LLUC CANALS I Dr. Professor agregat del departament d'Enginyeria de Projectes i de la Construcció de la UPC
LÁZARO V. CREMADES I Dr. Catedràtic del departament d'Enginyeria de Projectes i de la Construcció de la UPC
La tecnologia és una arma de doble tall. Si bé resol petits reptes, també n'acaba creant de més grossos al cap d’uns anys. La pol·lució és precisament el gran problema dels VCI. Aquesta els ha fet passar de ser símbols de llibertat a convertir-se en un dels principals culpables del canvi climàtic que està fomentant la brutal campanya ambiental que pretén eliminar els VCI d’Europa pel 2050.
La història del vehicle elèctric (VE) comença a finals del segle XIX i es pot entendre com la d’una lluita intermitent amb el vehicle de motor tèrmic per aconseguir l’hegemonia del sector automotriu. Als inicis competia amb els motors de vapor, però aviat van arribar els vehicles amb motor de combustió interna (VCI). Van ser uns 50 anys d’estira-i-arronsa en què, com es pot veure a la imatge, un anunci publicat a 'La Vanguardia' l'any 1932, encara semblava que el VE tenia les seves opcions. Aquesta pugna va durar aaaaafins a l’arribada dels derivats del petroli assequibles i l’arrancada elèctrica, que van deixar enrere qualsevol aspiració del VE per seguir en aquesta competició.
Tanmateix, la tecnologia és una arma de doble tall. Si bé resol petits reptes, també n'acaba creant de més grossos al cap d’uns anys. La pol·lució és precisament el gran problema dels VCI. Aquesta els ha fet passar de ser símbols de llibertat a convertir-se en un dels principals culpables del canvi climàtic que està fomentant la brutal campanya ambiental que pretén eliminar els VCI d’Europa pel 2050. La campanya ambiental i la possibilitat d'utilitzar bateries d’ió de liti per emmagatzemar energia ha donat al VE les prestacions mínimes acceptables per fer front als VCI. 140 anys després, el VE torna a aparèixer com l’alternativa que més números té a curt termini [1], [2].
Sent la sostenibilitat el principal impulsor del canvi cap a l'electrificació de la mobilitat, aquest estudi presenta algunes incoherències en relació amb les tendències del mercat i les solucions que els fabricants de vehicles estan donant al VE per promoure'n la venda en relació amb els principis de la sostenibilitat.
Metodologia
Per realitzar aquesta anàlisi, el primer exercici és definir els 7 principis de sostenibilitat o d'eco-eficiència [3]:
Reduir la intensitat de materials en béns i serveis, que significa utilitzar menys materials per produir coses similars.
Reduir la intensitat energètica en productes i serveis, que vol dir millorar l’eficiència.
Reduir la dispersió de qualsevol material tòxic.
Millorar el reciclatge de materials.
Maximitzar l'ús de recursos sostenibles i renovables.
Allargar la durabilitat dels productes.
Augmentar la intensitat dels serveis i la prestació de béns, que vol dir que moltes necessitats no cal cobrir-les amb productes propis i es poden cobrir a través de serveis.
A continuació, s’analitzen els problemes identificats pel VE en comparació amb els VCI plantejant-se les següents preguntes:
Quines són les implicacions del problema?
Quines són les solucions que estan implementant per superar-les?
Les solucions a aquestes preguntes es contrasten més endavant amb els principis de sostenibilitat.
La sostenibilitat del vehicle elèctric
La primera crítica ambiental al VE se centra en el fet que, tot i no emetre gasos contaminants, la producció d'electricitat per carregar les bateries sí que ho fa. En aquest sentit, alguns articles indiquen que, en funció de l’origen de la producció d'electricitat, el VE pot emetre encara més gasos d’efecte hivernacle que el VCI [4]. Per solucionar-ho cal maximitzar l’ús d’energia de fonts renovables seguint l'enunciat 5 dels principis de sostenibilitat. Però el creixement de la quota de mercat comporta un augment del consum d'electricitat i, en aquest moment, el sector elèctric està lluny de tenir fonts d'energia 100% renovables [5]. A més, assolir aquesta alta proporció de renovables en el transport sembla poc realista [6].
