Litium-ioniakkutehtaan tuotannon siirtäminen Kiinasta Suomeen

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Materiaalitekniikan osasto Matti Nuutinen Litium-ioniakkutehtaan tuotannon siirtäminen Kiinasta Suomeen Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 5.3.2007 Työn valvoja Professori OlofForsen Työn ohjaaja Dosentti Jari Aromaa

KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Matti Nuutinen Työn nimi: Litium-ioniakkutehtaan tuotannon siirtäminen Kiinasta Suomeen Sivumäärä: 98 I Päiväys: 5.3.2007 Osasto: Materiaalitekniikka Professuuri: Materiaali- ja sähkökemia Työn valvoja: Professori Olof Forsen Työn ohjaaja: TkT Jari Aromaa Työn sijainti: Mak Koodi: Mak-85 Tässä diplomityössä selvitetään litium-ioniakkutuotannon Kiinasta Suomeen siirtämisen kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä ja edellytyksiä. Lisäksi työssä pohditaan erilaisia tapoja toteuttaa tuotannon siirtäminen sekä laaditaan alustavia suunnitelmia tuotannon aloittamiseksi Suomessa. Akunhallintajärjestelmän käyttäminen Li-ioniakkujen kanssa on välttämätöntä jo turvallisuussyistä, mutta lisäksi akunhallintajärjestelmät pidentävät akkujen elinikää ja parantavat niiden suorituskykyä. Tehokkaalla akunhallintajärjestelmällä varustetun Liioniakkupaketin suorituskyky pystyy haastamaan polttomoottoritekniikan esimerkiksi kaupunkibussien ja jakeluautojen voimanlähteenä. Sähköajoneuvot saavuttavat polttomoottoriajoneuvoja vastaavan käyttöiän huomattavasti alhaisemrnilla käyttö- ja huoltokustannuksilla. Li-ioniakkujen valmistuskustannukset putoavat merkittävästi, kunhan vielä tällä hetkellä vähäiset valmistusmäärät kasvavat. Li-ioniakkutuotannon siirtämisen toisena osapuolena toimii kiinalainen Thunder Sky Battery Ltd (TS), joka on valmistanut yli 20 ampeeritunnin Li-ioniakkuja Kiinan Shenzhenissä jo kymmenen vuoden ajan. Suomalainen Finnish Electric Vehicle Technologies Oy (FEVT) valmistaa akunhallintajärjestelmiä yhteistyössä TS:n kanssa, mikä on mahdollistanut tarkemman tutustumisen TS:n akkutuotantoprosessiin. Litiumioniakkutuotannon siirtäminen Suomeen takaisi akkujen saatavuuden, lyhentäisi toimitusaikoja ja helpottaisi huollon ja tuotetuen järjestämistä. Akunhallintajärjestelmien ja akkujen valmistus lähellä toisiaan lisäisi myös akkupakettien kehityksen ja tuotannon tehokkuutta. Suomeen on kaavailtu 14000 m 2 tehdasta Varkauden kaupunkiin. Tämän kokoinen tehdas kykenee 80 miljoonaa Ah:a vastaavan akkumäärän vuosituotantoon. Tämä määrä vastaa noin 1400 sähköbussin akkutarvetta. Tuotantoprosessin kehittämistä kaavaillaan suoritettavaksi aluksi Kiinassa TS:n tehtaalla, jolloin Suomen tehdastoiminta voidaan käynnistää heti kehittyneemmällä tuotantolaitosversiolla. Kiinassa aloitettaisiin samalla FEVT:n akunhallintajärjestelmien valmistus. Akkutuotannon kannattavuus Suomessa edellyttää tuotantohenkilöstön määrän vähentämistä automatisoinnin avulla alle kymmenesosaan Kiinan vastaavasta. Automatisointi parantaa samalla myös tuotteiden laatua. Lisäksi raaka-aineiden hankintahinnat eivät saa poiketa Suomessa yli 30 % Kiinaan verrattuna. Tuotantoprosessin kehittäminen sisältää käsinsuoritettavien toimintojen koneistamista ja yksittäisten vaiheiden yhdistämistä. Prosessista on myös mahdollista eliminoida yksittäisiä työvaiheita. Avainsanat: Li-ioniakku, Li-ioniakkutehdas, sähköajoneuvo. akunhallintajärjestelmä IJulkaisukieli: Suomi

