Batteritillverkning i gigafabriker – då får elbilen lägre utsläpp

2021-11-01 06:00  

Att tillverka batterier i en ”gigafabrik” sänker utsläppen av koldioxid med 45 procent jämfört med i en småskalig anläggning. Om elmixen är svensk sjunker de med ytterligare 55 procent, visar en ny rapport från Chalmers. 

Hur mycket koldioxidutsläpp tillverkning av litiumjonbatterier ger upphov till var en hett debatterad fråga för några år sedan. Från att ha varit en nischföreteelse blev plötsligt begreppet livscykelanalys (LCA) ett ord på mångas läppar. 

Problemet för forskarna var att det fanns dåligt med data från storskalig tillverkning, eftersom den typen av fabriker har börjat ploppa upp först på senare år. De fick därför nöja sig med data från småskaliga anläggningar, vilket gav relativt höga utsläppsvärden mätt per kilowattimme producerat batteri. 

En ny svensk forskningsartikel har jämfört en sådan äldre och flitigt citerad studie om småskalig tillverkning kring 2010 med en egenhändigt skapad modell av nutida storskalig tillverkning. Den småskaliga tillverkningen kan sägas vara i storleksordningen megawattimmar per år, den storskaliga gigawattimmar per år.  

Resultatet är att storskalig tillverkning kräver betydligt mindre energi mätt per kilowattimme batteri, vilket också leder till lägre koldioxidutsläpp.  

Megafabrik vs gigafabrik

Följande fall har undersökts:

Småskalig tillverkning ”megafabrik”

Battericell med kemin NMC111, det vill säga en katod där förhållandet mellan nickel, mangan och kobolt är 1:1:1. Cellformat av påstyp (pouch cell på engelska). 

Cellen undersöktes i en studie publicerad 2014. Linda Ager-Wick Ellingsen var huvudförfattare, och hon deltar även i den nu aktuella studien. Chalmersforskarna har uppdaterat studien från 2014 med nya värden för klimatpåverkan för olika material hämtade ur en databas kallad Ecoinvent.

Storskalig tillverkning ”gigafabrik”

Battericell med kemin NMC811, det vill säga betydligt mer nickel än kobolt och mangan. Cylindrisk cell. Forskarna har främst använt sig av miljötillståndsdata från en av Northvolts tillverkningslinor om 16 GWh som just nu byggs i Skellefteå.

Northvolt ska även tillverka cylindriska litiumjonceller. Här håller William Steel ett av de egenproducerade batterierna. Foto: Pia Nordlander

Skillnaden mellan de båda cellerna representerar den resa batteritillverkningen har gjort de senaste sex, sju åren, där allt högre andel nickel används. Dels för att ge cellen högre energitäthet vilket innebär att bilen får längre räckvidd. Men också för att minimera andelen kobolt som inte sällan bryts under svåra förhållanden i Kongo-Kinshasa.

Forskarna har även använt sig av två olika fall för hur smutsig elen som används i fabriken är. Dels ett scenario för hög koldioxidintensitet som ungefär motsvarar Sydkorea (cirka 690 koldioxidekvivalenter per kilowattimme), dels ett scenario för låg koldioxidintensitet som ungefär motsvarar Sverige (runt 40 gram CO2-ekv/kWh). Hänsyn har tagits till import, export och förluster i elnäten.

Med smutsig el i småskalig fabrik

Med nya värden för klimatpåverkan från databasen Ecoinvent visar det sig att klimatavtrycket vid småskalig tillverkning med smutsig el är 34 procent högre än studien från 2014 kom fram till. Cellens klimatpåverkan uppgår till 188 kg CO2-ekv/kWh. Detta är i linje med den omtalade metastudien som IVL Svenska Miljöinstitutet gjorde 2017, som kom fram till 150–200 kg CO2-ekv/kWh.

Med smutsig el i gigafabrik

Genom att skala upp produktionen till en ”gigafabrik”, men med fortsatt smutsig el, kan klimatpåverkan sänkas med 45 procent, visar Chalmersstudien vidare. Det handlar dels om att energi- och materialanvändningen blir mycket effektivare på grund av storskalighet. Men också om att behovet av främst den utsläppande koboltsulfaten minskar, eftersom NMC811-kemin används i stället för NMC111. Klimatpåverkan landar på 104 kg CO2-ekv/kWh i detta fall.

