Ecodesign delle Batterie da Autotrazione

Strumenti Pratici in Risposta al Nuovo Battery Regulation

RELATORE

Mattia Gianvincenzi

La necessità di praticare eco-design nelle batterie da autotrazione

Gli impatti ambientali delle batterie nel settore automotive

• Il settore dei trasporti ha rappresentato circa il 15% delle emissioni globali di gas serra nel 2022¹.
• Il trasporto su strada è il principale responsabile, con il 74% delle emissioni².
• I veicoli elettrici riducono l'impatto di CO2eq. dal 30% al 56% rispetto ai veicoli a combustione (escludendo il fine vita)³.
• La produzione di veicoli elettrici ha un impatto dal 14% al 154% a causa della presenza delle batterie³.

1. IEA. Tracking Clean Energy Progress 2023, IEA, Paris. Disponibile online: https://www.iea.org/reports/tracking-clean-energy-progress-2023
2. IEA. Global CO2 Emissions from Transport by Sub-Sector in the Net Zero Scenario, 2000–2030, IEA, Paris. Disponinilr online: https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/global-co2-emissions-from-transport-by-sub-sector-in-the-net-zero-scenario-2000-2030-2
3. Ankathi, S.K.; Bouchard, J.; He, X. Beyond Tailpipe Emissions: Life Cycle Assessment Unravels Battery’s Carbon Footprint in Electric Vehicles. World Electr. Veh. J. 2024, 15, 245. https://doi.org/10.3390/wevj15060245

Analisi su veicoli di taglia media, batteria da 40kWh e vita media di 210.000km.

Spazio per foto

Criticità della batteria nel suo ciclo di vita e Soluzioni

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• Estrazione e lavorazione di materie prime critiche

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• Processi di produzione energivori

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• Durata di vita limitata

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• Gestione dei Rifiuti e Riciclo Inefficiente

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Eco-design, un approccio risolutivo per il ciclo vita

MATERIALI

PRODUZIONE

UTILIZZO

SECONDA VITA

FINE VITA

ECO-DESIGN

• ‘‘...un approccio preventivo che mira a minimizzare l'impatto ambientale durante tutto il ciclo di vita...’’ (UNEP)

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• ‘‘...progettazione che anticipa l’intero ciclo di vita del prodotto per massimizzare il valore delle risorse...’’ (Ellen MacArthur Foundation)

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• ‘‘...integrare gli aspetti ambientali fin dalle prime fasi di progettazione...’’ (ISO14006)

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Impatto dell’estrazione e lavorazione

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Processi energivori

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Performance, Durabilità, Riparabilità

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Non considerata

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Smontabilità e inefficienza riciclaggio

La risposta europea:

il nuovo Battery Regulation

Il contesto normativo

Battery Regulation (EU) 2023/1542

• Prima iniziativa del CEAP
• Primo Regolamento a trattare l’intero ciclo vita di un prodotto
• Sostituisce la Direttiva 2006/66/EC

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* Fonte delle immagini: Commissione Europea

Battery Regulation (EU) 2023/1542

Il Life Cycle Assessment: strumento indispensabile per l’ecodesign

Il Life Cycle Assessment

Cosa è il Life Cycle Assessment (LCA)

• Metodologia, standardizzata secondo le norme ISO 14040 e ISO 14044, esplicitata nel Battery Regulation, per valutare gli impatti ambientali di un prodotto, processo o servizio durante l’intero ciclo di vita.
• Individua le fasi e i flussi più impattanti del ciclo vita consentendo una progettazione proattiva e sostenibile.

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Le 4 fasi dell’LCA

1. Goal and Scope Definition: definisce gli obiettivi dell’analisi, l'Unità Funzionale (FU) e i confini del sistema;
2. Life Cycle Inventory (LCI): suddivide l’intero ciclo vita in processi interconnessi ("Black Box") composti da input (materiali, energia, macchinari) e output (emissioni, rifiuti) quantificati;
3. Life Cycle Impact Assessment (LCIA): trasforma i dati dell’LCI in impatti ambientali, attraverso fattori di caratterizzazione per ottenere Indicatori Midpoint e fattori di normalizzazione e ponderazione per ottenere Indicatori Endpoint;
4. Interpretation: Analisi e revisione critica dei risultati ottenuti dalla LCIA.