HELSINKI UNIVERSITY or ABSTRACT OF THE TECHNOLOGY MASTER'S THESIS Author: Matti Nuutinen Subj ect of the thesis: Transferring production of Li-ion battery facto ry from China to Finl and Pages: 98 IDate: 5.3.2007 Li brary location: Mak Department: Material Science and Engineering Code of professorship: Professorship: Material and Electrochemistry Mak-85 Sup ervi sor: Professor Olof Forsen Instructor: DSc Jari Aromaa The purpose of this thesis is to examine the factors and requirements that have an effect on the transferring of lithium-ion battery production from China to Finland. Additionally, different means of executing the transferring and fundamental plans on starting the production in Finland are prepared. Battery management system is necessary to apply with Li-ion batteries for safety reasons but also to enhance the lifetime and performance of the batteries. With effective battery management system the performance of Li-ion battery pack is capable of challenging, for example, combustion engines as the power unit of city busses or delivery vans. Electric vehicles achieve the lifetime of combustion engine-powered vehicles with considerably lower running and maintenance costs. The manufacturing costs of Li-ion batteries will decrease significantly as the currently small production qu antities increase. Finnish Electric Vehicle Technologies Oy (FEVT) produces battery management systems in co-operation with Thunder Sky Technologies Ltd (TS ) which has produced over 20 Ampere hour sized Li-ion batteries in Shenzhen, China, for ten years. Thi s has enabled the pos sibility to get familiar with TS's battery manufacturing pro cess. Transferring the Li-ion battery production to Finland would guarantee the availability of batteries and shorten delivery times, in addition to better maintenance and product support. Furtherrnore, producing the batteries and battery management systems clo se to each oth er would increase the efficiency of product research and development. Plans have been made to establish a 14000 m 2 sized factory in the city of Varkaus in Finland. A factory of this size would be able ta produce 80 million Ampere hours af batteries a year, which is equivalent ta the battery needs af 1400 electric busses. Production pro cess is plånn ed ta take place at TS factory in China at first. Thi s way the battery praduction could be started directly with a next generation production plant in Finland. Production af FEVT' s battery management systems would simultaneously take place in China. For the battery manufacturin g ta be cost effective in Finl and, the number af workers has ta be reduced ta less than a tenth af the number af workers in the factory in China. Automatizati on will also enhance the product quality. Moreover, the material costs in Finland must not exceed ove r 30 % compared ta those in China. Th e development af the production process also includes mechanizing manual operations and integrating single phases. It is also possible to eliminate some work phases. Keywords: Li-i on battery, Li-ion battery factory, electric vehicle, battery man agem ent sys tem Lan guage of Publi cation : Finnish

Sisällysluettelo 1 JOHDANTO 8 2 TUTKIMUKSEEN LIITTYVÄT OSAPUOLET 11 2.1 KIINALAINEN LITIUM-IONIAKKUTEKNOLOGIA: THUNDER SKY BATTERY LTD (TS) 11 2.2 AKUNHALLINTAJÄRJESTELMÄT: FINNISH ELECTRIC VEHICLE TECHNOLOGIES (FEVT) 15 2.3 SUOMEN AKKUTEHTAAN SUUNNITELTU SIJOITUSKAUPUNKI: VARKAUDEN KAUPUNKI 18 3 LITIUM-IONIAKKUTEKNIIKKA 20 3.1 LITIUM-IONIAKKUTEKNIIKKA LYHYESTI 20 3.2 KILPAILEVIA TEKNIIKOITA 31 3.3 LITIUM-IONIAKKUJEN MARKKINAT 40 3.4 KILPAILIJA-ANALyySI 44 4 LAYOUT-SUUNNITTELUN VAIHEET 46 5 NYKYISEN KIINAN TEHTAAN TUOTANTOPROSESSIN KUVAUS 49 5.1 TUOTANTOPROSESSIN LyHyTylEISKUVAUS 49 5.2 KIINAN TUOTANTOPROSESSIN TARKEMPI KUVAUS 49 5.3 TUOTANTOVAIHEIDEN PULLONKAULAT JA HUKKAPROSENTTI.. 58 5.4 TUOTANTOKAPASITEETTI JA TYÖNTEKIJÖIDEN TARVE 59 6 SUUNNITELLUN SUOMEN TUOTANTOYKSIKÖN ERITYISVAATIMUKSET 61 6.1 PROSESSIN VAATIMUKSET SUOMESSA 61 6.2 TUOTANNON TEHOSTAMISEHDOTUKSIA 62 6.3 TUOTANTOKAPASITEETTI JA TYÖNTEKIJÖIDEN TARVE 64 6.4 SUOMEN AKKUTEHTAAN LAYOUT-SUUNNITELMA 64 6.5 TUOTANTOON LIITTYVIÄ ONGELMIA 65 6.6 <RAAKA-AINEIDEN SÄILYTYS JA KÄSITTELy 66 7 SUOMEEN SUUNNITELLUN AKKUTEHTAAN TALOUDELLINEN TARKASTELU67 7.1 ALKUINVESTOINNIT 67 7.2 MUUTTUVAT KUSTANNUKSET 68 7.3 KUSTANNUSlASKELMIA 70 7.4 KUSTANNUSLASKELMIEN VERTAILUA 74 7.5 LASKELMIEN HERKKYYS 76 7.6 AKKUJEN HINNOITTELU 77 7.7 YHTEENVETO KANNATTAVUUSlASKELMISTA 80

