#Kierrossa: Tampereen yliopistossa pilotoidaan menetelmää, joka tekisi akkujen uudelleenkäytöstä helpompaa ja turvallista
EU:n alueella kierrätykseen saapuva vuosittainen litiumakkujäte tulee kasvamaan 200 000 tonniin vuosikymmenen loppuun mennessä. Kierrätykseen vietyjen akkujen toimivia kennoja voisi hyödyntää merkittävästi tehokkaammin uudelleen, ja Tampereen yliopiston CeLLife-hankkeessa testataan menetelmää, joka helpottaisi toimivien kennojen tunnistamista, kirjoittaa projektia vetävä Tuomas Messo Tampereen yliopistosta.
Joidenkin arvioiden mukaan litiumioniakkujen markkinat tulevat kasvamaan lähes 20-kertaiseksi tämän vuosikymmenen aikana. Suurimpana ajurina kasvulle ovat käsiin räjähtänyt sähköautotuotanto sekä energiavarastojen tarve sähköntuotannon tasapainottajana. Tarvitsemme puhtaampia tapoja tuottaa ja varastoida energiaa, mutta valitettavasti litiumakku ei kestä käytössä ikuisesti.
Kustannustehokkaiden ja ympäristöystävällisempien akkuteknologioiden antaessa vielä odottaa itseään, meitä odottaa pian kasvava akkujätevuori. Tähän aiheeseen ollaan heräämässä myös EU:n tasolla ja tulevassa akkuasetuksessa tullaan painottamaan enemmän kierrätystä sekä akkujen uudelleenkäyttöä. Akkuja nimittäin voidaan käyttää myös uudelleen, kunhan se tehdään hallitusti ja suunnitellusti.
Uudelleenkäyttö tarkoittaa akun osien hyödyntämistä sellaisenaan
Akun uudelleenkäyttöä kutsutaan englanniksi second life -käytöksi. Uudelleenkäytössä voidaan ottaa esimerkiksi käytöstä poistettu ajovoima-akku ja räätälöidä siitä energian väliaikaisvarasto sähköautojen latausasemaan, tai vaikka aurinkovoimalan päivittäistä tuotantoa tasaamaan.
Akun mekaanisen rakenteen salliessa akkukennoja voidaan myös järjestää uudelleen poistamalla huonot kennot ja korvaamalla ne sopivilla yksilöillä. Uudelleenkäyttökohteessa akkukennot kestävät hyvin, kun niiden valintaan kohdistetaan erityistä huomiota. Lisäksi uudelleenkäyttö energiavarastossa voidaan suunnitella niin, että virtarasitus kennoa kohden on huomattavasti pienempi kuin alkuperäisessä sovelluksessa. Näin akkukennot saavat huomattavasti helpomman toisen elämän.
Merkittävä potentiaali uudelleenkäyttöön
Litiumakku koostuu yksittäisistä akkukennoista, joita on akussa muutamista kymmenistä jopa tuhansiin, riippuen sovelluskohteesta. 80–90 prosenttia kierrätysakkujen sisältämistä akkukennoista voi olla vielä uudelleenkäyttöön soveltuvia. Loput 10–20 prosenttia ovat joko menettäneet suuren osan energiakapasiteetistaan, kokonaan jännitteettömiä tai muodostavat turvallisuusriskin.
Pienen energiakapasiteetin omaava akkukenno ei itsessään ole turvallisuusriski, mutta se heikentää koko akun toimintaa rajoittamalla sen käyttöaluetta. Akku siis näyttää menettävän varaustaan nopeammin vaikka akkukennoista valtaosa olisikin lähes uudenveroisia. Uusia ja käytettyjä kennoja ei tulisi tämän takia kytkeä samaan akkuun.
Suurimman ongelman aiheuttavat akkukennot, jotka vaikuttavat päällisin puolin moitteettomilta sekä pystyvät vielä säilömään varausta hyvin, mutta aiheuttavat käytettäessä turvallisuusriskin. Alentunut turvallisuus näkyy tyypillisesti akkukennon yllättävänä ja nopeana lämpenemisenä, joka voi pahimmillaan johtaa akkupaketin raivokkaaseen ja kalliiseen tulipaloon. Varoittavia esimerkkejä tuhoisista akkupaloista löytyy jo aivan riittävästi.
Sensoreita vaaratilanteiden ennakoimiseen
Yleensä akun oma elektroniikka pystyy havaitsemaan huonon kennon aiheuttaman lämpenemän, mutta ei aina. Tämä riippuu paljolti akun sisäisten lämpötilasensorien paikoista. Lämpötilasensorit eivät tietenkään ole ilmaisia ja näin ollen niitä on tyypillisesti alle kilowattitunnin kokoisessa akussa vain yksi.