El segon inconvenient està relacionat amb la producció de les bateries, que implica un augment del potencial d’escalfament global entre el 20% [20] i el 40% [7] respecte a un VCI. Addicionalment, les bateries utilitzen una gran quantitat de recursos naturals, dels quals, com a mínim 5 (liti, manganès, cobalt, coure i níquel) estan classificats com a materials crítics [8].
Per això s’estan buscant alternatives a les bateries d’ió-liti. No obstant això, les alternatives són prometedors en algunes característiques però depriments en altres, comprometent la seva competitivitat. Actualment, no hi ha una química de bateria capaç de superar les prestacions funcionals de l’ió-liti i no s’espera que això passi fins d’aquí a 10 anys [9].
Per reduir el consum de matèries primeres només queda el reciclatge. Tot i que s'espera que els pobres resultats actuals de reciclatge millorin en els pròxims anys amb l’automatització de processos [10], el creixement del mercat de VE, que augmenta un 50% any rere any, va més ràpid que la possibilitat de recuperar aquests materials, que arriba entre 10 i 15 anys més tard dels VE retirats. Això implica que la quantitat de materials reciclats per utilitzar en noves bateries és molt baixa en comparació amb la d’un mercat estabilitzat. Projectant les vendes de VE nous per al 2023 [11], el nombre de bateries recuperades d’aquells vehicles venuts fa 10 anys representaria menys del 2% de les que es preveuen fabricar. Per tant, no té sentit comptar amb el reciclatge per evitar l'extracció massiva de matèries primeres els pròxims 10 o 15. Avui dia, el canvi a VE no està alineat amb el principi 4 de sostenibilitat.
És per això que va aparèixer la idea de reutilitzar la bateria. La proposta és aprofitar la capacitat útil que encara té la bateria del VE després de la retirada del vehicle per utilitzar-la per altres finalitats. Tot i això, ni els beneficis ambientals de la reutilització ni els econòmics són els projectats inicialment. En l'àmbit ambiental la segona vida amplia l'impacte ambiental del cicle de vida, requerint més recursos per a la remanufactura [12]. Les perspectives econòmiques mostren com el retorn de la inversió és escàs i necessita més de 10 anys per mostrar resultats positius [13]. A més, el mercat estacionari podria estar saturat entre el 2030 i el 2035 amb bateries de segona vida de VE [14]. Per tant, no té gaire sentit confiar en la reutilització de bateries com el camí que seguiran la majoria dels VE.
Més enllà de les preocupacions ambientals del cicle de vida dels vehicles, el mercat ha pres algunes decisions gairebé irracionals pel que fa a la sostenibilitat. L'entrada dels VE era l’oportunitat perfecta per canviar els hàbits de mobilitat de la societat, però els fabricants intenten equiparar les prestacions del VE a les del VCI.
L'autonomia relativament baixa (100 km) dels primers models de VE (24 kWh) es considera inacceptable tot i que la mitjana dels viatges habituals de la gent estigui al voltant dels 50 km [15]. Els fabricants han anat augmentant la capacitat de les bateries dels nous VE fins ara, quan la capacitat mitjana de les bateries és d'uns 60 kWh, podent arribar fins als 100 kWh i més de 400 km d'autonomia. A mesura que augmenta l'autonomia dels VE, també ho fa la capacitat i, en conseqüència, el pes del vehicle. Aquest augment de pes està relacionat amb el consum del VE amb una relació tal que 100 kg addicionals suposen un augment d’1 kWh cada 100 km [16]. Actualment, el pes mitjà dels VE és un 30% més que el dels VCI [17]. Sembla, doncs, poc raonable que per transportar 75 kg (el pes aproximat d'una persona), passem d’utilitzar vehicles que pesen 17 vegades més a utilitzar-ne uns suposadament sostenibles que pesen fins a 23 vegades més. Per tant, es pot suposar que la tendència d’augmentar la capacitat per dotar de més autonomia el VE va en contra dels principis 1 i 2 de la sostenibilitat.
Evolució de l’autonomia mitjana dels VE amb els anys [11].