8 TOIMINTASUUNNITELMA 81 8.1 YHTEISTYÖN KEHITTYMINEN 82 8.2 TUOTANTOPROSESSIN KEHITTYMINEN 84 9 POHDINNAT 86 9.1 MUIDEN TEKNOLOGIOIDEN HYÖDYNTÄMINEN LI-IONIAKKUJEN KANSSA 86 9.2 TULEVAISUUDEN NÄKyMIÄ 87 9.3 TYÖHÖN LIITTYVIÄ LISÄTUTKIMUSKOHTEITA 88 10 YHTEENVETO 90 11 LÄHDELUETTELO 93 12 LIITTEET.1 LIITE 1: TS:N TOIMITTAMA LAITTEISTOLISTA SUOMEN TEHTAALLE.I LIITE 2: TS:N LI-AKKUTUOTANNON PROSESSIKAAVIO II LIITE 3 : PERIAATTEELLINEN LAYOUT-SUUNNITELMA JA PERSPEKTIIVIKUVA SUOMEN TEHTAASTA. III LIITE 4: VARKAUDEN ALUEEN KARTTA LIITE 5: TS TUOTE-ESITTEITÄ LCP 50AH JA 600AH, LFP 30AH JA 800AH LIITE6: STANDARDIELEKTRODIPOTENTIAALI TAULUKKO VESIPITOISESSA LIUOKSESSA +25 C IV V VI

Lyhenneluettelo Ah: BMS : C : CCS : EV : FEVT HEV : IB : LCP: LMP: LFP : NiCD NiMH : PHEV : TS : USABC :", VRLA : ZERBATM : Ampeeritunti Battery Management System, akunhallintajärjestelmä. BMS ei ole standardoitu termi, vaan tätä termiä voi toistaiseksi käyttää kuka vain ilman minkäänlaisia vaatimuksia järjestelmän toiminnalle. Akun nimelliskapasiteetti Cell Control System, FEVT:n käyttämä termi akunhallintajärjestelmälle. Electric vehicle Finnish Electric Vehicle Technologies Oy Hybrid electric vehicle International Battery Oy TS:n valmistaman litium-kobolttiakun, Li-Co, lyhenne TS:n valmistaman litium-mangaaniakun,li-mn, lyhenne TS:n valmistaman litium-rauta-akun, Li-Fe, lyhenne Nikkeli-Cadmium Nikkelimetallihybridi Plug-in hybrid electric vehicle Thunder Sky Battery Limited United States Advanced Battery Consortium Valve regulated lead-acid Sveitsiläisen akkuvalmistajan natriumkloridi -akun tuotemerkki

Alkusanat Tämä diplomityö on tehty opinnäytteenä Teknillisen korkeakoulun Materiaalitekniikan osastolle. Työn toimeksiantajana on ollut Kesk i-savon Kehittämisyhtiö Oy yhdessä Finnis h Electric Vehicle Technologies Oy:n kanssa. Työn valvoj ana on toiminut Teknilli sen korkeakoulun Materiaafitekniikan osaston korroosio ja materiaalikemian oppituo lin profes sori Olof Forsen ja työn ohjaajana Teknillisen korkeakoulun dosentti Jari Aromaa. Kiitän teitä antami stann e hyvistä neuvoista, ohjauksesta sekä rakentavasta kritiikistä. Haluan lisäksi kiittää kaikkia haast attelemiani henkilöitä heidän antamistaan tiedoista j a kommenteista; panok senne muiden kiireidenne keskellä oli suureksi avuksi. Erityisesti haluai sin kiittää Finnish Electric Vehicl e Technolo gies Oy:n Jukk a Järvistä j a Ilkka Korhosta heidän antamastaan panoksesta. Haluan myös lopuksi kiittää vanhempiani, veljiäni ja rakasta Mariannaa antamistanne neuvoista ja tuesta. Espoossa 5.3.2007 Matti Nuutinen

