Bränslecellstruckar och dieseltruckar inom lagerverksamhet

Transkript

1 EXAMENSARBETE INOM TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP STOCKHOLM, SVERIGE 2018 Bränslecellstruckar och dieseltruckar inom lagerverksamhet En jämförande livscykelanalys och kostnadskalkyl ANNA TONNER BENJAMIN NESTOROVIC KTH SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD

2 2

3 Sammanfattning Den miljöpåverkan förbränning av fossila bränslen ger upphov till måste minskas och med fortsatt ökad e-handel blir behovet att lagerverksamheter, där de interna transporterna oftast utgörs av dieseltruckar, större. Konkurrenskraftiga alternativa bränslen behövs för att tillgodose det ökade behovet. Bränslecellstruckar drivna på vätgas producerad med elektricitet från förnyelsebara energikällor skulle kunna vara ett alternativ då emissionerna enbart består av vatten. För att undersöka om bränslecellstruckar orsakar mindre miljöpåverkan utfördes en jämförande livscykelanalys på en 5 tons diesel- respektive bränslecellstruck. Jämförelsen utfördes både för en bränslecellstruck där framställningen av vätgasen sker lokalt och för en där vätgasen köps in från en gasleverantör. Framställningen i de båda fallen sker genom alkalisk vattenelektrolys. Jämförelsen gjordes på ett fallspecifikt lager för Ramirent i Brunna där det idag finns 21 stycken truckar som drivs på diesel. Resultatet visar på att skillnaden i miljöpåverkan mellan bränslecellstruckarnas två olika fall är minimal, men att dieseltrucken bidrar till mer miljöpåverkan i 14 av 18 miljöpåverkanskategorier utifrån ett livscykelperspektiv. För dieseltrucken är det utvinningen och förbränningen av dieseln som har störst påverkan i de flesta miljöpåverkanskategorier. Vidare visar resultatet att bränslecellen, samt tillverkningen av den, är det som generellt bidrar till mest miljöpåverkan för de flesta påverkanskategorierna för bränslecellstrucken. För att möjliggöra en omställning krävs ofta inte bara att den är bättre ur miljösynpunkt, utan att omställningen dessutom är kostnadseffektiv. Därmed beräknades även kostnaderna för en omställning med hjälp av nuvärdesmetoden för de tre olika fallen. Detta gjordes genom att först låta de befintliga dieseltruckarna, med en antagen livslängd på drifttimmar, bytas ut succesivt under en 10 års period mot nya dieseltruckar. För de båda andra fallen säljs dieseltruckarna med restvärden och nya bränslecellstruckar, samt en ny tankstation, köps in. För fallet med egenproducerad vätgas måste även en elektrolysanläggning införskaffas till skillnad från fallet med inköpt vätgas. Resultatet visar på att investeringen med bränslecellstruckar inte är kostnadseffektiv för varken egenproducerad eller inköpt vätgas. Kostnaderna ökar med 3,4% respektive 28,9% över en 10 års period, jämfört med att fortsätta använda dieseltruckar. Vidare visar en känslighetsanalys i studien att ett nystartat lager, i samma storlek som Ramirents i Brunna, är mer lönsamt om bränslecellstruckar köps in och en vätgasproduktion etableras än om dieseltruckar köps in. Kostnadsreduktionen för detta scenario är 1,4% över en 10 års period. Studiens känslighetsanalys visar att lönsamhet för inköpt vätgas uppnås för ett nystartat lager och Ramirents lager när vätgaspriset sjunkit med 59,5% respektive 71,6% från dagens pris 222 kr/kg. Ytterligare resultat från känslighetsanalysen visar att potential finns att öka de årliga intäkterna för fallet med egenproducerad vätgas genom att sälja den extra mängd vätgas som kan produceras med elektrolysanläggningen, men som inte används av truckarna. Avslutningsvis kan det konstateras att bränslecellstruckar har mindre total miljöpåverkan ur ett livscykelperspektiv. Det är i dagsläget inte lönsamt att övergå från diesel- till bränslecellstruckar på Ramirents lager i Brunna. För en 10 års period är dock de extra kostnaderna för fallet med egenproducerad vätgas relativt små. Känslighetsanalysen visar dessutom på potentiellt mindre kostnader för bränslecellstruckar med egenproducerad vätgas för nystartade lager. Priset på vätgas och dess utveckling är en betydande parameter för investeringens lönsamhet för fallet med inköpt vätgas. Rekommendationer för vidare studier är att undersöka möjligheten att sälja överskottsvätgas, samt biprodukten syrgas, från den egna elektrolysanläggningen för att öka de årliga intäkterna. 3

4 Abstract The environmental impact from fossil fuels must be reduced and with the continued increase in e-commerce, the need for warehouse operations becomes greater, where internal transports usually consists of diesel forklifts. Competitive alternative fuels are necessary to meet the increased need. Fuel cell forklifts powered by hydrogen produced from renewable energy sources could be an option, since the emissions consist solely of water. To investigate whether fuel cell forklifts cause less environmental impact, a comparative life cycle analysis was performed on a 5-tonne diesel and fuel cell forklift, respectively. The comparison was carried out both for a fuel cell forklift where the hydrogen is produced locally and for one where the hydrogen is purchased from a gas supplier. The production method is alkaline water electrolysis for both cases. The comparison was made on a case specific warehouse for Ramirent in Brunna, where there are currently 21 diesel forklifts. The result shows that the difference in environmental impact between the two different cases of fuel cell trucks is minimal, but that the diesel truck contributes to more impact in 14 of 18 environmental impact categories from a life cycle perspective. For the diesel forklift, it is the extraction and incineration of the diesel that has the greatest impact in most environmental impact categories. Furthermore, the result shows that the fuel cell, as well as the production of it, is generally contributing to the most impact categories for the fuel cell truck. To enable a transformation, it is often not only required that it is better from an environmental perspective, but also cost effective. Thus, calculations were carried out for the cost of a transformation, using the net present value method for the three different cases. This was first done by replacing the existing diesel trucks, with an assumed lifetime of 20,000 hours of operation, successively over a 10-year period for new diesel trucks. In the both other cases, the diesel trucks with residual values are sold and new fuel cell trucks, as well as a new hydrogen station, are purchased. For the scenario with locally produced hydrogen, an electrolysis plant must also be purchased as opposed to the scenario with purchased hydrogen. The result shows that the investment in fuel cell trucks is not cost effective for either locally produced or purchased hydrogen. Costs increase by 3.4% and 28.9%, respectively, over a 10- year period, as compared to a continued use of diesel trucks. Furthermore, a sensitivity analysis in the study shows that a new warehouse, with the same size as Ramirents in Brunna, is more profitable if fuel cell trucks are purchased, and a hydrogen production is established, than if diesel trucks are purchased. The cost reduction for this scenario is 1.4% for a 10-year period. The sensitivity analysis of the study shows that profitability for purchased hydrogen is reached for a new warehouse and Ramirent's warehouse when the hydrogen price has been reduced by 59.5% and 71.6%, respectively, from today's price of 222 SEK/kg. Further results from the sensitivity analysis show that there is a potential to increase the annual revenues, for the scenario with hydrogen production, by selling excess hydrogen from the electrolysis plant. In conclusion, fuel cell trucks have less overall environmental impact from a life cycle perspective. At present, it is not profitable to switch from diesel to fuel cell trucks at Ramirent's warehouse in Brunna. However, for a 10-year period, the extra costs for the scenario with locally produced hydrogen are relatively small. In addition, the sensitivity analysis shows potentially lower costs for fuel cell trucks with local hydrogen production for newly started warehouses. The price of hydrogen and its development is a significant parameter for the investment's profitability for the scenario with purchased hydrogen. Recommendations for further studies are to examine the possibility of selling excess hydrogen, as well as the by-product oxygen, from the electrolysis to increase annual revenues. 4

5 Förord Denna rapport är ett kandidatexamensarbete som utförts av två studenter på civilingenjörsprogrammet Energi och miljö på Kungliga Tekniska Högskolan, KTH. Tack ska riktas till vår handledare på KTH, Anna Björklund och vår handledare på WSP, Claës af Burén som båda bidragit med stor hjälp med inledande information, samt utformning av projektet. Ytterligare ett tack till Ramirent i Brunna samt de företag och aktörer som ställt upp och besvarat frågor. 5

6 Innehållsförteckning Anna Tonner & Benjamin Nestorovic 1 Introduktion Inledning Syfte Mål Definitioner 9 2 Metod Livscykelanalys Målbeskrivning och omfattning Inventeringsanalys (LCI) Påverkansbedömning (LCIA) Tolkning av resultat och känslighetsanalys SimaPro Kostnadskalkyl Nuvärdesmetoden 13 3 Bakgrund och teori Diesel och dieselmotorn Vätgas Framställning av vätgas Lagring av vätgas Bränslecellen 16 4 Fallstudie och avgränsningar Fallstudie Avgränsningar 19 5 Resultat och analys Livscykelanalys Målbeskrivning och omfattning Inventeringsanalys (LCI) Påverkansbedömning (LCIA) & tolkning av resultat Känslighetsanalys Kostnadskalkyl Data Resultat Känslighetsanalys 46 6 Diskussion och slutsatser Diskussion av miljöpåverkan 6.2 Diskussion av kostnadskalkyl 6.3 Slutsatser 7 Rekommendationer 54 8 Referenser 56 Bilagor 65 6

7 1 Introduktion 1.1 Inledning Forskare är idag eniga om att den negativa klimatpåverkans största orsak är mänskliga aktiviteter. De antropogena utsläppen stör både naturens balans och bidrar till den globala uppvärmningen genom att förstärka växthuseffekten. Koldioxid är en av de växthusgaser som i stor omfattning påverkar klimatet negativt och ökar jordens medeltemperatur. Utsläpp av växthusgasen uppkommer bland annat vid förbränning av fossila bränslen (WWF, n.d). Mellan 1970 och 2010 bidrog koldioxid från förbränning av fossila bränslen med ca 78% av de totala växthusutsläppen (IPCC, 2014). Andra växthusgaser som metan och lustgas har också ökat med mänskliga aktiviteter som orsak. Ungefär hälften av den mängd metan och lustgas som finns i atmosfären idag uppkommer på grund av mänsklig påverkan. (Naturvårdsverket, n.d. a) Vid förbränning av fossila bränslen uppkommer även luftburna föroreningar som exempelvis kväveoxider som bildas då syret i luften reagerar med kväve under förbränning vid de höga temperaturerna. Ökade halter av kväveoxider är giftiga både för människan och miljön. Kväveoxider bidrar dels till försurning och övergödning av både mark och vatten men även till bildning av marknära ozon (Naturvårdsverket, n.d. b). Föroreningar som PM10, PM2.5 och svaveloxider uppkommer också vid förbränning och kan även de bidra till hälsorisker och andra miljöproblem (Naturvårdsverket, n.d c). Dagens fossilberoende berör de flesta sektorer av samhället. Industrier och företag med behov av lagerverksamhet använder bland annat fossila bränslen i verksamheten för intern transport i form av dieseltruckar (WSP, 2017). Lagerverksamheten i Sverige förväntas dessutom växa då nätbaserade köp har fått en stor ökning de senaste åren och enligt prognoser på uppdrag från Svensk Handel kommer fortsätta öka. För e-handlarna är det då viktigt att kunna leverera produkter snabbt och smidigt, vilket förutsätter en ökad lagerverksamhet (HUI research, 2016). En omställning till förnyelsebara energikällor är därför av stor vikt för att minska föroreningar och den förstärkta växthuseffekten. De förnyelsebara energikällorna har dock sina brister. Förnyelsebar elproduktion från källor såsom vind och sol är momentan och kan därför inte planeras (Svenska kraftnät, 2015). Vid överproduktion av elektricitet går energin antingen till spillo eller så sker stora energiförluster om lagringen sker i exempelvis batterier. Att ta vara på överproduktion istället för att låta den gå förlorad kan göras genom att lagra energin i vätgas. Vätgasen fungerar då som en energibärare och som en typ av mellanlagring. Inga läckage sker heller i själva lagringen (Vätgas Sverige, n.d.a). Vätgasen har alltså stor potential att kombineras med förnyelsebara energikällor som vind- och solkraft. Om vätgasen dessutom produceras vid låga elpriser så kan den sedan användas som balanskraft mot de förnyelsebara energikällorna (Östberg, 2017). Vätgas som energibärare är energirik och kan enkelt produceras via elektrolys av vatten som delas och blir vätgas och syrgas med hjälp av elektricitet. Om elektriciteten produceras med förnyelsebara energikällor blir även vätgasen förnyelsebar (Energigas Sverige, n.d.a). Utsläpp av koldioxid, andra växthusgaser och föroreningar kan minska drastiskt genom en omställning till vätgas kombinerat med användandet av bränslecellsteknik (Vätgas Sverige, n.d.b) Idag satsas både forskning och teknik för att utveckla alternativa drivmedel. Här ingår bland annat elektriskt drivna fordon, med batterier som energibärare, och bränslecellsfordon, med 7

