Sähköauton tekniikkaa osa 3: Akun elinikä

Sähköauton akun kestävyys on ummikoiden suurin huolenaihe. Esson baarin tietäjien mukaan akku vaihdetaan vähintään parin vuoden välein (jos se ei talvella hyydy kokonaan), mutta totuus on toisenlainen. Tässä jutussa käydään läpi akun käyttöikään vaikuttavia tekijöitä.

Lämpötilan vaikutus on suurin tekijä

Sähköauton akkujen kestoikä on vielä kysymysmerkki, koska riittävästi tietoa ei yksinkertaisesti ole. Viime vuonna julkaistiin ensimmäinen tieteellinen tutkimus aiheesta, ja tutkimuksen kohteena oli vanhemman Nissan Leafin 24 kWh akun (LMO kemia) elinikä. Tutkimus ei siis ole suoraan sovellettavissa muihin merkkeihin tai malleihin, jotka käyttävät erityyppisiä akkuja.

Tutkimuksen mukaan akun elinikään vaikuttaa eniten lämpötila, ei niinkään ajetut kilometrit. Tutkimus tehtiin USA:ssa, ja siinä kriteerinä oli akun kapasiteetin laskeminen kolmanneksen alkuperäisestä. Tämä todettiin tapahtuvan helteisessä Floridassa jo viiden vuoden iässä, kun taas kylmässä Alaskassa akku kesti 13 vuotta. Suomen oloja vastaavissa osavaltioissa akun eliniäksi voitiin arvioida noin 8-9 vuotta.


Nissan Leaf
Nissan Leafin 24 kWh akkujen elinikä riippuu kilometrien sijaan ajasta. KUVA: Wikipedia

Tutkimuksen tulokset koskevat siis ainoastaan 24 kWh Nissan Leafin akkua. Uudempien akkujen eri akkukemiat ja kehittynyt ohjauselektroniikka varmasti muuttaa tilannetta; oletettavasti parempaan suuntaan. Suomen viileä ilmasto on varsin otollinen ympäristö akulle, joten uudemmille akkutyypeille voi hyvin odottaa ainakin 10-15 vuoden elinikää, Lapissa enemmäkin. Elon Musk on suurisukaisesti lupaillut Teslan akun kestävän peräti miljoona mailia, ja vanhimpien alkuperäisakuilla ajossa olevien autojen kokemusten mukaan ei väitettä ainakaan vielä voida tyrmätä.

Akku ei tykkää lataantua täyteen

Litium-ioniakkua ei kannata ladata ihan täyteen jos ei ole pakko, koska akku rasittuu korkeasta jännitteestä. Optimaalinen tilanne olisi lopettaa lataaminen jo saturaatiovaiheen alkaessa, mutta silloin ajomatka lyhenisi huomattavasti. Tässä on siis tehtävä kompromissi ajomatkan ja akun eliniän kanssa. Yleensä lataamista jatketaan reilusti yli saturaatiopisteen, mutta kennojen jännitettä ei nosteta niin suureksi kuin mahdollista. Tyypillisesti jännite pidetään lähellä 4 volttia, mikä nostaa käyttöikää kohtuullisella uhrauksella kapasiteettiin.

Vastaavasti akun päästäminen tyhjäksi ei tee sille hyvää. Siksi sähköauton elektroniikka varmistaa, ettei akku koskaan tyhjene kokonaan lopettaen sen purkamisen jännitteen laskiessa riittävän alas. Täysi tyhjeneminen johtaisi pahimmillaan akun tuhoutumiseen käyttökelvottomaksi.

Auto siis pysäytetään hyvissä ajoin jännitteen laskiessa. Kannattaa huomata, että ajotietokoneen antama arvio jäljellä olevasta ajomatkasta on ainoastaan arvio, koska akussa jäljellä oleva energia voidaan ainoastaan arvata, ei mitata. Todellisuudessa matka voi yhtä hyvin jatkua kymmeniä kilometrejä nollan jälkeen – tai auto voi hyytyä vaikka rangea olisi jäljellä vielä jokunen kilometri. Kokeilemalla se selviää!

Jokamies-Teslan-hinaaminen-Hinaus
Joskus akku loppuu kesken ajon. Juustoportin Supercharger näkyi jo kilometrin päässä, kun Tesla ilmoitti akun olevan liian tyhjä ajamiseen. Edessä oli traktorikeikka. KUVA: Joose Luukkanen

Akku tykkää hitaasta latauksesta

Kännyköiden nopeasti kuolevat akut johtuvat lyhyen latausajan vaatimasta ylisuuresta latausvirrasta. Kännykän elinkaari on lyhyt ja kukaan ei oleta akun kestävän pitkään, joten akut tuutataan surutta suurella virralla täyteen mahdollisimman nopeasti. Sähköautoissa ei voida toimia näin. Kalliin akun elinikää koitetaan tosissaan pidentää eli auton akkua ei voi mitenkään verrata kännykän akkuun.

