Search

Linda Ager-Wick Ellingsen, Rebecca Jayne Thorne, Julia Wind, Erik Figenbaum, Mia Romare, Anders Nordelöf, Life cycle assessment of battery electric buses, Transportation Research Part D: Transport and Environment, Volume 112, 2022, 103498, ISSN 1361-9209, https://doi.org/10.1016/j.trd.2022.103498 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1361920922003248) Different Li-ion battery technologies and sizes are used in battery electric buses (BEBs), but little is known about the environmental effect of various battery technology and sizing alternatives. In a cradle-to-grave life cycle assessment of seven BEBs, we consider three battery technologies combined with relevant pack sizes to evaluate the size and range effect. The environmental performance of the BEBs was assessed over the typical length of a bus tender of 10 years as well as an extended lifetime of 20 years. Across six environmental impact categories we found that the size and range effect depends to a large extent on the performance of the battery technology and that a smaller battery size of the same technology is not necessarily environmentally preferable. Furthermore, extending the BEB lifetime from 10 to 20 years changes the environmental performance as well as relative contributions to environmental impact potentials for the various BEB alternatives.

This report presents a life cycle assessment (LCA) case study of a mobile phone. The work is part of the POLICIA project where the overarching goal is to combine LCA and an economic-based model (POLICA CE model) into an integrated assessment. The aim of this model is to identify market failures and quantify policy effects of efficient combinations along the entire life cycle. The objective of the phone case study work is to enable the impact assessment of the LCA, to be incorporated into the POLICIA CE-model, so that environmental impacts of policies can be directly modelled and optimised. To achieve this, linear and circular variants of products were assessed to identify the components and life cycle stages that influence the environmental impact. The materials and part production stages of the life cycle contribute most to the environmental impact, for all studied impact categories. Specifically, it is the integrated circuit and other electronic components that contribute most. This is turn implies that circular business models aimed at prolonging life or decreasing use of these components can provide the largest impact reductions. Circular economy business models commonly target ways to close resource loops for a product or system. Life cycle assessment (LCA) can be used to assess if the actions also imply other environmental benefits. Using a mobile phone as a case study this report first assesses the linear product to determine hotspots in the life cycle. From these results, three circular business models targeting several circular component solutions were chosen and assessed using LCA.

This report presents a life cycle assessment (LCA) case study of a motorboat. The work is part of the POLICIA project where the overarching goal is to combine LCA and an economic-based model (POLICA CE model) into an integrated assessment. The aim of this model is to identify market failures and quantify policy effects of efficient combinations along the entire life cycle. The objective of the motorboat case study work is to enable the impact assessment of the LCA, to be incorporated into the POLICIA CE-model, so that environmental impacts of policies can be directly modelled and optimised. To achieve this, linear and circular variants of products were assessed to identify the key factors and life cycle stages that influence the environmental impact. It was found that the use phase dominated the linear version of the life cycle for all studied impact categories, due to the use of fossil fuels and anti-fouling paint. It is shown that circular business models aimed at boat electrification can provide the largest impact reductions. Whilst fossil fuels remain the primary source of boat propulsion, prolonging the boat’s life, or focussing on recycling of boat materials, will not provide a significant reduction in environmental impact. This is because the use phase and its associated pollution of water and air dominates the boat’s life cycle. Circular economy business models commonly target ways to close resource loops for a product or system. Life cycle assessment (LCA) can be used to assess if the actions also imply other environmental benefits. This report is one of two case studies and utilises a motorboat as a case (another report examines a smartphone). First, the linear product is assessed to determine hotspots in the life cycle. From these results, three circular business models targeting several circular solutions were chosen and assessed using LCA.

