suuri varasto maksaa ylimääräistä, ja liian pieni taas ei toimi halutulla tavalla. Hintaoptimoinnissa akku saattaa altistua hyvinkin täysille sykleille tyhjenemisen ja lataamisen suhteen, mikä voi tehdä syklisestä elinajasta tärkeän piirteen. Tyypillisesti akun käytöstä johtuva (syklinen) vanheneminen ei ole yhtä olennainen piirre, kuin sen ajallinen vanheneminen. (Schneider et al. 2021)
3.1.3 Kulutushuippujen tasaaminen
Kulutushuippujen tasaamisella (Peak Shaving (PS)) tarkoitetaan toimintaa, jossa akkua käytetään tietynlaisena puskurivoimana silloin, kun käyttöpaikan tarvitse- ma teho joko ylittää verkosta saatavan tehon määrän, tai jonkin tehon määrätyn ylärajan. Akku voi tällöin rajoittaa sähköverkosta otettavan sähkötehon johonkin pisteeseen ja tarjota itse ylimenevän tehotarpeen. Kuvassa 11 on havainnollistettu akun käyttämistä Peak Shavingiin yksittäisessä, maltillisen kulutuksen käyttöpai- kassa. (Mair et al. 2021) Kuvan esimerkissä on huipunleikkauksen lisäksi tasoitettu kuormaa, eli akkua on ladattu, kun vaadittu teho on ollut alle huipunleikkaustehon.
Tämä ei ole välttämätöntä huipunleikkaustoiminnassa, vaan akkua voidaan ladata myös esimerkiksi hintaoptimoinnin periaatteilla.
Kulutushuippujen tasaaminen on myös taloudellisesti hyödyllistä, sillä huip- putehoista aiheutuu yrityksille tehoperusteisia kustannuksia. Tätä on tarkasteltu tarkemmin luvussa 4.1.2.
Kuva 11: PS toimintaperiaate, kun sen lisäksi kuormaa tasataan myös ylöspäin.
(Mair et al. 2021)
Huipunleikkaustoiminnassa akulta vaadittavissa ominaisuuksissa on merkittäviä eroja muihin käyttötarkoituksiin. Esimerkiksi vaadittu energiakapasiteetti voi olla hyvin pieni suurtenkin etujen saavuttamiseksi, kuten säätövoiman tapauksessa. Cam- pana et al. (2021) osoittivat tutkimuksessaan, että kotitalouksien tapauksessa 2 kWh energiakapasiteetin akku kotitaloutta kohti pienensi alueella vaadittua huipputehoa puoleen alkuperäisestä. Samassa tutkimuksessa useiden perheiden kiinteistöä tarkas- teltaessa 0.8-1.3 kWh kapasiteetti perhettä kohti yhteiskäyttöakussa tarjosi 40 % vähennyksen huipputehontarpeessa.
Pienellä energiakapasiteetilla saavutettavat suuret hyödyt voivat olla yksi syy siihen, että PS on yksi akun käyttökohde joka on jo jonkin aikaa ollut taloudellisestikin kannattava. Muiden käyttökohteiden osalta tässä on vielä epäselvyyksiä. (Lombardi
& Schwabe 2017) Kun energiakapasiteetin määrä nousee, akunkin hinta nousee, ja hinnat esitetäänkin tyypillisesti muodossa €/kWh. Jos energiakapasiteetti on mahdollista pitää pienenä, akun kustannus voidaan pitää suhteellisen matalana.
Robert et al. (2018) kuitenkin korostavat, että ongelmallista, koska akun käyttöaste on tällöin pieni.
Huipunleikkaus nähdään oleellisena osana tulevaisuuden sähköjärjestelmää, sillä sitä hyödyntämällä voidaan välttyä kalliilta verkon uudistus- ja vahvistusoperaa- tioilta. (Rahmann et al. 2017) Yhteiskunnan eri sektoreiden sähköistyessä (kuten aiemmin mainittu sähköautokannan kasvaminen) yllättävissäkin verkon solmupis- teissä tehotarpeet voivat muuttua ja kasvaa. Akut voisivat tarjota helpotusta näihin muutospaineisiin. Lisäksi vahvistamalla verkkoa niin, että se kykenee tarjoamaan sähkötehoa vaativimpiinkin huippuhetkiin, verkko joudutaan ylimitoittamaan nor- maalitoiminnan hetkiä ajatellen. Tällöin suuri osa verkon kapasiteetista on yleensä hyödyntämättä. (Mair et al. 2021)
