Elmaskiner för fordon i en cirkulär ekonomi Projektöversikt och resultat från arbetspaket 1. Anders Nordelöf, Miljösystemanalys, Chalmers

Transkript

1 Elmaskiner för fordon i en cirkulär ekonomi Projektöversikt och resultat från arbetspaket 1

2 Övergripande projektinformation Namn: Elmaskiner för fordon i en cirkulär ekonomi Tid: 1 mars 2017 till 31 december 2019 Program: FFI, Energi & Miljö Huvudstödmottagare: Chalmers, avd. för Miljösystemanalys och Elteknik Övriga parter: AB Volvo, Volvo Car Corporation, China Euro Vehicle Technology AB. BorgWarner, Malmköpings Mekaniska Werkstad AB, Sveriges Bilåtervinnares Riksförbund (SBR), Walters Bildelar AB, Eklunds Bildelslager AB och Stena Recycling. Total projektbudget: kr Sökta medel: kr Ta fram riktlinjer för design av elmotorer för fordonsframdrift, så att resurseffektiva materialflöden kombineras med önskvärd teknisk prestanda, samt att etablera en metodik för detta som är tillämplig även för andra komponenter. 2

3 Relevans, syfte och metod Underliggande målkonflikt för att minska emissioner krävs ökad resursanvändning Elektrifiering av vägfordon drivs av att minska klimatpåverkan Resurseffektivitet får ökat fokus initiativ för cirkulär ekonomi Snabb teknikutveckling, men fortfarande tidigt möjlighetsfönster för förändring Ovanlig kombination avseende fördjupat akademiskt samarbete Möjlighet att stärka Sveriges position avseende resurseffektiv produktutveckling Riktlinjer för tidig anpassning av återvinningssystemet Baseras på designmodellering Fordons- och körcykelmodellering Kartläggning av tillverkning, demontering och återtillverkning Scenarier för End-of-life Utvärdering med livscykelanalys (LCA) 3

4 Arbetspaket 1: Jämförande LCA-studie av tre elmotorer Undersöka och jämföra miljöpåverkan mellan tre olika motorer och magneter, baserat på existerande kravbild och nuvarande typisk design för fordonsframdrift. SmCo Nd(Dy)FeB 1. PMSM med neodym-dysprosium-magneter 2. PMSM med samarium-kobolt-magneter 3. PM-assisterad synkronreluktansmaskin med keramiska strontium-ferrit-magneter Krav för jämförbarhet (i fordon): Acceleration (0-50 km/h) Topphastighet (upp till 6% lutning) Hantera driftspunkter i vald körcykel Sr-ferrite 4

5 Kartläggning av tillverkning Magneter tillverkade i Kina Övriga komponenter samt montering: USA respektive Sverige två olika emissionsprofiler för elmixen i produktion (och användning) Antagen livslängd i drift: km Demontering och återvinning ej inkluderat i studien pga. databrist 5

6 Kartläggning av tillverkning 6

7 Användarfasen Nd(Dy)FeB PMSM; 100 kw; 44,9 kg SmCo PMSM; 97 kw; 46,1 kg Sr-ferrit PMaSynRM; 95 kw; 45,6 kg Användarfasen utvärderades för varje motor modellerad i en i övrigt identisk elektrisk drivlina i ett typfordon körd enligt WLTC (Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle) samt sex ytterligare körcykler i ett robusthetstest. 7

8 Resultat Sr-ferrit PMaSynRM lägst energianvändning i drift Viktigaste miljöpåverkanskategorier: Global uppvärmning Landanvändning Humantoxicitet (cancerogena och icke-cancerogena ämnen) Luftvägspåverkande ämnen 8

9 Resultat Kopparbrytning utsläpp till vatten från gruvavfall Stål- och aluminiumproduktion 9

10 Slutsatser Bidrag till global uppvärmning och humantoxicitet har störst betydelse Tillverkningen står för g CO 2 -ekv./km för all motoralternativ PM-assisterad SynRM ger lägst utsläpp av CO 2 fortsatt undersökning Brytning och framställning av koppar ger toxiska utsläpp Magneternas bidrag till miljöpåverkan är främst indirekt Rekommenderade mål för motordesign hög energieffektivitet minimerad storlek/vikt på hölje/hus kortast möjliga ändlindningar segmenterade motorlaminat enkel demontering Rekommenderad metod för bedömning av resursutarmning är ej stabil 10

