Ökobilanzierung von Fahrrädern und Elektrofahrrädern. Life Cycle Assessment of conventional and electric bicycles

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1 Willkommen Welcome Bienvenue Ökobilanzierung von Fahrrädern und Elektrofahrrädern Life Cycle Assessment of conventional and electric bicycles Eurobike 2011 Friedrichshafen, 2. September 2011 Andrea Del Duce

2 Outline Empa und LCAM Life Cycle Assessment - Ökobilanzierung Einführung in die Studie Die Lithium-Ionen Batterie und der elektrische Antriebsstrang Sachbilanz (Life Cycle Inventory) von Zweirädern Ergebnisse Schlussfolgerungen

3 The Empa ETHZ EPFL Eawag Empa Eidgenössische Technische École polytechnique Hochschule Zürich fédérale de Lausanne WSL PSI

4 LCAM Life Cycle Assessment and Modelling Group

5 LCAM: elektrische Mobilität Analyse des Beitrags von Lithium-Ionen Batterien zu den Umweltauswirkungen von elektrischen Autos. Vergleich der Umweltauswirkungen von einem virtuellen Elektro- VW-Golf mit Benzin-, Diesel-, Biofuel- und Hybrid-Version. (Axpo Studie) Da 2-Räder eine praktische Alternative zu Autos darstellen, wurden auch die Umweltauswirkungen von Fahrrädern, Elektrofahrrädern, escooters und Scooters ermittelt. THELMA Projekt: Analyse der potentiellen Auswirkungen einer weit verbreiteten Benutzung von Elektrofahrzeugen in der Schweiz.

6 Life Cycle Assessment Produktion von Elektrizität Produktion von Materialien e-car Verlagerung von Umweltproblemen kein Motor = keine Emissionen (Problem-shifting) keine Auswirkungen Entsorgung/Recycling Bergbau

7 Life Cycle Assessment 2 Ressourcen: Metalle, Plastik, Elektrizität, Öl, Produktion Nutzung Entsorgung/ Recycling Emissionen: CO2, NOX, SO2, radioaktive Abfälle, Indikatoren: Treibhauseffekt, Verbrauch von Ressourcen, Toxizität, etc.

8 Elektrofahrrad (ebike) Scooter mit Verbrennungsmotor Fahrrad (Bike) LCA Elektroscooter (escooter) Golf VI (Car) Elektro-Golf VI (ecar)

9 Ziel der Studie Heutige elektrische und konventionelle 2-Räder zu vergleichen und die Ergebnisse auch im Kontext von Autos zu betrachten. Schwerpunkt auf die Schweiz (e.g. Schweizer Strom-Mix) Die potentiellen Vorteile und Nachteile von elektrischen 2-Räder zu identifizieren um einen Beitrag in der Debatte zur individuellen Mobilität zu leisten.

10 Life Cycle Modell Hintergrund System: ecoinvent Materialien Vordergrund System Rohstoffe Strasseninfrastruktur Produktion von Energie (Treibstoff/ Elektrizität). ebike escooter Bike Scooter ecar Car Neue Modelle die ecoinvent Datensätze integrieren ecoinvent Datensätze AXPO Studie Funktionelle Einheit: 1 Vehikel Kilometer Systemerweiterung und Substitution

11 Methoden der Wirkungsabschätzung (Impact factors) Treibhauseffekt (Global warming): IPPC 2007 Humantoxizität (Human toxicity): CML01 HTP Photochemische Oxidation (Photochemical oxidation): CML01 POCP Landnutzung (Land competition): CML01 LUC Eutrophierung (Eutrophication): CML01 EP Kumulierter Energieaufwand (Cumulative energy demand):ced fossil, nuklear Kumulierter Exergieaufwand (Cumulative exergy demand): CExD Metalle, Mineralien Ecoindicator 99 (H/A) Gesundheit Ökosystem Aggregiert verschiedene Auswirkungen zu einem einzelnen Indikator: Ecoindicator Points Ressourcen

12 Der elektrische Antriebsstrang Gleichstrom Wechselstrom Li-Ionen Batterie (DC energy) Regler (Controller) (AC energy) Motor Ladegerät (Charger)

