Livsløpsvurdering av en representativ batteriladestasjon utenfor strømnettet i Malawi

Abstract

Befolkningen i Nkhotakota i Malawi er avskåret fra strømnettet og benytter i utgangspunktet primærbatterier koblet til LED-lamper for belysning. Solcelledrevne batteriladestasjoner er bygget for å tilby elektrisitet på en måte som er bærekraftig med tanke på miljø og økonomi. Hovedmålsettingen med denne oppgaven er å undersøke om batteriladestasjoner er en miljøvennlig løsning for produksjon og distribusjon av elektrisitet på landsbygda i Malawi. Oppgaven ble innledet med feltarbeid, der målet var å få innsikt i den lokale settingen, definere systemgrenser og samle inn data til livsløpsvurderingen. Et litteraturstudie ble gjennomført. Det ble ikke funnet noen tidligere livsløpsvurderinger av batteriladestasjoner. Likevel finnes relevante studier. Blant livsløpsvurderinger av frittstående solcellesystemer, er det konsensus om at energitilbakebetalingstid er lavere enn levetiden. Livsløpsvurderinger av batterier for bruk i el-bil konkluderer med at litiumbatterier har lavere karbonavtrykk enn blybatterier. ”Cradle-to-gate”-studier konkluderer med at blybatterier har lavest karbonavtrykk per kg batterimasse. En representativ batteriladestasjon ble definert og livsløpvurdering ”fra vugge til og med bruk” ble foretatt. Modelleringen ble gjort med analyseverktøyet SimaPro, med data fra feltopphold, Ecoinvent-database og litteratur. Sluttlivsfasen ble diskutert kvalitativt. Bygningsmasse, småkomponenter som strømledning, skruer og panelstativ ble utelatt fra livsløpsvurderingen. Det samme ble ikke-fysiske aktiviteter. For sammenlikningsøyemed ble også livsløp ”fra vugge til og med bruk” for primærbatterier modellert og vurdert. Totalt utslipp ”fra vugge til og med bruk” for en representativ batteriladestasjon er 1786,2 kg CO2 − ekvivalenter og 2296,4 kg 1,4-DB-ekvivalenter. Størst karbonavtrykk er knyttet til produksjon av blybatterier og multikrystallinske solcellepaneler. Produksjon av multikrystallinske solcellepaneler og inverter medfører størst utslipp av kg 1,4-DB-ekvivalenter. Transportfasen står for 16,9% CO2-utslippet. Litiumbatterier har et mindre karbonavtrykk enn blybatterier, forskjellene øker dersom antakelser om brukstid, temperatur eller dybde på ladesykler øker. En representativ batteriladestasjon med 10 års brukstid, har netto energi-ratio på 27,2% og greier derfor ikke betale tilbake akkumulert energimengde gjennom sin levetid. Sluttlivsfasen for en batteriladestasjons komponenter er usikker. Systematisk avfallshåndtering finnes ikke på landsbygda i Malawi. Blybatterier kan resirkuleres hos produsent i Sør Afrika. Elektronisk avfall kan resirkuleres i Nairobi. Relativt til bruk av primærbatterier er batteriladestasjoner en miljøvennlig løsning for å produsere og distribuere elektrisitet på landsbygda i Malawi.

The population of Nkhotakota in Malawi is cut off from electrical grid and uses basically primary batteries connected to LEDs for lighting. Solar-powered battery charging stations are built to provide electricity in a way that is sustainable in terms of environment and economy. The main objective of this thesis is to investigate whether battery charging stations are an environmentally friendly solution for the production and distribution of electricity in rural Malawi. The mission began with fieldwork, whose aim was to gain insight into the local setting, define system boundaries and collect data for the life-cycle assessment. A literature review was conducted. No previous life cycle assessments of battery charging stations were found. Yet relevant studies on photovoltics and batteries were found. Among life cycle assessments of standalone photovoltaics, there is consensus that the energy payback time is less than the systems expected lifespan. Life cycle assessments of batteries for use in electric vehicles concludes that lithium batteries have a lower carbon footprint than lead acid batteries. "Cradle-to-gate" studies conclude that lead-acid batteries have the lowest carbon footprint per kg battery mass. A representative battery charging station was defined and its life cycle "from cradle to use" were assessed. The modeling was done with analysis tool SimaPro, with data collected from fieldwork, Ecoinvent database and literature. End of Life phase was discussed qualitatively. Building Mass, minor components such as power cord, screws and panel stand was omitted from the life cycle assessment. The same was non-physical activities. The life cycle of primary batteries from ”cradle to use” were modeled and assessed for comparison purposes. During it’s life cycle ”from cradle to use”, a representative battery charging station emits 1786.2 kgCO2-equivalents and 2296.4 kg 1,4-DB-equivalents. The biggest carbon emissions is related to the production of lead-acid batteries and multicrystalline photovoltaic modules. Production of multicrystalline photovoltaic modules and the inverter causes the greatest emissions of kg 1,4-DB-equivalents. The transportation phase accounts for 16.9% of the CO2-emissions. Lithium batteries contributes less to global warming than lead-acid batteries, the differences increase if assumptions about usage time, temperature or depth of discharge increases. For a representative battery charging station with 10 years of life, the net energy ratio is 27.2% and is therefore unable to pay back its accumulated energy demand. The components end of life phase is uncertain. Systematic waste management does not exist in rural Malawi. Lead-acid batteries can be recycled at the manufacturer in South Africa. Electronic waste can be recycled in Kenya. The battery charging stations is a environmental friendly way of producing and distributing electricity in rural Malawi, relative to the use of primary batteries.