Measuring the environmental impact of a carbon capture system integrated with a dehumidification system
2025 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesis
Abstract [en]
Battery production is set to increase sixfold by 2030 compared to 2023. Dehumidification systems play a pivotal role in battery production, as multiple drying processes consume the majority of the energy required for manufacturing batteries. This thesis conducts a comparative cradle-to-grave Life Cycle Assessment (LCA) of two dehumidification systems. System 1 (S1) includes a standard dehumidification system, while System 2 (S2) combines a dehumidification system with a Direct Air Capture (DAC) system. Both systems are evaluated for use in a battery manufacturing plant in Poland. The environmental impacts of both systems throughout their lifecycle are compared, identifying the major contributing processes. The LCA adheres to the EU taxonomy, and utilizes the Recipe 2016 midpoint method for lifecycle environmental impact assessment. SimaPro software, utilizing the ecoinvent 3.0 database, was employed. The majority of the data, such as material usage in manufacturing and transportation within the product system, was sourced from the manufacturer. The functional unit for this study is defined as m³ of air conditioned, facilitating the comparison between S1 and S2. Selected impact categories include global warming, terrestrial ecotoxicity, marine ecotoxicity, human carcinogenic toxicity, human non-carcinogenic toxicity, and fossil resource scarcity. The study reveals that the usage phase contributes the most (92.4%- 99.9%) to the environmental impacts of S1 across all categories, with similar results for S2 (84.3%- 99.7%). S2, due to its DAC system, exhibits greater impacts in both the cradle-to-gate and cradleto-grave analyses. The environmental impacts from DAC of S2 heavily depend on the energy source (for regeneration of adsorbent) used during the usage phase. Due to Poland's reliance on fossil-based electricity, both systems exhibit significant environmental impacts. S2 only becomes carbon-negative when powered by a 100% renewable electricity grid, as in Paraguay, where the global warming indicator for cradle-to-grave results per functional unit shows negative environmental impact (-2.17E-04 kg CO2 eq.), indicating a carbon-negative system. Furthermore, comparing different carbon adsorbents during the cradle-to-gate phase revealed that activated carbon has a lower environmental impact than zeolite in all considered categories. After conducting the LCAs, it is recommended that inventory data be more refined, particularly the data from the secondary manufacturers. Developing countries should focus on policies that promote cleaner energy grids. As cleaner grids (Paraguay, Sweden) reduce the environmental impact of S2 significantly when compared to electricity grids of developing countries (India, China, Brazil). LCA should be conducted during the design phase of such systems to minimize environmental impacts, as the LCA results would pin point the most environmentally impacting processes (for example zeolite had significant impact in the cradle to gate phase of S2 other carbon adsorbents could have been considered). Lastly, the DAC unit could be redesigned to utilize a more renewable energy source for the regeneration of the adsorbent.
Abstract [sv]
Batteriproduktionen kommer att öka sexfaldigt fram till 2030 jämfört med 2023. Avfuktningssystem spelar en central roll i batteriproduktionen, eftersom flera torkningsprocesser förbrukar majoriteten av den energi som krävs för att tillverka batterier. I denna avhandling genomförs en jämförande livscykelanalys (LCA) av två avfuktningssystem från vagga till grav. System 1 (S1) omfattar ett standardavfuktningssystem, medan system 2 (S2) kombinerar ett avfuktningssystem med ett DAC-system (Direct Air Capture). Båda systemen utvärderas för användning i en batteritillverkningsanläggning i Polen. Miljöpåverkan från de båda systemen under hela livscykeln jämförs och de viktigaste bidragande processerna identifieras. LCA följer EU:s taxonomi och använder Recipe 2016:s mittpunktsmetod för bedömning av miljöpåverkan under hela livscykeln. Programvaran SimaPro, som använder databasen ecoinvent 3.0, användes. Merparten av uppgifterna, t.ex. materialanvändning vid tillverkning och transport inom produktsystemet, hämtades från tillverkaren. Den funktionella enheten för den här studien definieras som m³ luftkonditionering, vilket underlättar jämförelsen mellan S1 och S2. Utvalda påverkanskategorier inkluderar global uppvärmning, ekotoxicitet på land, marin ekotoxicitet, cancerframkallande toxicitet för människor, icke cancerframkallande toxicitet för människor och brist på fossila resurser. Studien visar att användningsfasen bidrar mest (92,4%-99,9%) till S1:s miljöpåverkan i alla kategorier, med liknande resultat för S2 (84,3%-99,7%). S2 uppvisar, på grund av sitt DAC-system, större påverkan i både vagga-till-port- och vagga-till-grav-analyserna. Miljöpåverkan från S2:s DAC-system är starkt beroende av den energikälla (för regenerering av adsorbent) som används under användningsfasen. På grund av Polens beroende av fossilbaserad el har båda systemen betydande miljöpåverkan. S2 blir koldioxidnegativt först när det drivs av ett 100 % förnybart elnät, som i Paraguay, där indikatorn för global uppvärmning för resultat från vaggan till graven per funktionell enhet visar negativ miljöpåverkan (-2,17E-04 kg CO2-ekv.), vilket indikerar ett koldioxidnegativt system. En jämförelse av olika koladsorbenter under vaggatill-gate-fasen visade dessutom att aktivt kol har en lägre miljöpåverkan än zeolit i alla beaktade kategorier. Efter att LCA:erna har genomförts rekommenderas att inventeringsdata förfinas, särskilt data från sekundära tillverkare. Utvecklingsländer bör fokusera på politik som främjar renare energinät. Eftersom renare elnät (Paraguay, Sverige) minskar S2:s miljöpåverkan betydligt jämfört med elnät i utvecklingsländer (Indien, Kina, Brasilien). LCA bör genomföras under designfasen av sådana system för att minimera miljöpåverkan, eftersom LCA-resultaten skulle peka ut de mest miljöpåverkande processerna (till exempel hade zeolit en betydande inverkan i S2:s vagga till grind-fas, andra koladsorbenter kunde ha övervägts). Slutligen skulle DAC-enheten kunna omkonstrueras för att använda en mer förnybar energikälla för regenerering av adsorbenten.
Place, publisher, year, edition, pages
2025. , p. 89
Series
TRITA-ITM-EX ; 2025:12
Keywords [en]
Life Cycle Assessment (LCA), Direct Air Carbon Capture (DAC), Environmental Impact, Desiccant Wheel Dehumidifier
Keywords [sv]
Livscykelanalys (LCA), Direkt luftavskiljning av koldioxid (DAC), miljöpåverkan, sorptionsmedel hjulavfuktare
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-362744OAI: oai:DiVA.org:kth-362744DiVA, id: diva2:1954494
External cooperation
Munters AB
Subject / course
Energy and Climate Studies
Educational program
Degree of Master
Presentation
2025-04-21, 00:00
Supervisors
Examiners
2025-04-252025-04-252025-04-25Bibliographically approved