Thermodynamic assessment of raw material use in passenger vehicles

In: http://zaguan.unizar.es/record/79100

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Abstract

Conseguir una economía mundial libre de carbono es de vital importancia para evitar el aumento de las temperaturas del planeta y sus fatales consecuencias para la humanidad. Para lograr ese objetivo se están llevando a cabo grandes avances en el desarrollo tanto de energías renovables como de vehículos más limpios. En el caso de los vehículos esos avances se están centrando principalmente en mejorar la eficiencia de los motores combustión, reducir la emisión tanto de gases de efecto invernadero como de otros perjudiciales para la salud y en el desarrollo de vehículos libres de emisiones directas, como los vehículos eléctricos. Estos avances hacía la obtención de automóviles más limpios está provocando un cambio en la actual flota de vehículos y se espera que en las próximas décadas habrá una renovación total de la misma. La nueva generación de vehículos reducirá en gran parte su dependencia con relación a los combustibles fósiles, sin embargo a cambio demandará una gran cantidad de recursos naturales, tan valiosos e incluso más escasos en ocasiones que el petróleo. Algunos de estos recursos serán: Co, Ni, Mn o Li para fabricar baterías; Ga, Ge, Y para hacer sistemas de iluminación tipo LEDs; Nd, Dy, Pr para construir imanes permanentes de motores eléctricos; Pt, Pd, Zr para hacer catalizadores que reduzcan la contaminación; Au, Ag, Sn, Ta, Yb para fabricar unidades electrónica; Ce, Tb, Se, La para hacer sensores o Nb, Mo, Cr, Ti, V, Sc, W para hacer aleaciones de acero de alta resistencia. Lamentablemente, estos recursos son finitos y algunos de ellos incluso ya son considerados como críticos por la Comisión Europea y otras instituciones internacionales. Una de las soluciones para mejorar la sostenibilidad en la fabricación de vehículos desde el puntode vista de los materiales que se emplean es el reciclaje. Sin embargo hay dos grandes problemas en torno al mismo. Por un lado los ratios de reciclaje no están avanzando tan rápidamente como la demanda de materiales y por otro lado las políticas de reciclaje no incentivan la recuperación de metales escasos. En la actualidad, los objetivos de reciclaje de vehículos se fijan en alcanzar un porcentaje de reciclabilidad sobre la masa total del vehículo. Para conseguir esas cuotas de reciclaje se llevan a cabo convencionalmente procesos mecánicos de separación de materiales. Estos procesos son de baja intensidad energética y a la vez muy eficaces para recuperar los metales que se emplean en mayores cantidades (acero, aluminio o cobre) pero resultan ineficaces para recuperar metales empleados en pequeñas proporciones (metales críticos o escasos). Como consecuencia, los metales críticos terminan subciclados en los procesos de fabricación de aleaciones de acero o aluminio y en el peor de los casos dispersos en un vertedero. Esta tesis se desarrolla con el objetivo principal de mejorar la eficiencia en el uso de los recursos necesarios para la fabricación de automóviles. Para conseguir dicho propósito se presenta una metodología que mide la eficiencia en el uso de los recursos e identifica posibles restricciones de suministro de metales. La metodología desarrollada se basa en la aplicación de la segunda ley termodinámica y el concepto de rareza termodinámica. Este enfoque cuantifica el valor real físico de todos los metales empleados y destaca en especial la aportación de aquellos cuya contribución al peso total del vehículo es pequeña, pero cuya escasez y por tanto su valor para el planeta es elevada. Este método evalúa la calidad de los materiales en función de su abundancia en la naturaleza y la energía útil (exergía) requerida tanto para extraerlos como para procesarlos y ponerlos a disposición de las industrias. Además del enfoque termodinámico, en esta Tesis se analizan las posibles restricciones de metales que puedan surgir en las próximas décadas. Para ello se aplica un modelo que considera la disponibilidad geológica de materiales (reservas y recursos), la capacidad de producción anual de los metales, la demanda anual estimada de cada metal, la demanda acumulada hasta 2050, la evolución de las cuotas de reciclaje y el impacto de la demanda de materiales de otros sectores. Los métodos desarrollados se aplican a diferentes tipos de vehículos (ICEV1, PHEV2 y BEV3) y han permitido alcanzar entre otros los siguientes resultados principales: (1) Desde el punto de vista del valor mineral de los recursos empleados, un vehículo eléctrico demanda 2.2 veces más recursos que un vehículo de combustión; (2) Hay 31componentes críticos en un vehículo convencional desde la perspectiva de los materiales que emplean; (3) Se han definido recomendaciones de ecodiseño para esos componentes basadas en reducir la demanda de metales escasos y mejorar tanto su reciclabilidad como su reusabilidad; (4) En los actuales procesos de reciclaje de vehículos un 27 % del valor mineral de los metales no se recicla funcionalmente; (5) Se han propuesto recomendaciones para la reducción de dichas pérdidas; (6) Se ha definido un ranking de los metales más estratégicos para el sector de la fabricación de vehículos siendo los 10 más estratégicos los siguientes: Ni, Li, Tb, Co, Dy, Sb, Nd, Pt, Au y Ag. Las contribuciones de esta Tesis son de gran valor para mejorar la sostenibilidad del sector de la fabricación de vehículos desde la perspectiva de los materiales que se emplean y están principalmente dirigidas a los siguientes grupos de interés: (1) Los diseñadores de vehículos, porque les ayudará a identificar propuestas de ecodiseño desde la perspectiva de los materiales; (2) Los responsables de desarrollar políticas