Sähkön osuus energian tuotannossa ja kulutuksessa kasvaa tulevaisuudessa, ja akkujen tarve kasvaa. Akkuja käytetään muun muassa henkilöautoissa, raskaassa liikenteessä, työkoneissa ja uusiutuvan sähkön välivarastoinnissa. Samanlaiset akut eivät sovellu joka tarkoitukseen, ja VTT tutkii Suomen mahdollisuuksia eri teknologioissa.
Etenkin uusiutuvan energian varastoimiselle on tarvetta, mutta toistaiseksi akkujen hinta on ollut pullonkaulana yli parin tunnin sähkövarastoinnissa. Liikenteessä puolestaan akkujen paino ja energiatiheys rajoittavat soveltuvuutta. Myös akun kestämien lataus-purkusyklien määrä, turvallisuus ja ympäristöystävällisyys määrittävät, mihin kohteisiin eri teknologiat sopivat.
– Yksikään teknologia ei täytä kaikkia kriteereitä, tiivistää liikennesektorin tutkimusprofessori Mikko Pihlatie.
Pisimmälle kehittyneitä ovat litiumioniakut, joita käytetään muun muassa elektroniikassa ja henkilöautoissa. Seuraavaksi pisimmällä ovat natriumioniakut, joissa litium on korvattu natriumilla. Se alentaa akkujen hintaa mutta tekee akuista samalla suurempia ja painavampia. Ne sopivat parhaiten sähkövarastoihin.
Elektrolyytistä tulee kiinteä
Toistaiseksi teollisissa akuissa käytetään nestemäisiä elektrolyyttejä. Vaihtoehdoksi kehitetään kiinteän elektrolyytin akkuja.
– Energiatiheys kasvaa, syttyviä liuottimia ei ole ja pitkä ajomatka saadaan aikaiseksi yhdellä latauksella, johtava tutkija Marja Vilkman luettelee teknologian hyviä puolia.
Kiinteän elektrolyytin akkukennoissa tavoitteena on saavuttaa 400–500 wattitunnin kapasiteetti kilogrammaa kohden. Nykyään tavallisten litiumioniakkujen kapasiteetti on noin 250–300 wattituntia kilolta. Kiinteän elektrolyytin kennoja on valmistettu pääasiassa vasta pienessä mittakaavassa, ja kaupalliseen tuotantoon on vielä matkaa.
Liiketoiminnalliseen potentiaaliin vaikuttaa kilpailun ja teknologian lisäksi sääntely. Esimerkiksi EU rajoittaa pfas-materiaalien eli ikuisuuskemikaalien käyttöä. Samalla se vähentää myrkyllisten kemikaalien haittoja ja luo puhtaalle eurooppalaiselle akkutuotannolle toimintaedellytyksiä.
– Suomen on vaikea kilpailla muun muassa Kiinasta tulevien perusakkujen valmistuksessa. Meillä on mahdollisuuksia ohutkalvoteknologioihin, raaka-aineiden saatavuuteen, valmistukseen ja kierrätykseen liittyvässä osaamisessa, Vilkman arvioi.
Akkumateriaaleihin tarvitaan metalleja
Akkuteollisuuden kasvu saattaa johtaa uusien kaivosten avaamiseen Suomessa, koska maassa on Euroopan mittakaavassa iso määrä tarvittavia metalleja. Maanosassa ei ole toistaiseksi akkulaatuisen litiumin tuotantoa, paitsi pieniä määriä Portugalissa.
– Jotkut ovat pelotelleet, että Suomesta tulisi Euroopan Kongo eli että täältä vain vietäisiin rikkaudet muualle. Meille on tulossa kuitenkin useita akkuarvoketjun toimijoita, joten raaka-aineita myös kehitetään arvokkaammiksi tuotteiksi, sanoo tutkimusprofessori Päivi Kinnunen VTT:ltä.
Kansainvälinen energiajärjestö on arvioinut, että esimerkiksi litiumin tarve yli 40-kertaistuu vuodesta 2020 vuoteen 2040 mennessä. Myös monen muun metallin tarve kasvaa enemmän kuin kymmenenkertaiseksi.
Anodimateriaali saadaan metsästä
Suuria odotuksia kohdistuu lisäksi biopohjaisiin akkumateriaaleihin, joita voidaan käyttää sekä perinteisissä akuissa että uusissa teknologioissa. Suomessa on kehitetty sellutuotannon sivuvirrasta ligniinistä jalostettavaa biohiiltä grafiitin korvaajaksi. Ligniinin käyttö akkujen anodimateriaalina tuottaisi vähintään kymmenkertaisen tulon verrattuna nykyiseen käyttöön energiantuotannossa.
– Tämä on ainutlaatuinen tilaisuus rakentaa arvoketju ja houkutella investointeja Suomeen, sanoo tutkimuspäällikkö Katariina Torvinen.
Uusiseelantilainen Carbonscape koevalmistaa Sunilan lakkautetulla sellutehtaalla biografiittia. Pilotista voi tulla myöhemmin teollisen mittakaavan toimintaa. Anodimateriaalin markkinapotentiaali on noin 11 miljardia euroa.
Biopohjaiset materiaalit vähentäisivät isojen energiavarastojen ympäristövaikutusta. Energiavarastojen nykyinen kapasiteetti on noin 200 gigawattituntia, kun vuoteen 2040 mennessä tarve on kansainvälisen energiajärjestön IAEA:n mukaan noin 10 000 gigawattitunnille maailmassa.
Teksti ja kuvat: Janne Luotola
