Sähköautojen pikavaihdettavat akut

Kun akkuporakoneeseen on kaksi akkua, niin pidempikin työrupeama sujuu hyvin, kun ensimmäisen akun tyhjennyttyä vaihtaa hetkessä sen tilalle toisen täyteen ladatun akun. Eikös tämä kuulostaisi hyvältä ratkaisulta myös siihen, että sähköautolla voisi ajaa sujuvasti myös pidempää matkaa? Kuitenkaan autoja, joissa tällainen mahdollisuus on, ei markkinoilla juuri ole. Onko pikavaihdettava akku siis huono ratkaisu? Ei välttämättä, mutta vaikuttaa siltä, ettei se tule yleistymään henkilöautoissa vielä vähään aikaan, mutta ehkä sitten kuitenkin myöhemmässä vaiheessa?

Akkujen lataamisen hitaus on usein nähty sähköautoilun suurena ongelmana, mutta itse asiassa se ei juuri ollut ongelma 1900-luvun alussa, jolloin sähköautoja oli paljon varsinkin Yhdysvaltojen suurissa kaupungeissa. Autoihin saatiin helposti asennettua niin suuret akut, että kaupunkinopeuksilla pystyi ajamaan reilusti yli 100 kilometriä, mikä riitti varsin hyvin päivittäisiin ajoihin ja akut voi ladata yön aikana täyteen seuraavan päivän ajoja varten. Kaupunkien ulkopuolella autoilla ei juuri ajettu, kun ei ollut kovin hyviä teitäkään. Itse työskentelin 1980- ja 1990-luvun taitteessa Imatran Voiman sähköajoneuvoprojektissa, jossa kehitettiin postinjakeluun soveltuvaa sähköajoneuvoa. Lopulliseksi ratkaisuksi valikoitui sähkökäyttöiseksi muunnettu japanilainen pikkupakettiauto, johon asennettiin tavaratilan lattialle niin paljon akkuja, että yhdellä latauksella pääsi sujuvasti ajamaan koko päivän postinjakoreitit. Pikaliittimillä varustetun akkupaketin pystyi kyllä periaatteessa vaihtamaan trukin avulla nopeasti auton sivuliukuoven kautta, mutta käytännössä näin ei tehty. Aiemmassa prototyypissä oli kyllä ollut rullilla varustettu pikavaihdettava akkupaketti. Tesla Motors toi vuonna 2012 markkinoille Model S:n, jonka tavoitteena oli olla ensimmäinen myös pidempien matkojen ajoon soveltuva sähköauto. Tämän mahdollistamiseksi Tesla alkoi rakentaa Supercharger-pikalatausverkostoa, joka onkin sittemmin laajentunut melkoisesti ja nykyään siinä on yli 45000 pikalatausasemaa eri puolilla maailmaa. Teslan mukaan muitakin autonvalmistajia pyydettiin mukaan verkoston rakentamiseen, mutta kukaan ei halunnut osallistua ja verkosto olikin pitkään vain Teslan valmistamien autojen käytettävissä.

Se on kuitenkin jäänyt lähes unohduksiin, että Tesla kaavaili myös akun pikavaihtoa vaihtoehtoiseksi ratkaisuksi Superchargereiden tilalle. Tässä vuonna 2013 tehdyssä videossa esitellään Teslan akun pikavaihtoa, joka sujuukin nopeammin kuin vertailukohteena oleva polttomoottoriauton tankkaus: https://www.youtube.com/watch?v=H5V0vL3nnHY . Elon Muskin mukaan käyttäjä voi valita haluaako täyttää akun “nopeasti vai ilmaiseksi”. Jälkimmäinen vaihtoehto viittasi siihen, että alkuvuosien Model S -mallin ostajat saivat ilmaiset Supercharger -lataukset auton koko käyttöiälle, vaikka toki tämän kustannukset oli huomioitu auton hinnoittelussa. Mallin kysyntä oli kuitenkin suurta, sillä markkinoilla ei tuolloin ollut ominaisuuksiltaan vastaavaa kilpailevaa tuotetta. Supercharger -verkosto alkoi siis laajeta kovaa tahtia, mutta akun pikavaihtoasemia taisi Teslalla lopulta olla vain yksi, joka sekin suljettiin vaivihkaa melko pian. Oliko akun pikavaihto siis huono ratkaisu? Ei välttämättä, mutta koko konseptia ei oltu mietitty loppuun saakka, sillä kun asiakas osti auton, niin hän osti myös siihen asennetun akun. Koska akku oli arvokas auton osa, niin siitä oli syytä pitää hyvää huolta esimerkiksi välttämällä sen jättämistä pidemmäksi ajaksi seisomaan hyvin tyhjänä tai aivan täyteen ladattuna. Akun pikavaihtoasemalla tuo hyvin pidetty akku vaihtuisi sitten toiseen, jonka kunnosta ei olisi takeita eikä alkuperäinen akku palautuisi koskaan enää takaisin. Toimiakseen pikavaihtokonsepti edellyttääkin sitä, että akku ei ole osa autoa vaan oma erillinen hankintansa. Toinen syy pikavaihtoidean tyrehtymiselle oli sen vaatimat logistiset haasteet, jotta vaihtoasemilla olisi aina tarjolla sopiva määrä täyteen ladattuja akkuja. Teslan akkupikavaihtohankkeen tyrehtyminen heti alkuunsa loi kuitenkin monille vahvan mielikuvan siitä, että koko pikavaihto on huono idea.

