Kuinka kauan sähköauton akku kestää? Mitä tapahtuu hävittämisessä ja kierrätyksessä?

Published at 2020, March 9th

Mikä on sähköauton akun käyttöikä? Kauanko sähköauton akku kestää? Mitä litiumioniakulle tapahtuu sen elinkaaren lopussa? Miten sen hävittäminen tapahtuu? Vai kierrätetäänkö se?

Kuljetuksilla on hyvin merkittävä vaikutus (IPCC:n mukaan 14 %) ihmisten ilmakehään päästämien kasvihuonekaasupäästöjen kokonaismäärään. Ilmansaasteiden lisääntymisen kielteisiä vaikutuksia erityisesti kaupunkialueilla tutkitaan ja niistä keskustellaan yhä enemmän. Ja on olemassa kiireellinen tarve saavuttaa globaalissa mittakaavassa nollapäästöt vuoteen 2050 mennessä, jotta maapallon lämpötila pysyy alle 2ºC.

Sähköautot ovat erittäin tärkeä ratkaisu edellä mainittuihin haasteisiin. Koska sähköinen liikkuvuus on todettu vihreämmäksi ja ympäristöystävällisemmäksi ratkaisuksi verrattuna lämpöajoneuvoihin, niiden kysyntä on ollut kasvussa.

Kansainvälisen energiajärjestön EV30@30-skenaarion mukaan sähköajoneuvojen myynti saattaa nousta 43 miljoonaan ja varastomäärä yli 250 miljoonaan. Muistetaan kuitenkin niin sanottujen nollapäästöisten ajoneuvojen usein sivuutettu puoli: niiden akut.

Sähköautojen akkujen vaikutus: Are They Bad For The Environment?

Yksi tärkeimmistä sähköautoihin ja sähköajoneuvoihin yleisesti kohdistuvista kritiikeistä liittyy niiden akkuihin. Nämä litiumioniakut (LIB) muistuttavat hyvin paljon älypuhelimen akun skaalattua versiota. Ainoastaan sähköajoneuvoissa ei käytetä yhtä akkua kuten puhelimessa. Sen sijaan ne käyttävät pakettia, joka koostuu tuhansista yksittäisistä litiumioniakuista, jotka toimivat yhdessä. Olipa kyse pienestä tai suuresta mittakaavasta, näillä akuilla on merkittäviä ympäristö- ja sosiaalisia vaikutuksia koko elinkaarensa ajan.

Ensiksi: harvinaisten maametallien louhinta sähköautojen akkuja varten. Jos tarkastelemme esimerkiksi kahta tärkeintä alkutuotantotapaa, ”yhden litiumtonnin tuottamiseen tarvitaan 250 tonnia mineraalimalmia spodumeenia louhittuna tai 750 tonnia mineraalipitoista suolavettä”. Juuri näin.

Samaisen lähteen (Harper et. al. 2019) mukaan tällä tavoin tuotetun litiumin käsittelyyn tarvittava vedentarve on itse asiassa hyvin suuri: tonnin litiumin louhintaan tarvitaan 1 900 tonnia vettä, joka kuluu haihtumiseen. Vielä tässä asiassa chileläiset maanviljelijät joutuvat usein tuomaan vettä muilta alueilta – koska Chilessä on intensiivisesti kaivostoimintaa harjoittavia alueita. Huolimatta korkeista ympäristökustannuksista litiumvarannot eivät kokonsa puolesta ole uhka. Mutta kobolttivarannot voivat olla.

Kobolttivarannot, joiden kysyntä akkutuotannossa saattaa kuluttaa vuoteen 2050 mennessä noin 14 prosenttia nykyisistä kobolttivarannoista, keskittyvät voimakkaasti Kongon demokraattiseen tasavaltaan – usein poliittisesti epävakaaseen alueeseen. Jos siis yksi sähköautojen eduista on se, että ne vähentävät riippuvuutta ulkomaisesta öljyntuonnista, koboltin hintavaihtelut voivat olla myös haaste. Lisäksi myös lapsityövoimaa käyttäviin käsikaivoskaivoksiin liittyvät eettiset kysymykset voivat nousta esiin.