1 Johdanto Tämä n tutkimustyön tarkoi tuksena on selvittää mill ä ehdoilla litium-ioniakkuteht aan siirtäminen Kiin asta Suomeen olisi kannattavaa. Kannattavuuteen liittyen tässä työssä arvioidaan tuotannon aloittamiseen ja ylläpitämiseen liittyviä kustannuksia Suomessa sekä toimintasuunnitelmaa. Kustannusten ja toimintasuunnitelman lisäksi tässä työssä arvioidaan Li-ioniakkutekniikan markkinoita Euroopassa ja tuotannon siirtämisen syitä ja siirtämisellä saavutettavia etuja. Tuotannon siirtäminen Kiinasta Länsimaihin ei ole aivan uusi asia nykyään, muun mu assa kiinalainen elektroniikka-alan suuryritys Lenovo on ostanut suuren osan IBM:n toiminnoista ja tämän kaupan avulla siirtänyt tuotantoaan länsimaihin. Samoin on tehnyt elektroniikkatuotteita valmistava TeL, joka on ostanut Yhdysv altalaisen Thompsonin. Nykyisin käytössä oleviin akkutekniikoihin verrattaes sa Li-ioniakut ovat huomattavasti ympäristöystävällisempiä, sekä huomattavasti tehokkaampia ja kapasiteetiltaan suurempia. Näiden tekniikoiden syrjäyttäminen ei ole ollut mahdollista aiemmin, koska Li-ioniakkujen hinnat ovat olleet huomattavasti korkeampia ja akkujen toimivuudessa on ollut toivomisen varaa johtuen hyvien akunhallintajärjestelmien puutteesta. Perinteisillä akkutekniikoilla, eli lyijy- ja nikkeliakuilla, ei ole saavutettu vaadittavia ominaisuuksia polttomoottoriajoneuvojen korv aamiseen sähköajoneuvoilla. Litium-,. ioniakkutekniikka on ensimmäinen akkutekniikka, jonka avulla void aan käytännössä kor vat a polttomoottoriajoneuvoj a liik enteessä ympäristö ystävällisyytensä lisäksi myös taloud elli suudellaan. Tehokkailla akunhallintajärjestelmillä varus tettujen Litium-ioni akkuj en avulla ajoneu vojen kulkemat matkat ka upungissa yhdellä latauksell a voiva t vastata polttomoottoriajoneuvojen kulkemaa matkaa täydellä poltt oainetankill a, kun huippunopeudet pysyvät alle 100 km/h. Huippunopeusrajoitus laskee kiin nostusta sähköisten henkilöautojen valmistamiseen, mutta esimerkiksi kaupunkibu ssi en, jakeluautojen tai skoottereiden -suorituskykyvaatimuksiin Li- 8

ioniakut pystyvät vastaamaan. Sähköajoneuvojen etuihin kuuluvat myös moottorin vähäisemmät huoltotoimenpiteet ja kulutuksen alhaisemmat kustannukset. Liioniakkujen kyky varastoida energiaa paino- ja tilavuusyksiköitä kohden on huomattavasti lyijy- ja nikkeliakkutekniikoita korkeampi. Nykyisin Litiumioniakkujen suurimpana esteenä laajempaan sähköajoneuvokäyttöön ovat akkujen korkeat hinnat ja saatavuuden puute. Litium-ioniakkujen valmistushinnat laskevat tuotantomääriä kasvatettaessa, joten Li-ioniakkujen hintojen huomattava pieneneminen tulee tapahtumaan jo lähivuosina riippuen raaka-aineiden hinnoista. Olen matkustanut Thunder Sky Battery Limitedin (TS) tehtaalle Kiinaan kolmesti kesän ja syksyn 2006 aikana, ja näillä matkoilla olen tutustunut TS:n sekä vanhaan että uuteen tuotantoyksikköön ja käynyt samalla keskusteluja yrityksen perustajan Winston Chungin kanssa. Uusi tuotantoyksikkö aloitti toimintansa heti vanhan lopetettua heinä-elokuun aikana 2006. Uusi tehdas aloitti tuotantonsa syyskuun aikana. Tutustuessani tuotantoyksikön toimintaan pyrin kiinnittämään huomiota mahdollisuuksiin vähentää tuotantoprosessin vaiheita ja lisätä tuotantoprosessin automatiikan määrää. Vähentämällä eri prosessivaiheiden määrää ja lisäämällä prosessin automaatioastetta saadaan yksinkertaistettua prosessia, nopeutettua läpimenoaikoja sekä poistettua mahdollisia häiriötekijöitä. Näillä parannuksilla prosessin ylläpitämiseen vaadittua henkilöstömäärää on tarkoituksena laskea alle kymmenesosaan nykyisestä. Kiinassa teollisuuden ja liikenteen aiheuttamat päästöt ovat huomattavat, ja Kiinan hallitus on ymmärtänyt asian vakavuuden jo 90-luvun alussa. Kiinan hallitus onkin tukenut, ja tukee edelleen huomattavilla summilla akkuteollisuutta, ja Kiina on saavuttanutjohtavan aseman suurikokoisten litiumakkujen valmistus- ja kehitysvaltiona. Kiinassa on tällä hetkellä useita kymmeniä yli 20 ampeeritunnin kokoisten akkujen valmistajia, joita Euroopassa ja Yhdysvalloissa on vain muutamia. Tästä syystä tuotannon siirtäminen lähemmäksi markkinoita toisi merkittäviä kilpailuetuja. Esimerkiksi akkujen tukipalveluiden tarjoaminen parantuisi, toimitusajat lyhentyisivät sekä tuotteiden laatu paranisi automatisoidumman tuotantoprosessin myötä. 9

Tämän työn toisessa kappaleessa kerrotaan tutkimukseen liittyvien osapuolien perustietoja. Kappaleessa 3 käydään läpi litium-ioniakkutekniikkaan liittyviä ominaisuuksia sekä vertaillaan erilaisia energiansäilömismuotoja litiumioniakkutekniikkaan. Kappale 4 käsittelee layout-suunnittelun teoriaa. Kappaleissa 5 ja 6 käydään läpi TS:n akkutehtaan tuotantoprosessia sekä prosessivaatimuksia Suomen olosuhteisiin. Tuotantoprosessia ei kuitenkaan käydä läpi enempää, kuin mitä on tarve alustavan layoutin laatimiselle ja tuotantolaitoksen investointikustannusten arvioimiselle. Kappaleissa 7 ja 8 käydään läpi toimintasuunnitelmaa, kuinka akkutuotanto tulisi siirtää Suomeenja aiheeseen liittyviä investointilaskelmia. 10