8 vätgas som energibärare, samt hybrider av olika slag (Energimyndigheten, 2017). Många truckar på lager och i industrier är redan idag elektrifierade och är batteridrivna. Problematiken med dessa truckar är att drifttiden är mycket kortare än för både diesel- och vätgasdrivna truckar. De har även en lång laddningstid och ökad fordonsvikt. Den långa laddningstiden har minskat möjligheten till utökade arbetstimmar (Treiber, 2016). Att ladda en bränslecellstruck tar mindre än två minuter till skillnad från en batteridriven där laddningstiden är minst åttio minuter för ett litiumjonbatteri (Plug Power, n.d)(jungheinrich, n.d). Ytterligare en svaghet hos de batteridrivna truckarna är att batteriet töms snabbare till skillnad från bränslecells- och dieseltruckar där förbrukningen inte påverkas lika mycket av de tunga lyften. Vid en efterfrågan på större truckar blir därför bränslecellstruckar mer relevanta än batteridrivna truckar som ersättare till dieseltruckar (Plug Power, n.d). Länder som Japan, Kina och USA har sedan ett par år tillbaka redan påbörjat omställningar till vätgasdrift inom lagerverksamhet och industrier. Med fortsatt utvecklad teknik har även industrier och lagerverksamheter i Sverige under de senaste åren fått ökat intresse av att implementera vätgasdrivna truckar inom sina verksamheter. Ståljätten SSAB har tillsammans med TFK och Kalmar ett pågående projekt där de interna transporterna i deras verksamhet i Oxelösund drivs på vätgas (Vätgas Sverige, 2016). Projektet utförs under våren 2018 med syfte att få SSAB:s interna transporter koldioxidfria. Projektet ska sedan utvärderas utifrån exakta antal drifttimmar och dess faktiska klimatpåverkan (SSAB, 2016). Dieseltruckar som ofta används som drivmedel inom intern transport medför inte bara miljöpåverkan i form av klimatförändringar, utan även exempelvis övergödning och försurning (SPBI, n.d). Intresse finns därför i att göra en heltäckande analys på truckarnas miljöpåverkan. Energiforsk utförde en teknikbevakning på bränslecellstruckar i slutet av år 2016 där deras potential att etableras inom processindustrin undersöktes. Denna studie förutsatte att vätgas redan fanns tillgängligt inom industrin som restprodukt från befintliga processer. Under en 6 års period blev resultatet att en bränslecellstruck är mer lönsam än en dieseltruck. Lönsamheten utgår dock från att en befintlig dieseltruck byggs om till en bränslecellstruck och inte att en färdig truck köps in (Treiber, 2016). Det är därför intressant att fortsätta undersöka eventuell lönsamhet och total miljöpåverkan för verksamheter där vätgas inte går att tillgå från början och där bränslecellstrucken köps in som en komplett produkt. I denna studie låg fokus på ett specifikt lager hos Ramirent, i Brunna, där vätgas inte finns som restprodukt och analysen innefattade miljöpåverkan ur ett helhetsperspektiv. 1.2 Syfte Projektet genomfördes med syftet att, ur miljö- och kostnadssynpunkt, undersöka möjligheterna för lagerföretag att ersätta befintliga dieseltruckar med bränslecellstruckar samt etablera en vätgasproduktion lokalt. 1.3 Mål Ett av målen var att identifiera miljöpåverkan inom lagerverksamhet från dieseltruckar jämfört med bränslecellstruckar drivna på inköpt respektive lokalproducerad vätgas utifrån ett livscykelperspektiv. Ett annat mål var att redovisa kostnader för omställningen från dieseltruckar till bränslecellstruckar, redogöra kostnader för en etablering av vätgasproduktion, samt identifiera betydande parametrar för ekonomisk lönsamhet. 8

9 1.4 Definitioner Grön el = El producerad från förnyelsebar energi Grön vätgas = Vätgas som framställts med grön el Elektrolyt = En substans av, ofta, fritt rörliga joner som gör ett ämne elektriskt ledande Anod = Den elektrod som är kopplad till den positiva polen Katod = Den elektrod som är kopplad till den negativa polen Katalysator = Ett ämne som ökar hastigheten för en kemisk reaktion Bränslecell = En energiomvandlare som gör det möjligt att omvandla vätgasens kemiska energi till elektricitet PEMFC = Proton-exchange membrane fuel cell Membran = Ett tunt skikt som fungerar som en åtskiljande barriär LCA = Livscykelanalys LCI= Inventeringsanalys LCIA = Miljöpåverkansbedömning Diskontering = Beräkning av värdet för en framtida intäkt eller utgift då den omräknas tillbaka i tiden N = Kväve U235 = Uranium-235 Fe = Järn Råolja = Olja då den direkt pumpats upp ur marken eller från havsbotten CO 2 = Koldioxid CO = Kolmonoxid CH 4 = Metan CFC = Klorflourföreningar SO 2 = Svaveldioxid P = Fosfor PM10= Massan av partiklar i luften som är mindre än 10 mikrometer PM2.5= Massan av partiklar i luften som är mindre än 2,5 mikrometer NMVOC = Flyktiga organiska ämnen (Icke metan) DCB= Diklorbensen tkm = ton*km 9

10 2 Metod Anna Tonner & Benjamin Nestorovic Figur 2.1 Illustration för hur olika metoder bidrar till projektets delmål. Metodavsnittet syftar till att tydliggöra arbetsprocessen, vilket illustreras i figur 2.1. På detta vis kan läsaren få ökad förståelse för hur resultatet uppnåtts. I metodavsnittet redovisas verktyg och tillvägagångssätt som använts i studien. Som underlag till studiens två huvudmetoder gjordes först en litteraturstudie kompletterat med intervjuer, vilket beskrivs i avsnitt 2.1. Metoden livscykelanalys/life Cycle Assessment (LCA), som användes för jämförelsen av miljöpåverkan inom lagerverksamhet mellan diesel- och bränslecellstruckar, beskrivs i avsnitt 2.2. Från avsnitt till avsnitt beskrivs LCA:ns fyra huvudsteg. I avsnitt ges en beskrivning av mjukvaran SimaPro 8.4 och dess databaser som behandlar miljöpåverkan av material, processer och emissioner. Utförandet av kostnadskalkylen redovisas i avsnitt 2.3 och Nuvärdesmetoden beskrivs mer specifikt i avsnitt Litteraturstudie och intervjuer Som underlag till LCA:n och kostnadskalkylen utfördes en litteraturstudie där material och sekundärdata från tidigare studier inom området samlas in. Litteraturstudien inkluderade vetenskapliga rapporter, böcker och tidskrifter gällande vätgas, vätgasframställning, vätgaslagring, bränsleceller, diesel, dieselmotorer och truckar. Relevanta tekniker med hög teknisk mognad undersöktes och de komponenter som behövs för vätgasframställning, vätgaslagring och bränslecellen togs fram. För att få djupgående information inom specifika områden utfördes även intervjuer med relevanta aktörer. Alkalisk vattenelektrolys, vätgaslagring, typanläggningar för vätgasframställning, bränsleceller och truckar är exempelområden för de intervjuer som genomförts. 10

11 2.2 Livscykelanalys LCA är en holistisk, vaggan till graven-metod för att översiktligt visa en produkts eller process miljöpåverkan under dess hela livscykel. Genom att följa material- och energiflöden för en produkt eller process kan den totala miljöpåverkan från alla processer, produkter och aktiviteter analyseras. På detta sätt undviks suboptimering då miljöpåverkan som annars kan hamna utanför den typiska omfattningen av en analys inkluderas. En LCA innehåller i huvudsak fyra steg: målbeskrivning och omfattning/goal and scope definition, inventeringsanalys/life Cycle Inventory (LCI), påverkansbedömning/life Cycle Impact Assessment (LCIA), samt tolkning av resultat och känslighetsanalys/life Cycle Interpretation and sensitivity analysis. Dessa steg beskrivs närmare nedan i avsnitt Referensen för dessa avsnitt är Life Cycle Assessment Handbook skriven av Mary Ann Curran (Curran, 2015) Målbeskrivning och omfattning En LCA initieras med en målbeskrivning och en definition av analysens omfattning. Här fastställs syftet med analysen, men även val gällande detaljer i produkten eller processen görs. Detaljerna är viktiga för att noggrant visa tillvägagångssättet för genomförandet av analysen. En framgångsrik analys beror av en entydig definition av syftet med studien från början eftersom målbeskrivningen och omfattningen ständigt kopplas till de resterande stegen av LCA:n. Ett väldefinierat mål förenklar definitionen av studiens omfattning och avgränsningar som i sin tur säkerhetsställer att bredden och detaljerna av studien är tillräckliga för att uppnå målet. Målbeskrivningen och omfattningen kan under arbetsgången omarbetas och omdefinieras. Detta kan behöva göras när exempelvis data och information visar begränsningar som gör det svårt att göra en komplett inventeringsanalys. Målbeskrivningen och omfattningen ska innehålla en definierad systemfunktion och funktionell enhet, systemgränser, hur detaljerad processdatan är, exkludering av livscykelsteg eller inflöden, samt valet av påverkanskategorier där indikatorer och karakteriseringsfaktorer inkluderas. Med systemfunktion menas ur vilket perspektiv systemet ska undersökas, vilket påverkar hur målbeskrivningen formuleras. Ett exempel på detta är att systemfunktionen definieras annorlunda om två produkter jämförs än om en specifik produkts olika delar undersöks. Detta är även kopplat till vilken sorts LCA som görs. En ALCA (attributional LCA) jämför exempelvis förhållandet mellan flöden in till en produkt, medan en CLCA (consequential LCA) visar konsekvenserna av ett visst beslut. Vilken av dessa som väljs måste definieras. Den funktionella enheten används för att ge en referens för hur in- och utflöden är relaterade till varandra. Det är extra viktigt med en väldefinierad funktionell enhet när LCA används för att jämföra två produkter då den beskriver produkternas funktion och därmed minskar skillnader mellan dem. Systemgränser måste inkludera livscykelsteg i analysen, geografiska och tidsbestämda gränser i analysen, samt flöden och vilka påverkanskategorier som ska inkluderas Inventeringsanalys (LCI) För att utföra en LCA är LCI:n ett viktigt steg då den ger en bas för att utföra påverkansbedömningen. Det är därför viktigt att inventeringen görs så felfritt och så fullständigt som möjligt. LCI:n är den delen av analysen där data för in- och utflöden insamlas och kvantifieras för en produkt eller process livscykel. In- och utflöden kvantifieras som enhetsprocesser vilket exempelvis kan vara oljeraffinering eller en lastbilstransport. Dessa enhetsprocesser kopplas sedan ihop och bildar flödesscheman som används för att ge en översiktlig bild av produktens livscykel. Enhetsprocesserna behandlas vanligtvis som 11