Med ren el i gigafabrik

Slutligen, om den smutsiga elmixen byts ut mot ren i en ”gigafabrik”, minskar klimatpåverkan med ytterligare 55 procent, till 50 kg CO2-ekv/kWh. 

För att storskaliga fabriker med ren el ska kunna sänka sina utsläpp ytterligare påpekar Chalmersforskarna att fokus framöver måste hamna på produktionsanläggningarna som finns”uppströms” cellfabriken, till exempel gruvor och anrikningsverk där batterimineral förädlas. 

– Det är viktigt att lyfta fram detta förhållande för att driva på medvetenheten hos företag som använder litiumjonbatterier. Det är enbart om de gör medvetna val i sina affärsrelationer och ställer tydliga krav på reducerade utsläpp hos sina leverantörer, som de kan förväntas nå egna mål kring väldigt låga utsläpp för batterierna, ur ett livscykelperspektiv. Förhoppningen är att våra forskningsresultat kan bidra till en sådan utveckling, säger Anders Nordelöf, en av huvudförfattarna, till Ny Teknik.

"Cradle-to-gate"

Studiens omfattning är ”vagga till port” (”cradle to gate”). Men det menas utvinning och produktion av råmaterial, produktion av cellen och dess ingående delar, energiproduktion och energiöverföring fram till dess att cellen lämnar fabriken. Däremot ingår inte omhändertagande av cellen efter att den är förbrukad (i så fall kallas studien ”cradle-to-grave”).

Forskarna har heller inte räknat på effekterna av att använda sig av metaller från återvunna batterier för att skapa nya celler, men kommer att göra det senare i projektet. Northvolt menar att de kan åstadkomma betydande sänkningar av klimatpåverkan på detta sätt, och siktar på 50 procents återvinningsgrad 2030.

Så här ska den se ut när den är klar. Foto: Northvolt

Inte bara koldioxid

Studien handlar inte enbart om klimatpåverkan. Även till exempel giftutsläpp och risk för brist på batterimineraler har undersökts. Doktoranden Mudit Chordia blev förvånad över hur tydligt den visade att koppar är en av metallerna med störst risk för brist, större än kobolt och litium. 

Allra mest förvånad blev han dock över hur få primära datakällor som många av de redan utförda LCA-studierna bygger på. 

– Den omfattande datainsamlingen i vår artikel är ett väldigt viktigt bidrag, säger Mudit Chordia, en av huvudförfattarna, till Ny Teknik. 

Hur kommer det sig att fokus, även inom media, oftast hamnar på koldioxidutsläpp från batteritillverkningen. Borde vi prata mer om andra utsläpp också? 

– Det är förväntat med ett stort fokus på koldioxidutsläpp eftersom detta är en av de viktigaste drivkrafterna för den pågående elektrifieringen av till exempel transportsektorn, där batterierna har en nyckelroll. Men utöver klimatpåverkan så är långsiktig tillgång på metallresurser en mycket viktig frågeställning för batterier, säger Anders Nordelöf. 

– Ett exempel är att toxiska utsläpp till vattenmiljöer i anslutning till platser där det sker gruvbrytning och materialbearbetning hamnar i fokus, som en trade-off gentemot de fördelar som elektrifiering kan ge med minskad klimatpåverkan. Detta är ett viktigt område som kan och bör adresseras för att minska miljöeffekterna av ökad batterianvändning. 

Efter denna rapport, hur nära är vi vetenskapligt konsensus gällande utsläppen från batteritillverkning? 

– Det råder god samsyn kring vilken roll valet av energimix för celltillverkningen spelar för batteriernas klimatbelastning, och att ökad storskalighet i tillverkningen förskjuter miljöproblematiken till gruvbrytning- och materialbearbetningsstegen, säger Anders Nordelöf. 

 

Fotnot: Studien heter Environmental life cycle implications of upscaling lithium-ion battery production och är skriven av Mudit Chordia, Anders Nordelöf och Linda Ager-Wick Ellingsen. Den är publicerad i The International Journal of Life Cycle Assessment den 23 september 2021. 

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt