De weg naar duurzaamheid en het pleidooi voor mobiele batterijen

De Levenscyclusanalyse

Verschillende KPI’s en metingen kunnen worden toegepast op verschillende producten en scenario’s om duurzaamheid te meten en te volgen. Om beter te begrijpen waarom we voor de levenscyclusanalyse (Engels: Life Cycle Assessment, LCA) hebben gekozen, gaan wij onder de loep nemen waarvoor ze wordt gebruikt en hoe ze wordt toegepast. De LCA kan worden gebruikt om te kijken naar de milieuduurzaamheid van een product of proces. Meer specifiek worden de milieueffecten van een product, procedure of activiteit tijdens de levensduur ervan onderzocht door het gebruik van grondstoffen en de emissies kwantitatief te meten. Dit instrument kan worden gebruikt om een transparant inzicht te krijgen in de milieubalans en om het potentieel voor verbetering aan te tonen. Deze kennis kan vervolgens als basis dienen voor het besluitvormingsproces van een bedrijf om zijn productieproces, materiaalgebruik, afvalprocessen of het productontwerp te verbeteren.

Om dit instrument op een echt product toe te passen, moeten vier stappen worden genomen:

1. Definitie van doel en toepassingsgebied: Het eigenlijke doel van het onderzoek, en ook de noodzakelijke beslissingscriteria worden bepaald. Het kader en de criteria voor het eigenlijke onderzoek worden vastgesteld om het onderzoek een duidelijke richting te geven.

2. Analyse van de stand van zaken: Alle relevante data wordt verzameld. Dit omvat zowel de input, dus alle ingezette grondstoffen, als de output, waaronder het verbruik van energiebronnen, CO2-uitstoot enz.

3. Impactanalyse: De verzamelde gegevens over de emissies, het afval en de gebruikte grondstoffen worden geanalyseerd aan de hand van de impactcategorieën en -criteria die in stap 1 zijn vastgesteld.

4. Beoordeling en interpretatie: Dit is de laatste stap van de LCA en omvat de evaluatie van het onderzoek en de feitelijke resultaten. Door naar de resultaten te kijken, kan je verbeterpunten identificeren en de belangrijkste bevindingen aanwijzen (British Plastics Federation, 2021)[1].

Hoewel de LCA een belangrijk instrument is om het milieueffect van een product te bepalen, moet deze worden gezien als een theoretische evaluatie op basis van energie- en materiaalstromen. De onderliggende aanname van “cradle to grave” of met andere woorden dat alle producten aan het eind van hun leven worden afgedankt, is misschien niet in alle gevallen van toepassing. Bovendien wordt het sociale duurzaamheidsaspect in dit model buiten beschouwing gelaten, aangezien geen gegevens over de bij de processen betrokken mensen in aanmerking worden genomen (Ayres, 1995)[2].

Het onderzoek bij Greener Power Solutions

Als onderdeel van de weg naar duurzaamheid wil Greener Power Solutions alle aspecten van duurzaamheid in aanmerking nemen en daarom ook een strategie opzetten om duurzame bedrijfspraktijken verder te ontwikkelen. Om deze interne activiteiten bij te houden, verbeterpunten te bepalen en onze kennis openlijk te delen met iedereen die geïnteresseerd is, heeft onze stagiair Friso Klemann een Life Cycle Assessment uitgevoerd van de Greener mobiele batterijen in 2020 als onderdeel van zijn masterscriptie. In wat volgt geven we een korte samenvatting van zijn bevindingen.

Voordat we bij de eigenlijke resultaten van het onderzoek komen, moeten we eerst het kader van het onderzoek onder ogen zien. Het doel van het onderzoek was de milieu-impact van een 330 kWh, 285 kW Greener Power Solutions batterij te vergelijken met die van een dieselgeneratorset wat betreft productie, gebruik, en einde-levensduur fase. Bij de analyse van de gebruiksfase werd uitgegaan van het gebruik van de batterij als peak shaving unit en werden zeven verschillende scenario’s met betrekking tot de energiebronnen gekozen. Van deze zeven scenario’s zullen in deze blogpost vier van de meest realistische scenario’s worden onderzocht om een overzicht te geven van de mogelijkheden, aangezien sommige scenario’s zeer vergelijkbare resultaten opleveren en dit is bedoeld als een korte samenvatting. Voor de vergelijkende levenscyclusanalyse is gebruik gemaakt van het LCA-softwareprogramma SimaPro. Daarnaast zijn alle onderzoeksresultaten opgenomen in een korte infographic aan het eind van deze blogpost.