• Aiheeseen liittyen:
  • Ovatko sähköautot todella ympäristöystävällisempiä?

Kuinka kauan sähköautojen akut kestävät? Kierrätetäänkö ne?

Yllä olevat vaikutukset auttavat selittämään, miksi nollapäästömerkintää pidetään usein epäreiluna ja se voi olla harhaanjohtava. Sillä vaikka sähköautot eivät aiheuta päästöjä tiellä, niiden sisällä olevilla akuilla on oma osansa vaikutuksista. Myös pääosin fossiilisilla polttoaineilla toimivilla sähköverkoilla toimivat autot eivät ehkä aiheuta päästöjä tien päällä, mutta päästöt ovat silti tapahtuneet jossakin kaukana sijaitsevassa voimalaitoksessa.

Nimimerkkejä lukuun ottamatta litiumioniakkujen käyttöiäksi on arvioitu 15-20 vuotta. Kymmenien satojen lataus- ja purkaussyklien jälkeen, mitä tapahtuu kun akku on liian kulunut ajamiseen? Mitä tapahtuu 250 000 tonnille jätettä, joka syntyy miljoonasta vuonna 2017 myydystä sähköajoneuvosta – Birminghamin yliopiston tutkijat ja nyt myös lukija ihmettelevät.

Argonnen kansallisen laboratorion tutkija Gaines ehdottaa, että suurin osa akuista joko lähetetään kaatopaikoille tai varastoidaan ja varastoidaan – molemmat hyvin kritisoitavia ratkaisuja. Vaikka ensimmäinen voi saastuttaa ympäröivän maaperän ja alusvedet; jälkimmäistä kritisoidaan, koska jätteiden varastointipaikoilla on sattunut tulipaloja litiumioniakkujen (jotka on lähetetty lyijyakkuina) takia. Sähköautojen akuille ollaan kuitenkin löytämässä uusia ja mielenkiintoisia ulospääsyjä.

• Related:
  • Vetyautot vs. sähköautot: Kumpi on kestävämpi?

Sähköauton akun toivottu elinkaari

Birminghamin yliopiston tutkijat sanovat, että litiumioniakkujen valmistuksen nettovaikutusta ”voidaan pienentää huomattavasti, jos romutetuista LIB-akkujen loppupään materiaaleista voidaan ottaa talteen enemmän materiaaleja mahdollisimman käyttökelpoisessa muodossa”. Samassa tutkimuksessa he puhuvat myös jätehuoltohierarkiasta ja erilaisista kierrätysvaihtoehdoista.

Tämän mallin mukaan akut olisi ensin suunniteltava siten, että niissä käytetään mahdollisimman vähän kriittisiä materiaaleja. Sen jälkeen niitä olisi käytettävä uudelleen, mikä tarkoittaa, että sähköajoneuvojen akuilla olisi oltava toinen käyttö ennen kierrätystä – jolloin materiaalit olisi otettava talteen mahdollisimman paljon ja akun rakenteellinen arvo ja laatu olisi säilytettävä.

Seuraavassa ”talteenottovaiheessa” osa akkumateriaaleista tulisi käyttää energiana prosesseissa, kuten pyrometallurgian polttoaineena. Viimeinen vaihe on hävittää se, millä ei ole arvoa, ja lähettää se kaatopaikoille. Tämä tarkoittaa sitä, että kun sähköajoneuvon akku pystyy varastoimaan energiaa vain 70-80 prosenttia alkuperäiseen tasoonsa verrattuna, kierrätys ei ole vaihe, jonka pitäisi seurata – uudelleenkäyttö tulee ensin. Mutta missä akkuja voidaan käyttää uudelleen? Ja miten?

• Related:
  • Kestävä liikkuvuus: Are Electric Scooters Eco-Friendly?

Missä sähköautojen akut voidaan käyttää uudelleen ennen kierrätystä?