2 Tutkimukseen liittyvät osapuolet 2.1 Kiinalainen litium-ioniakkuteknologia: Thunder Sky Battery Ltd (TS) Thunder Sky Battery Ltd (TS) on kiinalainen litium-ioniakkuja kehittävä ja valmistava yritys. TS on perustettu vuonna 1998 ja se on Kiinan valtion rahoittama yritys. Winston Chung toimii teknologian ja tuotannon pääkehittäjänä, hän on myös alun perin kehittänyt ja tuonut esille keksimänsä tekniikat suurikokoisten Liioniakkujen valmistukseen. /1, 2/ Onnistuttuaan vakuuttamaan Kiinan johdon teknologian toimivuudesta ja mahdollisuuksista, Kiinan valtio rahoitti akkutehtaan rakentamisen Shenzhenin kaupunkiin Etelä-Kiinaan. TS:n tuotekehitys tapahtuu nykyään valtion rahoittamilla yliopistoilla Kiinassa muun muassa Pekingissä. /1, 3/ Suurikokoiset Litium-ioniakut vaativat rinnalleen tehokkaan akunhallintajärjestelmän varmistamaan akun käyttöturvallisuus. Laadukkaat hallintajärjestelmät kykenevät myös parantamaan Li-ioniakkujen ominaisuuksia ja pidentämään huomattavasti niiden käyttöikää. FEVTjaTS ovat kehittäneet yhdessä Li-ioniakkujaja niihin sopivia akunhallintajärjestelmiä vuodesta 2003 lähtien. Thunder Sky on nykyään maailman johtava yli 200 ampeeritunnin (Ah) kokoisten akkujen valmistaja. Suurin yhtiön valmistamansa akku on kapasiteetiltaan 10 000 Ah. 'I'Sm'iuoranroprosessi täyttää ISO 9001-laatustandardi- ja 14001 ympäristöstandardivaatimukset. TS on patentoinut akkujensa valmistustekniikat, esimerkkinä US patent no. 6686096 "Ladattava krorni-fluori-litium sähköakku". Lisää TS:n käyttämiä patentteja löytyy esimerkiksi TS:njälleenmyyntisivustolta (www.everspring.net/txtluspatent.htm) joka sijaitsee Hong Kongissa. Osa tällä sivustoila mainituista patenteista on TS:n materiaalitoimittajien patentteja. Kuvassa 1. on esitetty TS:n valmistama 150 Ah kokoinen ferriittiakku. 11

Kuva 1. TS:n valmistama 150 Ah Li-Fe akku, 285mm x 71mm x 182 mm (K x L x P) TS valmistamien akkujen katodipinnoitteiden pääkomponentit ovat joko Likobolttioksidi (LCP), Li-mangaanioksidi (LMP) tai Li-rautafosfaatti (LFP). Akut sisältävät pääkomponenttien lisäksi muitakin materiaaleja, mutta ylimääräiset materiaalit ovat valmistajakohtaisia. TS:n valmistamissa akuissa käytetään muun muassa fluoria ja kromia pääkomponenttien lisäksi. / l, 4/ TS valmistaa sekä lieriönmuotoisia akkuja että kuvan 1 mukaisia särmiön muotoisia akkuja. Särmiön muotoisissa akuissa terminaalit sijaitsevat päällä, mutta lieriön muotoisissa akuissa toinen terminaali on akun pohjassa ja toinen päällä. Akkujen muodot vaikuttavat akun rakenteeseen, mutteivät toimintaan. Melkein kaikki 30 1000 Ah suuruiset akut ovat särmiön muotoisia. Kuvassa 2 on esitetty TS:n akku jonka päälle on asennettu FEVT:n kehittämä akkukohtainen piirilevy, jonka avulla akun tilaa seurataan ja virranhallintaa kontroloidaan. Kuvasta nähdään kuinka piirilevy kiinnitetään akkuun. 12

Kuva 2. Akkukohtainen piirilevy asennettuna TS:n valmistaman Li-ioniakun päälle Thunder Sky valmistaa myös akkuihinsa sopivia hallintajärjestelmiä, mutta heidän valmistamansa hallintajärjestelmät eivät paranna akkujen ominaisuuksia tai elinikää, vaan estävät akkujen ylikuumenemisen toimien vain perussuojapiirinä. Tästä syystä TS on alusta alkaen ollut kiinnostunut yhteistyöstä FEVT:n kanssa. TS:n valmistamat akut sopivat skootterien ja rullatuolien akuista jopa sukellusveneiden akuiksi, mukaan lukien monet stationaariset sovellukset kuten virrantasaajat tai varavirtalähteet. Kaikissa sovellutuksissa akkujen elinikä ja suorituskyky paranevat tehokkaan akunhallintajärjestelmän avulla. Taulukoissa 1-4 on esitetty TS :n valmistamien LFP ja LCP akkujen ominaisuuksia ja mittoja. Liitteessä 5 on esitetty TS:n valmistamien LCP 50Ah ja 600Ah sekä LFP 30Ah ja 800Ah akkujen ominaisuuksia tarkemmin. 13