En linjär ekonomi skapar ett resurs- och miljöproblem som på flera sätt skiljer sig från andra miljöproblem som är begränsade i sin rumsliga skala. En linjär ekonomi är ett samhälleligt problem eftersom den uppkommer på grund av flera externa effekter och andra marknadsmisslyckanden på marknader för till exempel råmaterial-utvinning, produktion, konsumtion, återvinning och återanvändning vilka påverkar varandra i en allmän jämvikt. Såväl praktiker som forskare har på senare år kommit med förslag på styrmedel för cirkulär ekonomi. Dock har styrmedelsanalyser, gjorda utifrån livscykelperspektiv och allmänna jämviktsförhållanden, hittills fått mindre uppmärksamhet i tillämpad forskningslitteratur. Projektet POLICIA tar detta som en utgångspunkt för att utveckla en integrerad ansats mellan cirkulärekonomiska (CE) modeller och livscykelanalys (LCA) som kan användas för att identifiera och analysera styrmedelskombinationer för att nå mål eller samhällsekonomiskt effektiva lösningar som innebär en övergång från linjära till cirkulära flöden. Projektet har gjort detta med en ny tvärvetenskaplig strategi inom styrmedelsforskning som kombinerar CE-modeller med LCA. Forskningen i POLICIA illustrerar vikten av att använda systemperspektiv med allmänna jämviktsmodeller och LCA för att styra mot cirkulära flöden. Resultaten visar att kombinationer av samverkande styrmedel är nödvändiga för att skapa förutsättningar för en övergång till en cirkulär ekonomi. Hur kan CE-LCA användas? För att nå mål som innebär en övergång från linjära till cirkulära flöden kommer ett flertal aktörer längs produkternas livscykler behöva förändra sina beteenden när det finns flera olika externa effekter samtidigt vilket ofta är fallet i en linjär ekonomi. Ofta påverkar aktörerna varandra på ett flertal marknader som är sammankopplade via flöden av produkter, material och energi. Ett styrmedel som riktas till en viss aktör kommer i allmänhet att påverka andra aktörers beteenden. Dessa effekter kan bli såväl positiva som negativa med avseende på målet. När samhällsekonomisk effektivitet, eller andra mål, kräver styrning från linjära till mer cirkulära flöden, behövs därför generellt en koordinerad kombination av styrmedel riktade till aktörerna längs livscykeln för att undvika målkonflikter eller att några externa effekter kvarstår. I sådana fall bör styrmedelsanalysen göras i allmänna jämviktsmodeller. CE-LCA är allmänna jämviktsmodeller som använder LCA för att identifiera den miljöpåverkan som respektive aktör orsakar längs värdecykeln. En första skillnad mellan CE-modeller och partiella jämviktsmodeller är att de senare studerar internalisering med styrmedel oftast på en marknad. CE-modeller är allmänna jämviktsmodeller som studerar kombinationer av samverkande styrmedel på ett flertal sammankopplade marknader vilka täcker produktens värdekedja och inkluderar processer som råvaruutvinning, produktion, konsumtion, återvinning och återanvändning. En annan skillnad är att LCA innehåller data för miljöpåverkan från ett större antal aktörer (processer) på dessa marknader. CE-LCA-modeller kommer därför ofta att innehålla ett flertal externa effekter som påverkar varandra via marknadsmekanismerna i den allmänna jämvikten. I övrigt sker analyser i CE-LCA-modeller på samma sätt som i andra ekonomiska modeller. På ett översiktligt plan kan analyser med CE-LCA beskrivas med följande tre steg: Primära styrmedelskombinationer identifieras i en allmän jämviktsmodell CE-LCA. Dessa kombinationer är första-bästa lösningar som kan nå mål eller internalisera externa effekter. I partiella jämviktsmodeller med en extern effekt är normalt den fullt internaliserade lösningen unik. När det finns flera externa effekter i allmänna jämviktsmodeller finns det ofta flera olika lösningar som alla är lika fullt internaliserade och som således är första-bästa lösningar. När dessa lösningar identifierats undersöks vilka av dessa som har störst möjligheter att genomföras efter att man vägt in politiska misslyckanden och marknadsmisslyckanden som kan begränsa den politiska beslutsfattarens val av styrmedel. Verifierbarhet, mätbarhet och tillsyn (VMT) identifieras. För kunna utforma och införa effektiva styrmedelskombinationer behöver externa effekter kunna verifieras, mätas och tillsynas. Detta inkluderar att dessa effekter kan differentieras mellan aktörer (processer), produkter, materialeller energiflöden. I praktiken blir transaktionskostnader för att verifiera, mäta och bedriva tillsyn avgörande för vilken grad av differentiering som kan försvaras samt om den sker över aktörer (processer), produkter, material- eller energiflöden. Sekundära styrmedelskombinationer identifieras i allmän jämviktsmodell CE-LCA. Dessa kombinationer är andra-bästa styrmedelskombinationer som även hanterar transaktionskostnader från punkt 2 eller beteendeanomalier. Primära styrmedelskombinationer som förmår nå mål eller internalisera externa effekter innehåller generellt tre elementära effekter som vi här kallar ”bromsa” (negativ outputeffekt), ”styr” (relativpriseffekt) och ”gasa” (positiv outputeffekt). När inga transaktionskostnader förekommer kan dessa elementära effekter genereras med