Beyond well-to-Wheels analysis : assessing the full supply chain impact of fuel cell electric vehicles (FCEV) in a future automotive scenario

According to projections of International Energy Agency, to comply with the European GHG emission target, the provisioned penetration of Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) is estimated as the 30% of the total passenger light-duty vehicles in 2050, implying a massive production of Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) for the next decades, as well as an extensive penetration of hydrogen production facilities and distribution infrastructures. Traditional Well-to-Wheels (WTW) models are capable to assess the primary energy requirements and the emissions of the prospected transition focusing on the fuel pathways, but, compared to Life Cycle Assessment (LCA) models, they neglect the physical infrastructures required to support such new technologies, namely the fabrication of the vehicles and the fuel distribution infrastructures, and also neglecting the indirect effects due to the prospected changes in the national energy sector. The objective of this research is to evaluate the economic and environmental impact of the penetration of FCEV in the German transport sector, focusing on CO2 emissions and primary non-renewable energy consumption. The LCA analysis is based on an Integrated Hybrid Input-Output model: the background system (supply chains) has been modeled trough the Exiobase database, while the foreground processes have been characterized based on the Authors’ experience in Fuel Cells technology, an in-depth literature surveys and the support of the Ecoinvent database. The main exogenous scenario parameters are related to the prospected shares of FCEV in the automotive technology mix, different hydrogen production and distribution processes, and different electricity production technologies. In addition to the hydrogen production and use phases, the developed LCA model also includes the production of vehicles and infrastructures for hydrogen production and distribution, and the prospected change in the national electricity production mix. Significant discrepancies have been found by comparing results of WTW models and the developed LCA model: in particular, it is found that the impact caused by infrastructures and vehicles production could significantly offset the expected reduction in CO2 emissions and primary non-renewable energy consumptions.

In accordo con le proiezioni dell’International Energy Agency, per rispettare il target europeo di emissioni di GHG, la penetrazione prevista di veicoli elettrici a celle a combustibile si attesta attorno al 30% dei veicoli passeggero di tipo light-duty nel 2050, comportando un’ingente produzione di celle a combustibile a membrana polimerica (PEMFC) nei prossimi decenni, così come un’ampia diffusione di impianti per la produzione di idrogeno e di infrastrutture per la sua distribuzione. I modelli tradizionali Weel-to-Wheels (WTW) sono in grado di valutare la richiesta di energia primaria e le emissioni associate a tale cambiamento focalizzandosi sulla filiera del carburante, ma, rispetto ai modelli di analisi di ciclo di vita (LCA), non considerano le infrastrutture richieste per supportare queste nuove tecnologie, ovvero la fabbricazione dei veicoli e le infrastrutture per la distribuzione del carburante, e non considerano nemmeno gli effetti indiretti associati a cambiamenti nel settore energetico nazionale. L’obiettivo di questa ricerca è valutare l’impatto economico ed ambientale associato alla diffusione dei FCEV nel settore dei trasporti tedesco, concentrandosi sulle emissioni di CO2 e sui consumi di energia primaria non-rinnovabile. L’analisi LCA è basata su un modello integrato ibrido di Input-Output: il sistema di background (filiere produttive) è stato modellato attraverso il database Exiobase, mentre i processi di foreground sono stati caratterizzati sulla base dell’esperienza degli Autori nella tecnologia delle celle a combustibile, di un’approfondita indagine di letteratura e con il supporto del database Ecoinvent. I principali parametri esogeni per la costruzione dello scenario si riferiscono a percentuali future di FCEV nel mix automobilistico, ai processi di produzione e distribuzione dell’idrogeno e a differenti tecnologie per la produzione di energia elettrica. In aggiunta alle fasi di produzione ed utilizzo dell’idrogeno, il modello LCA sviluppato include anche la costruzione dei veicoli e delle infrastrutture per la produzione e distribuzione dell’idrogeno e i cambiamenti previsti nel mix di produzione elettrica nazionale. Sono state trovate discrepanze significative confrontando i risultati dei modelli WTW e del modello LCA sviluppato: in particolare, l’impatto causato dalla produzione di veicoli ed infrastrutture potrebbe compensare significativamente la riduzione nelle emissioni di CO2 e nei consumi di energia primaria non-rinnovabile.