2.2 Akunhallintajärjestelmät: Finnish Electric Vehicle Technologies (FEVT) FEVT on suomalainen yritys, joka kehittää ja valmistaa litium-pohjaisten akkukennostojen toimintojen elektronisia ohjaus- ja hallintajärjestelmiä, joihin voidaan viitata lyhenteillä BMS tai CCS (Battery Management System / Cell Control System). FEVT on perustettu vuonna 2003 ja yrityksellä on tällä hetkellä toimipisteet Varkaudessa ja Riihimäellä. Yrityksen palveluksissa oli vuoden 2006 lopulla 14 henkilöä. /1, 6/ Yrityksen toiminta-ajatuksena on kehittää sellaisia menetelmiä, jotka edistävät sähkökäyttöisten laitteiden ja kulkuneuvojen maailmanlaajuista käyttöönottoa sekä parantaa oleellisesti kulkuneuvojen energiataloutta ja ympäristöystävällisyyttä. FEVT on tehnyt yrityksen perustamisesta lähtien läheistä yhteistyötä akkuja valmistavan kiinalaisen Thunder Sky Battery Ltd:n kanssa. /6/ FEVT on hakenut patenttia akunhallintajärjestelmänsä toiminnalle vuonna 2006 (asiakirjanumero 20065294). FEVT:n valmistama akunhallintajärjestelmä eroaa useiden kilpailijoiden valmistamista hallintajärjestelmistä siten, että se kykenee kontrolloimaan eritavoin akun latausta ja purkua tilanteesta ja akun kunnosta riippuen. Tämän lisäksi hallintajärjestelmän toimintaan voidaan vaikuttaa myös asennuksen jälkeen, kun taas nykyisten kilpailijoiden akunhallintajärjestelmät toimivat vain etukäteen tallennettujen tietojen mukaisesti. Kuvassa 3 on esitetty FEVT:n valmistama CCS-piirilevy. Kuvasta näkee selvästi kontaktipinnat, joiden avulla akun ja CCS-piirilevyn kiinnitys toisiinsa tapahtuu.,." 15

fevt, "1 r Kuva 3. FEVT:n valmistama CCS-piirilevy,joka kiinnitetään akun terminaalien päälle 2.2.1 FEVT:n nykyiset tuotteet ja markkinat FEVT valmistaa akkupaketteja, jotka sisältävät akkujen ja hallintajärjestelmien lisäksi laturit, käyttöliittymän ja koteloinnit. Akkupaketteja ei juurikaan myydä yksittäisille kuluttajille, vaan yrityksille jotka asentavat FEVT:n valmistaman akkupaketin omiin sovelluksiinsa, kuten skoottereihin tai sairaalavaunuihin, joita yritykset myyvät itse eteenpäin. /6/ Vuoden 2006 lokakuuhun mennessä FEVT on toimittanut Tampereen sairaanhoitopiirille 28 akkupaketilla toimivaa sairaalavaunua ja vuoden loppuun mennessä luku nousi viiteenkymmeneen. FEVT:n akkujärjestelmät ovat olleet ~ testikäytössä inva-ajoneuvoissa, golfkentän hoitokoneissa, golfautoissa, jakeluautoissa sekä moottoripyörissä ja skoottereissa. Kaupunkibussien koekkujärjestelmät ovat koekäyttövaiheessa sekä Suomessa että Kiinassa. 12, 6, 7/ 16

