Life cycle assessment of GHG emissions of light duty vehicles : comparison between internal combustion engine vehicles and battery electric vehicles

The increasing contribution of transport sector, particularly lightweight vehicles, in global greenhouse gas GHG emissions over past decades is posing a major resistance towards fulfillment of global net-zero emissions. The need of decarbonization of vehicles has led to mass adoption of battery electric vehicles (BEVs) and the increasing market dominance of BEVs demands a detailed analysis of the entire life cycle LCA emissions of BEVs in comparison with Internal combustion engine vehicles (ICEVs). This study considers (i) production, (ii) well to wheel (fuel cycle and tailpipe emissions), (iii) maintenance and (iv) end of life (disposal and recycling) emissions of ICEVs and BEVs belonging to nine different model segments detailing four different geographies (Europe – EU, NA – North America, EA – East Asia, China – CH) to evaluate the impact of production and usage location, grid carbon intensity, fossil fuel cycle, and distance driven during the vehicle life. Lifetime distance driven is assumed to be 150000km with sensitivity of ±50000km and results are given in kgCO2eq/vehicle and gCO2eq/km. The study uses secondary data and emission inventories developed by previous authors as reference for developing a model to calculate emissions of different phases of the vehicle life cycle. Total vehicle production emissions are higher for BEVs than ICEVs, and overall, the highest contribution belongs to China, and for segments with higher weight and bigger battery capacities. The ICEV well to wheel (WTW) emissions are 2-3 times the amount of comparable BEV segments. Tailpipe emissions contribute to 65-80% of total ICEV LCA emissions for EU, while 25-35% for China, highlighting the different carbon footprint of vehicle production in the two regions. Battery and body production emissions range between 35-70% of total BEV LCA emissions due differences in battery size and body weight across segments. ICEV emissions are, on average, higher than corresponding BEV emissions in EU, NA and China whereas in EA, ICEV emissions are lower than BEV due to their low fossil fuel cycle emissions and high electricity grid carbon intensities. Battery recycling emissions are higher for higher range and lower energy density battery storages. The emission reduction that can be achieved by using battery packs manufactured from recycled LIBs could reach the 5-15% of the of total LCA GHG. For ICEVs used in EU, 25-46% LCA emissions increase by moving the production from EU to China. Similarly, for BEVs, moving the battery production from EU to China, the LCA emissions increase by 11-50%, while the increment reaches 78-140% if all vehicle production is moved. Changing the EU electricity mix towards 2040 (32gCO2eq/kWh), BEVs can benefit from a 65-71% LCA emission reduction versus 5% emission savings for ICEVs

Il contributo crescente del settore dei trasporti, in particolare dei veicoli leggeri, alle emissioni globali di gas serra di gas serra negli ultimi decenni sta ponendo una grande resistenza verso il raggiungimento delle emissioni nette zero globali. La necessità di decarbonizzazione dei veicoli ha portato all'adozione di massa di veicoli elettrici a batteria (BEV) e il crescente predominio del mercato dei BEV richiede un'analisi dettagliata delle emissioni LCA dell'intero ciclo di vita dei BEV rispetto ai veicoli con motore a combustione interna (ICEV). Questo studio considera (i) la produzione, (ii) bene alla ruota (ciclo del carburante e emissioni dallo scarico), (iii) la manutenzione e (iv) le emissioni di fine vita (smaltimento e riciclaggio) di ICEV e BEV appartenenti a nove diversi segmenti di modello che dettagliano quattro diverse aree geografiche (Europa - UE, NA - Nord America, EA - Asia orientale, Cina - CH) per valutare l'impatto della produzione e del luogo di utilizzo, l'intensità di carbonio della rete, il ciclo dei combustibili fossili e la distanza percorsa durante la vita del veicolo. Si presume che la distanza totale percorsa sia di 150000 km con una sensibilità di ± 50000 km ei risultati sono forniti in kgCO2eq / veicolo e gCO2eq / km. Lo studio utilizza dati secondari e inventari delle emissioni sviluppati da autori precedenti come riferimento per lo sviluppo di un modello per calcolare le emissioni delle diverse fasi del ciclo di vita del veicolo. Le emissioni totali della produzione di veicoli sono più elevate per i BEV rispetto agli ICEV e, nel complesso, il contributo più elevato appartiene alla Cina e ai segmenti con peso maggiore e capacità della batteria maggiori. Le emissioni dell'ICEV dal pozzo alla ruota (WTW) sono 2-3 volte la quantità di segmenti BEV comparabili. Le emissioni dallo scarico contribuiscono al 65-80% delle emissioni totali di ICEV LCA per l'UE, mentre il 25-35% per la Cina, evidenziando la diversa impronta di carbonio della produzione di veicoli nelle due regioni. Le emissioni della batteria e della produzione del corpo variano tra il 35-70% delle emissioni totali di BEV LCA a causa delle differenze nelle dimensioni della batteria e nel peso corporeo tra i segmenti. Le emissioni di ICEV sono, in media, superiori alle corrispondenti emissioni di BEV in UE, NA e Cina mentre in EA, le emissioni di ICEV sono inferiori a BEV a causa delle loro basse emissioni del ciclo dei combustibili fossili e delle elevate intensità di carbonio della rete elettrica. Le emissioni di riciclo delle batterie sono maggiori per gli accumulatori con autonomia maggiore e minore densità energetica. La riduzione delle emissioni ottenibile utilizzando pacchi batteria prodotti da LIB riciclate potrebbe raggiungere il 5-15% del totale di GHG LCA. Per gli ICEV utilizzati nell'UE, le emissioni LCA aumentano del 25-46% spostando la produzione dall'UE alla Cina. Allo stesso modo, per i BEV, spostando la produzione di batterie dall'UE alla Cina, le emissioni LCA aumentano dell'11-50%, mentre l'incremento raggiunge il 78-140% se viene spostata tutta la produzione di veicoli. Cambiando il mix di elettricità dell'UE verso il 2040 (32gCO2eq / kWh), le BEV possono beneficiare di una riduzione delle emissioni LCA del 65-71% rispetto a una riduzione delle emissioni del 5% per gli ICEV.