12 svarta boxar som gör om inflöden till utflöden. Inflöden kan vara produkter, avfall eller naturliga resurser och utflöden kan vara produkter, avfall men även utsläpp. För alla flöden ska storleken specificeras och omvandlingar sker normalt sett linjärt. Det sistnämnda betyder att om produktionen av exempelvis 1 kg aluminium kräver 20 kwh elektricitet kan man vid inflödet 3 kg aluminium anta 60 kwh elektricitet. Antagandet om linjäritet är en viktig begränsning i LCA:n då det gör beräkningar enklare Påverkansbedömning (LCIA) När den stora mängden data av in- och utflöden har samlats i LCI:n konverteras datan till relevanta påverkanskategorier, vilket kallas klassificering. Med en LCIA kan magnituden och betydelsen av potentiella miljöproblem för en produkts eller process livscykel sedan visas. Anledningen till att LCIA:n utförs är att resultatet från LCI:n, vilket ofta utgörs av en inventeringstabell, dels är väldigt långt samt att vissa ämnen och föreningar kräver expertkunskap för att visa deras miljöpåverkan. Genom att modellera möjlig påverkan kan en LCIA visa ekologiska och mänskliga effekter, samt förluster av naturliga resurser. Exempel på dessa är klimatförändringar, strålning, markanvändning och uttömning av fossila bränslen. Kategorin klimatförändringar kopplas exempelvis till data för växthusgaserna CO 2, CH 4, samt N 2 O och ger dem den gemensamma enheten CO 2 -ekvivalenter, vilket kallas karaktärisering. För att fastställa kvantiteten av exempelvis klimatförändringar måste ett tidsintervall för påverkan väljas. Enligt metoden LCA kan detta kan göras på två sätt, midpoint approach och endpoint approach. Med midpoint ämnas påverkan som sker mellan själva utsläppet och endpoint visas. Midpoint genererar alltså en större säkerhet då påverkan mäts närmare utsläppet (RIVM, 2011). Ytterligare en skillnad är att midpoint-indikatorer visar miljöpåverkan från enskilda miljöproblem såsom övergödning och klimatförändring. Endpoint-indikatorer fokuserar oftast på miljöpåverkan för de tre utgångspunkterna, påverkan på människors hälsa, biologisk mångfald och brist av resurser (RIVM, 2011). Generellt sett har indikatorer som väljs närmare inventeringsresultatet lägre osäkerhet då endast delar av miljömekanismen behöver modelleras. Då endpoint har stora osäkerheter väljs oftast midpoint för större noggrannhet (PRé Consultant elt al, 2013). Valfria steg kan genomföras i en LCA för att sätta resultaten i perspektiv till andra värden. Normalisering är ett exempel på detta där karaktäriseringsresultaten relateras till övrig påverkan inom samma påverkansområde, kopplat till ett referensvärde. Detta referensvärde kan exempelvis vara en genomsnittseuropés miljöpåverkan över ett år Tolkning av resultat och känslighetsanalys När LCI- och LCIA-stegen är utförda ska resultaten från dem analyseras och tolkas. Detta görs med en systematisk teknik som identifierar, kvantifierar, utvärderar och slutligen summerar de tidigare stegen. Utvärderingen ser till att all relevant information och data är så tillgänglig och komplett som möjligt. Den kopplar även tillbaka LCI- och LCIA-stegen till studiens målbeskrivning och omfattning för att se om studien är konsekvent. Utfallet från detta blir ett flertal slutsatser och rekommendationer för studien som sedan ska redovisas på ett förståeligt och konsekvent sätt. Osäkerheter som kan uppstå på grund av slumpmässiga eller systematiska fel i datan, antaganden eller stor variation av datakällor undersöks. En känslighetsanalys inkluderas dessutom i utvärderingen som undersöker osäkerheterna, samt tillförlitligheten i resultaten och slutsatserna. Känslighetsanalysen utförs genom att systematiskt ändra på inflödesparametrar och sedan undersöka eventuella skillnader i resultatet. 12

13 2.2.5 SimaPro Utförandet av en LCA kräver expertis och förståelse för det ämne som studeras. Tillgängligheten till avancerade LCA-mjukvaror som exempelvis SimaPro förenklar analysen (Goedkoop et al, 2016). Med SimaPro kan processer, grupperingar och komplexa livscyklar skapas och analyseras systematiskt och transparent (SimaPro, 2018). Uppbyggnaden av mjukvaran motsvarar tillvägagångssättet i en LCA, vilket gör att arbetssättet i SimaPro blir integrerat med LCA-metodiken. Vid utförandet av ett projekt i SimaPro kan olika databaser väljas till biblioteket för studien. Ett exempel på en databas är ecoinvent 3.4 som innehåller över processer och är sammanställd av LCI-experter från olika institutioner i Schweiz. I processerna ingår alla emissioner som de orsakar. För LCIA-steget visar SimaPro resultatet översiktligt både i flödesscheman och diagram (Goedkoop et al, 2016). 2.3 Kostnadskalkyl Då en ny investering görs syftar den att ge positiva konsekvenser, ofta inom en viss tidsperiod. Att utföra en investering innebär att en insats görs av en viss andel kapital vid en viss tidpunkt. En kostnadskalkyl är då viktig för att beräkna huruvida investeringen är lyckad eller ej (UC, n.d a). Nuvärdesmetoden är en vanligt förekommande metod vid kostnadskalkyler, vilken beskrivs vidare i avsnitt Nuvärdesmetoden Nuvärdesmetoden är en av de mest använda metoderna vid ekonomisk värdering och den används för att beräkna lönsamheten för en viss investering (Berk, 2014). Ett vanligt förekommande exempel på användningsområden är då metoden används vid byte av en äldre arbetsmaskin mot en nyare. Vid beräkning av nuvärdet används en kalkylränta, även kallad diskonteringsränta, för att uppskatta hur penningvärdet kan tänkas ändras över tid. Kalkylräntan kan beräknas med hänsyn till olika parametrar. Exempel på parametrar är företagets aktuella låneränta eller räntabiliteten på andra investeringar som finns i företaget (UC, n.d b). Nuvärdesmetoden går ut på att kostnader och framtida intäkter diskonteras till dagens penningvärde, år noll. Här uppskattas både värdeökningar och värdeminskningar. Detta utförs genom att kostnader och intäkter multipliceras med en diskonteringsfaktor där hänsyn tas till kalkylränta och ekonomisk livslängd. Diskonteringsfaktorn beräknas enligt ekvation 2.1, där r = kalkylränta och n = ekonomisk livslängd (Olsson, 1998). diskonteringsfaktor =. (.01)! (2.1) Nuvärdet (NUV) beräknas enligt ekvation 2.2, där n = ekonomisk livslängd, r = kalkylränta, R n = Restvärde vid år n, I i = Intäkter vid år i och U i = Utgifter vid år i (Olsson, 1998). 8 NUV = 79. (I r) =7 + R 8 (1 + r) = (U 7 (1 + r) =7 ) (2.2) Ett nettonuvärde (NNV) kan sedan beräknas och om investeringen varit lönsam så indikeras ett nettonuvärde som överstiger eller är lika med noll (Berk, 2014). Nettonuvärdet beräknas enligt ekvation 2.3 (E-conomic, n.d), där G = Grundinvesteringen. NNV = NUV G (2.3) 13

14 3 Bakgrund och teori I avsnittet bakgrund och teori ges en introduktion till diesel respektive vätgas som bränsle samt hur dessa kan användas i truckar på lager. Del 3.1 behandlar diesel som bränsle och redovisar dieselmotorns betydelse och hur den används i truckar. Detta följs av del 3.2 där vätgas beskrivs. De vanligaste framställningsmetoderna, med fokus på alkalisk elektrolys, och lagringsmöjligheterna redovisas. I del 3.3 nämns de vanligaste typerna av bränsleceller, där PEMFC och dess uppbyggnad redovisas mer noggrant. Bränslecellens användningsområden för fordon redovisas även här. 3.1 Diesel och dieselmotorn Förbränningsmotorn har använts sedan 1860 och har sedan dess utvecklats och haft stort inflytande på dagens samhälle (Gupta, 2012). Transport, industrier och jordbruk har länge dominerats av förbränningsmotorn där dieselmotorn är den mest effektiva och genererar minst utsläpp av växthusgaser. All typ av förbränning bidrar dock till att koldioxid bildas. Koldioxid är även de utsläpp som bidrar mest till växthuseffekten totalt och mängden utsläpp är direkt proportionell mot energianvändningen vilket försvårar minskning av koldioxidutsläpp och rening (Björsell, 2017). Förbränningen som sker i en dieselmotor frigör inte bara koldioxid utan även andra ämnen som är skadliga och har en negativ miljöpåverkan. Exempel på ämnen som frigörs utöver koldioxiden (CO 2 ) är kolmonoxid (CO), kväveoxider (NO x ), svavel och bly (SPBI, 2017). Själva bränslet diesel framställs ur råolja som är raffinerad och räknas därför som ett fossilt bränsle. Idag används fossila bränslen, bensin och diesel, främst i transportsektorn för fordon. Detta gäller även för arbetsmaskiner. Lyft- och dragtruckar som ingår i samlingsnamnet arbetsmaskiner har under lång tid dominerats av diesel som drivmedel (WSP, 2017). 3.2 Vätgas Intresset för vätgas har ökat i takt med de ökade luftföroreningarna i världen. Vätgas är en flexibel och potentiellt ren energibärare som har ett flertal tillämpningsområden, men de främsta användningsområdena för vätgas är idag generellt sett industriella. Vätgasen produceras i synnerhet för att kunna syntetisera ammoniak som används för bland annat konstgödsling (Guillet and Millet, 2015). Fordonstillverkare som Toyota och Hyundai har lanserat bränslecellsbilar med vätgas som bränsle (Bessarabov et al., 2016). Ett flertal företag, däribland Linde Material Handling, har även börjat producera truckar drivna på vätgas. Attraktiviteten har ökat då fördelarna gentemot batteridrivna truckar har visats vara stora inom lagerverksamhet. Bränslecellstruckar kan dimensioneras större, tankas fortare och ha längre räckvidd än batteridrivna truckar (Treiber, 2016) Framställning av vätgas Vätgas kan produceras på olika sätt, både med fossila bränslen och förnyelsebara energikällor producerades ungefär 70 miljoner ton vätgas, varav 48% från naturgas, 30% från raffinaderi/kemiska utsläpp, 18% från kol och endast 4% från elektrolys (Guillet and Millet, 2015). Den vanligaste metoden är idag ångreformering som involverar en endotermisk reaktion som omvandlar metan och vattenånga till vätgas och kolmonoxid. För att maximera produktionen reageras kolmonoxiden med vattenånga återigen som ger en ytterligare mängd vätgas, med koldioxid som biprodukt (IEA, 2006). Denna metod för vätgasproduktion är till stor del beroende av fossila bränslen och bidrar till utsläpp av växthusgaser, även om ångreformering går att göra på bioframställd metan. En nackdel med ångreformering är att 14

15 bränslecellen blir mindre effektiv då vätgasframställningen skett genom ångreformering jämfört med elektrolys (Breeze, 2017b). Förnyelsebara produktionsmetoder utgörs av olika varianter av elektrolys där vätgas produceras med hjälp av elektricitet. Alltså avgör elektricitetens härkomst huruvida vätgasen blir förnyelsebar eller inte. Exempel på metoder för elektrolys är Solid Oxide Electrolyses (SOE), Proton-Exchange Membrane elektrolys (PEM) och alkalisk vattenelektrolys, där den sistnämnda är den kommersiellt mest mogna (Bessarabov et al., 2016). PEM-metoden har dock en framtida potential då priset förväntas sjunka (Roos & Lundberg, 2018). Då alkalisk vattenelektrolys är industriellt etablerat och billigare analyseras denna metod mer djupgående och illustreras i figur 3.1. Figur 3.1 Förenklad illustration för hur en alkalisk vattenelektrolys fungerar. I alkalisk elektrolys används en vattenlösning med 20 30% kaliumhydroxid (KOH) och resten avjoniserat vatten som elektrolyt. Ytterligare komponenter som behövs är två elektroder samt ett membran för att skilja vät- och syrgasen åt, se figur 3.1. Elektroderna består oftast av nickel eller nickelpläterat stål då det har bra resistans mot korrosion, elektrokemisk aktivitet, samt en rimlig kostnad (Guillet and Millet, 2015). Temperaturen och trycket under processen är oftast 65 o C till 100 o C respektive 25 bar till 30 bar (Bessarabov et al., 2016). Reaktionerna som sker i den alkaliska elektrolysen redovisas i ekvationerna (IEA, 2006). Elektrolyt: 2H C O 2H 0 + 2OH = (3.1) Katod: 2H 0 + 2e = H C (3.2) Anod: 2OH = Ċ O C + H C O + 2e = (3.3) 15

