Life Cycle Assessment of Electrification of Domestic Aviation in Norway

Abstract

I denne masteroppgaven har en livssyklusanalyse (LCA) av elektrifisering av innenlands flytrafikk blitt gjennomført. En systembasert LCA ble gjennomført med bruk av stegene for en vanlig LCA. Det ble ikke brukt en funksjonell enhet, men resultatene ble normalisert for ˚a forenkle sammenligning med andre LCA. Systembaserte resultater ble ogs˚a beregnet og presentert. Systemet bestod av produksjon av flyet, batteriene, ladestasjonene og sluttbehandlingsfasen (EOL) for flyet og batteriene. Hovedbidraget fra denne masteren er LCA av elektrifisering av innenlands flytrafikk i Norge hvor batteritype og batterilevetid er hovedfokus. Hver komponent i systemet var en byggeblokk, og for hver av byggeblokkene, ble det utført en LCA, unntatt EOL som ikke var sin egen byggeblokk, men inkludert i sine tilhørende byggeblokker. Byggeblokkene ble skalert opp for ˚a forme en samling av syv flyplasser: Trondheim, Namsos, Rørvik, Brønnøysund, Mosjøen, Mo i Rana og Bodø. Hver dag ble det antatt at det var 54 flyturer i systemet. Antall fly ble satt til ˚a være 10 i hovedsystemet, men varierte fra 5 til 15 i sensitivitetsanalysen. Flyets levetid ble satt til 20 ˚ar, og alle andre byggeblokker ble skalert til ˚a passe til flyets levetid. Batteribruk var et av hovedfokusomr˚adene. To batterityper ble brukt, litium-ion (Li-ion) og litiumsvovel (Li-S), for ˚a finne ut hvilken batteritype som har lavest global oppvarmingspotensiale (GWP). Varierende batterilevetid ble brukt for ˚a se hvordan antall batterier p˚avirker total GWP. Antall batterier per fly varierte fra 1 til 20, som betyr en levetid p˚a henholdsvis 20 til 1 ˚ar. Sensitivitetsanalysen inkluderte bruk av ulike elektrisitetsmikser og varierende antall fly, og effekten det hadde p˚a GWP. Ren vannkraft, kullkraft, vindkraft, kjernekraft, norsk og europeisk elektrisitetsmiks ble brukt. ˚A finne break-even-punktet mellom konvensjonelt fly og fullelektisk fly (AEA) ved ˚a bruke ulike elektrisitetsmikser og antall batterier var en viktig del av sensitivitetsanalysen. Resultatene viser tydelig at Li-ion batterier har en høyere GWP enn Li-S batterier. Ved ˚a bruke 10 fly og vannkraft, blir total GWP 8.89 kt CO2 ekvivalenter (eq) n˚ar ett Li-ion batteri blir brukt. Ttotal GWP for 20 Li-ion batterier 27.2 kt CO2 eq, og økningen er lineær. For Li-S batterier, blir resultatet 8.85 kt CO2 eq med ett batteri, og 21.2 kt CO2 eq. Beregninger av break-even-punket mellom konvensjonelt fly og AEA viser at vannkraft, vindkraft, kjernekraft og den norske miksen har samme break-even-punkt. Den europeiske miksen er nest verst og kullkraft er verst med tanke p˚a GWP. Ingen av elektrisitetsmiksene har et break-evenpunkt hvor et rimelig antall batterier per ˚ar brukes. Resultatene viser at AEA er en bedre teknologi enn konvensjonelt fly.

In this thesis, a life cycle analysis (LCA) regarding the electrification of domestic aviation in Norway has been conducted. A system-based LCA was conducted using the standard steps of a conventional LCA. No functional unit was used, only normalized versions of the results to simplify comparison to other LCAs. In addition, system-based results were calculated and presented. The system defined here consists of the production of the aircraft, the batteries, the charging stations, the operation of the aircraft, and the end-of-life (EOL) processes for the aircraft and batteries. The main contribution of this thesis is the LCA of electrification of domestic aviation in Norway, where battery type and battery lifetime are the main focus areas. Each component of the system was considered a building block, and a LCA was conducted for each of them, except for the EOL which was included in the respective building block. The building blocks were then scaled to create a cluster of seven airports: Trondheim, Namsos, Rørvik, Brønnøysund, Mosjøen, Mo i Rana, and Bodø. Each day, 54 flights were assumed in the system. The number of aircraft was set to be 10 in the main case but varied from 5 to 15 in the sensitivity analysis. The aircraft’s lifetime was set to 20 years, and all other building blocks were modeled to fit the aircraft’s lifetime. Battery use was one of the focus areas of the analysis. Two battery types, lithium-ion (Li-ion) and lithium-sulfur (Li-S), were used to find which one has the lowest global warming potential (GWP). A variation in battery lifetime was used to see how the number of batteries affects the total GWP. The number of batteries per aircraft varied between 1 and 20, meaning in a battery lifetime of 20 to 1 year, respectively. The sensitivity analysis included different electricity mixes and varying numbers of aircraft used and the impact the changes had on GWP. Pure hydropower, coal power, wind power, nuclear power, and the Norwegian and European mix were the electricity mixes used. Finding the breakeven point between conventional aircraft and all-electric aircraft (AEA), using varying electricity mixes and numbers of batteries, was an important part of the sensitivity analysis. The results clearly state that Li-ion batteries have a higher GWP than Li-S batteries. Using the general case of 10 aircraft and hydropower, the total GWP using one Li-ion battery becomes 8.89 kt CO2 equivalents (eq). Increasing linearly, the total GWP using 20 Li-ion batteries becomes 27.2 kt CO2 eq. Li-S, on the other hand, results in 8.85 kt CO2 eq using one battery and 21.2 kt CO2 eq using 20 batteries. Calculations of the break-even point between conventional aircraft and AEA shows that hydropower, wind power, nuclear power, and the Norwegian mix all have the same break-even point. The European mix is the second worst, and coal power is the worst in terms of GWP. None of the electricity mixes have a break-even point where a reasonable number of batteries are used per year. AEA was proven to be a better technology than conventional aircraft.