石炜:从全周期来看,电动汽车真的更加低碳环保吗?

来源:观察者网

2022-10-18 07:56

石炜

石炜作者

纯电动汽车车主,化学博士

【导读】 2012年,《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》正式出台,为新能源汽车的发展指明了方向。经过十年的大发展,中国新能源车产业已经展现了“弯道超车”的能量。但也有人认为,新能源车的环保效益要考虑电池制造、处理等环节,怀疑其减排作用,不妨就来细致地分析下。

【文/观察者网专栏作者 石炜】

随着整个世界对环保和排放意识的逐渐增强,作为人类碳排放大户的汽车行业正面临着百年来的一次大变革——新能源汽车革命正在改变世界汽车产业的现状和未来。

虽然纯燃油汽车已经发展了上百年,在一整套涉及到发动机、变速器、油路和散热等系统方面已经日臻成熟,在产业和消费者当中都形成了面积甚广的舒适区,但其驱动动力的来源,燃油本身,却在新世纪的能源变革和环保议题中受到了越来越强的质疑和挑战。

作为高水平生活标志之一的汽车,显然是不可能被放弃的。如何让汽车更低碳、更节能,才是产业将来发展的方向。新能源汽车正是在这一大环境之下应运而生。

那么,新能源汽车是否真正低碳减排,其对环境的影响和燃油车孰大孰小?这个问题看似只是一个是与否,大与小的问题,但真要弄清楚,还是需要细致的调查和研究的。

在讨论这个问题之前,我们还是有必要对新能源汽车的现状做一番梳理。通常而言,新能源汽车是指以更低的碳排放的能源形式驱动的汽车。按照现在世界上已经实现商用的标准来看,主要可以分为氢(或甲醇)燃料电池车(FCV)、纯电动汽车(BEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)。此外还有一类是不插电的混合动力汽车(HEV),但这类车往往被归类为节能汽车,因为其使用过程中还是只能使用传统化石燃料作为能源。

燃料电池汽车FCV占比非常小。2021年全年,氢燃料电池汽车全球销量仅为16313台(数据来源:观研报告网)而同年度电动汽车销量高达650万辆。尽管很多观点认为氢能源才是终极绿色能源,但至少现阶段以氢为能源的燃料电池汽车还无法成为气候。

所以,讨论是否低碳减排,目前的话题还是以锂电池驱动的电动汽车,尤其是纯电动汽车(BEV)为主。

电动汽车,到底是不是真的能减排呢?

一、电动汽车使用过程中减排吗?

电动汽车依靠储存在电池包里的电力提供驱动动力。因此,使用过程是否减排,这个问题相对简单。只需要计算出电动汽车和燃油汽车各自的能量消耗,以及对应的碳排放就可以了。

为了便于计算,这里选取了两台代表性的,级别和价格都相近(都是紧凑级SUV)的车型进行对比。

能耗数据均为新车NEDC工况下的数据,具备可比性。

很多人认为,电动汽车虽然在市区是零排放,但它需要的电,在发电过程中也有碳排放,这个碳排放是无法忽视的。甚至有人认为,发电厂的效率一般只有42%,然后再加上输配电损失、汽车充放电损失、电机效率损失,真正的效率可能只有30%左右;但很多燃油汽车厂商经常宣布说发动机热效率可以高达40%以上,说明燃油车排放实际更低。

这么认为的人,可能还不在少数。那果真如此吗?

我们首先来计算真实的碳排放。首先假设一种极端情况:假设电动汽车消耗电力100%来自于煤炭。2019年中国煤电碳排放强度是0.838千克/kWh,按照上表的汽车能耗,宋PlusEV的百公里碳排放是11.82千克。

通常每升燃油完全燃烧的碳排放是2.3千克,所以CR-V的百公里碳排放是14.72千克。

11.82vs14.72,即使是100%煤电,电动汽车碳排放依然显著更低。

实际上,中国电力已经有三成以上是清洁电力。按照2019年数据,中国总发电73266亿度,火电只有50465亿度,占比为68.9%;剩余的是核电、水电、风电、光伏等,发电过程是零排放的,所以实际上2019年中国每度电的碳排放不会高于0.838×0.689=0.577千克。按这个数据,宋PlusEV百公里碳排放仅为8.14千克,比CR-V的14.72千克要低多了。