en torno a la eficiencia en el uso de los recursos, ya que demuestra la debilidad de las políticas actuales basadas en el peso de los materiales y ofrece como alternativa un método que evalúa tanto la cantidad como la calidad de los materiales; (3) Los ejecutivos de las empresas, porque les presenta la dependencia y vulnerabilidad de la tecnología sobre ciertos materiales y les ayudará a planificar con antelación líneas de I+D+i basadas en la eficiencia en el uso de los recursos. ; Decarbonizing world economies is necessary to avoid the continuous increase of global temperature and its negative consequences for humanity. To get this ambitious target new advances in the fields of power generation with renewables and mobility with cleaner vehicles are being made. In the case of vehicles, these advances are being mainly focused on improving the performance of combustion engines, to reduce greenhouse and polluting emissions and the development of free direct emission vehicles like the electric ones. Advances towards cleaner vehicles are encouraging the continuous renovation of vehicle fleet so it is expected that in the following decades a complete renovation will take place. This new generation of vehicles will significantly reduce its fossil dependency. But in contrast, it will demand a huge quantity of other kinds of natural resources being some of them even scarcer than oil. Some of these resources will be necessary to manufacture the following components: batteries (Co, Ni, Mn or Li); LEDs for lighting (Ga, Ge, Y); permanent magnets for motors (Nd, Dy, Pr); catalytic converters (Pt, Pd, Zr); electronic units (Au, Ag, Sn, Ta, Yb), different kinds of sensors (Ce, Tb, Se, La), infotainment screens (In); automotive high performance steel or aluminum alloys (Nb, Mo, Cr, Ti, V, Sc, W) or injectors (Tb). Unfortunately these resources are finite and some of them are very scarce being even considered as critical for the European Commission and other institutions from several perspectives such as vulnerability, economic importance, supply, or ecological risks. One of the solutions to improve resource efficiency in vehicles is to recycle these valuable metals. Nevertheless, there are two main problems around the recycling situation. On one hand, recycling rates are not growing up as faster as metal demand. On the other hand, current recycling policies define targets based on mass weight approaches, and even if they are ambitious, they fail in enhancing the recycling of minor but critical metals. The legislation compliance is achieved by means of applying mechanical separation techniques. These processes are effective to recycle those metals with the highest contribution in the vehicle weight (steel, aluminum and copper) but they are not effective for the recovery of minor metals like those that are scarce and/or critical. Consequently, minor metals end downcycled during steel or aluminum smelting or in the worst case they finish dispersed in landfills. This Thesis is presented with the main aim to improve the resource efficiency in the vehicle manufacturing sector. To accomplish with this aim, a novel method for measuring the resource efficiency and to identify possible shortages in the supply of metals is presented. The resource efficiency is analyzed through the second law of Thermodynamics through the concept of thermodynamic rarity. This method takes into account the quality of mineral commodities as a function of their relative abundance in Nature and the energy intensity required to extract and process them. The application of the thermodynamic approach allows not only to recognize the physical value of materials with a low weight contribution but also to identify those components that use them. As it has been mentioned before this Thesis also assesses possible metal shortages. This activity is made by means of an own method which combines geological data (reserves and resources), annual capacity production, annual expected demand, cumulative expected demand to 2050, recycling rates evolutions and future resource demand of other technologies. The methodology is applied to different types of vehicles (ICEV , PHEV and BEV ) and it has been useful to achieve the following main results: (1) From a thermodynamic point of view an electric vehicle demands 2.2 times more quality resources than a combustion one; (2) 31 critical components were identified in a conventional vehicle from the perspective of the materials used to manufacture them; (3) Eco-design recommendations for these components have been defined. These recommendations are based on: reducing the demand of scarce metals and to increase both the recyclability and the reusability; (4) In current End of Life Vehicle (ELV) processes 27 % of the mineral capital (measured in rarity terms) is not functionally recycled; (5) Recommendations to reduce these losses have been proposed; (6) A strategic metal ranking for the automobile sector has been produced, being the top 10 most strategic metals the following: Ni, Li, Tb, Co, Dy, Sb, Nd, Pt, Au and Ag. The contributions of this Thesis are valuable to improve the sustainability of the vehicle manufacturing sector from the raw materials point of view. These contributions are mainly valuable for the following stakeholders: (1) Designers because it helps them to apply eco-design proposals from a raw materials point of view; (2) Policy makers because it evidences the weakness of mass based approach recycling policies and it proposes an alternative method that takes into considerations not only quantity but also quality; (3) Company's executives because it confronts them with the metal dependency and vulnerability of technology and it helps them to plan with enough time R+D+i lines based on resource efficiency.