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Impacto ambiental del ciclo de vida de las baterías de NiZn de la cuna a la tumba

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Energies, revista indexada en el JCR. El artículo analiza los impactos ambientales de las baterías de níquel-zinc utilizando modelos matemáticos basados en las normas ISO y el método ReCiPe 2016. Asimismo, compara los impactos ambientales de las baterías de NiZn con los de otras tecnologías y sugiere formas de reducir su impacto mediante la energía renovable y la tecnología de recuperación ecológica. El documento sigue las normas ISO 14040 e ISO 14044 para la metodología de evaluación del ciclo de vida (LCA) y compara la batería de NiZn con las baterías de plomo-ácido y de iones de litio. También recopila los datos principales del inventario del ciclo de vida (LCI) de una producción a escala piloto en China para la fase inicial, centrándose en el consumo de electricidad y excluyendo determinadas evaluaciones de impacto ambiental. Utiliza el método ReCiPe 2016 para la evaluación del impacto, teniendo en cuenta las categorías de impacto intermedio y final, como el potencial de calentamiento global y los daños a la salud humana y los ecosistemas. Por último, aplica el software OpenLCA para modelar los impactos e incorpora los métodos de demanda energética acumulada (CED) y ReCiE 2016 con varios indicadores de impacto para realizar un análisis ambiental exhaustivo.

Las contribuciones más relevantes de este trabajo son las siguientes:

  • Desarrolla modelos matemáticos para estimar los impactos ambientales de las baterías de níquel-zinc durante el ciclo de vida, comparándolos con otras tecnologías de baterías.
  • Analiza los impactos ambientales de las baterías recargables de níquel-zinc desde el principio hasta la tumba, en consonancia con las normas ISO para el análisis del ciclo de vida.
  • Excluye las evaluaciones de impacto ambiental relacionadas con la infraestructura y los bienes de capital, y se centra en los impactos de los productos, el transporte y las contribuciones al final de su vida útil.
  • Proporciona funciones objetivas para optimizar el coste y el impacto medioambiental de las baterías de NiZn, lo que contribuye al objetivo del proyecto LOLABAT de lograr un alto rendimiento, una rentabilidad competitiva y una sostenibilidad.
  • Recibe financiación del programa de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea dentro del proyecto LOLABAT, lo que refleja las opiniones de los autores sobre la posible industrialización de las baterías de NiZn en el contexto europeo.

Las conclusiones más importantes del trabajo se pueden resumir de la siguiente forma:

  • Las baterías de NiZn tienen un impacto ambiental de aproximadamente 14 MJ para la demanda energética acumulada (CED) y de 0,82 kg de CO₂ equivalentes para el potencial de calentamiento global (GWP) por kWh de energía liberada, lo que las sitúa entre las baterías de iones de litio y las de plomo-ácido.
  • La fase de uso contribuye significativamente al impacto de la energía electromagnética, ya que las baterías de NiZn tienen un menor impacto ambiental en comparación con las baterías de plomo-ácido, pero son similares a las tecnologías de iones de litio.
  • Las baterías de NiZn tienen un impacto ambiental menor que las baterías de plomo-ácido, con un impacto ligeramente mayor en comparación con las baterías de iones de litio, lo que las convierte en una opción favorable tanto desde el punto de vista económico como medioambiental.
  • Se espera que las futuras mejoras en los procesos de fabricación y los componentes de las celdas reduzcan la carga medioambiental de las baterías de NiZn y respalden su potencial como solución de almacenamiento de energía más sostenible.

Abstract:

This paper presents a comprehensive and systematic analysis of the environmental impacts (EI) of novel nickel-zinc battery (RNZB) technology, a promising alternative for energy storage applications. The paper develops mathematical models for estimating the life cycle environmental impacts of RNZB from the cradle to the grave based on an extensive literature review and the ISO standards for life cycle costing and life cycle analysis. The paper uses the ReCiPe 2016 life cycle analysis (LCA) method to calculate the EI of RNZB in terms of eighteen Midpoint impact categories and three Endpoint impact categories: damage to human health, ecosystem diversity, and resource availability. The paper also compares the EI of RNZB with those of other battery technologies, such as lead-acid and lithium-ion LFP and NMC. The paper applies the models and compares results with those provided by the software openLCA (version 1.11.0), showing its reliability and concluding that NiZn batteries contribute approximately 14 MJ for CED and 0.82 kg CO₂ eq. for global warming per kWh of released energy. This places them between lithium-ion and lead-acid batteries. This study suggests that NiZn battery technology could benefit from using more renewable energy in end-use applications and adopting green recovery technology to reduce environmental impact. Further developments can use these models as objective functions for heuristic optimization of the EI in the life cycle of RNZB.