Vinculada a la creixent autonomia, la velocitat de càrrega es presenta com una altra barrera per a l'entrada dels VE [18]. Vuit hores per carregar la bateria es consideren un gran desavantatge en comparació amb els cinc minuts per omplir el dipòsit d'un VCI. La càrrega ràpida es presenta com una solució tècnica que, això no obstant, té alguns efectes secundaris. D'una banda, la càrrega ràpida accelera la degradació de la bateria [19], el que podria avançar la retirada del VE i accelerar l'envelliment de la bateria, fet que va en contra del principi 6 de la sostenibilitat. D'altra banda, la potència necessària per carregar la bateria en mitja hora, que és d'uns 50 kW per a una bateria de 24 kWh i pot ser de fins a 150 kW per a bateries de major capacitat, té un impacte important a la xarxa i a l'entorn. Caldrà adaptar les xarxes i instal·lar i distribuir nous equips més potents.
Aquesta necessitat d'infraestructura és l'últim inconvenient identificat per la societat, ja que hi ha la sensació que s'hauria de poder carregar a qualsevol lloc on es vagi, requerint una ampliació de la infraestructura de càrrega. Tanmateix, aquest desplegament massiu pot no ser tan necessari, perquès la realitat mostra que el 85% de les càrregues es realitzen a la llar i les altres al lloc de treball. La gent compra un cotxe per cobrir les seves necessitats diàries i no depenent de la disponibilitat d'estacions de càrrega buides al carrer.
Com els fabricants intenten minimitzar les limitacions dels VE i com aquests canvis comprometen la sostenibilitat dels VE.
Com es veu a la imatge, les solucions proposades per la indústria estan en confrontació directa amb els principis de sostenibilitat i, per tant, entren en contradicció amb els motius que han donat peu a una nova oportunitat pel VE.
Davant d’aquest panorama, potser el VE no és tan prometedor, però podria ser-ho si l’entenem com quelcom diferent, no com un substitut. Les opcions passen per considerar dimensionar la bateria a les necessitats més habituals i no per afrontar el temor de no poder fer aquells trajectes esporàdics més llargs o qualsevol altra casuística. Una bateria petita implica menys recursos per produir el cotxe, és a dir, menys impacte ambiental durant la manufactura, però també implica menys pes al vehicle, i això va acompanyat d’un menor consum per trajecte. Per fer aquells trajectes esporàdics de llarga distància podem pensar en altres alternatives de transport o en la mobilitat compartida. Les diverses tipologies de carsharing o el lloguer de vehicles d’alta autonomia poden ser opcions perfectament vàlides i, molt probablement, més rendibles econòmicament per aquests pocs trajectes, comparat amb adquirir un vehicle amb una bateria de major capacitat que, igualment, no serà suficient per altres ocasions.
De totes maneres, si s’opta per seguir augmentant la capacitat de les bateries, cal entendre el VE com una bateria amb rodes que pot oferir serveis energètics a edificis i mercats elèctrics, a part de transportar persones. Estudis recents mostren que les bateries dels vehicles amb prou autonomia duraran més de 20 anys [20], així que no cal patir gaire per la degradació addicional de la bateria [21], n’hi ha de sobres per tu i pels teus veïns.
Si se segueixen les directrius ambientals de manera coherent, podrien donar una oportunitat a la sostenibilitat i al VE. No fer-ho seria caure una vegada més en la paradoxa de Jevons: "Un augment de l'eficiència ve acompanyat d'un augment dels recursos utilitzats" i no a l’inrevés, que és el que ha succeït en la gran majoria de casos al llarg de la història del desenvolupament dels cotxes.
Referències en cas d'interès:
[1] A. Cornet et al., “Why the automotive future is electric,” McKinsey & Company, 2022. https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/why-the-automotive-future-is-electric (accessed Nov. 23, 2022).
[2] T. Montes, M. Etxandi-santolaya, J. Eichman, V. Ferreira Ferreira, L. Trilla, and C. Corchero, “Procedure for Assessing the Suitability of Battery Second Life Applications after EV First Life,” Batteires, vol. 8, no. 9, pp. 1–19, 2022, doi: 10.3390/batteries8090122.
[3] M. Lenhi, S. Schmidheiny, and B. Stigson, Eco-efficiency: creating more value with less impact. World Business Council for Sustainable Development, WBCSD, 2000, 2000.
[4] L. Canals Casals, E. Martinez-Laserna, B. Amante García, and N. Nieto, “Sustainability analysis of the electric vehicle use in Europe for CO2 emissions reduction,” J. Clean. Prod., vol. 127, pp. 425–437, 2016, doi: 10.1016/j.jclepro.2016.03.120.