16 Totalt: H C O Ċ O C + H C (3.4) Det produceras vätgas och syrgas på katoden respektive anoden som båda samlas upp och lagras. Syrgasen är en värdefull biprodukt som kan säljas för att öka den ekonomiska lönsamheten. Tack vare hög renhet hos syrgasen kan den säljas till bland annat sjukhus, men också till industrier för att effektivisera förbränningsprocesser (Wallmark et al., 2014). Verkningsgraden för vätgasproduktionen varierar mellan 65 75% beroende av temperatur, tryck och andel kaliumhydroxid i elektrolyten (Guillet and Millet, 2015). Ett problem med alkalisk vattenelektrolys är den korrosion som uppstår på elektroderna på grund av kaliumhydroxiden (Bessarabov et al., 2016). Elektrolysen är dessutom inte kompakt och fungerar endast med måttlig ström. Det positiva med alkalisk vattenelektrolys är att metoden har en låg kostnad, hög pålitlighet och lång hållbarhet. Den senaste tekniken gällande alkalisk vattenelektrolys har dessutom blivit effektivare, pålitligare och bättre på att kombineras med fluktuerande förnyelsebara energikällor med oregelbunden kraftproduktion (Guillet and Millet, 2015) Lagring av vätgas Efter produktion måste vätgasen lagras där den vanligaste metoden är att komprimera gasen och sedan förvara den i vätgasbatterier som utgörs av ett flertal cylindriska tuber, vilket är mycket billigare än att lagra vätgasen i större tankar (Baden, 2018). Lagringen kan också ske i form av flytande väte eller i fast form som metallhydrid. Hur vätgasen lagras beror på dess användningsområde. För fordon är det viktigt med ett bränsle med så liten vikt och volym som möjligt och därför används komprimerad gas generellt sett (Sørensen, 2012). Vätgasen komprimeras för att öka energitätheten och trycket ändras från cirka 35 bar till 350 eller 700 bar beroende på användningsområde. Komprimeringen är energikrävande och det krävs uppskattningsvis 4,5 MJ/kg vätgas respektive 6 MJ/kg vätgas. För bilar med längre körsträckor önskas mer energi och därmed används vätgas komprimerat till 700 bar (Sørensen, 2012). Gaffeltruckar och bussar använder ett tryck på 350 bar (Eriksen et al., 2017). För att tanka en truck med vätgas på 350 bar behöver dock vätgasen vara komprimerad till 450 bar, då det sker tryckförluster vid tankningen (Baden, 2018). 3.3 Bränslecellen För att vätgasen ska kunna fungera som bränsle behövs en energiomvandlare i form av en bränslecell. En bränslecell syftar till att konvertera lagrad vätgas till elektricitet och i detta fall, för att driva en elmotor (Powercell, n.d.). Själva bränslecellen har elektroder och elektrolyt likt ett batteri och fungerar i princip på samma sätt med undantag att cellerna i sig inte lagrar energin. På så vis kan energiförluster undvikas. Ett konstant flöde av vätgas och syrgas behövs istället för att generera den elektricitet motorn behöver för framdrivning (Barbir, 2013a). Detta sker genom en elektrokemisk reaktion där vätgas och syrgas, från luften, reageras katalytiskt. På så vis genereras el med vatten och värme som biprodukter (Powercell, n.d.). Själva processen är alltså helt emissionsfri då vatten och värme är de enda biprodukterna (Wallmark, 2014). Bränsleceller kombineras med flera andra bränsleceller, vilket kallas för en stack, för att få högre spänning och kan på så vis användas som för att driva en motor (Vätgas Sverige, n.d.b). Det finns olika typer av bränsleceller som alla fungerar med samma principer men under olika temperaturer och med olika material. 16

17 Alkalic Fuel Cell, AFC, som är den alkaliska bränslecellen är effektiv och används vid en relativt låg temperatur. Den har dock ansetts vara kostnadsineffektiv jämfört med andra bränsleceller som finns tillgängliga. PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell är en effektiv bränslecell som likt AFC arbetar vid låg temperatur. PEMFC är den vanligaste bränslecellen som genererat flest investeringar. Dess låga vikt har även varit en bidragande faktor till dess framgång. SOFC, Solid Oxide Fuel Cell är ytterligare en bränslecell där höga temperaturer krävs. Cellen är robust då dess elektrolyt är i fast form (Breeze, 2017a). Det finns även ett flertal andra typer av bränsleceller både med teknisk mognad och i utvecklingsstadiet. PEMFC, som nedan beskrivs mer detaljerat använder ett elektrolyt som består av ett polymermembran med lågt ph-värde som enbart är permeabel för protoner som visas i figur 3.2. Bränslecellen har högst effektivitet då framställningen av vätgasen skett direkt via elektrolys och är mindre effektiv då framställningen istället skett genom reformering av naturgas (Breeze, 2017b). PEMFC har även högst energitäthet av alla bränsleceller och en effektivitet på cirka 60%. Dess arbetstemperatur är under 100 o C, vilket är relativt lågt. Alla dessa egenskaper gör cellerna ideala för de flesta användningsområden (Breeze, 2017b)(Powercell, n.d.) I figur 3.2 redovisas hur en PEMFC generellt fungerar. Bränslecellen utgörs av två elektroder med en anod (negativa polen på vänster sida i figur 3.2) och en katod (positiva polen på höger sida i figur 3.2). Vid anoden förs vätgas in och leds genom en katalysator, oftast bestående av platina, som joniserar vätgasen till H + och e - som bilden visar. Mellan anoden och katoden finns ett elektrolyt som består av ett tunt membran. Membranet fungerar som en barriär för elektronerna och enbart leder genom protonerna. Elektronerna leds istället genom en extern krets till katoden för att återförenas med väteprotonerna och reagera med syret (Powercell, n.d.). I den externa kretsen förs elektriciteten vidare för att driva exempelvis en motor. Oreagerad vätgas och syrgas leds ut (längst upp i figur 3.2). Den totala reaktionen som sker i respektive bränslecell är en exoterm process, vilket innebär att värme frigörs, vilket redovisas i ekvationer (Barbir, 2013b). Anod: H 2 2H + + 2e - (3.5) Katod: ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O (3.6) Totalt: H 2 + ½ O 2 H 2 O + värme (3.7) 17

18 Figur 3.2 Förenklad illustration för hur en PEMFC fungerar. I ett bränslecellsfordon är huvudkomponenterna, förutom bränslecellen, ett batteri och en elmotor. För att driva elmotorn leds vätgasen genom bränslecellen där den omvandlas till elektricitet. Batteriet används för att höja prestandan på fordonet, då det lättare kan hantera effekttoppar (Erjavec, 2013). Vid kraftiga accelerationer för bilar eller tunga lyft för truckar behöver batteriet användas för att kunna få momentan effekt, vilket ger fordonet en bättre prestanda och bättre möjlighet att svara på effektändringen. På grund av de tunga lyften truckar gör måste batteriet dimensioneras större än i en vanlig personbil, som oftare har en jämn effekt (Roos & Lundberg, 2018). I en bränslecellstruck med 5 tons lyftkapacitet har batteriet en energilagringskapacitet på cirka 4.6 kwh och bränslecellen en effekt på cirka 14 kw (Maxwell, 2018). Denna dimensionering av en bränslecell består av 119 celler med en aktiv cellarea på 200 cm 2 per cell (Battelle Memorial Institute, 2017). 4 Fallstudie och avgränsningar Avsnitt 4.1 innehåller en introduktion till det fallspecifika lager vars omställningspotential undersöks i rapporten. I avsnitt 4.2 beskrivs de avgränsningar som gjorts i studien. 4.1 Fallstudie Det specifika lager som undersöktes tillhör Ramirent vars verksamhet, bestående av uthyrningslösningar och reparationer av anläggningsmaskiner till bland annat byggföretag, kräver stora arealer. Lagret är beläget i Brunna som ligger ett par mil utanför Stockholm och har varit i drift sedan 2016 då företagets reparationsverksamhet centraliserades. Lagret är ett kombinerat inomhus- och utomhuslager där både diesel och batteridrivna truckar idag 18

19 används högintensivt. Lagret har en area på cirka kvm där truckarna körs och används för både interna transporter och tunga lyft. Av de totalt 50 truckarna som finns på lagret är 29 stycken batteridrivna och används i den del av verksamheten som sker inomhus. Resterande 21 truckar används utomhus och drivs på diesel. Mer detaljerade data, tillexempel storlek och modell, av de befintliga truckarna redovisas i avsnitt I dagsläget används lagret för ett skift per dag, vilket motsvarar cirka 8 timmar. Planer finns dock att utöka till 2 3 skift på lagret till Ett 2 3 skift skulle innebära effektiviseringar i verksamheten då det idag finns problem med att utföra delar av arbetet på lagret samtidigt. Behovet av effektiva och miljövänliga lösningar för det intensiva truckanvändandet är stort och intresse finns att byta ut dieseltruckarna för att minska miljöpåverkan. Företaget genomgår idag miljövänligare omställningar på flera plan inom verksamheten och ett fortsatt intresse för detta finns (Norman, 2018). 4.2 Avgränsningar Studien är avgränsad till att undersöka lagerverksamhet likt den Ramirent har i Brunna. Det innebär att andra områden där truckar också används inte behandlades. Detta beror på att förutsättningarna är annorlunda i exempelvis processindustrin där det finns en större tillgång till exempelvis överskottsvärme, samt vätgas som biprodukt. Lagerverksamhet med närliggande industrier med vätgasproduktion undersöktes inte heller då det finns större utmaningar för självständig lagerverksamhet utan direkt tillgång till vätgas. Vätgasen till lagerverksamheten avgränsades till inköpt grön vätgas samt egenproducerad vätgas från grön el. Den inköpta vätgasen transporteras till lagret med lastbil, vilket är en etablerad standard (Halvorsen, 2018). Av de nuvarande truckarna på lagret i Brunna som består av både batteridrivna- och dieseltruckar undersöks bara en omställning från diesel- till bränslecellstruckar utifrån miljösynpunkt. De befintliga batteritruckarna eller investeringar i ytterligare batteritruckar inkluderas inte i studien. Denna avgränsning görs då dieseltruckars och bränslecellstruckars egenskaper efterliknar varandra (Nyteknik, 2017). Därmed antas potentialen att ersätta dieseltruckar med bränslecellstruckar större än med exempelvis batteritruckar. Jämförelsen mellan diesel- och bränslecellstrucken sker endast för en truckstorlek. Detta då dieseltrucken jämförs mot en jämlik bränslecellstruck till kapacitet och vikt. Miljöpåverkansförhållandet antas här vara lika för de andra truckmodellerna. För bränslecellstruckarna finns ett antal olika alternativ på bränsleceller. Denna studie är avgränsad till att undersöka PEMFC) Det är den bränslecell med högst teknisk mognad och motsvarar 95% av alla bränsleceller som beställs från Powercell (Powercell, n.d.). PEMFC har en hög energidensitet, låg vikt och arbetar på relativt låga temperaturer (under 100 C) (Breeze, 2017b). Bränslecellerna Alkalic Fuel Cell (AFC) och Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) behandlas inte i detta arbete. AFC är kostnadseffektiv men kräver mer utrymme än en PEMFC. För SOFC krävs hög temperatur, vilket blir komplicerat i ett fordon (Breeze, 2017a). Vätgasens ursprung delades upp i två scenarion där samma produktionsmetod (alkalisk vattenelektrolys) valdes för båda. Skillnaden i miljöpåverkan antogs därför utgöras av den lastbilstransport som behövs för den inköpta vätgasen. Anledningen till att produktionsmetoden är avgränsad till alkalisk vattenelektrolys är att den har hög teknisk mognad, är relativt billig och inte ger direkta växthusgasutsläpp som exempelvis ångreformering (Breeze, 2017b). Lagringen av vätgasen avgränsades till komprimerad gas på 450 bar som lagras i vätgasbatterier av cylindriska tuber. 19