那为什么会有上面电动汽车碳排放更高的错觉呢?火电发电效率只有42%左右是事实,但这个42%是实打实的42%,发电工况一直稳定在这个数值。更何况很多电厂是热电联产,综合效率可以达到60%以上。而汽车发动机虽然最高有40%,但这只是理想值。多数工况下,汽车发动机效率都只有20%左右,远低于最高值。因此,燃油汽车实际能耗和实际碳排放都显著高于纯电动汽车。

更何况,电动汽车在人口密集的城市中心行驶过程中不会产生任何碳排放,更不会像燃油汽车那样产生各类有害尾气,如NOx、SO2等。而且火力发电过程中的有害气体是集中收集并处理,且火电厂往往远离市中心,因此其对人类健康的影响,远低于各类在市中心不断排放着有毒的NOx、SO2等尾气的传统燃油汽车。

而随着中国绿色电力占比的逐步提升,未来电动汽车的碳排放只会进一步走低,优势也就更大。

二、电动汽车的全寿命碳排放分析

这个也是更多人的质疑:就算电动汽车使用过程中碳排放更低,但电池制造的上下游、电池废弃后的处理,这些都是会产生碳排放的。这些都算上,电动汽车还是减排的吗?

这是一个很好的问题。汽车不只是使用,还有生产和最后的废弃处理,都是必须考虑到的环节。在学术上,这个就是“全生命周期”的碳排放,也就是涵盖了所谓的“从摇篮到坟墓”的生命总周期。

简而言之,从锂矿等矿石的开采冶炼,到电池制造,再到车辆使用,最后到动力电池报废和回收过程中总的碳足迹,都要考虑到。这种情况下,电动汽车还能比传统燃油汽车(ICEV)减排吗?

答案依然是肯定的。学界其实对此早有研究。中国标准GB/T24040-2008“环境管理生命周期评价原则与框架”就对生命周期评价(LCA)定义为“对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价”。

LCA强调贯穿于从获取原材料、生产、使用、生命末期的处理、循环和最终处置的产品生命周期的环境因素和潜在的环境影响,如下图所示。

在这种评估思路下,汽车原材料的获取、制造装配、运行使用、关键部件二次利用直至报废回收过程中所产生的碳排放都应该考虑在内。

汽车生命周期评价主体思路(图片来源:陈轶嵩等,汽车工程学报,2022,12(4):360-374)

根据上述全生命周期评价方法,纯电动汽车的全生命周期主要包括了整车制造、使用和报废回收三个阶段。

首先在整车制造环节,根据文献,通常认为纯电动汽车BEV的碳排放比传统燃油汽车ICEV要高约50%,这主要是因为锂电池制造过程中相比于内燃机有较高的碳排放。但如果将使用环节和最终报废回收环节考虑在内的全生命周期评价里,几乎所有的研究都认为BEV碳排放明显低于ICEV。

例如,有国内研究认为,2015年中国BEV的全生命周期碳排放为41吨,比ICEV低18%,且由于中国电力的逐年低碳化,在同一模型研究下,2020年中国BEV的全生命周期碳排放可以降低到34.1吨。最近岳国君院士也指出,生命周期碳排放,纯电动汽车是最低的。

图片来源:岳国君(https://www.163.com/dy/article/H109GQ1V05387A5L.html)

在巴西,有研究表明,BEV的生命周期碳排放为每公里151g,而ICEV为291g,几乎是BEV的两倍。美国的一份研究也表明,ICEV的生命周期碳排放为每公里260g,是BEV的180g的近1.5倍。

此外,不同种类的动力锂电池,如磷酸铁锂电池(比亚迪刀片电池为代表)和三元锂电池(部分特斯拉车型为代表)在生命周期碳排放上也有细微的区别,但通常区分度不大,这里就不详细讨论了。

三、动力锂电池的梯次利用和资源回收

汽车的锂电池随着不断充放电循环,以及随时间的自然寿命折损,其可用容量会不断降低,当容量降低到设计容量的75%左右时,往往就不再适合作为汽车电池使用,这就要求对锂电池进行报废回收。

目前对报废的汽车动力锂电池,其处理方式通常包括梯次利用和完全报废回收。因为此时电池还有较大的可利用容量,因此可以用于通讯基站的电池供应、电池储能系统、光伏储能辅助系统等。

根据研究发现,将退役的磷酸铁锂动力电池继续用于通信基站储能,相比使用新的电池,可以减少近19%的总环境影响。有学者研究表明,在BEV的退役电池完全回收和完全不回收两种情况下,前者可以最多减少34%的碳排放。因此,合理使用退役电池,完全可以做到更低碳、更环保。