13 Lithium-Ionen Batterie 1 Salar de Atacama, Chile, Picture: Google Earth Eigenschaften von Lithium Leichtestes Metall Höchstes elektrochemisches Potential Ungiftig (Anwendung als Heilmittel) Nicht knapp (Mit 0.17 ppm in Meerwasser häufiger als Kupfer) Als Metall sehr reaktiv (brennt) Produktion Gewinnung vor allem aus Salzseen in den Anden (Chile, Bolivien) oder in China (Tibet) Vor allem Solarenergie für Produktion Aufarbeitung zu Lithiumcarbonat (Li 2 CO 3 ) nahe der Saline

14 Lithium Ion Battery 2 Kathode: LiMn 2 O 4 beschichtete Aluminiumfolie LiMn 2 O 4 von Li 2 CO 3 und Mn 2 O 3 Anode: Graphit beschichtete Kupferfolie Nur etwa 1% einer Li-Ionen Batterie ist Lithium Etwa 40% der Zellen ist Alu (Al~23%) und Kupfer (Cu~13%) Etwa 40% der Zelle ist Aktives Material (Kathode: LiMn2O4 ~24%, Anode: Graphit ~16%) Etwa 20% ist der Elektrolyt (Lithium Salz)

15 Der Elektromotor Induktionsspulen (Induction coils) Wechselstrom 3 (AC current 3) N S Wechselstrom 1 (AC current 1) Wechselstrom 2 (AC current 2)

16 Der Regler Batterie: Gleichstrom Regler (Controller) Hochspannungsteil/ Wechselrichter AC1 AC2 Battery: DC Energy High Power unit: DC/AC conversion AC3 Elektromotor Logik Motor Feedback Fahrer/ Driver s Input

17 Der Regler 2 ~63% ist Aluminium vom Gehäuse

18 Fahrrad und Elektrofahrrad Standard ecoinvent Fahrrad Fahrrad - Bike: Gewicht Lebensdauer Wartung 17kg 15000km 50% Plastik 5% Stahl Reifen jede 4000km Elektrofahrrad ebike: Rahmen (Frame) Regler (Controller) Ladegerät (Charger) Wie Fahrrad 0.4kg 0.5 kg 0.25 kw Elektromotor 2.7kg Li-Ionen Batterie Gesamtgewicht Lebensdauer Verbrauch Wartung 2.6kg ~23kg 15000km 0.01kWh/km 50% Plastik 5% Stahl Reifen jede 4000km 2.75 Li-Ionen Batterien

19 escooter und Scooter escooter Gewicht ~140kg Li-Ionen Batterie 32kg Regler (Controller) 1.3kg 2.7kW Elektromotor 5.8kg Scooter Ladegerät (Charger) ~3kg Gewicht ~90kg Verbrauch Lebensdauer Wartung 0.057kWh/km 50000km 23% Plastik 10% Stahl 10% Aluminium Reifen jede 5000km Motorisierung Verbrauch Lebensdauer Wartung Durchschnitt 2- und 4-Takt ~2.8l/100km 50000km 23% Plastik 10% Stahl 10% Aluminium 1 Li-Ionen Batterie Reifen jede 5000km

20 Electric and conventional cars ecar Car Gewicht 1484kg Gewicht 1234kg Li-Ionen Batterie 400kg Motorisierung Benzin Verbrauch 0.2kWh/km Verbrauch 0.068l/km Lebensdauer km Lebensdauer km

21 Ecoindicator 99 (H/A)

22 Ecoindicator 99 (H/A): Bike vs ebike Elektrizität CH-mix UCTE

23 Ecoindicator 99

24 Treibhauseffekt GWP IPPC

25 Treibhauseffekt GWP IPPC

26 Humantoxizitätspotential und Photochemische Oxidation

27 Landnutzung und Eutrophierung

28 Kumulierter Energieaufwand fossil und nuklear

29 Kumulierter Exergieaufwand, Metalle und Mineralien

30 Schlussfolgerungen Ein Elektrofahrrad verursacht wegen der zusätzlichen Komponenten und Ressourcen (Batterie, Elektrizität, Elektronik) grössere Umweltauswirkungen als ein konventionelles Fahrrad. Die Batterie hat bei verschiedenen Indikatoren einen deutlichen Einfluss (Kupfer Produktion) -> Recyclingprogramme für Batterien (und Elektronik)! Die Umweltauswirkungen in der Nutzungsphase können durch den Gebrauch von nachhaltiger Elektrizität stark reduziert werden. Bei den meisten Indikatoren verursachen ebikes geringere Umweltauswirkungen als andere motorisierte Fahrzeuge.

31 Thank you very much for your attention! Questions? Thanks to: Fabienne Habermacher, Hans-Jörg Althaus, Marcel Gauch, Rolf Widmer.

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