20 5 Resultat och analys I detta kapitel redovisas resultaten för LCA:n och dess fyra steg i avsnitt 5.1 och resultaten för kostnadskalkylen i avsnitt 5.2. Det som undersöktes var en dieseltruck och en bränslecellstruck, där två olika scenarion för vätgasens ursprung skapades. 5.1 Livscykelanalys Resultatet för LCA:n delas upp i fyra avsnitt som beskriver dess olika steg. Tre olika LCA:er utförs. En dieseltruck, en bränslecellstruck med egenproducerad vätgas och en bränslecellstruck med inköpt vätgas undersöks och dessa redovisas separat för varje steg av analysen för att slutligen jämföras. Avsnitt fastställer studiens syfte, mål och omfattning. Här presenteras även de antaganden som gjorts. Avsnitt redovisar den data och information som insamlats och kvantifierats för studien. Avsnitt kopplar den insamlade datan till de påverkanskategorier som fastställts i studiens första steg och resultaten tolkas. I avsnitt utförs slutligen en känslighetsanalys Målbeskrivning och omfattning I avsnittet målbeskrivning och omfattning redovisas definition av mål för den specifika fallstudien och studiens omfattning, den funktionella enheten för truckarna, systemgränser, samt avgränsningar och de antaganden som gjorts. Här redovisas även datainsamling för både generella och specifika data, samt valet av beräkningsmetod och påverkanskategorier. Definition av mål LCA:n utfördes i syfte att undersöka skillnader i miljöpåverkan mellan dieseltruckar och bränslecellstruckar. Tre separata analyser gjordes: en dieseltruck med diesel som bränsle, en bränslecellstruck med inköpt grön vätgas som bränsle, samt en bränslecellstruck med egenproducerad vätgas som bränsle, där produktionen sker med alkalisk vattenelektrolys och grön el. Dessa tre analyser jämfördes sedan. Målet var att visa på miljöpåverkan från lagerverksamhet och visa på skillnaden som en omställning från dieseltruckar till bränslecellstruckar medför. Målgruppen var främst företaget Ramirent som fallstudien utfördes på, men även företag med liknande lagerverksamhet. Då studien är ett kandidatexamensarbete kommer det också publiceras genom universitet och blir därmed tillgänglig offentligt. Studiens omfattning och systemgränser Den funktionella enheten för studien var en 5 tons bränslecellstrucks arbete under dess livslängd. I detta fall är livslängden drifttimmar (Petterson, 2018) och en 5 tons truck har motoreffekten 55 kw (Toyota, 2017). Den funktionella enheten blev alltså drifttimmar med en 55 kw truck. Den valda dieseltrucken som undersöktes är en Toyota 40-8FD45N. Som geografisk gräns för datainsamling prioriterades Sverige då det fallspecifika lagret ligger i Sverige. När data inte fanns för Sverige användes istället globala genomsnittliga data. Tidsbestämda gränser för studien var att modellen är representativ för året Analysen som utfördes var en ALCA (attributional LCA). Studien omfattade hela livscykeln för truckarnas bränslen och motorer, samt bränslecell och batteri för bränslecellstrucken. Detta inkluderade råvaruutvinning, tillverkning, transport och användning. För bränslecellstrucken inkluderades livscykelstegen för bränslecellen, batteriet, elmotorn, vätgasproduktionsanläggningen och den totala mängden använd vätgas. För dieseltrucken inkluderades livscykelstegen för dieselmotorn och den totala mängden förbränd diesel. Då studien var en jämförelse mellan olika truckar gjordes vissa antaganden i omfattningen av den. Den främsta var att miljöpåverkan från resterande delar av truckarna 20

21 antogs vara samma. Ytterligare antaganden beskrivs i sin helhet i avsnittet antaganden. I figur 5.1 och figur 5.2 beskrivs systemet för vätgas- respektive dieseltrucken ur ett överskådligt perspektiv. De faser som omfattades är råvaruutvinning, tillverkning av komponenter, tillverkning av produkter och användning. I varje fas tillförs energi samt naturresurser och mellan faserna sker transporter. Fasen återvinning försummades, vilket beskrivs närmare i avsnittet antaganden. Figur 5.1 Översiktlig systembild för livscykeln för en bränslecellstruck. Figur 5.2 Översiktlig systembild för livscykeln för en dieseltruck. 21

22 Antaganden I tabell 5.1 presenteras och motiveras kort de antaganden som gjorts i studien, vilka syftar till att förenkla beräkningarna. Tabell 5.1 Sammanställning av antaganden gjorda för energi, komponenter, användning och transporter. Antagande - energi Kommentarer - energi Elektriciteten antogs vara från vattenkraft från Sverige. Elektriciteten antogs vara högspänning. Dieseltypen till truckarna antogs vara Diesel, low-sulfur. Antagande - komponenter Dieseltruckens motor antogs vara internal combustion engine. Bränslecellstruckens elmotor antogs vara electric motor, vehicle. Motorvikter antogs öka linjärt med lyftkapaciteten. Chassit för en diesel- och bränslecellstruck antogs ha samma miljöpåverkan. Litiumjonbatteriet i bränslecellstrucken antogs vara battery cell, Li-ion. Batterivikten antogs öka linjärt med energilagringskapaciteten. Vätgastankstation och dieseltankstation antogs ha AirLiquide köper in 90% grön el från Sverige för sin vätgasproduktion (Liljestrand, 2018). Detta approximeras till el från svensk vattenkraft. Elektrolysanläggningen använder en spänning på totalt 1200 V. Spänning över 1000 V definieras som högspänning (Elsäkerhetsverket, 2009). Därmed väljs elektriciteten som högspänning för alla beräkningar. Ramirent använder dieseltypen på OKQ8 Diesel B5 - MK1 på sitt lager (Norman, 2018). Denna har en svavelhalt på 2 ppm vilket hamnar inom gränsen för low-sulfur (Dieselnet, n.d.). Kommentarer - komponenter I SimaPro 8.4 används processen internal combustion engine för en dieselbil och antogs därför kunna användas i en dieseltruck. I databasen ecoinvent 3.4 specificeras inte vilket fordon elmotorn är till för (Ecoinvent 3.4, 2007 b). Den antogs därför kunna användas i en bränslecellstruck. Både en 3 tons truck har en elmotor- respektive dieselmotorvikt på 150 kg (Petterson, 2018). För 5 tons truckar antogs denna motorvikt öka linjärt till 250 kg. Komponenter i truckarna exklusive motorer, bränslen, batteri samt bränslecell antogs ha samma miljöpåverkan då de är likvärdiga. Chassit och övriga komponenter uteslöts därmed ur analysen. Battericellvikten utgör cirka 75% av den totala vikten för batteriet. Resterande vikt utgörs av kylsystem, paketering samt battery management system (Yuan et al, 2017) och försummades. Ett 24 kwh batteri har en battericellvikt på 166,6 kg (Yuan et al, 2017). En 5 tons bränslecellstruck har ett 4,608 kwh batteri (Maxwell, 2018). Dess vikt approximerades linjärt till 31,99 kg. Komponenterna för en vätgastankstation (inklusive kompressor) antogs ha samma miljöpåverkan som 22

23 samma miljöpåverkan. Plaster i elektrolysanläggningen antogs vara polyethylene HDPE, granulate. Vattenlösningen i elektrolysen vid vätgasproduktion antogs ha densiteten 1 kg per liter. Antagande - användning Livslängd elektrolysanläggning (antal år). Livslängd truckar (antal timmar och år). Drifttimmar per dag (veckosnitt). Underhåll och återvinning av bränslecellstruckar och dieseltruckar. Antagande - transporter Alla transporter till lagret i Brunna antogs göras med lastbil. Vikten av gasflaskor för vätgasfrakt försummades. komponenterna för en dieseltankstation. Den energikrävande kompressionen som görs i vätgastankstationen togs dock med i beräkningarna. Polyethylene HDPE, granulate utgörs av en mix av olika produktionsmetoder för att tillverka plaster och antogs därför som en godtagbar approximation. Trots att vattenlösningen innehåller kaliumhydroxid antogs förändringen i densitet vara relativt liten, vilket gjorde att förändringen försummades. Kommentarer - användning Elektrolysanläggningen HyProvideTM A60 från GreenHydrogen som användes som räkneexempel har en minimumlivslängd på 10 år. I en livscykelanalys för en elektrolysanläggning användes en livslängd på 20 år (Koj et al., 2015). Detta antagande gjordes därmed även i denna rapport. En bränslecellstruck har en livslängd på cirka timmar (Pettersson, 2018). En dieseltruck har också en livslängd på cirka timmar (Ehnberg, 2018). Arbetspassen på Ramirents lager är 8 timmar måndag till fredag (Norman, 2018). Detta antogs gälla för hela året, vilket gjorde att truckarnas livslängder blev cirka 10 år. Arbetspassen på Ramirents lager är 8 timmar måndag till fredag (Norman, 2018). Om dessa timmar slås ut för en hel vecka blir det ett snitt på 5,7 timmar per dag. Miljöpåverkan för underhåll av de olika truckarna antogs vara samma. Ingen återvinning av truckdelarna antogs göras. Kommentarer - transporter Euroklass 5, diesel antogs. Den är vanligast idag (Trafa, 2014). Vid beräkningar av den totala vikten som transporteras vid inköpt vätgas försummades vikten av gasflaskorna som vätgasen lagras i. Detta eftersom endast den faktiska vätgasen används i resterande processer. Data Den data som använts för att utföra LCA:n utgjordes av fallspecifika och generella data. Den fallspecifika datan har insamlats genom litteratursök, samt personlig kommunikation för att få särskilda data om komponenter och processer i de olika truckarna. När fallspecifika data var okänd eller bristande användes generella data, vilket inhämtades från databasen ecoinvent