Pikalataukset rasittavat akkua jonkin verran, mutta vaikutusta on hankala arvioida. Teslan kerrotaan jopa rajoittava Supercharger-latausten tehoa mikäli autoa pikaladataan paljon akun. Hidas lataaminen on akulle parasta, joten kotona yön yli lataaminen on paitsi helppoa niin myös akulle hyväksi.

Tesloop
Tesloopin Model X on osoittanut akkujen kestävän, puoli miljoonaa kilometriä kahdessa vuodessa on kova saavutus! Jatkuvista pikalatauksista huolimatta akku on pitänyt pintansa. KUVA: Tesloop

Toisaalta esimerkiksi Tesloop on raportoinut erittäin pientä kapasiteetin vähenemistä autoissaan, vaikka niitä pikaladataan päivittäin. Los Angelesin ja Las Vegasin väliä sukkuloivat autot keräävät joka kuukausi yli 20 000 kilometriä mittariin. Deuxy -niminen Model X 90D on kahden vuoden kohdalla ylittänyt puolen miljoonan kilometrin rajan alkuperäisellä akulla, ja silti akun kapasiteetistä on jäljellä vielä 87,4%!

Optimaalinen käyttö

Käytännössä ohjauselektroniikka ei koskaan anna ladata sähköauton akkua aivan täyteen, joten käyttäjä voi periaatteessa huoletta ladata akun täyteen vaikka joka kerta. Tämä lyhentää jonkin verran akun elinikää, mutta vaikutus on varsin pieni ja sen suuruutta on myös vaikea arvioita. Samoin auto ei anna ajaa akkua tyhjäksi, vaan meno katkeaa ennen kennon jännitteen laskua akkua vaurioittavalle tasolle. Käyttäjä ei saa vahingossa akkua rikki, vaan sitä pitää yrittää ihan tosissaan.

Käyttäjän kannattaa kuitenkin antaa akulle helpompi elämä lataamalla akku 100% sijaan mieluummin alemmalle varaustasolle. Aiemmat vinkit ladata vain sen verran kuin tarvitsee voi unohtaa, koska käytännön vaikutus on pieni. Jatkuva vajaaksi lataaminen toisaalta vaikeuttaa akun varaustilan arviointia (akussa olevan energian määrää ei voi mitata), mikä näkyy auton rangen pienenemisenä. Tästä syystä esimerkiksi Teslan akku suositellaan lataamaan 80-90% tasolle. (Kappale päivitetty 6.2.2019 klo 20:48, kiitos Jussi)

Pikalataukset lyhentävät teoriassa jonkin verran akun käyttöikää, mutta sen takia ei kannata jättää pikalataamatta kun sähköä tarvitsee. Aiemmin mainitun Tesloopin perusteella pelkästään Superchargereilla pikaladatun Teslan akku ei happane sen nopeammin kuin muutkaan.

Ainakin teorissa hidaslataus on kuitenkin akulle kaikkein hellin vaihtoehto, ja akun elinikää voi maksimoida säätämällä latausvirran niin alhaiseksi kuin mahdollista. Jos auto ehtii latautua yön aikana 3x5A virralla sen sijaan, että tuuppaisi akun parissa tunnissa 3x32A virralla täyteen, niin miksei tekisi niin? Käytännön vaikutus on lähellä mitätöntä yhden yön aikana, mutta tuhansia kertoja toistettuna tämäkin voi vaikuttaa. Ainakin hifistelijälle tulee hyvä mieli!

tesla_app-jokamies
Teslan applikaatiolla on helppo seurata latauksen edistymistä. Latausrajaksi on asetettu päivittäiseen ajoon mainiosti riittävä 80%. Myös latausvirtaa voi useimmissa autoissa säätää halutuksi.

Lämpötilaan käyttäjä ei juurikaan voi vaikuttaa. Helteillä auto toki kannattaa pysäköidä varjoon jo matkustamon pitämiseksi viileämpänä, jolloin sähköä ei kulu ilmastoinnin pyörittämiseen ihan niin paljoa, mutta akun käyttöikään tällä ei ole mitään isoa merkitystä. Myöskään talvinen pakkasessa pysäköinti ei aiheuta ongelmia, vaan pikemminkin viileä keli pidentää akkujen käyttöikää. Ainoa asia mitä kuljettajan kannattaa tehdä, on ladata akku pakkasilla heti ajon päätyttyä, mikäli autossa ei ole akunlämmitintä. Tällöin akku lataantuu nopeasti (kylmä akku ei ota virtaa yhtä hyvin vastaan) ja lämpenee jälleen seuraavan ajokerran aikana.

Entä kun akku hajoaa?

Suurin osa sähköautoista on myyty pitkällä akkutakuulla. Standardiksi on muodostunut 8v ja esimerkiksi ensimmäisissä Tesloissa siinä ei ollut edes kilometrirajaa. Uudemmissa autoissa takuun voi ennustaa lyhentyvän.

Uudemmissa autoissa akkutakuu on edelleen voimassa. Suomen ensimmäisissä, vuonna 2013 maahantuoduissa Tesloissa on akkutakuu voimassa vuoteen 2021 saakka. Ainoastaan Nissan Leafejä on runsaasti takuun ulkopuolella.

Yleensä koko akusto ei hajoa kerralla. Sähköauton akku koostuu moduuleista ja edleellen akkukennoista, joita on autosta riippuen kymmenistä tuhansiin. Viallinen akkumoduuli voidaan vaihtaa sen vikaannuttua ehjään (joku pellepeloton vaihtanee vielä yksittäisen kennonkin), jolloin remontin hinta jää kohtuulliseksi. Suomessakin tee-se-itse -miehet ovat vaihtaneet Nissan Leafiin vikaantuneen akkumodulin ehjään onnistuneesti, ja työtä luonnehdittiin yllättävän helpoksi. Sähköautojen lisääntyessä akustojen korjaajille avautuu markkinat.

Teslan 18650 akkukennon osat ennen kokoonpanoa. Kennoja on Teslan akustossa tuhansia. KUVA: Wikipedia

Milloin akku on entinen?

Akun vanheneminen ei tarkoita auton tai akun romuttamista. Jos päivittäinen ajo on vaikkapa 80 km, niin alunperin 200 km tarjonnut akku riittää vielä 50% kohdalla edelleen päivittäisiin ajoihin mainiosti. Jos akun haluaa uusia, niin hiipunut vanha akku ei sekään ole suinkaan arvoton, vaan sille on monia käyttökohteita. Esimerkiksi 50% tasolle alkuperäisestä kapasiteetistaan kulunut akku voi seuraavan kymmenen vuoden ajan toimia vaikkapa aurinko- tai tuulivoimalan sähkövarastona. Konkreettisia sopimuksia on jo tehty, kun Hyundai ja Wärtsilä sopivat käytettyjen sähköautoakkujen käytöstä energian varastointiin.

Akun uusiminen ei välttämättä edes ole suuri investointi hintojen koko ajan laskiessa. Tutkitun Nissan Leafin uusi akusto maksaa noin 6000€, joten vanhan akuston jäännösarvo huomioiden ei puhuta kuin TSI-auton konerempan hinnasta.

aurinkovoimala
Käytettyjä akkuja voidaan hyödyntää esimerkiksi aurinkopaneeleilla tai tuulivoimalla tuotetun energian varastoimiseen. Yksi sähköauton akku on riittävän suuri pystyäkseen varastoimaan pientalon yön aikana tarvitseman sähkön. Ennustan irticarunasta-tyyppisten ratkaisuiden yleistyvän sähkön hinnan noustessa ja akkujen hintojen laskiessa.

Kierrätys

Käytetyt akut ovat rahanarvoista tavaraa, ja jopa normaaleistä lyijyakuista saa hyvityksen. Useamman sata kiloa painavan sähköauton akun sisältä löytyy niin paljon kierrätyskelpoista metallia, että akusta pääsee eroon ilmaiseksi. Tällä hetkellä talteen tosin otetaan vain teräs- ja kupariosat, koska itse kennojen kierrättäminen ei onnistu kustannustehokkaasti. Kalliimmat metallit ovat eletktrolyytin sisällä ohuina kalvoina, jolloin niiden talteenotto vaatii prosessikehitystä.

Tulevaisuudessa myös koboltin, nikkelin, litiumin ja alumiinin talteenotto todennäköisesti kannattaa. Kysynnän kannattessa akkumateriaalien hinnat nousevat ja kierrätykseen panostaminen tulee houkuttelevammaksi. Esimerkiksi Suomen Autokierrätys tutkii parhaillaan VTT:n kanssa, miten rakenteet voisi rouhia ja jakeet eritellä happokäsittelyllä. Tosin tällä hetkellä akkuja ei ole vielä saatu kierrätykseen – ovat penteleet liian varmatoimisia!

tesla-model3
Tesla Model 3

Yhteenveto

Sähköauton akut vaikuttavat jo nyt varmatoimisilta. Niiden eliniän voidaan olettaa olevan vähintään kymmenen Suomen oloissa, ja viileä ilmasto lisää elinikää eteläisempiin alueisiin verrattuna. Akkujen huoltaminen on mahdollista ja odotettua edullisempaa.

Uuteen akkuun nähden kapasiteettiaan menettänyt akku voi riittää kakkosautossa pitkää, riippuen käyttäjän tarpeista. Vaihtoehtoisesti akku voidaan siirtää energianvarastoksi. 10-30 vuoden käyttöiän jälkeen akku voidaan kierrättää, ja tulevaisuudessa todennäköisesti myös harvinaiset metallit pystytään ottamaan talteen kustannustehokkaasti.