Keywords:

Sustainable energy; nickel-zinc battery; life cycle analysis modeling; environmental impacts of battery technologies

Reference:

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; LI, J.; LI, B.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Environmental Impact of NiZn Batteries. Energies, 17:2751. DOI:10.3390/en17112751

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Modelo para estimar el coste del ciclo de vida de las baterías de NiZn

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, revista indexada en el JCR. El documento presenta un análisis exhaustivo del costo del ciclo de vida (LCC) de las baterías recargables de níquel-zinc (RNZB) y lo compara con otras tecnologías de baterías, como las baterías de plomo-ácido, LFP de iones de litio y NMC, en términos de costo, seguridad, rendimiento e impacto ambiental. El estudio concluye que las baterías de NiZn, en particular las de formulación de NiZn, son la opción más barata durante todo su ciclo de vida, con el menor costo por unidad de energía liberada. El documento también destaca la necesidad de obtener más datos sobre las baterías de níquel-zinc. Estas aún se encuentran en la fase de investigación y desarrollo, y recomienda considerar factores como la ubicación de la infraestructura, el costo de la maquinaria, el almacenamiento, los proveedores de materias primas, el transporte y la recuperación del material para reducir aún más los costos. El modelo de costos del ciclo de vida propuesto puede aplicarse a otras tecnologías de almacenamiento de energía y utilizarse con fines de optimización.

Las contribuciones más importantes de este trabajo son las siguientes:

  • El documento establece modelos matemáticos para estimar el costo del ciclo de vida de las baterías recargables de níquel-zinc (RNZB) y aplica estos modelos para comparar el costo de las RNZB con el de otras tecnologías avanzadas de baterías para aplicaciones estacionarias.
  • El estudio proporciona un análisis exhaustivo y sistemático de los RNZB, teniendo en cuenta factores como la seguridad, el rendimiento, el impacto ambiental y el costo. Se concluye que las baterías de NiZn, en particular las de formulación de NiZn, son la opción más barata durante todo su ciclo de vida, con el menor coste por unidad de energía liberada.
  • El modelo de costos del ciclo de vida sugerido se puede utilizar como una función objetiva para optimizar el costo y el impacto ambiental de las baterías de NiZn. También sugiere considerar varios factores, como la ubicación de la infraestructura, el costo de la maquinaria, el almacenamiento, los proveedores de materias primas, el transporte y la recuperación del material, para reducir aún más los costos a lo largo del ciclo de vida de la batería.
  • Los modelos establecidos en este documento se pueden aplicar para estimar el costo del ciclo de vida y el impacto ambiental de cualquier nueva tecnología de almacenamiento de energía, proporcionando un marco para la investigación y el desarrollo futuros en el campo del almacenamiento de energía.

Abstract:

The increasing demand for electricity and the electrification of various sectors require more efficient and sustainable energy storage solutions. This paper focuses on the novel rechargeable nickel–zinc battery (RNZB) technology, which can potentially replace the conventional nickel–cadmium battery (NiCd), in terms of safety, performance, environmental impact, and cost. The paper aims to provide a comprehensive and systematic analysis of RNZBs by modeling their lifecycle cost (LCC) from cradle to grave. This paper also applies this LCC model to estimate costs along the RNZB’s lifecycle in both cases: per kilogram of battery mass and per kilowatt hour of energy released. This model is shown to be reliable by comparing its results with costs provided by recognized software used for LCC analysis. A comparison of LCCs for three widely used battery technologies: lead–acid, Li-ion LFP, and NMC batteries, which can be market competitors of NiZn, is also provided. The study concludes that the NiZn battery was the cheapest throughout its entire lifecycle, with NiZn Formulation 1 being the cheapest option. The cost per unit of energy released was also found to be the lowest for NiZn batteries. The current research pain points are data availability for nickel–zinc batteries, which are in the research and development phase. In contrast, other battery types are already widely used in energy storage. This paper recommends considering the location factor of infrastructures, cost of machinery, storage, number of suppliers of raw materials, amount of materials transported in each shipment, and the value of materials recovered after the battery recycling process to further reduce costs throughout the battery’s lifecycle. This LCC model can also be used for other energy storage technologies and serve as objective functions for optimization in further developments.

Keywords:

Sustainable energy; nickel–zinc battery; nickel–cadmium battery; lifecycle cost modeling; battery technologies

Reference:

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Cost of NiZn Batteries. Sustainability, 16(5):1965. DOI:10.3390/su16051965

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