CARBON FOOTPRINT ANALYSE

Transcriptie

1 CARBON FOOTPRINT ANALYSE Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie Marlies Meijer-Willems ARN Bart in t Groen DNV-GL

2 ARN is het Nederlandse expertisecentrum voor recycling in de mobiliteitsbranche. Binnen deze branche voert zij al 15 jaar lang de regie over recyclingketens. Inmiddels is ARN uitgegroeid tot expertisecentrum op het gebied van recycling, ketenregie en kennisuitwisseling. ARN gebruikt haar expertise om bedrijven en overheden - nationaal en internationaal - te begeleiden en te adviseren bij duurzaamheidsvraagstukken Uitgave: ARN Holding B.V. Postbus AG Amsterdam De Entree EE Amsterdam [email protected] Contact informatie: Marlies Meijer-Willems [email protected] +31 (0) Publicatiedatum: 21 april 2015 Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 2

3 Inhoud 1. Inleiding Carbon Footprint Opbouw scenario s Scenario 1 - Het gebruik van een nieuwe Li-ion batterijen voor de opslag van energie Scenario 2 - Het gebruik van een 2 nd life Li-ion batterijen voor de opslag van energie Vergelijking scenario 1 en scenario Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 3

4 1. Inleiding Het recyclen van Li-ion batterijen uit hybride- en elektrische auto s is vanuit economisch oogpunt op dit moment zeer kostbaar en daarbij lijkt het ook ecologisch zonde om de batterij al meteen om te smelten, terwijl er voldoende mogelijkheden zijn om een afgedankte Li-ion batterij na een eerste rijdende leven voor nieuwe toepassingen in te zetten. Denk bijvoorbeeld aan een inzet als een stationaire batterij, waarbij de energiedichtheid van het batterijpakket minder gewicht in de schaal legt. Concreet kan hierbij gedacht worden aan energieopslag in een huishoudelijke omgeving met zonnepanelen of een kleinschalige windturbine. Het project 2Bcycled, onderzoekt deze second-life mogelijkheden. Een pilot op het eiland Pampus met batterijpakketten uit een omgebouwde elektrisch aangedreven Volkswagen Golf uit 2008 moet uitsluitsel bieden over de technische haalbaarheid van het her-inzetten van dit soort batterijen. Aansluitend op de fysieke test op het eiland Pampus, is het ook belangrijk om de milieu impact van het hergebruik van een batterij te bepalen. De meest geschikte methode om dit uit te rekenen is met behulp van een Carbon Footprint Analyse; hierin wordt de impact op het milieu uitgedrukt in kilogrammen CO 2 equivalenten. Alleen de milieu impact van het hergebruik van een batterij uitrekenen geeft niet voldoende informatie, dit zal moeten worden afgezet tegen het gebruik van een nieuwe batterij voor dezelfde functie. De vraag wat de ecologische winst is van het her-inzetten van afgedankte Li-ion batterijen wordt door middel van deze Carbon Footprint Analyse beantwoord. Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 4

