Batterie per veicoli elettrici BEV e PHEV: quali sfide devono affrontare per migliorare la loro sostenibilità? - Emobility
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
Convegno “Presente e futuro (prossimo) della mobilità sostenibile in provincia di Cuneo”
Aula magna dell’IIS “G. Vallauri” - Sabato 11 maggio
Batterie per veicoli elettrici BEV e PHEV:
quali sfide devono affrontare per migliorare la loro sostenibilità?
Valutazioni di impatto ambientale sul ciclo di vita (LCA) delle batterie e possibili scenari futuri
Isabella Bianco, PhD
Politecnico di Torino (DIATI)
❑ Veicoli elettrici: quale sostenibilità? ❑ Perché un approccio al ciclo di vita? ❑ Valutazioni di impatto ambientale sulle batterie ❑ Possibili scenari futuri
Fase d’uso
Fonti energetiche
Batterie usate
Materie prime
Quale sostenibilità?
Perché parliamo di CICLO DI VITA per calcolare la
sostenibilità ambientale?
(1) NECESSITA’ DI UN APPROCCIO INGEGNERISTICO
PER UNA VALUTAZIONE AMBIENTALE O UN’ANALISI
SULL’USO DELLE RISORSE
(2) PER EVITARE IL RISCHIO DI TRASFERIRE GLI
IMPATTI DA UNA FASE AD UN’ALTRA (BURDEN
SHIFTING)
(3) PER MISURARE LE PERFORMANCE AMBIENTALI DI
SISTEMI COMPLESSI E INTERDIPENDENTI
Il Life Cycle Thinking (LCT) è un concetto base che
si riferisce alla necessità di valutare gli impatti e i
benefici associati a prodotti/settori/progetti
adottando uno prospettiva olistica
Strumenti operativi del Life Cycle Thinking
Per rendere operativo il LCT esistono diversi
strumenti, quali:
• Life cycle assessment (LCA)
• Life cycle costing (LCC)
• Social life cycle assessment (sLCA)
• ...altre metodologie (es. material flow
accounting, MFA).
LCA → Normativa UNI EN ISO 14040-44
Linee guida ILCD (Commissione Europea)
Fonte: EC – JRC (2016), Life cycle assessment for the impact assessment of policies
Cos’è la Life Cycle Assessment (LCA)?
L’LCA individua e
quantifica in modo
sistematico
L’LCA è uno strumento oggettivo
l’energia ed i
di valutazione ambientale
materiali utilizzati per analizzare e quantificare
Riciclaggio
nonché le sostanze le implicazioni ambientali dei
rilasciate nel prodotti (beni) durante
sistema ambiente e tutte le fasi del ciclo di vita, Le implicazioni
dall’estrazione delle materie prime, ambientali riguardano
quantifica gli
alla produzione industriale tutti i tipi di impatto
impatti potenziali sull’ambiente, inclusi il
Riuso
fino all’uso dei beni,
attraverso l’intero consumo di risorse e
incluso lo smaltimento a fine vita
ciclo di vita l’emissione di sostanze
“dalla-culla-alla-tomba” dannose per l’uomo e
l’ecosistema
Confine del
sistema
Facciamo i calcoli...
Valutazione
del ciclo di
vita (LCA)
delle
batterie per
veicoli
elettrici
Quali impatti?
Studi LCA delle batterie per auto elettriche (mappa)
Fonte immagine:
Peters, J.F., Baumann, M.,
Zimmermann, B., Braun,
J., Weil, M., 2017. The
environmental impact of
Li-Ion batteries and the
role of key parameters –
A review. Renew. Sustain.
Energy Rev. 67, 491–506
Unificazione delle LCA che forniscono dati di inventario primari
Notter , D.A., Gauch, M., Widmer, R., Wa€ger, P., Stamp, A.,
Zah, R., et al., 2010. Contribution of Li-Ion batteries to the environmental LMO (34 kWh)
impact of electric vehicles. Environ. Sci. Technol. 44, 6550-6556.
Zackrisson , M., Avellan, L., Orlenius, J., 2010. Life
LFP (10 kWh)
cycle assessment of lithium-ion batteries for plug-in hybrid electric
vehicles e critical issues. J. Clean. Prod. 18, 1519-1529.
Majeau-Bettez , G., Hawkins, T.R., Strømman, LFP (88 Wh/kg)
A.H., 2011. Life cycle environmental assessment of lithium-ion and nickel NMC (112 Wh/kg)
metal hydride batteries for plug-in hybrid and battery electric vehicles.