Vervolgens wordt de LCA voor de drie verschillende fasen (productie, gebruik, einde van de levenscyclus) onderzocht en tijdens de gebruiksfase wordt het onderscheid tussen de vier verschillende scenario’s gemaakt.

Productiefase:

In het geval van de mobiele batterij moeten drie componenten en één componentengroep worden geanalyseerd op hun impact: de BMW i3 batterijen, de transformatoren, de koelcontainers, en de elektronische apparatuur.

De batterijen van BMW met een capaciteit van 42,2 kWh maken gebruik van de Nikkel-Mangaan-Kobalt-Dioxide (NMC) technologie voor de kathode en grafiet voor de anode en de milieu-impact van deze batterijen werd berekend op basis van de gemiddelde waarden gevonden tijdens literatuurstudie, wat resulteert in 213,5 kg CO2 equivalent/kWh. Aangezien de literatuurstudies zowel productie als gebruik in hun beoordeling betrekken, wordt de helft van deze waarde toegewezen aan de eigenlijke productie, terwijl de andere helft wordt toegevoegd aan de gebruiksfase.

Bovendien moet rekening worden gehouden met de elektriciteit die wordt gebruikt voor de productie van de batterijen. De gemiddelde hoeveelheid energie die tijdens de productie wordt gebruikt, bedraagt in de literatuur 890,7 MJ/kWh, wat neerkomt op 300,7 GJ wanneer dit wordt vermenigvuldigd met de capaciteit van de batterijen van Greener (336 kWh). De BMW-fabriek in Leipzig, Duitsland, wordt echter aangedreven door windturbines, dus nemen we aan dat de benodigde elektriciteit voor de productie wordt geleverd door deze duurzame energie.

Het gewicht van de accu’s, en ook van de transformator, de omvormers en de koelcontainer worden bij elkaar opgeteld voor het totale gewicht en samen met de materialen in het SimaPro programma gestopt om de milieu-impact te berekenen.

Voor de dieselgenerator worden de materialen van de onderdelen, hun gewicht en de gebruikte energie volgens de informatie van de producent en literatuurstudie in aanmerking genomen. Uitgaande van een productie in China, wordt de energiemix uit China gebruikt bij de berekening van het energieverbruik voor een dieselgenerator van 200 kVA. Dit resulteert in een totaal van 190.188 GJ aardgas en 56.352 GJ elektriciteit die voor de productie worden gebruikt.

Tijdens de productiefase heeft de mobiele batterij een Global Warming Potential 100 (GWP100) van in totaal 103.636. Dit GWP100 meet de impact met kilogrammen koolstofdioxide, maar omvat ook andere broeikasgassen zoals bijvoorbeeld methaan. Het totale GWP100 van een dieselgenerator is 53.086, dus ongeveer de helft van dat van de mobiele batterij. Dit is vooral te wijten aan de lithium-ion batterijen van de mobiele batterij, die alleen al goed zijn voor 46.114 kg CO2 eq.

Daarnaast heeft een mobiele accu meer dan drie keer zoveel uitstoot van fijnstofvorming (Engels: Fine Particulate Matter Formation, FPMF). De mobiele batterij heeft hier een totaal van 299 FPMF in kg PM2,5, terwijl het dieselaggregaat 70,17 kg PM2,5 oplevert.

Gebruiksfase

Volgens de informatie van de fabrikant over de mobiele batterijen wordt bij de bepaling van de LCA van een mobiele batterij uitgegaan van verschillende veronderstellingen. Eén Greener batterij met een capaciteit van 330 kWh bevat acht BMW I3 batterijen. Na 200.000 kWh energiedoorvoer neemt de capaciteit van deze accu’s met 30% af en verwacht wordt dat dit na 10 jaar of in totaal 4.850 laadcycli zal gebeuren. Aangezien de maximaal toegestane capaciteitsdegradatie voor Greener batterijen 30% is, zal dit het einde van de levensduur van een batterij zijn en zal een totale doorvoer van 1.600 MW worden gebruikt als de functionele eenheid voor de LCA.

