Ανάπτυξη μεθοδολογικού πλαισίου αξιολόγησης της αειφορίας για μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

The increasing demand for electric vehicle batteries necessitates their evaluation based on sustainability criteria, as large-scale production can have significant environmental impacts and lead to the depletion of critical natural resources. At the same time, the technical parameters of the batteries-such as performance, energy density, and safety-determine their performance, while the economic dimension affects their affordability and long-term sustainability. The aim of this dissertation is to develop a comprehensive and holistic methodology for evaluating the sustainability of electric vehicle batteries. The approach initially involves analyzing the environmental impacts of the main types of batteries currently used in electric mobility. The environmental assessment covers all stages of their life cycle, from the extraction and processing of raw materials to manufacturing, use, recycling, and final disposal. For this purpose, Life Cycle Assessment is utilized due to its ability to provide a full picture of a product’s environmental performance. To achieve a comprehensive sustainability assessment, the environmental analysis is combined with economic evaluation through Life Cycle Costing, as well as an investigation of the criticality of the materials involved in battery construction. The criticality analysis examines the availability of required metals, geopolitical aspects of their supply chain, and the risks associated with potential future shortages. Additionally, the evaluation includes the key technical specifications of the technologies under study. The weights of the criteria are determined through a questionnaire addressed to experts, ensuring scientific validity and objectivity. All these criteria are combined under Multi-Criteria Decision Analysis. The proposed methodology is applied to widely used lithium-ion batteries. For each alternative technology, data regarding the different processes of its life cycle is collected from recognized databases and scientific literature. The results of the individual analyses are integrated into a multi-criteria decision-making framework, which leads to a final ranking of alternatives based on their sustainability. The methodology can be more broadly applied for the comparative assessment of technologies related to electric mobility, providing a tool to support decision-making for researchers, policymakers, and industry stakeholders. Finally, overall conclusions are drawn regarding the sustainability of batteries, and directions for future research are proposed. These aim to further develop assessment methods, improve the environmental and economic performance of energy storage systems, and enhance the understanding of issues related to life cycle management. These proposals aim at advancing the field and supporting the transition to sustainable electric mobility technologies.

Η αυξανόμενη ζήτηση για μπαταρίες ηλεκτροκίνησης καθιστά αναγκαία την αξιολόγησή τους με βάση κριτήρια αειφορίας, καθώς η μεγάλης κλίμακας παραγωγή τους μπορεί να επιφέρει σημαντικές περιβαλλοντικές πιέσεις και να οδηγήσει σε εξάντληση κρίσιμων φυσικών πόρων. Παράλληλα, οι τεχνικές παράμετροι των μπαταριών, όπως η απόδοση, η ενεργειακή πυκνότητα και η ασφάλεια, καθορίζουν την αποτελεσματικότητα τους, ενώ η οικονομική διάσταση επηρεάζει την προσιτότητα και τη μακροχρόνια βιωσιμότητά τους. Στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης και ολιστικής μεθοδολογίας αξιολόγησης της αειφορίας των μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων. Η προσέγγιση περιλαμβάνει αρχικά την ανάλυση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Η περιβαλλοντική αξιολόγηση καλύπτει όλα τα στάδια του κύκλου ζωής τους από την εξόρυξη και επεξεργασία πρώτων υλών έως την κατασκευή, χρήση, ανακύκλωση και τελική διάθεση. Για τον σκοπό αυτό αξιοποιείται η Ανάλυση Κύκλου Ζωής, λόγω της ικανότητάς της να προσφέρει μια πλήρη εικόνα της περιβαλλοντικής απόδοσης ενός προϊόντος. Για να επιτευχθεί μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση αειφορίας, η περιβαλλοντική ανάλυση συνδυάζεται με την οικονομική αποτίμηση μέσω της Ανάλυσης Κόστους Κύκλου Ζωής, καθώς και με τη διερεύνηση της κρισιμότητας των υλικών που συμμετέχουν στην κατασκευή των μπαταριών. Η ανάλυση κρισιμότητας εξετάζει τη διαθεσιμότητα των απαιτούμενων μετάλλων, τα γεωπολιτικά χαρακτηριστικά της εφοδιαστικής τους αλυσίδας και τους κινδύνους που σχετίζονται με πιθανές μελλοντικές ελλείψεις. Επιπλέον, η αξιολόγηση περιλαμβάνει τις βασικές τεχνικές προδιαγραφές των υπό μελέτη τεχνολογιών. Οι βαρύτητες αυτών των κριτηρίων προσδιορίζονται μέσω ερωτηματολογίου που απευθύνεται σε εμπειρογνώμονες, διασφαλίζοντας την επιστημονική εγκυρότητα και την αντικειμενικότητα της διαδικασίας. Τα κριτήρια συνδυάζονται σε ένα ενιαίο πλαίσιο μέσω της Πολυκριτηριακής Ανάλυσης Αποφάσεων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται σε ευρέως διαδεδομένες τεχνολογίες μπαταριών ιόντων λιθίου. Για κάθε εναλλακτική τεχνολογία συλλέγονται δεδομένα σχετικά με τις επιμέρους διεργασίες του κύκλου ζωής της από αναγνωρισμένες βάσεις δεδομένων και έμπιστες βιβλιογραφικές πηγές. Τα αποτελέσματα των επιμέρους αναλύσεων ενσωματώνονται σε πλαίσιο πολυκριτηριακής αξιολόγησης, το οποίο οδηγεί στην τελική κατάταξη των εναλλακτικών λύσεων ως προς την αειφορία τους. Η μεθοδολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρύτερα για τη συγκριτική αξιολόγηση τεχνολογιών που σχετίζονται με την ηλεκτροκίνηση, παρέχοντας ένα εργαλείο υποστήριξης λήψης αποφάσεων. Τέλος, διατυπώνονται συνολικά συμπεράσματα σχετικά με την αειφορία των μπαταριών και προτείνονται κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα, με στόχο την περαιτέρω αξιολόγηση τους, τη βελτίωση της περιβαλλοντικής και οικονομικής απόδοσης των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας και την ενίσχυση της κατανόησης ζητημάτων που σχετίζονται με τη διαχείριση του κύκλου ζωής τους. Οι προτάσεις αυτές στοχεύουν στη γενικότερη πρόοδο του πεδίου και στη στήριξη της μετάβασης προς βιώσιμες τεχνολογίες ηλεκτροκίνησης.