Kun käytettyjen sähköautojen akkujen markkinat energiavarastointiin kasvavat, kysyntä saattaa juuri ylittää tarjonnan. Kyseessä on kuitenkin hidas ja tiettyyn pisteeseen asti epävarma kasvu. Ja syyt siihen ovat yhtä aikaa yksinkertaisia ja monimutkaisia.

Akkujen uudelleenkäyttö niiden uudelleenkäyttöä varten toiseen tarkoitukseen, kuten latausasemiin tai kiinteään energiavarastointiin (olipa kyse sitten tehtaista, asuinrakennuksista, sairaaloista…), on looginen ulospääsy sähköajoneuvon jälkeensä jättävälle akun jättäjälle. Ainoastaan se ei ole niin yksinkertaista kuin akun vieminen puolelta toiselle.

Ennen kuin akut lähetetään uudelleenkäyttöön, pakkaukset, moduulit ja kennot on arvioitava esimerkiksi sen suhteen, kuinka kauan ne pystyvät vielä pitämään latauksen ja kuinka ladattuina ne ovat tällä hetkellä. Ensin mainittu on erityisen tärkeää sen määrittämiseksi, kannattaako akku lähettää uudelleenkäytettäväksi (ja mihin sovelluksiin), mutta myös sen arvioimisella, kuinka paljon energiaa on varastoituna, on merkitystä kierrätysprosessien turvallisuuteen (tai jopa talouteen) liittyvien näkökohtien kannalta. Kummassakin tapauksessa (uudelleenkäyttö tai kierrätys) seuraava tie on varsin haastava.

• Related:
  • The World’s Greenest Cities. What Can We Learn From Them?

Dismantling Batteries: A Manual, Dangerous And Expensive Process

Mitä tahansa akulle seuraavaksi tapahtuukin, sen latausominaisuuksien arvioinnin jälkeen se on purettava käsin – ja tässä kohtaa asiat muuttuvat vaikeiksi. Akun raskaan painon ja suurten vetojännitteiden vuoksi tarvitaan erikoistuneita eristystyökaluja ja niiden käyttämiseen päteviä mekaanikkoja (joista näyttää olevan pulaa).

Jotkut tutkimukset viittaavat lisäksi siihen, että maissa, joissa työvoimakustannukset ovat korkeat, louhituista materiaaleista saatavat tulot eivät välttämättä ole taloudellisesti kannattavia. Kaiken tämän vuoksi automatisoidut purkutekniikat tulevat osaksi keskustelua mahdollisena ratkaisuna.

Automaatio poistaisi yhtälöstä vaaratekijän ja sen kehittyessä alentaisi ajan myötä kustannuksia. Robotit auttaisivat myös parantamaan ”materiaalien ja komponenttien mekaanista erottelua, parantaisivat lajiteltujen materiaalien puhtautta ja tekisivät jatkojalostus- ja kierrätysprosesseista tehokkaampia” – Harper et. al. mukaan.

• Related:
  • Kestävyysstrategia: Businesses Are Increasingly Looking For Electric Vehicles

Sähköajoneuvojen akkujen purkaminen on liian monimutkaista roboteille

Sähköajoneuvojen akkuja on vaikea murtaa roboteille. Tämä johtuu siitä, että automaatio ja robotiikka perustuvat toistuviin tehtäviin ja sähköakut tuovat mukanaan haastavia vaatimuksia, kuten suunnittelun moninaisuutta.

Sähköajoneuvojen litiumioniakkujen malleja on erilaisia, eivätkä ne mahdollista standardoitua automaatioprosessia. Tietokonenäköalgoritmeja erilaisten akkujen, komponenttien ja materiaalien tunnistamiseen ja erottamiseen kehitetään käytettäväksi. Jotta niiden tehtävät voitaisiin (helpommin) suorittaa menestyksekkäästi, valmistajien on kuitenkin tulostettava koneellisesti luettavia piirteitä, kuten QR-koodeja tai etikettejä tms. keskeisiin akkuelementteihin.