primära (första-bästa) styrmedelskombinationer bestående av enbart ekonomiska styrmedel. Det finns då generellt sett ett stort antal första-bästa styrmedelskombinationer som kan generera de elementära effekterna och som därmed alla åstadkommer full internalisering. Skillnaden mellan olika första-bästa styrmedelskombinationer är att effekterna ”bromsa”, ”styr” respektive ”gasa” hamnar över olika aktörer längs livscykeln. För att identifiera vilka styrmedel som behövs, och var de behövs, blir det viktigt att kartlägga var dessa elementära effekter behöver uppkomma för att åstadkomma en internalisering eller nå förutbestämda mål. När det finns transaktionskostnader för ett eller flera styrmedel kommer olika primära styrmedelskombinationer generellt inte längre att prestera lika effektivt. Vilken styrmedelskombination som då är effektivast (andra-bästa lösning) beror på var transaktionskostnaderna finns och hur stora de är. Användning vid myndigheter Att lämna linjära flöden i en ekonomi kräver en strukturell omvandling av ekonomin. Nya marknader för återprocesser som återvinning, återtillverkning och återanvändning behöver skapas. Det är då också viktigt att befintliga marknader för till exempel materialåtervinning inte tränger tillbaka nya marknader för återtillverkning samt återanvändning. När samhällsekonomisk effektivitet, eller andra mål, kräver styrning från linjära till mer cirkulära flöden, behövs en ”koordinerad” kombination av styrmedel riktade till aktörerna längs livscykeln. Nationella myndigheter och regering har en avgörande roll att spela för utveckling av styrmedelskombinationer för detta. Vid myndighetsarbete kan resultat från CE-LCA-modeller utgöra en del av styrmedelsanalyser eller samhällsekonomiska konsekvensanalyser framförallt när internalisering eller miljömål innebär att linjära flöden behöver ersättas med cirkulära flöden. Eftersom CE-LCA innehåller analyser med jämviktsmodeller och LCA, kommer den sannolikt att användas och utvecklas främst inom forskning i framtiden. Vi ser dock två tänkbara användningsområden vid myndigheter: I det första fallet kan teoretiska CE-LCA modeller i framtida forskningsprojekt kartlägga styrmedelskombinationer till vanligt förekommande externa effekter och andra marknadsmisslyckanden för vissa produktkategorier. Det kan handla om vilka styrmedel som ingår i effektiva styrmedelskombinationer samt vilka aktörer de riktar sig till beroende på vilka marknadsförhållandena är. Kartläggningarna kan sedan användas i kvalitativa analyser inom myndigheternas arbete för att identifiera primära (första-bästa) styrmedelskombinationer. Tillsammans med resultat från till exempel samhällsekonomiska konsekvensanalyser om bland annat kostnader och marknadsmisslyckanden kan kartläggningarna utgöra underlag för att bedöma vilka styrmedelskombinationer som har störst potential att vara mest effektiva för vissa produktkategorier och marknadsförhållanden. I det andra fallet kan numerisk CE-LCA modellering för en produktkategori ta fram kvantitativa egenskaper hos styrmedelskombinationer. Det kan röra sig om nivåer på skatter, subventioner eller krav för att nå mål eller internalisera externa effekter. Detta förutsätter att kompetens finns inom numerisk modellering med allmänna jämviktsmodeller liksom att genomföra LCA. Sådana kompetenser finns hos flera aktörer inom konsultbranschen. Efter sammanföring och uppbyggnad av ny kompetens om CE-LCA inom konsultbranschen kan sådana analyser handlas upp av myndigheter för berörda produktkategorier. Dessa kan sedan användas som underlag i till exempel samhällsekonomiska analyser som behandlar större omställningar mot en mer cirkulär ekonomi. Framtida forskningsbehov Projektet har utvecklat en integrerad ansats mellan cirkulärekonomiska modeller och LCA för analyser av styrmedelskombinationer längs livscykler. Projektet lämnar dock flera forskningsfrågor till framtida forskning inom detta tvärvetenskapliga område. LCA har länge varit ett verktyg som bland annat används av industrin inom produktdesign för att ta fram nya produkter med lägre miljöpåverkan. För beslutsfattare som använder information från producenter som underlag för utformning av miljöpolitiska styrmedel blir det viktigt att kunna göra oberoende bedömningar om hur tillförlitlig informationen är. Detaljerade data från specifika produktmodeller som idag används inom industrin är utvecklade för enskilda produktmodeller. När LCA underlag används i CE-LCA för styrmedelsanalys behöver annorlunda avvägningar göras mellan nyttan av en högre differentiering och administrativa kostnader för densamma. Framtida forskning behöver finna lämpliga upplösningsnivåer för underlag som används i analyser av effektiva styrmedelskombinationer. Det skulle kunna röra sig om genomsnittsvärden för produktkategorier eller material istället för värden för specifika produktmodeller. Den teoretiska CE-modellen är en dynamisk modell som potentiellt kan ta hänsyn till investeringar och förändringar över flera livscykler. Framtida forskning bör också omfatta dynamiska CE-LCA. För detta behövs mer forskning om bland annat systemgränser och hur miljöpåverkan allokeras mellan aktörer i olika livscykler.