5 2. Carbon Footprint De reikwijdte van de Carbon Footprint is geïllustreerd in figuur 1. Hierin staan de twee verschillende scenario s naast elkaar en is goed zichtbaar welke onderdelen van de levenscyclus van een batterij wel en niet worden meegenomen in de berekeningen. Figuur 1: Scope berekeningen Carbon Footprint Analyse De functionele eenheid beschrijft de functie die het product vervult in kwalitatieve en kwantitatieve zin, evenals de levensduur. Voor deze studie is de functionele eenheid; gedurende 15 jaar opslag van (22 MWh) zonne-energie met een 4 kwh-home Energy Systeem (HES). Binnen scenario 1, het gebruik van een nieuwe Li-ion batterijen voor de stationaire opslag van energie, zijn de productie en de recycling van deze batterijen voor 100% meegenomen. Binnen scenario 2, het gebruik van 2 nd life Li-ion batterijen voor de stationaire opslag van energie, is recycling wel voor 100% toegekend aan het tweede leven van de batterij, echter de productie van deze batterijen is voor het grootste deel toegekend aan het eerste leven van de batterij (ten behoeve van het gebruik in een elektrisch voertuig), wat buiten de scope valt voor de second life toepassing en Carbon Footprint analyse. Derhalve is dus de productie energie van de batterij maar voor een deel toegekend aan de second life toepassing. Vanuit het perspectief dat de batterij gemaakt is voor het gebruik in een auto kan zelfs beredeneerd worden dat de milieudruk (de emissies) van de productie volledig aan het gebruik van de batterij in de auto toebehoren (en het aandeel dat aan het tweede leven wordt toegekend is derhalve nihil). Deze zienswijze is niet geheel correct omdat de batterij een tweede leven krijgt, een leven waarvoor deze batterij niet ontworpen was, maar waar niettemin deze batterij wel voor wordt gebruikt. Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 5

6 De toekenning van een aandeel van de productie emissies aan het tweede, stationaire, leven van de batterij is cruciaal voor de vergelijking van de twee voetafdrukken. Om het juiste aandeel van de emissies van de productiefase te bepalen dat wordt toegekend aan het gebruik van de batterij in een 2 nd life toepassing, zijn ter verantwoording experts geraadpleegd van de Norwegian University of Science & Technology. Binnen de vakgroep Energy & Process Engineering is veel kennis en ervaring met Life Cycle Assessments (Carbon Footprint Analyse), Productie-, Gebruik-, en Recycling van Li-ion batterijen, en daaraan gerelateerde onderwerpen. De belangrijkste onderliggende factor voor de toekenning van de productie emissies is de (resterende) economische waarde van de batterij. Ook andere factoren zoals gereden kilometers, energiegebruik in het eerste én tweede leven, kosten van deze energie en afschrijvingskosten van batterij en installatie zijn meegenomen. De conclusie die uit deze analyse van de de Norwegian University of Science & Technology komt, is dat bij gemiddeld gebruik van de hybride- of elektrische auto een toekenning van 13% van de productie emissies aan het tweede leven wordt geadviseerd. De geraadpleegde experts 1 hebben ook voor scenario s met meer- en minder intensief gebruik van het voertuig bepaald welk gedeelte van de productie emissies moet worden toebedeeld aan het tweede leven. Tabel 1 Toekenning van een aandeel van de productie emissies aan het eerste en tweede leven van een Li-ion automotive batterij Toekenning aandeel productie emissies aan eerste leven van de batterij in een voertuig Minimaal gebruik van het voertuig 90% 10% Normaal gebruik van het voertuig 87% 13% Maximaal gebruik van het voertuig 79% 21% Toekenning aandeel productie emissies aan tweede, stationaire, leven van de batterij Voor deze Carbon Footprint berekeningen is gebruik gemaakt van Simapro 8 en EcoInvent Refentie 6 Norwegian University of Science & Technology Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 6