Keväällä 2022 maailman suurin akkuvalmistaja kiinalainen CATL julkisti EVOGO -vaihtoakkukonseptinsa, jonka keskeinen periaate on se, että sähköauton akkukapasiteetti on palvelu, josta asiakas maksaa kuukausimaksua ja saa vastineeksi käyttöönsä sopimuksen mukaisen kapasiteetin. Tilannehan on se, että vain harvat sähköautonvalmistajat valmistavat itse autoissaan käytetyt akut, vaikka usein uutisoidaankin esimerkiksi “BMW:n uudesta ihmeakusta”. Oikeasti akkuja kehittävät ja valmistavat tähän erikoistuneet toimijat, joista CATL on tällä hetkellä suurin, ja autonvalmistajat tekevät yhteistyösopimuksia näiden akkuvalmistajien kanssa. Olisihan se loppukäyttäjän kannalta järkevää, että akkukapasiteetista vastaisi taho, joka oikeasti tutkii, kehittää ja valmistaa akkuja eikä asioita tarvitse hoitaa välikäden eli autonvalmistajan kautta? Toinen kantava ajatus EVOGO -ratkaisussa on modulaarisuus, jonka avulla pyritään tehostamaan akkumateriaalien käyttöä, sillä monissa sähköautoissa on nyt paljon ylimääräistä akkukapasiteettia, jota tarvitaan vain harvoin. Yksi EVOGO -moduuli mahdollistaa noin 200 kilometrin ajomatkan, mikä riittää useimmille käyttäjille päivittäiseen käyttöön ja autossa voi koosta riippuen olla paikka 1-3 moduulille. Jos ja kun yhdellä moduulilla pärjää arkikäytössä, niin tarvitsee maksaa vain siitä ja lisäksi, kun auto on kevyempi, niin se myös kuluttaa vähemmän. Pidemmälle matkalle lähdettäessä voi käydä akkuasemalla hakemassa 2-3 lisämoduulia ja maksaa niistä lisämaksua matkan ajan, jonka jälkeen ne voi käydä palauttamassa akkuasemalle. Näin menetellen akkumateriaalit saadaan tehokkaaseen käyttöön ja samalla akkumateriaalimäärällä saadaan liikenteeseen useampi auto. Toinen liikenteen sähköistymistä nopeuttava vaikutus on se, että kun auto ostetaan ilman akkua, niin sen hankintahinta on edullisempi ja akkukapasiteetin kulut jakautuvat tasaisesti auton koko käyttöiän ajalle. ( https://www.youtube.com/watch?v=papPidVgW40 ).

Siirtyminen polttomoottoriautoista sähköautojen valmistamiseen asettaa haasteita monille perinteisille autonvalmistajille. Toimintatavaksi on vakiintunut se, että varsinkin edullisemman hintaluokan autoja myydään uutena usein hyvin pienellä katteella ja tuottoa hankitaan varaosien myynnillä takuuajan umpeuduttua. Jos takuuaika on esimerkiksi 2 vuotta ja auton käyttöikä 10 vuotta, niin tuottavaa varaosamyyntiaikaa on 8 vuotta. Polttomoottoriautoissa on paljon huoltokohteita, joita sähköautossa ei ole ja jarruosatkin kuluvat sähköautossa vähemmän, koska moottoria voidaan käyttää hidastettaessa generaattorina lataamaan akkua. Perinteinen totuttu liiketoimintamalli ei siis tule toimimaan sellaisenaan sähköautoissa. Sähköautoista olisi siis saatava riittävästi katetta myös niitä uusina myytäessä, mikä onnistuu helpommin kalliimman hintaluokan autoissa ja siksi valmistajat ovatkin toistaiseksi keskittyneet niihin ja kovasti kaivattuja edullisempia malleja on lupailtu tuotantoon vasta muutaman vuoden päästä. Toisaalta jokainen myytävä polttomoottorilla varustettu auto on lisä perinteiseen varaosabisnesmalliin ja auttaa myös saamaan parhaan mahdollisen hyödyn niistä valmistuslinjan koneista ja laitteista, joista tulee turhia ja hyödyttömiä, kun siirrytään valmistamaan pelkkiä sähköautoja. Perinteisten valmistajien lisäksi markkinoilla on jo ja on tulossa uusia pelkkiin sähköautoihin keskittyneitä valmistajia ja onkin arvioitu, että henkilöautojen valmistuksessa tulee lähivuosina tapahtumaan melkoinen myllerrys ja vain alle 10 suurempaa valmistajaa tulee jäämään jäljelle: https://www.iltalehti.fi/autouutiset/a/7941562b-9c6b-4dda-a834-a69d6716a850 .