Suuremmassa akkujärjestelmässä niitä on enemmän, mutta lämpenevä kenno voi silti jäädä havaitsematta. Avainkysymys on, miten nämä näennäisesti hyvät akkukennot saadaan tunnistettua ja kerättyä sivuun ennen akkupaketin rakentamista. Tavalliset testit eivät läheskään aina anna riittävää kuvaa käytetyn kennon turvallisuudesta.
Uusi menetelmä helpottamaan uudelleenkäyttöä
Tampereen yliopiston Sähkötekniikan laitoksella on kehitetty menetelmä, jolla uudelleenkäytön turvallisuushaasteeseen voidaan tehokkaasti vastata. Menetelmän avulla voidaan mitata akkukennon niin kutsuttu sähköinen sormenjälki, joka paljastaa monia kennoon liittyviä tärkeitä tunnuslukuja. Sähköisestä sormenjäljestä on luettavissa muun muassa alentunut kapasiteetti, sisäiset viat kuten orastavat oikosulut sekä kennon lämpenemiseen johtavat sisäiset kemialliset muutokset, jotka eivät näy perinteisissä testeissä.
Menetelmän avulla voidaan tunnistaa niin uudelleenkäyttöön soveltuvat yksittäiset kennot kuin myös akkumoduulit, joista sähköauton akku yleensä koostuu. Tampereen yliopistolla on kehitetty myös automaattisia matemaattisia algoritmeja, joiden avulla satojen tai jopa tuhansien kennojen optimaalinen fyysinen paikka rakennettavassa akkupaketissa voidaan laskea muutamassa sekunnissa. Käsin tehtynä kennojen sovittaminen rakennettavaan akustoon on monen tunnin työ jopa kokeneelle ammattilaiselle.
Projektiin pääsee vielä mukaan
Menetelmän kaupallistamista valmistellaan Business Finlandin rahoittamassa CeLLife-hankkeessa, joka alkoi vuoden 2021 tammikuussa ja päättyy vuoden 2022 kesäkuuhun. Alkuvuodesta 2022 yritysten on vielä mahdollista osallistua pilottiprojekteihin, joissa menetelmän tehoa ja hyötyä demonstroidaan. Jos akkujen uudelleenkäyttö tai kennojen optimaalinen sijoittaminen uusiin akkupaketteihin kiinnostaa, niin otathan rohkeasti yhteyttä allekirjoittaneeseen.
Älä kokeile tätä kotona
Sosiaalisesta mediasta löytyy paljon mielenkiintoisia ja innostavia esimerkkejä itse rakennetuista akkupaketeista, kuten niin kutsutuista power-wall energiavarastoista ja itse tuunatuista sähköpyöristä. Yliopisto-opettajataustani takia kannustan ihmisiä oppimaan uutta ja tutustumaan teknologioihin varsinkin oman tekemisen kautta. Käytetyissä akuissa piilee kuitenkin myös vaaroja, joita ei yleensä tunnisteta.
Ennen oman ensimmäisen akkupaketin rakentamista kannattaa tarkkaan miettiä mihin on ryhtymässä ja selvittää asiaa luotettavista lähteistä. Parasta on aloittaa harrastus asiaan jo perehtyneen avustuksella. Akkuja ei tule ikinä purkaa tai rakentaa kotioloissa, varsinkaan käytetyistä kennoista. Vaarallinen kenno näyttää ulkopuolelta samalta kuin lähes uusi ja yleiset testit, kuten kapasiteetti ja resistanssitesti antavat usein myös väärän kuvan turvallisuudesta. Kenno voi toimia hyvin yksinään, mutta ongelmat ilmaantuvat kun ne liitetään yhteen. Akku voi myös toimia näennäisesti hyvin usean lataus-purkusyklin ajan ennen kuin hallitsematonta lämpenemistä alkaa tapahtua. On syytä muistaa, että harrastuskäyttöön tehdyn akun aiheuttamista tuhoista vastaa yleensä tekijä itse.
Akkupalo ei ole vaarallinen ainoastaan omaisuudelle, vaan akusta vapautuu erittäin myrkyllisiä kaasuja palon aikana, jotka ovat hengenvaarallisia. Akun rakentaminen vaatii tarkan menetelmän kennon turvallisuuden varmistamiseksi, sekä paloturvallisen tilan rakentamisvaiheeseen. Akun lataaminen on myös syytä tehdä paloturvallisessa tilassa, sillä harva akkulaturi pystyy tunnistamaan akun lämpenemisen latauksen aikana. Pakkasessa lataaminen taas voi aiheuttaa nopeasti sisäisen oikosulun.
Oma viestini harrastajille on: Älä tee tätä kotona, älä edes toisen kotona!
Kirjoittaja Tuomas Messo (kuvassa keskellä) toimii CeLLife-hankkeen vetäjänä ja tehoelektroniikan dosenttina Tampereen yliopistossa.
Kuva: Jonne Renvall / Tampereen Yliopisto
Lue aikaisempia #Kierrossa-blogeja:
#Kierrossa: Akkujen kierrätyksessä yhteistyö on yhä tärkeämpää