Modeling and simulating the evolution of circular economy for End-of-Life e-mobility Li-Ion batteries

The commercialization of electrified vehicles has experienced a significant expansion worldwide in the last decade and it is expected to maintain this raising trend over the following years, driven by the need to reduce greenhouse gas emissions in the transportation sector. This trend boosts the demand for Li-ion batteries embedded in the vehicle, that will translate into an increase of batteries to be treated at their end-of-life. The thesis faces the issues and challenges of shifting from a linear to a circular value chain in the context of e-mobility batteries. It proposes a simulation model built on a systems dynamics tool, able to provide a comprehensive description of the return value chain, processes and second life applications. Furthermore, having determined all main factors influencing the development of circular economy strategies, the model captures their progress and interaction over time to see the effect on the results. The purpose is optimizing the evolution of return batteries flows and forecast their most likely distribution between the available circular economy strategies given a set of criteria. Data gathering of the real ecosystem together with a profitability analysis of the processes have been deepened to provide the required information to feed and run the model. The collected results have been analyzed and translated into recommendations to boost the development of those strategies, aiming at deriving the maximum gain from all of them.

Le vendite globali di veicoli elettrici e ibridi sono in forte crescita, confermando un trend che ha caratterizzato gli ultimi anni, in risposta alle esigenze di decarbonizzazione e riduzione di gas serra. Questa crescita impatta direttamente la produzione di batterie agli ioni di litio, che costituiscono il componente fondamentale della nuova tecnologia di veicoli, e pongono nuove problematiche sulla loro gestione una volta raggiunto il fine vita. Il presente elaborato si pone l'obiettivo di indagare questa tematica, e approfondire le sfide legate all'implementazione di un sistema di economia circolare per la gestione di queste batterie. Viene realizzato un modello di simulazione basato su un software di system dynamics, con lo scopo di fornire uno strumento che supporti il processo decisionale degli attori coinvolti nella filiera. Il modello è strutturato per garantire una descrizione completa della catena del valore, dei processi coinvolti e delle possibili applicazioni di seconda vita. Costruito su una serie di criteri e vincoli, il modello è finalizzato a stimare l'evoluzione dei flussi di ritorno delle batterie e prevedere la loro distribuzione tra le strategie di economia circolare disponibili. Sono stati raccolti dati e informazioni sull'ecosistema reale da usare come input per il modello, ed è stata svolta un'analisi circa la redditività dei processi. I risultati raccolti hanno permesso di derivare conclusioni e spunti interessanti sul possibile sviluppo futuro di tali strategie applicate alle batterie agli ioni di litio.