2.2.2 Akunhallintajärjestelmä yleisesti Akunhallintajärjestelmän tehtävänä on hallita akun latausta ja purkamista sekä pitää akun jännitteen ja virran arvot halutulla alueella. Käytännössä tämä tarkoittaa jokaisen yksittäisen akun seuraamista ja vertailua paketin muiden yksittäisten akkujen arvoihin. Hallintajärjestelmä pitää huolta, etteivät yksittäisten akkujen arvot muutu koko paketin keskiarvosta liiaksi ja pyrkii tasoittamaan yksittäisten akkujen välille syntyviä eroja pidentäen näin akkupaketin elinikää huomattavasti. Akunhallintajärjestelmän avulla akuista voidaan myös saada hetkittäin suurempaa virtaa ulos jolloin akun hetkellinen tehokkuus paranee. Akunhallintajärjestelmiä voidaan liittää minkä tahansa akkutekniikan kanssa, mutta vain litium-ioniakut vaativat rinnalleen akunhallintajärjestelmän akkujen turvallisuuden takaamiseksi. Sarjaan kytketyt superkondensaattorit vaativat myös hallintajärjestelmän rinnalleen. Esimerkiksi nykyisissä lyijyakuissa ei käytetä akunhallintajärjestelmiä vaikka näiden avulla akkujen elinikää voitaisiinkin parantaa hallintajärjestelmän avulla. Syynä tähän on lyijyakkujen edullinen valmistushinta minkä takia ylimääräisen hallintajärjestelmän valmistaminen ei olisi kannattavaa. Toinen syy on laadukkaan akunhallintajärjestelmän kehittämisen ja valmistuksen vaikeus. Akunhallintajärjestelmän asetuksiin ja rakenteeseen vaikuttavat käytetty akkutekniikka, akkutyyppi ja akun koko. Akunhallintajärjestelmien tehokkuus riippuu käytetyistä komponenteista ja ohjelmoinnin tasosta, mikä luonnollisesti näkyy järjestelmien hinnoissa. Myös yksinkertaisten suojapiirien tasosta löytyy eroja. Heikkotasoiset suojapiirit ovat yksi syy miksi esimerkiksi halvat kännyköiden akut aiheuttavat huomattavasti useammin ;:no vahinkoa valtuutettujen akunvalmistajien tuotteisiin verrattuna. Suurikokoisilla Liioniakuilla vastaavanlaisista vahinkotilanteista voi aiheutua merkittävästi suurempia vahinkoja, joten tehokkaat hallintajärjestelmät ovat ehdottomasti tarpeelliset. 17

2.3.Suomen akkutehtaan suunniteltu sijoituskaupunki: Varkauden kaupunki Suunnitellun akkutehtaan sijainniksi suunnitellaan ensisijaisesti Varkauden kaupunkia, jonne myös siirrettiin syksyn 2006 aikana osa FEVT:n tuotannosta. Varkauden kaupunki ja Keski-Savon Kehittämisyhtiö Oy ovat olleet tiiviisti mukana alustavissa suunnitelmissa akkutehtaan valmistelemisessa ja ovat luvanneet tukensa tehtaan perustamiseen ja tuotantoon liittyvissä vaiheissa, kuten esimerkiksi tontin ja tilojen järjestämisessä. Tehdasta varten on varattu tontti Kuvansinjoen teollisuusalueelta, josta matkaa Varkauden keskustaan on noin 5 kilometriä. Lentokentälle tältä tontilta on matkaa reilu 10 kilometriä ja läheltä tonttia kulkevat valtatiet 5 ja 23. Alueella sijaitsee myös satama, josta on yhteys syväväylälle ja lisäksi asemakaavassa on varaukset Pieksämäki - Joensuu rautatielle. Karttakuva esitetty liitteessä 4 jossa myös näkyy tehtaan sijainti Varkauden keskustaan nähden. /8, 9/ Akkutehtaan sijaintia Varkaudessa puoltavat muun muassa seuraavat seikat: Alueella on pitkät teolliset perinteet ja myös tämän vuoksi Varkaudessa on paljon osaamista ja kokemusta energiateollisuuden ja automaation toimialoilla sekä useita mahdollisia yhteistyökumppaneita. Varkaus sijaitsee maantieteellisesti EU:n 1-tukialueella, joka merkitsee korkeaa tuki-intensiteettiä sekä investointeihin että kehittämiseen. Alueen oppilaitokset ovat ilmaisseet halunsa olla mukana tuotannon kehityksessä muun muassa tuotannon suunnittelun osalta. Varkaudessa sijaitsee muun muassa Savoniaammattikerkeakoulun yksikkö, jossajärjestetään sekä liiketaloudellista että teknillistä koulutusta. /8, 9/ Varkauden sijainnin huonoja puolia ovat muun muassa sijainti suurten kasvukeskuksien ulkopuolella, mikä voi aiheuttaa tulevaisuudessa työvoimapulaa, etäisyys markkinoista Etelä-Suomen kasvukeskuksiin verrattuna sekä vesiteiden toimint~lk)lvj'ttc.m:yys kylmimpinä kuukausina. Käytännössä vesitiet ovat 18

toimintakyvyttömiä noin kahtena kuukautena vuodessa. Taulukossa 5 on esitetty Varkauden kaupungista muutamia perustietoja. Taulukko 5. Perustietoja akkutehtaan suunnitellusta sijaintikaupungista Varkaudesta /10/ Asukasluku vuonna 2005 noin 24 000 Pinta-ala Sijainti noin 520 1m?, josta 140 km 2 vesistöjä Pohjois-Savo, Itä-Suomen lääni. Matkaa Kuopioon 76 kmja Mikkeliin 88 km. 19