7 3. Opbouw scenario s Voor het opbouwen van de twee bovenbeschreven scenario s zijn een aantal uitgangspunten bepaald die richting geven aan de berekeningen: Functionele eenheid: De functionele eenheid voor de Carbon Footprint berekeningen is: gedurende 15 jaar opslag van (22 MWh) zonne-energie met een 4 kwh-home Energy Systeem (HES). o 15 jaar: De termijn in de functionele eenheid van 15 jaar, is afgestemd op de verwachte gemiddelde levensduur een nieuwe batterij voor opslag van zonneenergie. In het scenario voor de second life batterij dient deze dan ten minste voor dezelfde periode energie op te slaan. o 4 kwh: Energieopslagsystemen vergroten het eigen gebruik van opgewekte PV energie, en vergroten ook de zelfvoorzienendheid van een woning. Voor de LCA is gekozen om een 4 kwh opslag systeem te vergelijken in scenario 1 en scenario 2. Deze capaciteit sluit aan bij de gedachte dat een gemiddelde woning in Nederland kwh / jaar gebruikt (gemiddeld is dit bijna 10 kwh per dag). Hierbij wordt dan aangenomen dat 40% van de gemiddeld opgewekte energie (4 kwh) opgeslagen wordt voor later gebruik (bijvoorbeeld overdag opgewekte zonneenergie kan dan hierdoor s avonds worden gebruikt). De overige 60% wordt direct gebruikt uit eigen opgewekte energie, of wordt afgenomen van het net. o 22 MWh: indien wordt uitgegaan van één (zonne) cycle per dag, gedurende 15 jaar, en waarbij één cycle 4 kwh bedraagt, dan is de totale hoeveelheid opgeslagen energie 22 MWh. Levensduur: De verwachtte levensduur van een nieuwe batterij is 15 jaar en de verwachte levensduur van een 2 nd life batterij is op 6 jaar gesteld. Uitgangspunt om voor 6 jaar te kiezen is dat deze batterij eerst 9 jaar in een auto wordt gebruikt, om vervolgens nog 6 jaar dienst doet als second life batterij. Totaal bereikt de batterij zo de leeftijd van 15 jaar. 2 Batterij technologie: Voor zowel de dedicated (nieuwe) HES batterij, als voor de second life batterij voor een HES toepassing, is dezelfde batterij technologie gebruikt als op het eiland Pampus. Op Pampus is een LiNiMnCo (NMC) batterij geplaatst. Op het eiland Pampus is echter gekozen voor een groter opslag systeem (24 kwh Li-ion) vanwege de grotere energie behoefte op het eiland. In deze carbon footprint analyse is gekozen om een meer gangbare vorm van energieopslag te vergelijken, namelijk deze op woonhuis niveau (4 kwh-systeem). Beschikbare capaciteit & Depth of Discharge: er is van uitgegaan dat een batterij uit een (plug-in) hybride auto wordt afgedankt zodra deze nog maar 70% van zijn initiële capaciteit beschikbaar heeft. Hierdoor is de aanvangscapaciteit voor een second life batterij voor een HES toepassing dan ook gesteld op 70%. 3 Tevens zijn aannames gemaakt voor het percentage Depth of Discharge (DoD). Hierbij is voor een dedicated HES batterij uitgegaan van een 80% DoD, en bij een second life batterij een DoD van 60%. De second life batterij wordt hierdoor dan ook milder gebruikt dan de dedicated HES batterij. In de carbon footprint analyse is de beschikbare capaciteit van de secondlife batterij gelijk gesteld aan de capaciteit van de dedicated HES batterij,, waardoor beiden vergeleken kunnen worden. 2 Referentie 7 DNV GL 3 Referentie 8 Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 7

8 kg CO 2 Equivalenten 4. Scenario 1 - Het gebruik van een nieuwe Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie De verwachtte levensduur van de dedicated HES batterij is geschat op 15 jaar. De levensduur van de batterij heeft een grote invloed op de totale emissie van de batterij: hoe langer de batterij meegaat, hoe minder batterijen er nodig zijn. Bij een verkorte levensduur, zijn dus meer batterijen nodig om aan de functionele eenheid (gedurende 15 jaar opslag van (22 MWh) zonne-energie met een 4 kwh- Home Energy Systeem) te voldoen. In figuur 2 is dit goed zichtbaar, de verkorting van de levensduur naar 10 jaar doet de emissies stijgen met 33%. Dit betekend dat hoe langer de batterij mee gaat, hoe lager de milieubelasting van deze batterij is. Ook is de invloed van de productiefase (batterij en elektronica) op de totale uitstoot van emissies groot. De andere fasen van de levenscyclus, het gebruik en de recycling, hebben weinig invloed op de totale uitkomsten, zie figuur 3. De vermeden emissies (emissies onder de nul lijn van de grafiek) in de recycling fase zijn afkomstig van de terugwinning van materialen uit de batterijen in deze fase Invloed levensduur batterij in scenario 1 Battery life 15yr Battery life 10yr Battery life 17yr Figuur 2: Invloed levensduur van de batterij voor scenario 1 Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 8