11 Tack så mycket för er uppmärksamhet! Frågor? 11

12 Energiförluster vid körning Detailed view of the distributed electricity use (net from battery excluding charging losses) over one cycle for the different motor options when tested using the WLTC in the assumed powertrain setup, including regeneration of energy during braking. Losses relating to the motor efficiency do not only occur in the motor itself, but also in the other components due to secondary effects. The rolling resistance differs slightly because of the variation in motor mass. 12

13 Robusthetsanalys körcykeldata WLTC sub cycles The amount of electricity (excluding charging losses) required to cover for losses caused by the electric motors, per kilometer over different drive cycles for the three motor options, including each motor s relative consumption compared to the WLTC (class 3) consumption (stated in percent above the chart). 13

14 Miljöpåverkan ändpunktsanalys ekosystem och hälsa ILCD endpoint results for the ecosystems (natural environment) category. Midpoint impact category contributions. The indicator is a measure of biodiversity, defined as the potentially disappeared fraction of species (PDF) integrated over volume and time. ILCD endpoint results for the human health category. Midpoint impact category contributions. Presented in DALYs (disability-adjusted life years). 14

15 Miljöpåverkan ändpunktsanalys resursutarmning ILCD endpoint results for the resource depletion category (ReCiPe 1.11 implementation). Contributions from different life cycle phases. 15

16 Miljöpåverkan mittpunktsanalys resursutarmning ILCD midpoint results for resource depletion, presented per life cycle phase. The impact of depletion of indium and cadmium in sulfide ore has been removed. CML v.4.4 (2015) midpoint results for abiotic resource depletion elements, ultimate reserves, presented per life cycle phase. 16

17 Fordonsparametrar Vehicle mass kg Driver mass 75 kg Aerodynamic drag coefficient, C d 0.28 Front cross sectional area, A 2.2 m 2 Rolling resistance coefficient, C r Wheel radius, r m Gear ratio, k gear Top speed 145 km/h 17

18 Elproduktion Sverige Production facility type Amount 2016 Share 2016 Amount 2012 Share 2012 Biomass-fired 9 TWh 5.9% 9.5 TWh 5,9% Combined heat and gas 2.5 TWh 1.7% 3.0 TWh 1,9% Hydro power 61 TWh 40.4% 79 TWh 48,4% Nuclear power 61 TWh 40.0% 61 TWh 37,8% Oil-fired 0.6 TWh 0.4% 0.3 TWh 0,2% Waste incineration 2.3 TWh 1.5% 2.3 TWh 1,4% Wind power 15 TWh 10.2% 7.2 TWh 4,4% The Swedish electricity production mix for 2012 and 2016, established to illustrate differences between the sampling year (2012) of the selected Ecoinvent datasets (used in the LCA study), and more recent data for Sweden in

19 Elproduktion USA Production facility type Amount 2016 Share 2016 Amount 2012 Share 2012 Biomass-fired 41 TWh 1.0% 38 TWh 0.9% Coal-fired TWh 30.2% TWh 37.4% Combined heat and gas 13 TWh 0.3% 11 TWh 0.3% Hydro power 266 TWh 6.5% 277 TWh 6.8% Natural gas-fired TWh 33.6% TWh 30.3% Geothermal 17 TWh 0.4% 17 TWh 0.4% Nuclear power 805 TWh 19.6% 769 TWh 19.0% Oil-fired 24 TWh 0.6% 23 TWh 0.6% Solar 56 TWh 1.4% 4 TWh 0.1% Waste incineration 36 TWh 0.9% 32 TWh 0.8% Wind power 226 TWh 5.5% 140 TWh 3.5% The US electricity production mix for 2012 and 2016, established to illustrate differences between the sampling year (2012) of the selected Ecoinvent datasets (used in the LCA study), and more recent data for the USA in

20 Generisk modellstruktur 20