Om het milieu van mobiele batterijen tijdens hun gebruiksfase nauwkeurig te onderzoeken, moet het totale rendement in aanmerking worden genomen. Het opgenomen vermogen is niet gelijk aan het afgegeven vermogen als gevolg van bepaalde verliezen tijdens processen zoals de conversie, de feitelijke opslag in de batterijen en de koeleenheid. Wanneer al deze aspecten in aanmerking worden genomen, bedraagt de uiteindelijke efficiëntie van de batterij 92,67%.

Bovendien wordt de batterij gebruikt in veel verschillende user cases, die verschillen in hun milieu-effect. Voor dit overzicht worden vier verschillende scenario’s onderzocht:

User case 1: Stroomlevering door dieselgenerator

In dit geval wordt de stroom voor het opladen van de accu volledig geleverd door een dieselgenerator die draait op een optimale belasting van 80%. Bij een belasting van 80% zal het rendement van het aggregaat 36,6% zijn, dus 1 kg dieselbrandstof wordt omgezet in 15,45 MJ. Samen met de energieverliezen in de batterij gedurende de gehele levensduur resulteert dit in 6.215.798 MJ, die door het aggregaat moet worden geleverd om 1.600 MW te bereiken. Dit resulteert dan in 402.317 kg dieselbrandstof.

User case 2: Stroomlevering door het net

Voor dit scenario wordt uitgegaan van het elektriciteitsnet in Nederland en wordt het voor gebruikerscase 1 berekende vermogen van 6.215.798 MJ in Sima Pro gezet voor het elektriciteitsnet.

User case 3: Stroomlevering door dieselgenerator en net gecombineerd

In sommige gevallen is de beschikbare netaansluiting te klein en wordt een combinatie van zowel het net als het dieselaggregaat gebruikt om de accu op te laden. Hoewel de laadverhouding afhankelijk van de opstelling kan veranderen, is voor dit onderzoek gebruik gemaakt van gegevens die Greener van een echte opstelling heeft verzameld. Daarom gaan we uit van een laadpercentage van 67,94% door het elektriciteitsnet en 32,06% door het dieselaggregaat, wat neerkomt op 1.173.059 kWh stroomopname door het elektriciteitsnet en 553.551 kWh stroomopname door het aggregaat.

User case 4: Stroomlevering door windenergie

Dit user case beschrijft een volledig duurzame energiebron. Dit kan bij voorbeeld ook zonne-energie zijn in plaats van windenergie.

Voor het dieselaggregaat wordt uitgegaan van een levensduur van 40.000 draaiuren en bij een lichte belasting van 60.000 draaiuren. Uit verzamelde gegevens over het rendement van dieselgeneratoren is gebleken dat hun gemiddelde belasting 12% bedraagt, terwijl de optimale belasting tussen 60% en 90% zou liggen. Met een vermogensfactor van 0,95 zou dit resulteren in een totaal vermogen van 1.368.000 kWh gedurende de levensduur van een dieselgenerator. Dit is minder dan de 1.600.000 kWh van een mobiele batterij en aangezien de belasting niet stabiel zal zijn op 12%, gaan we er voor dit onderzoek van uit dat de 1.600.000 kWh door één dieselgenerator kan worden gehaald. Het rendement van een belasting van 12% is bij vergelijking van de verzamelde gegevens gemiddeld 22,1%, dus 1 kg dieselbrandstof wordt omgezet in 9,328 MJ. Voor 1.600.000 kWh, wat overeenkomt met 5.760.000 MJ, is dus 617.468,57 kg dieselbrandstof nodig.