9 kg CO 2 Equivalenten Verdeling emissies over de verschillende levensfases Totaal Productie Gebruik Recycling kg CO2 eq Figuur 3: Verdeling emissies over de verschillende levensfases, De totale emissies zijn lager dan de emissies bij productie, dit is de invloed van de recycling fase. Wanneer het nog niet onomstotelijk vast staat wat de levensduur van een nieuwe batterij is (tussen de 10 en 17 jaar), moet men eerst beoordelen wat de invloed van deze factor is (zie figuur 2). In deze studie wordt het gebruik van een 2 nd life batterij vergeleken met het gebruik van een nieuwe batterij over een gelijke tijdspanne. Bij dergelijke vergelijkingen is het van belang om, voor het basisscenario, de keuze te gebruiken waarbij de minste emissies plaats vinden. De bepalende keuze voor het basisscenario is de levensduur (10, 15 of 17 jaar) van de batterij. Het gebruik van een 2 nd life batterij moet zich namelijk bewijzen ten opzichte van dit gunstigste scenario van een nieuwe HES, dus met de minste emissies. In het geval van scenario 1 is dat een levensduur van 17 jaar van een nieuwe batterij. Voor de hierop volgende berekeningen wordt voor scenario 1 gerekend met een levensduur van 17 jaar van de batterij. Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 9

10 kg CO 2 Equivalenten 5. Scenario 2 - Het gebruik van een 2 nd life Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie In figuur 4 wordt het belang van het aandeel productie dat in scenario 2 toegekend wordt aan het tweede leven van de batterij duidelijk geïllustreerd. Voor deze berekeningen is uitgegaan van een tweede levensduur van 6 jaar voor de 2 nd life batterij, met een restcapaciteit van 70%. De totale emissies verviervoudigen ruimschoots wanneer het aandeel productie van 10% naar 21% wordt verhoogd. Simpelweg worden er meer productie emissies aan het tweede leven van de batterij toegekend. Omdat de 2 nd life batterij een levensduur van 6 jaar heeft en de berekening een tijdspanne van 15 jaar heeft, zijn er dus meer batterijen nodig in scenario 2, dit verklaart de verviervoudiging (i.p.v. verdubbeling) van de emissies. Voor de volgende berekeningen wordt gerekend met een aandeel productie van 21% voor scenario 2. Zoals eerder aangegeven wordt in deze studie het gebruik van een 2 nd life batterij vergeleken met het gebruik van een nieuwe batterij. Bij dergelijke vergelijkingen is het van belang voor het te vergelijken scenario t.o.v. het basisscenario, om het scenario te gebruiken waarbij de meeste emissies plaats vinden ( worst case scenario). Hiermee bewijst de worst case scenario 2 zich ten opzichte van het basisscenario. 600 Bijdrage productiefase aan emissies Scenario % productie 13% productie 21% productie Figuur 4: Bijdrage productiefase aan emissies Scenario 2. Vergelijking van 10%, 13% en 21% toekenning productie emissies voor het tweede leven zoals bepaald door Norwegian University of Science & Technology Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 10