Lisäksi akkujen purkaminen tarkoittaa esimerkiksi ruuvaamista irti tai sellaisten liimausmenetelmien ja kiinnikkeiden käsittelyä, jotka vaativat roboteilta voimakasta työskentelyä herkkien akkukomponenttien kanssa. Tämä johtaa monimutkaisiin dynamiikka- ja ohjausongelmiin, kuten samanaikaiseen voiman- ja liikkeenohjaukseen. Kyseessä on monimutkainen työ, mutta todennäköisesti tulevaisuudessa toteutettavissa oleva.

• Aiheeseen liittyen:
  • Automaatio ja robotit ovat tulossa – kuinka todennäköisesti työsi selviää?

Sähköautojen akkujen purkamisen viimeinen haaste: Kierrätys

Kierrätyksen, ei kaatopaikkojen, pitäisi olla kaikkien litiumioniakkujen lopullinen kohtalo, vaikka ennen kuin niitä päästään käyttämään muuhun kuin sähköautojen energian varastointiin. Näin vältytään kaatopaikkojen haitalliselta saastumiselta ja räjähdysten mahdollisuudelta kasaantuneissa akuissa. Se voi myös tuoda merkittäviä taloudellisia hyötyjä talteen otettujen mineraalien arvon ansiosta ja välttää jatkuvaa mineraalien louhintaa, mikä vähentää painetta toimitusketjuihin.

Kun akut saapuvat kierrätyslaitoksiin, ne puretaan ja niistä koostuvat materiaalit lajitellaan. Näin nikkelin, koboltin, mangaanin tai kuparin kaltaiset materiaalit lajitellaan pois kuumentamalla ja murskaamalla, minkä jälkeen lajitellaan muut materiaalit, kuten ferromagneettisuus tai hydrofobisuus.

Jos akkuihin jää huomattavan vaarallinen varaus, akut joko murskataan inertissä kaasussa, kuten typessä tai hiilidioksidissa, tai ne voidaan purkaa suolaliuosten kautta – molemmat ovat tapoja välttää kemiallisia reaktioita, joilla on erilaiset hyvät ja huonot puolensa.

Sähköajoneuvojen ja litiumioniakkujen tulevaisuus

Kuten olemme nähneet, on monia rajoituksia, jotka luovat kuilun sen välille, miten akkuja tulisi ihanteellisesti käsitellä, ja sen välille, mitä niille todella tapahtuu. Niiden pitäminen poissa kaatopaikoilta on edelleen ratkaisevan tärkeää kriittisten materiaalien, kuten koboltin tai litiumin, saannin turvaamiseksi, mutta niiden purkaminen on edelleen vaarallista ja kallista käsin tehtävää työtä.

Nämä haasteet voidaan kuitenkin voittaa, kun paremmat lajittelutekniikat kehittyvät yhdessä automatisoidun purkamisen ja eri akkujen älykkään erottelun kanssa eri virtoihin (uudelleenkäsittelyyn, uudelleenkäyttöön tai kierrätykseen). Paristojen suunnittelun optimointi uudelleenkäyttöä ja/tai kierrätystä varten helpottaisi kuitenkin myös automatisoitua paristojen purkamista.

Birminghaminassa tehdyssä tutkimuksessa todetaan myös, että on tärkeää käsitellä haasteita, jotka liittyvät sellaisten uusien stabilointiprosessien suunnitteluun, jotka mahdollistavat käytöstä poistettujen paristojen avaamisen ja erottelun, sekä sellaisten tekniikoiden tai prosessien kehittämiseen, joilla varmistetaan, että komponentit eivät saastu kierrätyksen aikana. Todennäköisesti sähköisen liikkuvuuden kasvaessa myös tutkimus ja kokeilut siitä, miten nämä ja muut haasteet, jotka liittyvät sähköajoneuvojen akkujen pitämiseen kiertokulussa ja pois kaatopaikoilta, voidaan voittaa.