[5] K. Chudy-Laskowska and T. Pisula, “An Analysis of the Use of Energy from Conventional Fossil Fuels and Green Renewable Energy in the Context of the European Union’s Planned Energy Transformation,” Energies, vol. 15, no. 19, 2022, doi: 10.3390/en15197369.
[6] R. Sacchi, C. Bauer, B. Cox, and C. Mutel, “When, where and how can the electrification of passenger cars reduce greenhouse gas emissions?,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 162, no. May 2020, p. 112475, 2022, doi: 10.1016/j.rser.2022.112475.
[7] M. S. Koroma, N. Brown, G. Cardellini, and M. Messagie, “Prospective environmental impacts of passenger cars under different energy and steel production scenarios,” Energies, vol. 13, no. 23, pp. 1–17, 2020, doi: 10.3390/en13236236.
[8] P. N. Nkrumah, G. Echevarria, P. D. Erskine, and A. van der Ent, “Farming for battery metals,” Sci. Total Environ., vol. 827, p. 154092, 2022, doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.154092.
[9] D. Leussink, “Toyota unveils sweeping plans for new battery tech, EV innovation,” 2023. https://www.reuters.com/business/autos-transportation/toyota-market-next-gen-battery-evs-2026-built-by-new-ev-unit-2023-06-13/ (accessed Oct. 27, 2023).
[10] Y. Yang, E. G. Okonkwo, G. Huang, S. Xu, W. Sun, and Y. He, “On the sustainability of lithium ion battery industry – A review and perspective,” Energy Storage Mater., vol. 36, no. October 2020, pp. 186–212, 2021, doi: 10.1016/j.ensm.2020.12.019.
[11] International Energy Agency, “Global EV Outlook 2022,” 2022. [Online]. Available: https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2022/trends-in-electric-light-duty-vehicles
[12] Y. Tao, C. D. Rahn, L. A. Archer, and F. You, “Second life and recycling : Energy and environmental sustainability perspectives for high-performance lithium-ion batteries,” Sciennce Adv., vol. 7, no. 45, 2021, doi: 10.1126/sciadv.abi7633.
[13] H. Rallo, L. Canals Casals, D. De La Torre, R. Reinhardt, C. Marchante, and B. Amante, “Lithium-ion battery 2nd life used as a stationary energy storage system: Ageing and economic analysis in two real cases,” J. Clean. Prod., vol. 272, p. 122584, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122584.
[14] Y. Kotak et al., “End of Electric Vehicle Batteries: Reuse vs. Recycle,” Energies, vol. 14, no. 8, p. 2217, 2021, doi: 10.3390/en14082217.
[15] P. Plötz, N. Jakobsson, and F. Sprei, “On the distribution of individual daily driving distances,” Transp. Res. Part B Methodol., vol. 101, pp. 213–227, 2017, doi: 10.1016/j.trb.2017.04.008.
[16] M. Weiss, K. C. Cloos, and E. Helmers, “Energy efficiency trade-offs in small to large electric vehicles,” Environ. Sci. Eur., vol. 32, no. 1, 2020, doi: 10.1186/s12302-020-00307-8.
[17] Y. Liu et al., “Comparative analysis of non-exhaust airborne particles from electric and internal combustion engine vehicles,” J. Hazard. Mater., vol. 420, p. 126626, 2021, doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126626.
[18] K. Chidambaram et al., “Critical analysis on the implementation barriers and consumer perception toward future electric mobility,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part D J. Automob. Eng., 2022, doi: 10.1177/0954407022108034.
[19] R. Mathieu, O. Briat, P. Gyan, and J. M. Vinassa, “Comparison of the impact of fast charging on the cycle life of three lithium-ion cells under several parameters of charge protocol and temperatures,” Appl. Energy, vol. 283, no. June 2020, p. 116344, 2021, doi: 10.1016/j.apenergy.2020.116344.
[20] L. Canals Casals, M. Etxandi-Santolaya, P. A. Bibiloni-Mulet, C. Corchero, and L. Trilla, “Electric Vehicle Battery Health Expected at End of Life in the Upcoming Years Based on UK Data,” Batteries, vol. 8, no. 10, 2022, doi: 10.3390/batteries8100164.
[21] M. Etxandi-santolaya, L. Canals, and C. Corchero, “Estimation of electric vehicle battery capacity requirements based on synthetic cycles,” Transp. Res. Part D, vol. 114, p. 103545, 2023, doi: 10.1016/j.trd.2022.103545.