Voor de mobiele batterij zijn het GWP en het FPMF voor elk user case als volgt:

Einde-levensduur-fase :

Voor landen in de Europese Unie is het verplicht om batterijen te recyclen volgens de wetten van de Europese Commissie. Voor lithium-ionbatterijen bedraagt de minimale recyclinghoeveelheid 50%. Aangezien zowel elektrische auto’s als mobiele batterijen nieuwe markten zijn, is de recyclingmarkt voor beide technologieën nog in ontwikkeling en is er slechts beperkte informatie over duurzaamheid beschikbaar. Voor dit onderzoek gaan wij ervan uit dat de materialen die kunnen worden teruggewonnen kobalt, nikkel, mangaan, koper en staal zijn. Deze materialen maken 55% van het gewicht van de mobiele batterij uit, terwijl de overige 45% bestaat uit kunststoffen, bindmateriaal, elektrolyt en grafiet. Deze materialen gaan verloren tijdens de recycling; dit zou echter in de toekomst kunnen veranderen wanneer nieuwe recyclingmethoden worden ontwikkeld. Aangezien het recyclinggedeelte zo onzeker is, moeten deze bevindingen met een korreltje zout worden genomen.

Voor de dieselgenerator kunnen de materialen worden ontmanteld, gesorteerd en vervolgens gerecycleerd. Alle verschillende materialen, namelijk staal, gietstaal, aluminium, koper en plastic, hebben verschillende recyclagepercentages. Dit betekent dat tijdens het recyclingproces niet 100% van het materiaal kan worden teruggewonnen en er onderdelen verloren gaan.

Dankzij de recycling van zowel de mobiele accu als de dieselgenerator kunnen emissies worden bespaard en hebben het GWP en de FPMF een negatief resultaat. Houd er rekening mee dat voor het recyclingproces elektriciteit nodig is en dat dit tijdens het onderzoek in rekening is gebracht.

Conclusie

Hoewel we kunnen zien dat de dieselgenerator tijdens de productiefase een lagere milieu-impact heeft dan de mobiele batterij, wordt de grootste milieu-impact gemeten tijdens de gebruiksfase van beide producten. Wanneer we kijken naar de resultaten van de gebruiksfase, wordt duidelijk dat de mobiele accu een groot potentieel heeft om de milieueffecten en emissies te verminderen, vooral wanneer deze wordt opgeladen door een duurzame energiebron. Maar zelfs wanneer de mobiele accu en de dieselgenerator met elkaar worden vergeleken in een voor de mobiele accu minder gunstig scenario, zijn de besparingen nog steeds hoog.

De user case die het meest wordt gebruikt door klanten van Greener Power Solutions is user case drie. In de onderstaande tabel zijn de totale resultaten voor deze gebruikerscase weergegeven.

Bij gebruik van een combinatie van het elektriciteitsnet en een dieselgenerator voor het opladen van de batterij bedraagt het GWP van de batterij 54% van het GWP van de generator en voor het FMFP is dit slechts ongeveer 28%. Dit bewijst dat de milieueffecten van een mobiele batterij in alle gebruikersgevallen lager kunnen zijn dan die van een dieselgenerator, zelfs wanneer rekening wordt gehouden met de productie. Dit potentieel is het grootst in het geval van windenergie, wat bewijst dat een mobiele batterij een stimulans kan zijn voor hernieuwbare energiebronnen.

Naar een duurzamere toekomst

Deze analyse is slechts één stap op weg naar een duurzamere toekomst. Zoals eerder gezegd, is duurzaamheid meer dan alleen milieuvriendelijke producten of batterijen. En als we naar de toekomst kijken, zien we dat de in deze blogpost onderzochte user cases slechts een deel zijn van wat mogelijk is: waterstofgeneratoren, biobrandstofgeneratoren, Kitepower en andere nieuwe energiebronnen kunnen in de toekomst gemakkelijk worden gecombineerd met batterijen om de duurzaamheid verder te verbeteren. Met deze blogpost hopen we je een dieper begrip te hebben gegeven van de term duurzaamheid en de milieu-impact van Greener mobiele batterijen als voorbeeld.

Bronnen:

[1] Link naar website:https://www.bpf.co.uk/sustainable_manufacturing/life-cycle-analysis-lca.aspx

[2] Link naar het document: https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.1061.3986&rep=rep1&type=pdf