Battery Value Chains

Abstract

Etterspørselen av elbiler er høyere enn noensinne. Ytelsen, kostnadene og sikkerheten til elektriske kjøretøyer avhenger sterkt av kjøretøyets energilagringssystem. Avanserte batterier som litiumionbatterier er et godt alternativ for dette. Elektrifisering av transportsektoren vil spille en sentral rolle for reduksjon av globalt klimagassutslipp.

Freyr AS planlegger å utvikle opptil 43 GWh årlig produksjonskapasitet for battericeller innen 2025. De ønsker å hevde seg som en av Europas største leverandører av battericeller. Fabrikken deres er planlangt til i Mo i Rana, Norge, og er brukt som en referanse for datainnsamling. Denne oppgaven tar for seg utslipp relatert til materialer som brukes i produksjon av battericeller, inkludert utslipp for gruvedrift, prosessering og raffinering av utvalgte materialer. Det blir også vurdert utslipp knyttet til transport mellom prosesspunkter. Målet er å analysere og sammenligne utslipp for forskjellige land når det gjelder materialbehandling. Basert på resultater for minimumsutslipp, er det foreslåtte ruter og transportmidler.

For å simulere materialbaner og utslipp, var det nødvendig å lage et verktøy for å gjøre beregninger for utslipp. Produksjonsdata for materialer ble funnet for flere land fra LCA og simuleringer i GREET, deretter sortert i et excel-ark. Avstands- og produksjonsdataene ble brukt til å lage kalkulatoren i excel. Den kan brukes til rask sammenligning av transportmetoder og for å kontrollere hvordan utslippene endres avhengig av land som brukes.

For kalkulasjoner behøvdes inndeling av utslipp for prosesser i større trinn for å inkludere så mange materialer som mulig, uten å måtte ha med alle forskjellene fra produksjonsprosessene. Her måtte det også forenkles for å anta at gruvedrift og prosessering skjer på samme sted. Kartlegging av gruve- og prosesseringssteder og deretter implementering av avstandene i kalkulatoren ble ansett som for tidkrevende. Derfor kan transportutslippene være underrepresentert i det endelige resultatet. Kalkulatoren ble brukt til å sammenligne ruter for hvert materiale. Den beste ruten ble valgt basert på hvilken som hadde lavest totalutslipp. For hvert materiale ble deretter brukt til å studere utslippsandelen for 43 GWh batteriproduksjonskapasitet, forutsatt at NMC111 ble brukt som katodemateriale. Resultatene viser at bruk av bulk-skip er det beste transportalternativet, med transportandelen kun 2,2 % av totale utslipp.

Som konklusjon kommer det frem at materialet som er ansvarlig for minst utslipp per 1 kg produksjon - er litium. Nikkel har derimot de høyeste utslippsverdiene per 1 kg. For de samlede produksjonsutslippene for de valgte materialene står grafitt alene for 38\%. Den største andelen utslipp som representeres av grafitt, gjenspeiler at den har størst potensial for forbedring.

The demand for electric vehicles is higher than ever. The performance, cost and safety of electric vehicles depend heavily on the vehicles energy storage system. Advanced batteries such as lithium-ion batteries are a viable option for that task. Electrification of the transport sector will play an important role in the reduction of greenhouse gases emitted globally.

Freyr AS is planning to develop up to 43 GWh of annual battery cell production capacity by 2025. Positioning themselves as one of Europes largest battery cell suppliers. Their facilities are located in Mo i Rana, Norway, and was used as a base for data collection. This thesis addresses emissions related to materials used in battery cell manufacturing, including emissions for mining, processing, and refining of selected materials. It also considers the emissions related to transportation between process points. The aim being to analyse and compare emissions for different countries in regards to material processing. Based on results for minimum emissions, there are suggested routes and means of transportation.

In order to simulate material paths and emissions, the need for a calculation tool emerged. Production data for materials was found for several countries from LCAs and simulations in GREET, then sorted in an excel sheet. The distance and production data was used to create the calculator in excel, which can be used for quick comparisons of transport methods and checking how emissions change depending on input countries.

Early simplifications included dividing emissions for processes into larger steps in order to include as many materials as possible, without having to include differences in production processes. Simplifying also here, to assume that mining and processing happens at the same site. Mapping out mining and processing sites and then implement the distances in the calculator was deemed too time consuming. Hence, the transport emissions are somewhat underrepresented in the final result. The calculator was used to compare paths for each material. The best path was selected based on lowest total emissions. Paths for each material was then used to study the emissions share for 43 GWh battery production capacity, assuming NMC111 battery chemistry. The results show that using bulk carries for dry goods is the best transportation alternative, with the transportation share only being 2.2% of total emissions.

As a conclusion it is determined that the material responsible for the least amount of emission per 1kg production - is lithium. Nickel on the other hand, has the highest emissions values per 1 kg. When examining for the battery cell chemistry, graphite represented 38\% of the total production emissions from the selected paths. The largest proportion of emissions being represented by graphite reflects it having the most potential for improvement.