Sähköistymistä tapahtuu myös raskaassa liikenteessä ja esimerkiksi Australiassa on esitelty konsepti, jossa moottorin peruskorjauksen sijaan käytettyihin kuorma-autoihin asennetaan dieselmoottorin tilalle ominaisuuksiltaan suunnilleen vastaava sähkömoottori kytkettynä automaattivaihteistoon ja auton alkuperäiseen voimalinjaan. Vaihteistossa ei tarvita luistavaa ja lämpenevää momentinmuunninta ja vaihteistonkin kestoiän arvellaan olevan paljon suurempi kuin polttomoottorin kanssa, sillä vaihteistoon kohdistuu paljon vähemmän lämpöä ja värinöitä. Polttoainesäiliöiden tilalle asennetaan kannakkeet pikavaihdettaville akkupaketeille. Konsepti on siis aika lailla erilainen kuin esimerkiksi Teslan Semi-rekkaveturi, jossa on henkilöautoissa vakiintuneeseen tapaan kiinteä akku, joka sitten voidaan tarvittaessa ladata suurella megawattiluokan teholla. Näin suuri latausteho vaatii latausasemalle käytännössä oman akkunsa, jonka voi ladata pienemmällä teholla pidemmän ajan kuluessa ja purkaa sitten suurella teholla auton akkuun. Koska jokainen latauskerta kuluttaa akkua, niin on järkevämpää ladata vain yhdet akut, jotka voidaan sitten asentaa suoraan autoon. Näin menetellen akut voidaan ladata kohtuullisella teholla, mikä pidentää akkujen käyttöikää. Lisäksi suurella teholla ladattavien akkujen suunnitteleminen edellyttää kompromisseja niiden energiatiheydessä ja jos akut voidaan aina ladata pienemmällä teholla, niin niiden energiatiheys saadaan paljon suuremmaksi ja yhdellä latauksella voi ajaa pidemmän matkan. Akunvaihtoasemia tulee olla sopivissa paikoissa pääväylien varrella ja jos samaan yhteyteen rakennetaan aurinkopaneelikenttä ja/tai tuuligeneraattoreita, niin suuri osa akkujen latauksesta voidaan saada hoidettua niiden avulla. Akut, joiden kapasiteetti on käytön myötä laskenut, voidaan laittaa aurinko- ja tuulivoiman varastointikäyttöön, jolloin autoissa voidaan käyttää aina kapasiteetiltaan hyviä akkuja eivätkä autot joudu koskaan seisomaan korjaamolla mahdollisten akkuihin liittyvien ongelmien takia. ( https://www.youtube.com/watch?v=9eYLtPSf7PY )

Henkilöautokäytössä pikavaihdettavien akkujen edut tulevat esiin varsinkin käytettyjen autojen kohdalla. Tällä hetkellä ei ole vielä liikenteessä paljoakaan sähköautoja, joiden akkutakuu on umpeutunut, sillä valmistajat myöntävät akuille melko pitkän takuun, tyypillisesti noin 8 vuotta. Mutta muutaman vuoden päästä käytettyjä sähköautoja tulee olemaan liikenteessä yhä enemmän ja myös sellaisia, joiden akkutakuu on umpeutunut. Vioittuneen akun korjaaminen voi tulla auton omistajalle hyvinkin kalliiksi ja vaikka akkujen korjauksiin erikoistuneita korjaamoita onkin alettu perustaa yhä enemmän, niin auto voi kuitenkin joutua seisomaan korjaamolla pitkiäkin aikoja. Jos autoissa olisi pikavaihdettava akku ja “akku palveluna” -ratkaisu, niin käytetyn sähköauton ostajan ei tarvitsisi olla huolissaan akun kunnosta eikä akkukapasiteetin lasku rajoittaisi vanhempienkaan autojen käyttöä. Ehkäpä käy niin, että kun sähköautovalmistuksen pelikenttä mullistuu ja selkiytyy lähivuosien aikana, niin seuraavan sukupolven autoissa on normaali käytäntö, että auton hankkimisen lisäksi kilpailutetaan akkukapasiteetin tarjoajat ja valitaan itselle sopivin vähän samaan tapaan kuin puhelin- ja nettiliittymät nykyään?