3 Litium-ioniakkutekniikka 3.1 Litium-ioniakkutekniikka lyhyesti Litium-ioniakuilla varustettu kaupunkibussi voi säästää jopa 50 % käyttökustannuksissa nykyisiin dieselkäyttöisiin busseihin verrattuna. Sähköajoneuvojen osalta 3000 euron lyijyakuston sijasta saman matkan antava litium-ioniakusto maksaa noin 6000 euroa, mutta jonka käyttöikä on viisinkertainen ja suorituskyky selvästi lyijyakustoa parempi. /11/ Litium-ioniakkujen kehitys ottaa edelleen suuria askelia eteenpäin ja Iitiumioniakkujen ominaisuuksien, kuten energiatiheydenja tehotiheyden arvot tulevat moninkertaistumaan vuoteen 2010 mennessä. Myös Iitium-ioniakkujen hinnat tulevat laskemaan merkittävästi kun tuotantomäärät nousevat. Tällä hetkellä 200 Ah litiumioniakun hinta Kiinassa on noin 400 euroa ilman akunhallintajärjestelmää. /2/ Ensimmäiset markkinoille tulleet ladattavat Li-ioniakut olivat kobolttipinnoitteisia, joten kobolttipinnoitetta on siten ehditty kehittämään kauemmin ja Li-Co akut ovatkin tällä hetkellä tehokkaimmat Li-ioniakut. Kaupalliseen tuotantoon ladattavat Li-ioniakut tulivat 90-luvun alussa. Kobolttiakut eivät kuitenkaan ole täysin stabiileja, mikä voi aiheuttaa akun lämpötilan äkillistä kasvamista. Jos akun lämpötila nousee liian korkeaksi voi katodipinnoite alkaa käyttäytyä epästabiilisti, johtaen akun räjähtämiseen ja palovaaraan. Tämä ongelma voidaan kuitenkin eliminoida tehokkaalla akunhallintajärjestelmällä. Mangaaniakuilla on parempi stabiilisuus kuin kobolttiakuilla, mutta tämänkin tekniikan on osoitettu käyttäytyvän korkeammissa lämpötiloissa epästabiilisti. Uusin markkinoille tullut litium-ioniakuissa käytetty katodipinnoitetekniikka on ferriittipinnoite, joka on todistettavasti huomattavasti mangaani- ja kobolttioksidipinnoitteita stabiilimpi materiaali. Muun muassa Valence Technologies on kotisivuiliaan esittänyt laajat testituloksensa ferriittipinnoitteen paremmasta stabiilisuudesta verrattuna koboltti-, nikkeli- ja mangaanioksidipinnoitteisiin. /12/ 20

Myös 'I'S on vahvistanut Ferriittiakkujensa olevan koboltti- ja mangaaniakkuja stabiilimpi, mutta he eivät ole julkistaneet tarkempia testituloksiaan. Sekä TS :n, että FEVT:n testit ovat osoittaneet ferriittiakkujen ominaisuuksien olevan toistaiseksi heikompia kuin kobolttiakkujen, mutta molempien testausten mu kaan ferri ittiakk ujen ominaisuudet tulevat ohittamaan kobolttiakut muutaman vuoden tähtäimellä. 3.1.1 Litium-ioniakkujen edut ja haitat Litium-ioniakkujen etuina ovat keveys, suuri kapasiteetti ja hyvät energian vastaanotto- ja luovutuskyvyt. Litium-ioniakkujen itse purkautumisnopeus akkujen ollessa poissa käyt östä on hyvin hidasta eikä muisti-ilmiö haittaa Li-ioniakkuja lainkaan. Muisti-ilmiö pakottaa muun muas sa Nikkeliakkujen täyden purkamisen ja lataamisen säännöllisin väliajoin, jotta akun kapasiteetti ei heikkenisi alkuperäisestä. Litium-ioniakut saavuttavat yhden latauskerran jälkeen koko kapasiteettinsa toisin kuin eräät muut akkutekniikat, kuten nikkeliakut. Tekniikan haittapuolia ovat litiumin epäs tabiilius, joka pakottaa suojapiirien tai akunhallintajärjestelmän asentamisen Li-ioniakkuihin. Näiden piirien teh tävänä on pitää akkujen jännitteet ja virran arvot halutulla välillä ja varmistamaan näin akkujen turvallinen käyttö. Litium-ioniakkuja vaivaa myös kap asiteetin heikkeneminen mikäli niitä säilytetään kuumassa ympäristössä. 10-20 De on optimilämpötila akkujen säilytykselle ja optimaalinen varaustaso säilytyksen aikana on 40-50 %. Kapasiteetin heikkeneminen ei ole merkittävää elleivät varastointiajat ole kuukausien mittaisia epäedullisissa olo suhteissa. 3.1.2 Litium-ioniakun toiminta Litium-ioniakku varastoi energian kemi allisesti Litium-ioni en mu odossa, joiden avulla energia voidaa n muuntaa sähkövirraksi hapetus- ja pelkis tysreaktioiden avulla. Energia varas toituu litium-ionien mu odossa elektrolyyttiin j a anodipinnoitteelle. Ky tke ttäessä akun napoih in ulkoinen laite, alkavat reaktiot etenemään akun sisällä luo vuttaen samalla ulkoi sell e laitteell e virtaa. Tällöin Li-ionit siirtyvät elek trolyy tin välityksellä anodilta katodille mahdollistaen elek tro nien irtoamis en anodilta. Nämä 2 1 g