24 Ecoinvent grundades av schweiziska institutioner och är en icke-vinstdrivande organisation. En grupp av LCI-experter är ansvariga för datainsamlingen. Alla Ecoinvents vinster återinvesteras i utveckling av kvaliteten på databasen (Ecoinvent, n.d.). I databasen finns ungefär processer inom energi, transport, råmaterial etc. Dessa processer finns i två olika versioner, unit processes och system processes. Skillnaden är att unit processes visar utsläpp och inflöden för ett specifikt processteg, samt hänvisningar till inflöden från andra unit processes, medan system processes redan beräknat miljöpåverkan för alla steg. Exempelvis inkluderas alla transporter i system processes, vilket gör den mer generell och möjligtvis en källa till osäkerheter i datan (Goedkoop et al, 2016). LCIA-beräkningsmetod ReCiPe 2008 är en standardmetod för att hantera påverkanskategorier där listan av LCIresultaten omvandlas till ett begränsat antal indikatorer, där varje indikator beskriver miljöpåverkanskategorins betydelse. Metoden används alltså för att analysera resultatet som fås i LCI:n. Här överförs utsläpp genom karakteriseringsfaktorer till ett begränsat antal miljökonsekvenser (Goedkoop et al, 2016). Det finns två olika tillvägagångssätt att använda karaktäriseringsfaktorerna. Detta kan göras genom midpoint-approach med arton påverkanskategorier eller genom endpoint-approach där påverkanskategorierna istället grupperas till tre olika utgångspunkter (RIVM, 2011). LCI:ns resultat fås ofta i en lång lista där emissioner och använda resurser redovisas. ReCiPe midpoint respektive endpoint förenklar då tolkningen av listan. (PRé Consultant et al, 2013). I rapportens analys av inventeringsdatans miljöpåverkan användes beräkningsmetoden ReCiPe 2008 med tidsperspektivet och det etiska förhållningssättet H (hierarchist). Tidsperspektivet H visar på medelvärdet av de både tidsperspektiven I (individualist) och E (egalitarian), där I belyser emissioner ur ett kortsiktigt perspektiv och E värderar emissionernas påverkan högre. Denna studie använde midpoint, H, då metoden exempelvis kan visa på hur mycket CO 2 som belastar atmosfären medan endpoint exempelvis visar på den skada utsläppen har på människors hälsa. En midpoint-approach genererar även ofta en högre säkerhet i sitt resultat än endpoint och då endast delar av miljömekanismen behöver modelleras så motiverar även detta valet av midpoint. Beräkningarna utfördes i mjukvaran SimaPro 8.4 där metoden ReCiPe midpoint, H, finns att tillgå. Påverkanskategorier De 18 påverkanskategorierna för både diesel- och bränslecellstruckars livscykler undersöktes för att analysera vilken truck som har störst påverkan i respektive kategori. Alla påverkanskategorier presenteras även något översiktligt, och de mest betydande grupperas vid normaliseringen. Detta för att hitta de kategorier som har störst påverkan jämfört med referensvärdet. Tabell 5.2 visar de påverkanskategorier som inkluderades i metoden, dess indikatorer, den enhet karaktäriseringsfaktorn uppmäts i, samt tidsperspektiv utifrån tidsram, H. Tidsperspektiv för ett visst utsläpp är av relevans då utsläppen påverkar under en specifik tidsperiod. De ämnen utsläppen ger upphov till bryts alltså ned med olika hastighet. Tabell 5.2 Påverkanskategorier som inkluderades i metoden, dess indikatorer, enheter, samt tidsperspektiv utifrån tidsram, H (PRé Consultant et al, 2013). Påverkanskategorier Indikator Karakteriseringsfaktorns enhet Tidsperspektiv H Klimatförändring (Climate change) Infraröd strålning kg CO 2 (koldioxid) till luft 100 år 24

25 Uttunning av ozonskiktet (Ozone depletion) Koncentration av stratosfäriskt ozon kg CFC-115 (klorflorväte) till luft - Markförsurning (Terrestrial Acidification) Basmättningsgrad kg SO 2 (svaveldioxid) till luft 100 år Övergödning av sötvatten (Freshwater eutrophication) Övergödning av havsvatten (Marine eutrophication) Koncentration av fosfor Koncentration av kväve kg P (fosfor) till sötvatten - kg N (kväve) till havsvatten - Human toxicitet (Human toxicity) Farobedömd dos kg 14-DCB (diklorobensen) till stadsluft oändligt Bildning av marknära ozon (Photochemical oxidant formation) Koncentration av fotokemiskt ozon kg NMVOC till luft - Partikelbildning (Particulate matter formation) PM10 intag kg PM10 till luft - Ekotoxicitet mark (Terrestrial ecotoxicity) Farobedömd dos kg 14-DCB (diklorobensen) till industriell jord oändligt Ekotoxicitet sjöar (Freshwater ecotoxicity) Farobedömd dos kg 14-DCB (diklorobensen) till sötvatten oändligt Ekotoxicitet hav (Marine ecotoxicity) Farobedömd dos kg 14-DCB (diklorobensen) till havsvatten oändligt Joniserande strålning (Ionising radiation) Absorberad dos kg U235 (Uranium235) till luft år Utnyttjande av jordbruksmark (Agricultural land occupation) Utnyttjande av stadsyta (Urban land occupation) Landutnyttjande m 2 jordbruksmark*år - Landutnyttjande m 2 stadsyta*år - Naturlig landförändring (Natural land transformation) Den faktiska förändringen m 2 naturligt land*år - 25

26 Vattenutnyttjande (Water depletion) Mängd vatten i volym Anna Tonner & Benjamin Nestorovic m 3 vatten - Utnyttjande av mineraltillgångar (Mineral resource depletion) Utnyttjande av fossila bränslen (Fossil fuel depletion) Minskningsgrad kg Fe (järn) - Högre värmevärde kg råolja Inventeringsanalys (LCI) Som beskrivits i avsnitt 3.1 använder dieseltruckar en förbränningsmotor med diesel som bränsle. Förbränningsmotorn finns som en komplett process i SimaPro 8.4 och inventeringsanalysen gjordes utifrån den. Även bränslet diesel finns som komplett process. För dieselförbränning skapades dock en process manuellt för att inkludera alla emissioner som uppstår. I avsnitt 3.3 beskrivs bränslecellen och hur ett bränslecellsfordon fungerar mer ingående. Sammanfattningsvis behöver ett sådant fordon en bränslecell (PEMFC), ett batteri (Litium-jonbatteri), en elmotor, samt bränslet vätgas. Liksom förbränningsmotorn finns batteriet och elmotorn som färdiga processer i SimaPro 8.4 och inventeringsanalysen gjordes utifrån dessa processer. Bränslecellens komponenter, hur de är uppbyggda och hur bränslecellen produceras inventerades sedan. Komponenter och processer som behövs för att producera, transportera och komprimera vätgasen genomgås slutligen. För specifik information om processer, komponenter och emissioner, se bilaga Produktion av dieselmotorn Motorn i en dieseltruck är en förbränningsmotor vilket hämtades från ecoinvent 3.4 i SimaPro 8.4 av modellen Internal Combustion Engine Production, Passenger Car. I den hämtade processen ingår produktionen av själva motorn och de komponenter som krävs för tillverkningen. Processen avses för en personbil av modellen Golf 4A och motorn dimensionerades sedan till vikten för motorn i en dieseltruck istället. Processen specificerar inte om det avsedda drivmedlet är bensin eller diesel utan endast att det är en förbränningsmotor. Då SimaPro 8.4 använder denna motor som input för färdiga dieselfordon användes även denna motor i analysen som en dieselmotor. Motorn som hämtades i SimaPro 8.4 har en vikt på 275 kg som sedan dimensionerades till vikten av motorn i dieseltrucken. En dieselmotor består i huvudsak av stål, aluminium och järn till ungefär 90% (Mollenhauer & Tschöke, 2010). De dominerande materialen i motorn på 275 kg i SimaPro 8.4 inhämtades som 170 kg aluminium gjuten legering (aluminum cast alloyed), 42 kg armeringsstål (reinforcing steel), 108 kg låglegrerat stål (Steel low alloyed). Järn tas inte med i den färdiga motorn i SimaPro 8.4. Istället används stål, som är obehandlat järn. De biprodukter som uppstår vid tillverkning av motorn består av 21,6 kg iron scrap, 34 kg aluminium scrap och 3,9 kg waste plastic (Ecoinvent 3.4, 2010). Bly är en av de komponenterna som motorns huvudlager består utav, och därmed inhämtades 13 kg bly (lead) från SimaPro 8.4. Plasterna 15,4 kg polyeten (polyethylene) och 27,5 kg polyfenylensulfid (polyphenylene sulfide), används även vid tillverkningen för den givna motorn i SimaPro 8.4. Tillverkningen 26

27 inkluderar 13,2 kg formsprutning (Injection moudling) vilket är en metod som används vid framställning och bearbetning av plastdetaljer. Koppar är en av huvudkomponenterna i skalet på motorn men används även till andra processer i tillverkningen (Lakshminarayanan P.A. & Nayak N.S., 2011). Totalt inhämtades 4 kg koppar, 2 kg ren koppar (copper) och ytterligare 2 kg koppartråd (Wire drawing copper) från SimaPro 8.4. Processen kräver även totalt 595,4 MJ värme och 558 kwh elektricitet av medium voltage. Övriga processer och material som används vid tillverkningen redovisas i tabell 5.3. Emissioner som uppstår vid produktion redovisas i bilaga 12. För att dimensionera motorn användes förhållandet att en 3 tons dieseltruck har en motorvikt på cirka 150 kg (Pettersson, 2018). Den truck som analyserades var en 5 tons truck vilket ger en motorvikt på 250 kg utifrån antagandet om linjäritet vilket ofta antas i LCA, se ekvation 5.1, där m motor,5 = massan för motorn i en 5 tons truck, m motor,3 = massan för motorn i en 3 tons truck, m lyftkapacitet,5 = lyftkapaciteten för en 5 tons truck och m lyftkapacitet,3 = lyftkapaciteten för en 3 tons truck. De komponenter och processer som ingår i Internal Combustion Engine Production, Passenger Car som hämtades från ecoinvent 3.4 dimensioneras sedan efter dieselmotorn och redovisas i tabell 5.3. m KLML1,O = K "#$#%,' K ()*+,-,./$0$,' m PQRMSTUTV7MWM,O (5.1) Tabell 5.3 Komponenter och processer för tillverkning av en dieselmotor med vikt 250 kg. Komponenter och processer Mängd Enhet Aluminium, gjuten legering 154,55 kg Koppar 1,82 kg Elektricitet 507,27 kwh Etandiol 6,36 kg Värme 541,27 MJ Formsprutning 12,00 kg Bly 11,82 kg Smörjolja 5,45 kg Palladium 0,00027 kg Platinum 0,0015 kg Polyeten 14,00 kg Polyfenylensulfid 25,00 kg Armeringsstål 38,18 kg Road vehicle factory 0, units Låglegerat stål 98,18 kg Svavelsyra 0,91 kg Syntetiskt gummi 2,73 kg Kranvatten 762,73 kg Koppartråd 1,82 kg 27

28 Produktion och förbränning av dieseln Dieseln som används i dieseltruckarna hämtades från SimaPro 8.4 där utvinning, behandling och genomsnittlig transport till kund ingår. Dieseltypen OKQ8 Diesel B5 - MK1 som Ramirent använder på sitt lager har en svavelhalt på 2 ppm (Norman, 2018). Dieseln som hämtades ur databasen i SimaPro 8.4 är low-sulfur diesel då gränsen för denna benämning är 10 ppm (Dieselnet, n.d.). 5 tons dieseltrucken 40-8FD45N Toyota har bränsleförbrukning på 5 liter per drifttimme. För en livslängd på drifttimmar blir detta liter diesel. Detta resulterar i kg diesel baserat på en densitet på 0,85 kg/l (MDEC, 2016). De emissioner som uppstår vid dieselförbränning har hämtats ur databasen ecoinvent 3.4 för processen machine operation, diesel, >= 18,64 kw and < 74,57 kw, low load factor och sedan dimensionerats utifrån mängd förbränd diesel (Ecoinvent 3.4, 2007 c). Förbränningen av kg diesel resulterar i emissioner sammanställda i bilaga 11. Produktion av bränslecellen Bränsleceller av typen PEMFC består av olika material i flera lager (celler), vilket skapar en stack. En 5 tons bränslecellstruck har en bränslecell på cirka 14 kw (Maxwell 2018). PEMbränslecellen i ecoinvent 3.4:s databas är dimensionerad till 2 kw och därmed approximerades en 14 kw bränslecellstack linjärt till sju stycken 2 kw bränslecellsstackar från databasen. Varje cell i en stack består av ett Membrane Electrode Assembly (MEA) omslutet av två bipolära plattor. Cellerna staplas sedan på varandra med en slutplatta på vardera sida vilket bildar en bränslecellsstack (DOE, n.d.). MEA:t består av ett membran, katalysatorlagren (anoden och katoden), och två gasdiffusionsskikt. Membranet är ett Polymer Electrolyte Membrane (vilket ger förkortningen PEM) och består vanligtvis av polytetrafluoroethylene (PTFE), polyester eller polyimide (Battelle Memorial Institue, 2017). Då PTFE saknas i SimaPro 8.4 används tetrafluoroethylene (TFE) som motsvarighet då PTFE produceras genom polymerisation av TFE, vilket betyder att flera molekyler av TFE kombineras för att bilda PTFE (Britannica, n.d.). Anoden och katoden består av två lager katalysatorlösning som målas på var sida om membranet. Denna katalysatorlösning utgörs av platina, kolpulver XC-72, Nafion DE-521, avjoniserat vatten samt metanol (Battelle Memorial Institue, 2017). I modellen för bränslecellen i SimaPro 8.4 används TFE istället för Nafion, då Nafion är sulfonerad TFE. Istället för metanol använder modellen i SimaPro 8.4 isopropanol, vilket också är en alkohol med något annorlunda kolkedja. Gasdiffusionsskitet består av kolfiber belagd med TFE (DOE, n.d.). Då kolfiber är relativt dyrt används ibland glasfiber som substitut, vilket görs i modellen för bränslecellen i SimaPro 8.4 (Oribi manufacturing, n.d.). MEA:t i bränslecellen på 2 kw i SimaPro 8.4 består sammanfattningsvis av 0,0016 kg kolpulver XC-72, 0,2 kg glasfiber, 0,019 kg isopropanol, 0,0015 kg platina, 0,012 kg avjoniserat vatten och 0,10 kg TFE (Ecoinvent 3.4, 2007 a). För en 14 kw bränslecell blev vikterna större med en faktor 7, vilket ger värdena i tabell 5.4. Platinan i bränslecellen återvinns upp till 50% (Roos & Lundberg, 2018). Detta togs dock inte till hänsyn i inventeringsanalysen då även platina tillförs vid underhåll av bränsleceller (Ecoinvent 3.4, 2007 a). På båda sidor om MEA:t finns bipolära plattor som består av grafit och fenolformaldehyd. Då styrkan och resistensen mot korrosion visat sig undermålig hos grafit används fenolformaldehyd för att höja dessa egenskaper. Det kan dessutom öka den elektriska konduktiviteten och används därför i stor utsträckning vid tillverkning av bipolära plattor (Weiwei et al, 2016). Slutplattorna som omsluter stacken av celler består av aluminium med en tjocklek på cirka 12 mm och fästs med skruvar bestående av stål (Battelle Memorial Institute, 2017). De bipolära plattorna och slutplattorna i bränslecellen på 2 kw i SimaPro