11 kg CO 2 Equivalenten 6. Vergelijking scenario 1 en scenario 2 In figuur 5 worden scenario 1 (het gebruik van een nieuwe Li-ion batterijen voor de opslag van energie) en scenario 2 (het gebruik van een 2 nd life Li-ion batterijen voor de opslag van energie) met elkaar vergeleken. In scenario 1 wordt uitgegaan van een levensduur van 17 jaar voor een nieuwe batterij, dit is het meest gunstige uitgangspunt in dit scenario. In scenario 2 wordt uitgegaan van een toerekening van 21% productie aan het gebruik als 2 nd life batterij, dit het meest ongunstige uitgangspunt voor dit scenario (zoals aangegeven door de experts van de Norwegian University of Science & Technology). Binnen scenario 2 zijn nog een aantal aanvullende uitgangspunten bepaald, waaronder ook de levensduur van de batterij en de restcapaciteit die de batterij nog heeft. Deze uitgangspunten zijn ook meegenomen in de onderstaande vergelijking. De levensduur is zowel verkort als verlengd met 2 jaar en ook de restcapaciteit is zowel verlaagd als verhoogd met 10%. Dit is de bandbreedte waarbinnen de 2 nd- life batterij zal opereren. Geconcludeerd kan worden dat in alle gevallen het gebruik van een 2 nd life batterij een vermindering van CO 2 emissies oplevert, van minimaal 22% tot maximaal 55% op ten opzichte van het gebruik van een nieuwe batterij voor de opslag van energie. Hiernaast is om meer duurzame energie op het elektriciteitsnet toe te laten, er een grote behoefte aan goedkope energie opslag capaciteit. Second life batterijen kunnen hiertoe een bijdrage leveren de inzet van meer duurzame energiebronnen, zoals zon en wind energie Gedetailleerde vergelijking scenario 1 en 2 Scenario 1 Scenario 2A Scenario 2B Scenario 2C Scenario 2D Scenario 2E Vermeden emissie t.o.v. Scenario 1 kg CO2 eq Figuur 5: Vergelijking scenario 1 en 2. Scenario 1: Levensduur batterij 15 jaar dedicated HES batterij Scenario 2A: Levensduur batterij 6 jaar, 70% restcapaciteit 2 nd life batterij Scenario 2B: Levensduur batterij 8 jaar, 70% restcapaciteit 2 nd life batterij Scenario 2C: Levensduur batterij 4 jaar, 70% restcapaciteit 2 nd life batterij Scenario 2D: Levensduur batterij 6 jaar, 80% restcapaciteit 2 nd life batterij Scenario 2E: Levensduur batterij 6 jaar, 60% restcapaciteit 2 nd life batterij Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 11

12 7. Referenties 1. Ellingsen, L.A.W., Majeau-Bettez, G., Singh, B, Srivastava, A.K., Voloen, L.O., Strømman, A.H. (2013). Life Cycle Assessment of a Lithium-Ion Battery Vehicle Pack, Journal of Industrial Ecology, 18, Supporting information: Ellingsen, L.A.W., Majeau-Bettez, G., Singh, B, Srivastava, A.K., Voloen, L.O., Strømman, A.H. (2013). Life Cycle Assessment of a Lithium-Ion Battery Vehicle Pack, Journal of Industrial Ecology, 18, Majeau-Bettez, G., Hawkins, T.R., Strømman, A.H. (2011). Life Cycle Environmental Assessment of Lithium-Ion and Nickel Metal Hydride Batteries for Plug-In Hybrid and Battery Electric Vehicles, Environmental Science and Technology, 45, Supporting information: Majeau-Bettez, G., Hawkins, T.R., Strømman, A.H. (2011). Life Cycle Environmental Assessment of Lithium-Ion and Nickel Metal Hydride Batteries for Plug-In Hybrid and Battery Electric Vehicles, Environmental Science and Technology, 45, Fisher, K., Wallen, E., Laenen, P.P., Collins, M. (2006). Battery Waste Management Life Cycle Assessment, Environmental Resources Management 6. Norwegian University of Science & Technology, Energy & Process Engineering, Hertwich, E., Bouman, E. (April 14 th 2015). Partitioning allocation of impact related to electric battery production. 7. DNV GL; Department Renewables & Storage NL; New Energy Technologies (NET); K. Broess en B. in t Groen; (Maart 2015) 8. Carbon Footprint Analyse voor het hergebruik van automotive Li-ion batterijen voor de opslag van hernieuwbare energie 12