Environ. Sci. Technol. 45, 4548-4554.
Ellingsen , L.A.-W., Majeau-Bettez, G., Singh, B., Srivastava,
NMC (26 kWh)
A.K., Valøen, L.O., Strømman, A.H., 2014. Life cycle assessment of a
lithium-ion battery vehicle pack: LCA of a Li-Ion battery vehicle pack. J. Ind.
Ecol. 18, 113-124.
Bauer , C., Hofer, J., Althaus, H.-J., Del Duce, A., Simons, A., LTO (19 kWh)
2015. The environmental performance of current and future passenger
vehicles: life Cycle Assessment based on a novel scenario analysis
NCA (25 kWh)
framework. Appl. Energy 157, 871-883.
Pack housing Electrolyte
Cell package Binder
Cusenza M.A., Bobba S., Ardente F., Cellura M., Di Persio F.,
LMO-NMC (11 kWh)
BMS Manufacturing energy
2019. Energy and environmental assessment of a traction lithium-ion
battery pack for plug-in hybrid electric vehicles, J. Clean. Prod., Volume
215, 634-649.
LCA delle batterie per auto elettriche
Risultati di impatto sul cambiamento climatico
200
BATTERIE NCM E NCA
176
180
Climate change (kg CO2 eq./kWh)
160
Risultati di impatto sul Cambiamento climatico
140
118 117 (metodo: ILCD midpoint, 2011) per le batterie
120 113
NCM e NCA dopo l’unificazione dell’inventario
100
(Peters e Weil, 2018).
80
I risultati sono espressi in kg CO2 eq. per 1 kWh
60
di capacità delle batterie
40
20 Media tot = 131 kg CO2 eq./kWh
0 Media Ellingsen, M-B, Bauer = 116 kg CO2 eq./kWh
Cusenza LMO/NMC Ellingsen NCM Majeau-Bettez NCM Bauer NCA
Batterie Ellingsen, M-B, Bauer:
Media PHEV Media BEV
(2019) (2019)
caratteristiche paragonabili a
BEV media
Capacità (kWh) 11,4 26,6 n.d. 18,9 10,7 48,1 Batteria Cusenza:
Massa (kg) 175 253 n.d. 142 129 365 caratteristiche paragonabili a
PHEV media
Densità energetica 65,9 130,3 139,1 133,1 83,0 130,5
(Wh/kg)
11Analisi di contributo
Scenario 1: Energia elettrica da fonte rinnovabile
Tesla Gigafactory 1 in Nevada
Perché questo scenario?
Gigafactory 1 is designed to feature an
expansive 70 MW solar array on its roof
Aerial images of the Tesla Gigafactory as of August 28, 2018.
[Credit: Joshua Mcdonald]Scenario 1: Energia elettrica da fonte rinnovabile
Quanto varia l’impatto sul GWP se l’energia usata durante la produzione della batteria proviene da fonti rinnovabili?
Impatto sul GWP per 1 kWh di capacità della batteria
Scenario «Electricity 100%
NCA (Bauer) renewables» composto da:
NMC (Majeau-Bettez et al.)
140,0 • 75% E.E. da eolico
Climate change (kg C2eq./kWh)
116,6
120,0
140,0
117,6 • 25% E.E. da pannelli fotovoltaici
-28% 120,0 -26%
Climate change (kg
100,0 84,5 100,0 86,9
C2eq./kWh)
80,0
80,0
60,0 60,0 Se la produzione
40,0 40,0
20,0
della batteria fa
20,0
0,0
0,0 uso di energia
Electricity Grid Mix Electricity 100% renewables
Electricity Grid Mix Electricity 100% renewables elettrica da sole
LMO/NMC (Cusenza et al.)
fonti rinnovabili,
NMC (Ellingsen et al.) 200,0
l’impatto sul GWP
175,7
Climate change (kg C2eq./kWh)
112,8
120,0 diminuisce
100,0 150,0
Climate change (kg
80,0 -29% 110,9 -37% mediamente del
C2eq./kWh)
80,0
60,0
100,0 30%
40,0 50,0
20,0
0,0 0,0
Electricity Grid Mix Electricity 100% renewables Electricity Grid Mix Electricity 100% renewables
Metodo: ILCD midpoint, 2011. Software utilizzato: openLCAScenario 2: Riciclaggio della batteria e uso MPS
Quanto varia l’impatto sul GWP se a fine vita le componenti
Tesla impact report (2018):
della batteria vengono riciclate?