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I Tool LCA

Software LCA

Database LCA

Metodi LCIA

Caso Studio: Integrazione di BatPac con LCA

Progettazione delle Batterie: Introduzione a BatPac

• Esistono molti tool di progettazione per batterie, come Battery Design Studio, COMSOL Multiphysics, JMAG, ANSYS Fluent, GT-Suite, Simulink e BatPac.
• Nessuno dei tool menzionati applica un approccio di eco-design, integrando un tool LCA.

BatPac, sviluppato dall'Argonne National Laboratory, tuttavia, si distingue per i seguenti motivi:

• È uno strumento utilizzato ampiamente in contesti scientifici e industriali per la progettazione e simulazione di batterie EV.
• Utilizza un’interfaccia Excel accessibile, ideale per la personalizzazione di dati e flussi, favorendo la sperimentazione.
• Permette di reperire un’ampia gamma di parametri dettagliati, come la chimica degli elettrodi, quantitativi dei materiali, configurazione del pacco batterie e consumi energetici dei processi, etc.

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Per questi motivi BatPac è stato selezionato per essere integrato con un tool LCA.

BatPac - Panoramica

BatPac integrato con LCA - Diagramma di funzionamento

Legenda:

• In nero: Fogli esistenti non modificati
• In arancione: Fogli esistenti modificati
• In verde: Fogli nuovi

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BatPac integrato con LCA - Le 4 fasi: Goal and Scope

• La Dashboard consente di selezionare la FU e i confini del sistema, aggiornando dinamicamente i valori dell'LCI e dell'LCIA.
• Sono disponibili 5 diverse FU: kg/kWh, kg/km, kg/miglio, 1 kg di batteria, 1 batteria (in kg)
• I confini di sistema includono estrazione dei materiali, processi di produzione, assemblaggio trasporto e fine vita. La fase d’uso è esclusa come indicato anche dal Battery Regulation.
• Infine è possibile selezionare i trattamenti di fine vita sia degli scarti di produzione che delle batterie a fine vita, scegliendo tra pirometallurgia, idrometallurgia e discarica.

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Estratto del foglio ’’Dashboard’’ di BatPac integrato con LCA

BatPac integrato con LCA - Le 4 fasi: LCI

Tutte le informazioni per ricavare gli input e output dei processi descritti nella tabella sono state prese o derivate dai fogli già esistenti del tool, come il Battery Design Sheet, il Manufacturing Cost Sheet e il Cost Input Sheet.

BatPac integrato con LCA - Le 4 fasi: LCIA

• Database utilizzato: ecoinvent v3.10
• Metodo utilizzato: ReCiPe 2016 – 18 Indicatori MidPoint
• Considerazioni: per garantire l’applicabilità globale, dal punto di vista geografico sono state scelte voci Global (GLO) e in assenza, Rest of World (RoW); per garantire il conteggio degli impatti del trasporto medio, sono state scelte voci Market For; per gli stessi motivi è stata scelta la voce Market group per l’elettricità
• l foglio LCIA Results è strutturato in modo simile ai LCI Black Boxes, moltiplicando i valori dei flussi LCI per i fattori di caratterizzazione del foglio LCIA Database per calcolare gli impatti ambientali per ogni processo.
• Inoltre, il foglio LCIA Results gestisce tutti e tre gli scenari di fine vita (EoL) sia per i materiali di scarto che per le batterie a fine vita.

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BatPac integrato con LCA - Le 4 fasi: Interpretation

Foglio Dashboard

BatPac integrato con LCA - Le 4 fasi: Interpretation

Foglio Summary

Test, direzioni e ambizioni future

Test

I test condotti utilizzando BatPac, rispetto ai dati di letteratura rivelano che tutti i risultati rientrano nel limite superiore proposto dalla letteratura, e 7/12 si trovano anche entro il limite inferiore. Per le chimiche LMO e NCA, i risultati coincidono perfettamente, mentre per NCM variano a seconda della specifica chimica utilizzata e per le LFP i risultati sono più bassi.

Sviluppi futuri

Espandere i confini di sistema, personalizzare la FU, integrare processi e nuove chimiche di batterie, istruire una AI per raccomandazioni di eco-design, database e metodi intercambiabili.

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Ambizioni

• Creare un nuovo campo di ricerca che adatti i tool di design delle batterie per integrare LCA, sia semplificate che complesse.
• Validare questi strumenti, rendendo le analisi pubblicabili e riconosciute scientificamente.
• Estendere l’uso di questi strumenti a diverse industrie per promuovere l’ecodesign e la sostenibilità su larga scala.

Dr. Mattia Gianvincenzi

Dottorando, Università degli Studi della Tuscia

Visiting Researcher, ENEA

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mattia.gianvincenzi@unitus.it