Comparative Life Cycle Assessment of Diesel-Electric and Battery-Electric Passenger Catamaran Utilizing Battery Swapping Technology
Abstract
Ettersom sjøtransporten fortsetter å utvide seg, øker også utslippene av klimagasser (GHG) fra denne sektoren. Det må derfor iverksettes tiltak for å redusere klimagassutslipp innen maritime operasjoner. Kysttransport er i Norge identifisert som ett område for elektrifisering for å redusere utslipp. Batteri-elektriske fartøy, som enten benytter direkte lading mens de ligger til kai eller bruker avansert batteribytteteknologi, representerer en lovende løsning. For å evaluere miljøpåvirkningen av elektriske passasjerfartøy sammenlignet med konvensjonelle dieseldrevne fartøyer, er en livssyklusvurdering (LCA) en hensiktsmessig og omfattende tilnærming, som omfatter ulike livsfaser, inkludert produksjon, drift og utrangert levetid.I denne oppgaven ble det utført en detaljert livssyklusvurdering som sammenlignet en dieselelektrisk passasjerkatamaran og en batterielektrisk passasjerkatamaran ved bruk av batteribytteteknologi. Vurderingen brukte ReCiPe-metoden, Ecoinvent-databaseversjon 3.9.1 og den Python-baserte programvaren Brightway. Analysen dekket 18 forskjellige midtpunktsindikatorer og seks stoffer, inkludert terrestrisk forsuringspotensial (TAP), global oppvarmingspotensial over 100 år (GWP100), ferskvannsøkoksisitetspotensial (FETP), marint økotoksisitetspotensial (METP), terrestrisk økotoksisitetspotensial (TETP), Fossil ressursmangelpotensial (FFP), ferskvannseutrofieringspotensial (FEP), marin eutrofieringspotensial (MEP), humant toksisitetspotensial (kreft) (HTPc), humant toksisitetspotensial (ikke-kreft) (HTPnc), ioniserende strålingspotensial (IRP) , Landokkupasjonspotensial (LOP), Overskuddsmalmpotensial (SOP), Ozonnedbrytningspotensial (ODP), Partikkelformasjonspotensial (PMFP), Fotokjemisk oksidantdannelsespotensial (humant) (HOFP), Fotokjemisk oksidantdannelsespotensial (økosystemer) (EOFP) ), og vannforbrukspotensial (EWCP), samt CO2, CH4, N2O, NOx, PM og SOX-utslipp.Resultatene av studien indikerer at batterielektriske passasjerkatamaraner reduserer CO2-utslipp og klimaendringer betydelig, sammen med betydelige reduksjoner i CH4, N2O, NOX og PM-utslipp, først og fremst på grunn av fraværet av dieselforsyningskjeder og forbrenning under driftsfasen. Imidlertid fremstår produksjon av batterier som en viktig kilde til utslipp for batterielektriske passasjerkatamaraner, noe som fører til høyere verdier i visse midtpunktsindikatorer sammenlignet med dieselelektriske fartøyer. Denne oppgaven viser også at miljøpåvirkningen til batteri-elektriske fartøy er svært avhengig av levetiden til ladesyklusene til batteriene og kjemien som brukes i battericellene. For å belyse dette ble det utført to sensitivitetsanalyser for å vurdere effekten av batteriladesykluser og batterikjemi på midtpunktsindikatorene i ReCiPe-metoden.Denne oppgaven bidrar til dagens forskning ved å gi robuste resultater basert på detaljerte inventarberegninger, den oppdaterte versjonen av Ecoinvent-databasen og case-spesifikke data for batterielektriske passasjerkatamaraner. As maritime transportation continues to expand, greenhouse gas (GHG) emissions from this sector are also on the rise. Consequently, measures must be implemented to mitigate GHG emissions within maritime operations. Coastal transportation has been identified in Norway as one area for electrification to reduce emissions. Battery-electric vessels, which either utilize direct charging while docked or employ advanced battery-swapping technology, represent a promising solution. To evaluate the environmental impact of electric passenger vessels compared to conventional diesel-powered vessels, a life cycle assessment (LCA) is an appropriate and comprehensive approach, encompassing various life phases including manufacturing, operation, and end-of-life.In this thesis, a detailed life cycle assessment was conducted comparing a diesel-electric passenger catamaran and a battery-electric passenger catamaran utilizing battery-swapping technology. The assessment employed the ReCiPe method, Ecoinvent database version 3.9.1, and the Python-based software Brightway. The analysis covered 18 different midpoint indicators and six substances, including Terrestrial Acidification Potential (TAP), Global Warming Potential over 100 years (GWP100), Freshwater Ecotoxicity Potential (FETP), Marine Ecotoxicity Potential (METP), Terrestrial Ecotoxicity Potential (TETP), Fossil Resource Scarcity Potential (FFP), Freshwater Eutrophication Potential (FEP), Marine Eutrophication Potential (MEP), Human Toxicity Potential (cancer) (HTPc), Human Toxicity Potential (non-cancer) (HTPnc), Ionizing Radiation Potential (IRP), Land Occupation Potential (LOP), Surplus Ore Potential (SOP), Ozone Depletion Potential (ODP), Particulate Matter Formation Potential (PMFP), Photochemical Oxidant Formation Potential (human) (HOFP), Photochemical Oxidant Formation Potential (ecosystems) (EOFP), and Water Consumption Potential (EWCP), as well as CO2, CH4, N2O, NOX, PM, and SOX emissions.The results of the study indicate that battery-electric passenger catamarans significantly reduce CO2 emissions and climate change impacts, along with substantial reductions in CH4, N2O, NOX, and PM emissions, primarily due to the absence of diesel supply chains and combustion during the operational phase. However, the manufacturing of batteries emerges as a major source of emissions for battery-electric passenger catamarans, leading to higher values in certain midpoint indicators compared to diesel-electric vessels. This thesis also demonstrates that the environmental impact of battery-electric vessels is highly dependent on the lifetime charging cycles of the batteries and the chemistry used in the battery cells. To elucidate this, two sensitivity analyses were conducted to assess the effects of battery charging cycles and battery chemistry on the midpoint indicators in the ReCiPe method.This thesis contributes to the current body of research by providing robust results based on detailed inventory calculations, the updated version of the Ecoinvent database, and case-specific data for battery-electric passenger catamarans.