29 består av 9 kg grafit och 2,2 kg fenolformaldehyd respektive 0,6 kg aluminium och 0,2 kg stål (Ecoinvent 3.4, 2007 a). För en 14 kw bränslecell blev vikterna större med en faktor 7, vilket ger värdena i tabell 5.4. För sammansättningen av komponenterna i bränslecellen krävs ett antal energikrävande processer i olika steg. För MEA:t är dessa processer katalysatorbearbetning i en kulkvarn, dekalöverföring av katalysatorskiktet, het press av gasdifussionskikten med det katalyserade membranet och slutligen beskärning av MEA:t. Kulkvarnen bearbetar katalysatorlösningen innan den målas på membranet och vid dekalöverföring hettas membranet och katalysatorskitet upp och komprimeras sedan mellan stålrullar för att fästa katalysatorskitet till membranet. För de bipolära plattorna används kompressionsgjutning för att forma plattorna som sedan placeras i en ugn för post-bake. Vid fästning av slutplattorna behövs borrning för att göra hål åt skruvarna och sedan fästa dem (Battelle Memorial Institue, 2017). Dessa processer kräver totalt 33,8 kwh elektricitet och 44,6 MJ värme för produktionen av en 2 kw bränslecell (Ecoinvent 3.4, 2007 a). Ytor som krävs är 0,00044 m 2 i byggnad för stålkonstruktion, 0,0026 m 3 i en flervåningsbyggnad, 0,079 m 2 *år industriell mark samt omvandling av 0,0016 m 2 ospecificerad mark till industriell mark. För en 14 kw bränslecell blev elektricitet-, värme- och ytbehovet större med en faktor 7, vilket ger värdena i tabell 5.4. Tabell 5.4 Komponenter och processer för att tillverka en 14 kw PEM-bränslecell. Komponenter och processer Mängd Enhet Aluminium 4,20 kg Byggnad (stålkonstruktion) 0,0031 m 2 Flervåningsbyggnad 0,018 m 3 Kolpulver XC-72 0,011 kg Elektricitet 236,60 kwh Glasfiber 1,40 kg Grafit 63,00 kg Värme 312,20 MJ Isopropanol 0,13 kg Fenolformaldehyd 15,40 kg Platinum 0,01 kg Stål 1,40 kg TFE 0,73 kg Vatten, avjoniserat 0,08 kg Landockupation (industriell) 0,55 m 2 *år Omvandling av mark 0,01 m 2 Produktion av batteriet Batterier av typen litiumjon består av ett antal celler, vars beståndsdelar beskrivs nedan. Mängden celler avgör hur stor energilagringskapacitet batteriet har. I SimaPro 8.4 finns processen battery cell - Li-on med referensvikt 1 kg. Vikterna för komponenterna nedan baseras på detta referensbatteri. I varje cell finns en katod och en anod (elektroder), bestående av 0,327 kg litiummanganoxid (LiMn2O4) respektive 0,40 kg grafit. Vid tillverkning av både anoden och katoden beläggs de sedan med ett 15 mikrometer tjockt aluminiumfolie. Elektroderna torkas sedan i 10 timmar med temperaturen 150 C. Elektrolytet mellan 29

30 elektroderna består av 0,019 kg litiumflourfosfat (LiFP6) upplöst i 0,16 kg etenkarbonat. För att öka densiteten används 0,054 kg separatorer, ofta bestående av porös plast, mellan katoden och anoden. Cellerna grupperas i moduler och mellan dessa finns utfyllnader som utgörs av 0,0733 kg polyeten. Ytterligare komponenter i en battericellssammansättning är flytande kväve (Yuan et al, 2017). Processerna vid produktion av en battericellssammansättning på 1 kg är 0,0733 kg pressning av plastfilm, 0,11 kwh elektricitet, 0,065 MJ värme och 0,017 kg valsning av aluminium. Transporter utgörs av 0.02 tkm med tåg och 0,02 tkm med lastbil. Det krävs dessutom 4E-10 enheter av en kemisk fabrik (Ecoinvent 3.4, 2009). Energilagringskapaciteten för batteriet i en 5 tons bränslecellstruck är 4,608 kwh (Maxwell, 2018). Den totala cellvikten för ett 24 kwh batteri är 166,6 kg (Yuan et al, 2017). Detta gör att den totala cellvikten för ett sådant batteri blir 31,9872 kg, enligt ekvation 5.2, där E 1 = energilagringskapaciteten i ett 24 kwh batteri, där E 2 = energilagringskapaciteten i ett 4,608 kwh batteri, m 1 = massan för ett 24 kwh batteri och m 2 = massan för ett 4,608 kwh batteri. Då batteriets livslängd endast är cirka 6000 timmar jämfört med bränslecellens timmar kommer fler batterier användas under bränslecellstrucken livstid. Detta approximerades genom att öka batterivikten till 106,624 kg, enligt ekvation 5.3, där t 1 = livslängden för bränslecellen, t 2 = livslängden för batteriet och m total = totala vikten för batteriet. Komponentvikterna och processerna som detta resulterar i redovisas i tabell 5.5. m C = K 1 X 1 E C (5.2) m MLMTP = M 1 M 2 m C (5.3) Tabell 5.5 Komponenter och processer för att tillverka ett 4,608 kwh litiumjonbatteri. Komponenter och processer Mängd Enhet Aluminium 1,76 kg Anod, grafit 42,76 kg Batteriseparator 5,73 kg Katod, LiMn2O4 34,87 kg Kemisk fabrik 4,27E-08 units Elektricitet 11,30 kwh Etenkarbonat 17,06 kg Pressning av plastfilm 7,81 kg Värme 6,95 MJ Litiumflourfosfat 2,03 kg Kväve, flytande 1,07 kg Polyeten 7,82 kg Valsning, aluminium 1,76 kg Transport, tåg 2,13 tkm Transport, lastbil 2,13 tkm 30

31 Produktion av elmotorn För att använda den elektricitet som bränslecellen skapar krävs en elektrisk motor. Den elektriska motorn omvandlar elektrisk energi till kinetisk energi. Vanligtvis består de elektriska motorerna av två delar, en roterande del och en stationär del. Vid tillförsel av ström skapas ett magnetiskt kraftfält vilket gör att den roterande delen snurrar (Energihandbok, n.d.). Både den roterande och stationära delen består till stor del av järn som är obehandlat stål. Runt den stationära delen av motorn finns isolerade trådar som ofta består av aluminium eller koppar. För den motor som används i bränslecellstrucken valdes processen electric motor production, vehicle i SimaPro 8.4. Datan är specificerad för en genomsnittlig elektrisk motor och avser det material och de processer som krävs för att tillverka 1 kg elektrisk motor. Följande material och processer inhämtades: 0,053 kg gjuten legerad aluminium (aluminium, cast alloy), 0,11 kg smält legerad aluminium (aluminium, wrought alloy), 0,09 kg koppar (copper), 0,75 kg valsad stål (sheet rolling, steel), 0,75 kg låglegerat stål (steel, low-alloyed, hot rolled), 0,09 kg koppartråd (wire drawing, copper). De transporter som sker under processen inhämtades även som: 0,015 tkm tåg (transport, freight train), 0,32 tkm lastbil (transport, freight lorry), 1.11 tkm lastfartyg (transport, freight sea, transoceanic ship) (Ecoinvent 3.4, 2007 b). Liksom dieselmotorn i en 3 tons dieseltruck väger elmotorn i en 3 tons bränslecellstruck 150 kg. Komponenterna i elmotorn dimensionerades därmed till den beräknade motorvikten, enligt ekvation 5.1. De nya värdena redovisas i tabell 5.6. Tabell 5.6 Komponenter och processer för att tillverka en elmotor med vikt 250 kg. Komponenter och processer Mängd Enhet Aluminium, legerat 13,2 kg Aluminium, låglegerat 28 kg Koppar 22,5 kg Koppartråd 22,5 kg Stål 187,5 kg Valsning, stål 187,50 kg Transport, tåg 3,83 tkm Transport, lastbil 80 tkm Transport, lastfartyg 277,5 tkm Produktion av vätgas För att producera vätgasen till truckarna användes GreenHydrogens alkaliska elektrolysanläggning HyProvideTM A60 som räkneexempel. HyProvideTM A60 kan vara igång dygnet runt utan mänskligt ingripande och övervakas med hjälp av programvaran HyProManager som hanterar normaldrift. Programvaran ger varningar till användarens dator eller mobil om systemet inte fungerar enligt inställningarna. Huvudkomponenterna för systemet utgörs av 2850 kg stål, 15 kg koppar, 54 kg nickel och 445 kg polyeten. Totala vikten för systemet är 3550 kg. HyProvideTM A60 har en maximal produktion av 5,4 kg (60 Nm 3 ) vätgas per timme (Baden, 2018). Detta ger en maximal daglig produktion på 129,6 kg vätgas. För ett 5,7 timmars driftpass behöver en 5 tons bränslecellstruck 1,21 kg vätgas (Maxwell, 2018). Detta och antagandet om en livslängd på 20 år gör att komponenterna, som behövs för att tillgodose en bränslecellstruck med bränsle dimensionerades enligt ekvation 5.4, där m komponent,2 = den dimensionerade vikten för en komponent i systemet, m komponent,1 = 31