Den snabba introduktionen av elfordon kommer att minska utsläppen från vägtrafik kraftigt. Men att bara byta drivsystem är inte tillräckligt. Det krävs också att aktörerna i olika delar av värdekedjan fokuserar mer på mänskliga rättigheter i gruvor och fabriker, klimatpåverkan från tillverkning och väljer material som utgår från en långsiktig tillgång till naturresurser och kritiska material. I denna rapport görs en genomgång av de olika hållbarhetsaspekter som behöver hanteras och hur olika aktörerna kan bidra till en hållbar elektromobilitet.

The number of electric vehicles (cars, buses, e-bikes, electric scooters and electric motorcycles) sold in the Nordic countries is currently increasing quickly. That means that more electricity is used for driving, and also that more of some important metals are being used than earlier. This report regards the fate of the lithium-ion batteries used in vehicles in the Nordic countries. Currently the “Battery Directive” (EC, 2006) which is a producer’s responsibility directive, is under revision and this study is a knowledge base intended for use by the Nordic Environmental Protection Agencies for their referral response in the revision process. This report focuses on the aspect of metal resources, but it does not elaborate on a broader range of environmental impacts, as these were outside the scope of this study.

The study consists of a review of available life cycle assessments on lithium-ion batteries for light-duty vehicles, and the results from the review are used to draw conclusions on how the production stage impacts the greenhouse gas emissions. The report also focuses on the emissions from each individual stage of the battery production, including; mining, material refining, refining to battery grade, and assembly of components and battery. The report is largely structured based on a number of questions. The questions are divided in two parts, one focusing on short-term questions and the second on more long-term questions. To sum up the results of this review of life cycle assessments of lithium-ion batteries we used the questions as base. Part 1 – Review the iteratively specified chemistries and answer the following short-term questions related to the battery production: How large are the energy use and greenhouse emissions related to the production of lithium-ion batteries? How large are the greenhouse gas emissions related to different production steps including mining, processing and assembly/manufacturing? What differences are there in greenhouse gas emissions between different production locations? Do emissions scale with the battery weight and kWh in a linear or non-linear fashion? Part 2 – To answer more long-term questions related to opportunities to reduce the energy use and greenhouse gas emissions from battery production. a) What opportunities exist to improve the emissions from the current lithium-ion battery chemistries by means of novel production methods? b) What demands are placed on vehicle recycling today? c) How many of the lithium-ion batteries are recycled today and in what way? d) What materials are economically and technically recoverable from the batteries today? e) What recycling techniques are being developed today and what potential do they have to reduce greenhouse gas emissions? f) How much of the production emissions can be allocated to the vehicle? Based on the assessment of the posed questions, our conclusions are that the currently available data are usually not transparent enough to draw detailed conclusions about the battery’s production emissions. There is, regardless, a good indication of the total emissions from the production, but this should be viewed in light of there being a small number of electric vehicles being produced compared to the total number of vehicles. The potential effects of scale up are not included in the assessments. Primary data for production, especially production of different pack sizes, is therefore interesting for future work. This report also concludes that there is no fixed answer to the question of the battery’s environmental impact. There is great potential to influence the future impact by legislative actions, especially in the area of recycling. Today there is no economic incentive for recycling of lithium-ion batteries, but by placing the correct requirements on the end of life handling we can create this incentive. Coupling this type of actions with support for technology development both in battery production processes and battery recycling can ensure a sustainable electric vehicle fleet. The review of the available life cycle assessments also highlighted that there is a need for improving the primary data used in the studies, as there is little new data being presented. Additionally, the studies are often not transparent in their data choices and modelling assumptions, leading to a situation where comparing results becomes very difficult. Regardless of this, the review found a number of critical factors for determining differences in the results. The assumptions regarding manufacturing were shown to have the greatest variation and impact on the total result. In order to improve our understanding of the environmental impact of the battery production we need more than LCA results. We need more clear technical descriptions of each production step and where they are performed so that the emissions found in the reviewed life cycles assessments can be defined into different stages. Not until we have a clear definition of stages can we assess where the energy consumption and emissions are largest, or what actions that can help lower the impact. This report presents the findings from the Swedish Energy Agency and the Swedish Transport Administration commissioned study on the Life Cycle energy consumption and greenhouse gas emissions from lithium-ion batteries. It does not include the use phase of the batteries. Den här rapporten finns endast på engelska.