“Today, we work with third-party recyclers
around the world to process all scrap and
end-of-life batteries to recover valuable
metals. […] At Gigafactory 1, Tesla is
developing a unique battery recycling
system that will process both battery
manufacturing scrap and end-of-life
batteries. Through this system, the
recovery of critical minerals such as lithium
and cobalt will be maximized along with the
recovery of all metals used in the battery
cell, such as copper, aluminum and steel. All
of these materials will be recovered in forms
optimized for new battery material
production.” Fonte immagine: Huang B., Pan Z., Su X., An L., 2018. Recycling of lithium-ion batteries:
Recent advances and perspectives, Journal of Power Sources, Volume 399, 274-286Scenario 2: Riciclaggio della batteria e uso MPS
Quanto varia l’impatto sul GWP se a fine vita le componenti
LMO/NMC (Cusenza et NCA (Bauer)
al.) 140,0
della batteria vengono riciclate?
200,0 120,0
GWP (kg CO2eq./kWh)
100,0
150,0
80,0
100,0 60,0
- Product Environmental Footprint Category Rules (PEFCRs) sulle
50,0
40,0 batterie ricaricabili (Recharge, 2018)
20,0
0,0 0,0
- Ricerca sulla riciclabilità di diversi materiali (Chancerel and
Default
scenario
Scenario 2 Default scenario Scenario 2 Marwede, 2016)
-8% -6% - Valori da settori industriali specializzati (UMICORE, 2018)
- Cusenza et al., 2018. Energy and environmental assessment of a
NMC (Majeau-Bettez et traction lithium-ion battery pack for plug-in hybrid electric vehicles.
NMC (Ellingsen et al.) al.) J. Clean. Prod.
120,0 140,0
100,0 120,0
100,0
80,0
60,0
80,0
60,0
Media diminuzione GWP per 1
40,0
20,0
40,0
20,0 kWh di capacità della batteria = 7%
0,0
0,0 Default scenario Scenario 2
Default scenario Scenario 2
-7% -6%Scenario 3: Seconda vita delle batterie
Immagazzinamento dell’energia
Prima vita:
BEV/PHEV Seconda vita
Veicoli a bassa velocità
Raccolta, Back-up energia
smantellamento,
recupero
Dopo il suo utilizzo in un EV, la batteria potrebbe essere
utilizzata in applicazioni con requisiti elettrici meno rigorosiScenario 3: Seconda vita delle batterie
Journal of Energy Storage 19 (2018) 213–225
“Life Cycle Assessment of repurposed electric vehicle batteries: an adapted method based on
modelling energy flows”
Silvia Bobba, Fabrice Mathieux, Fulvio Ardente, Gian Andrea Blenginia, Maria Anna Cusenza, Andreas Podias, Andreas Pfrang
-3 Wh/cycle (cycling ageing) Based on Faria et al., 2014
Battery
degradation -0.13 Wh/day (calendar ageing) Laboratory testsRisultati: Scenari default, 1/2/3
Riduzione percentuale dell’impatto sul 120,0%
cambiamento climatico per: 100,0%
- Scenario default (0,143 kg/kWh)
100,0%
- Scenario 1
- Scenario 1 + Scenario 2 70,0%
80,0%
- Scenario 1 + Scenario 2 + Scenario 3 (0,10 kg/kWh) 63,0% 58,6%
(0,09 kg/kWh) (0,08 kg/kWh)
60,0%
Esempio di calcolo con batteria media EV (dati EPA,
modelli 2019): 40,0%
Massa = 365 kg
Capacità = 48 kWh 20,0%
Tot kWh erogati auto (stima) = 39000 kWh (circa
200000 km)
0,0%
Tot KWh erogati durante la seconda vita (Bobba et al.,
GWP/kWh GWP/kWh GWP/kWh GWP/kWh
2018) = 5143 kWh erogato - erogato - erogato - erogato -
Scenario default Scenario 1 Scenario 1+2 Scenario 1+2 + 3I veicoli elettrici sono una buona soluzione per una mobilità più
sostenibile?
Quantità di
materie prime
(critiche)
Riciclo delle materie
Vita utile della batteria prime
Seconda vita
f(tecnologia; utilizzo; …)
Fonte energetica per produzione
e uso della batteriaGrazie per l’attenzione Isabella Bianco, PhD Politecnico di Torino (DIATI) Mail: isabella.bianco@polito.it
Puoi anche leggere