32 den verkliga vikten för en komponent i systemet, m vätgaskons = mängden vätgas en truck konsumerar per dag, m vätgasprod = mängden vätgas elektrolysanläggningen maximalt kan producera per dag, t 1 = livslängden för en bränslecellstruck och t 2 = livslängden för elektrolysanläggningen. m SLKUL8W8M,C = m SLKUL8W8M,. K 3ä$5,6+#!6 K 3ä$5,6-%#7 M 1 M 2 (5.4) För produktionen av vätgas behövs elektricitet och en vattenlösning bestående av 75% avjoniserat vatten och 25% kaliumhydroxidlösning (Koj, et al., 2015). För en bränslecellstrucks livslängd på drifttimmar behövs kg vätgas. Vätgas har ett energiinnehåll på cirka 33,3 kwh/kg vilket ger 141,58 MWh vätgas för en bränslecells livslängd. HyProvideTM A60 har en systemverkningsgrad på 78,6% och en vattenkonsumtion på 0,09 liter per kg vätgas (Baden, 2018). Detta resulterar i 180,132 MWh elektricitet respektive 340,2 kg vattenlösning för denna vätgasproduktionen. Elektriciteten som hämtades in från SimaPro 8.4 är processen electricity, high voltage (SE) electricity produktion, hydro run-of-river. Transporten av elektrolysanläggningen från Kolding i Danmark till Brunna utanför Stockholm görs med lastbil och utgörs av en sträcka på 907 km (Google Maps, 2018). Då den totala vikten för elektrolysanläggningen är kg blev det dimensionerat till 16,54 kg enligt ekvation 5.4. Detta resulterar i 15 tkm för transporten av anläggningen. Vikterna och värdena för komponenter, processer och transporter redovisas i tabell 5.7. Tabell 5.7 Komponenter och processer för produktion av 4250 kg vätgas. Komponenter och processer Mängd Enhet Stål 13,28 kg Koppar 0,07 kg Nickel 0,25 kg Plast 2,07 kg Elektricitet kwh Vatten, avjoniserat 283,5 kg Kaliumhydroxid 94,5 kg Transport, lastbil 15 tkm Inköpt vätgas I scenariot där vätgasen köps in, användes gasleverantören AirLiquide som räkneexempel. De har en vätgasproduktion i Surahammar och levererar 129,6 kg (1440 Nm 3 ) vätgas i cylindriska glasflaskor under 200 bars tryck. Vätgasen produceras med alkalisk vattenelektrolys, med elektricitet bestående av 90% grön el (Liljestrand, 2018). Enligt avsnittet antaganden antogs all elektricitet vara från svensk vattenkraft. Verkningsgraden på elektrolysen och vattenanvändningen antogs vara samma som för HyProvideTM A60. Detta gör att komponenterna, elektriciteten och vattenanvändningen som krävs för en bränslecellstruck under dess livslängd blev samma som för scenariot med egenproducerad vätgas. Skillnaden blir transporten, vilket för en bränslecellstrucks livslängd utgörs av 33 leveranser med 129,6 kg vätgas för att tillgodogöra med totalt 4250 kg vätgas. Transportsträckan mellan Surahammar och lagret i Brunna är 101 km (Eniro, 2018). Detta resulterar i totalt 429,25 tkm. Komponenter, processer och transporter för inköpt vätgas redovisas nedan i tabell

33 Tabell 5.8 Komponenter och processer för produktion av 4250 vätgas. Komponenter och processer Mängd Enhet Stål 13,28 kg Koppar 0,07 kg Nickel 0,25 kg Plast 2,07 kg Elektricitet kwh Vatten, avjoniserat 283,5 kg Kaliumhydroxid 94,5 kg Transport, lastbil 429,25 tkm Anna Tonner & Benjamin Nestorovic Komprimering och användning av vätgas Som beskrivits i avsnitt behöver vätgasen komprimeras från 35 bar till 450 bar för att uppnå ett tryck på 350 bar i bränslecellstrucken. Denna komprimering är en energikrävande process som antas vara isotermisk vid rumstemperatur. Den teoretiska energin (E teoretisk ) som behövs för komprimeringen beräknas enligt ekvation 5.5 (Havtun, 2014), där R M = 8314,3 J/(kmol*K), molmassan M = 2,02 kg/kmol, temperaturen T antas vara 20 o C och trycket ändras från p 1 = 35 bar till p 2 = 450 bar. Detta resulterar i en energimängd på 3,09 MJ per kg komprimerat vätgas. Enligt ekvation 5.6 blir detta 4,75 MJ/kg med en kompressorverkningsgrad (η) på 65% (NREL, 2014). För den totala mängden på 4250 kg vätgas blir detta 5,54 MWh elektricitet (E verklig ), som även den hämtades från processen electricity, high voltage (SE) electricity produktion, hydro run-of-river i SimaPro 8.4. E MWL1WM7[S = (\ 8 ]) ^ ln U 2 U 1 (5.5) E aw1sp7b = X $0#%0$/6+ c (5.6) Den totala mängden använd vätgas för en bränslecellstruck är kg. De enda utsläppen vid användning av vätgas i bränsleceller är vatten och uppgår till 9 kg vatten per kg vätgas. Detta resulterar i kg vatten som utsläpp till luft under en bränslecellstrucks totala användarfas Påverkansbedömning (LCIA) & tolkning av resultat I avsnitt presenteras resultaten av livscykelanalysen. LCIA:n (miljöpåverkansbedömningen) för respektive fall redovisas och jämförs utifrån karaktäriseringsfaktorns enhet. Vid jämförelsen normaliseras även resultaten för att tydliggöra resultatens relativa storlek genom att sätta dom i perspektiv till ett referensvärde för miljöpåverkan. 33

34 Figur 5.3 Andel påverkan för respektive process i dieseltrucken för de 18 påverkanskategorierna. Figur 5.3 visar hur stor andel respektive process i dieseltrucken har i förhållande till de 18 påverkanskategorierna. Exakta siffror för alla påverkanskategorier finns i bilaga 13. Här visas att dieselförbränningen och utvinning av dieseln har störst påverkan för alla kategorier utom ekotoxicitet i sjöar och ekotoxicitet i hav. Påverkanskategorin klimatförändring är störst för dieselförbränningen som står för cirka 99% av påverkan., vilket beror på CO 2 -emissionerna som uppstår vid förbränningen av diesel. Dieselförbränningen bidrar också mest till markförsurningen och övergödningen på grund av det dessutom bildas SO 2 respektive NO x vid förbränningen. Även ammoniak uppkommer vid förbränningen och bidrar till övergödningen. Användningen av diesel bidrar mycket till uttömning av fossila bränslen då den framställs genom att råolja raffinadereras. För ekotoxiciteten i sjöar och hav dominerar dieselmotorns påverkan, vilket främst beror på den koppar som finns i motorn. Värt att notera är att dieselmotorn endast utgörs av cirka 0,7% koppar viktmässigt. Även andra metaller såsom nickel, mangan och silver påverkar ekotoxiciteten i sjöar och hav. För påverkanskategorin, utnyttjande av mineraltillgångar, är miljöpåverkan ungefär lika stor för de båda processerna. Figur 5.4 Andel påverkan för respektive process i bränslecellstrucken, med egenproducerad vätgas, för de 18 påverkanskategorierna. 34

35 Figur 5.4 visar andelen miljöpåverkan för respektive process, för bränslecellstrucken med egenproducerad vätgas, i förhållande till de 18 påverkanskategorierna. Exakta siffror för alla påverkanskategorier finns i bilaga 14. Resultatet visar tydligt att miljöpåverkan domineras från bränslecellen för alla påverkanskategorier. De mest betydande, ur kvantitativ synpunkt, är klimatförändring, markförsurning, human toxicitet, ekotoxicitet i sjöar och hav, samt utnyttjande av mineraltillgångar. För kategorin klimatförändring uppkommer cirka 60% av koldioxiden vid produktion av bränslecellen. Detta på grund av den uppvärmning som behövs, vilket görs med kolkraft. Värmeproduktionen med kolkraft bidrar dessutom till markförsurning och human toxicitet på grund av utsläpp av SO 2 - respektive DCBekvivalenter. Produktion av stålet i bränslecellen bidrar också till klimatförändringen med cirka 15%, medan produktionen av platinan bidrar med 25% till markförsurningen och human toxicitet. Ekotoxiciteten i sjöar och hav beror på utsläpp av främst koppar och nickel, som utgör 40% respektive 30% av påverkan. Resterande påverkan kommer från platinan och stålet. Utvinningen av krom (till stål) och platina bidrar mest till utnyttjandet av mineraltillgångar. Mängden som utvinns är liten relativt bränslecellens vikt men stor relativt jordens resurser för dessa ämnen, vilket ger en stor påverkan. Av bränslecellstruckens totala klimatpåverkan står vätgasproduktionen för ungefär 4,4%, där elektriciteten som används till vätgasproduktionen bidrar med cirka 75%. Denna påverkan beror främst på produktionen av vattenkraftverket som används för elproduktion, där cement och stål står för 32% respektive 19% av klimatpåverkan. Komponenterna i elektrolysanläggen har ingen större klimatpåverkan. Stålet i anläggningen ger störst klimatpåverkan, men står trots det för bara 2% av vätgasproduktionens totala klimatpåverkan. Produktionen av vattenkraftverket samt utvinning av dess komponenter (främst stål och koppar) bidrar också till human toxicitet på grund av emissioner av mangan, arsenik och kvicksilver. Utvinningen av komponenterna till vattenkraftverket leder till utnyttjande av mineraltillgångar i form av bland annat järn, nickel och krom, men även utnyttjande av fossila bränslen då kol används vid stålproduktion av bland annat järn. I elmotorn bidrar aluminiumet med cirka 50% av den totala klimatpåverkan från elmotorn. Detta trots att aluminiumet endast utgör cirka 10% av vikten. Stålet och koppar, som utgör 76% respektive 1% av elmotorns vikt bidrar med 30% respektive 15% av klimatpåverkan. Anledningen till att klimatpåverkan uppstår vid produktion av dessa komponenter är att fossila bränslen används, vilka bildar koldioxid vid förbränning. För påverkanskategorin human toxicitet är det kopparn som utgör 85% av påverkan trots en viktprocent på 1%. Intag av koppar påverkar en människas lever allvarligt, men orsakar även problem med hjärnan och andra organ (Gaetke and Chow, 2003). Även för batteriet uppstår liknande värden för kategorin human toxicitet Detta beror på ämnet mangan som katoden i batteriet delvis består av. Gällande klimatförändringar bidrar katoden och anoden med 47% respektive 30%, där litiummanganoxiden respektive grafiten är betydande. Litiumets påverkan återspeglas också i att litiumflourfosfatet bidrar med cirka 10% av klimatpåverkan. Utvinningen av litiummanganoxiden och grafiten bidrar också till kategorin utnyttjande av mineraltillgångar där uttömningen av mangan står för 67%. 35

36 Figur 5.5 Andel påverkan för respektive process i bränslecellstrucken, med inköpt vätgas, för de 18 påverkanskategorierna. I figur 5.5 redovisas andelen miljöpåverkan för respektive process, för bränslecellstrucken med inköpt vätgas, i förhållande till de 18 påverkanskategorierna. Exakta siffror för alla påverkanskategorier finns i bilaga 15. Resultatet visar att andelarna förhåller sig likt figur 5.4 med minimala skillnader. Därmed utförs ingen vidare tolkning av resultatet i figur 5.5. Figur 5.6 Karaktäriseringsresultat, andel miljöpåverkan dieseltruck jämfört med en bränslecellstruck med egenproducerad vätgas. Figur 5.6 visar karaktäriseringsresultatet i procent för dieseltruckens jämfört med bränslecellstruckens, med egenproducerad vätgas, miljöpåverkan för de 18 olika påverkanskategorierna. För varje påverkanskategori i figuren normeras den truck med mest påverkan till 100%. Dieseltruckens miljöpåverkan är större i 14/18 fall och bränslecellstruckens miljöpåverkan dominerar för 4/18 påverkanskategorier. Tabell 5.9. Karakterisering för dieseltruck och de båda bränslecellstruckarna i karaktäriseringsfaktorns enhet. Bränslecellstruck 1 Bränslecellstruck 2 Påverkanskategorier Dieseltruck (egenprod. vätgas) (inköpt vätgas) Klimatförändring (kg CO 2 ) Uttunning av ozonskiktet (kg CFC- 0,035 0,0083 0,