2022年8月,工信部、国家发改委和生态环境部三部门印发《工业领域碳达峰实施方案》,文件提出要加强再生资源循环利用,推动新能源汽车动力电池回收利用体系建设。

工信部表示,中国在今年将真正迎来第一波动力锂电池退役潮。处理好废旧动力电池事关重大。一方面,废旧动力电池如不能及时有效处理,电极材料将会给生态环境和人体健康、安全带来极大隐患。

另一方面,动力电池原材料的短缺,也反推着资源再利用。废锂离子电池含有5-20%的钴(Co)、5-10%镍(Ni)、5–7%锂(Li)、5–10%其他金属(铜、铝、铁)等,具有极大的再利用价值。

工信部副部长辛国斌在今年6月份国新办发布会上就表示,今年将着眼于满足动力电池等生产需要,适度加快国内锂、镍等资源的开发进度,同时将健全动力电池回收利用体系,支持高效拆解、再生利用等技术攻关,不断提高回收比率和资源利用效率。

而报废的三元锂电池甚至成为回收企业眼里的“香饽饽”。《中国经营报》记者就表示,有电池回收商披露,1吨三元锂电池回收最低价格都在2万元,最高到过5万元。

在巨大的经济利益刺激下,锂电池回收产业得到了迅速发展。不少电池回收企业都迅速扩充回收产能。

例如天奇股份表示,至2022年末,其扩产技改项目建成达产后预计将形成年处理5万吨废旧锂电池的能力。与此同时,天奇股份全资子公司赣州天奇循环拟投资3.8亿元扩大磷酸铁锂电池回收产能,投产后可年处理15万吨磷酸铁锂电池。

另一大锂电池回收企业格林美则表示,2022年将正式完成各类动力电池回收及梯级利用产品的产能释放,回收量达3万吨以上,梯级利用电池包出货量将达2-3GWh,增长100%,电池废料黑粉制造10000吨以上。动力电池梯级利用全面进入产业化阶段。

目前,动力电池的回收再利用体系已经在我国初步建立,我国在地市级行政区已建设了1万多个回收服务网点。各大车企也正在完善电池回收体系。

比亚迪作为中国新能源汽车的领导者,最先布局了动力电池回收工作,目前在全国有近40个动力电池回收网点。蔚来汽车与宁德时代等企业合资成立的电池资产公司“蔚能”,总部位于武汉,致力于整个电池生命周期的管理和回收利用。

工业和信息化部党组成员、副部长张云明表示,我国未来将进一步健全回收利用体系,加快制定回收利用管理办法,加强央地工作联动,形成协调监管机制,完善动力电池回收利用标准体系,支持智能拆解、材料再生等技术攻关和推广应用,加快培育一批梯次利用和回收再生的相关企业。

四、总结

新能源汽车,尤其是代表性的BEV,其使用过程中相比于传统燃油汽车ICEV的碳排放是显著更低的。即使是在整个生命周期内,其碳排放依然是低于ICEV。并且,BEV的碳排放会随着全球电力清洁化和低碳化的发展而进一步降低,这是依赖于化石燃料的ICEV所难以做到的。发展新能源汽车,不仅是中国,更是全球主要国家的共识。

新能源汽车以其更低的全生命周期碳排放、更强劲的动力系统、更智能的驾驶体验等,赢得了越来越多的关注和市场份额。

中国新能源汽车产业代表性企业比亚迪汽车在近日成都国际车展期间,发布了品牌纪录短片并发出了“为地球降温1℃”的号召,呼吁全社会关注全球变暖的问题。

以新能源汽车更低碳、更环保为契机,中国的新能源汽车产业正在引领全球汽车产业的变革。而这次变革,不仅会重塑中国汽车产业格局,也会对全球出行方式产生深远影响,更会对我们整个世界的环境问题产生积极的影响。

参考文献:

1.王志红,董阿山,张远军,等.轻型汽油车与纯电动汽车碳排放量比较研究.汽车工程学报,2022,12(4):495-505.

2.陈轶嵩,兰利波,郝卓,等.面向碳中和的新能源汽车全生命周期评价研究综述及趋势展望.汽车工程学报,2022,12(4):360-374.

3.岳国君院士:“双碳”背景下燃料乙醇走向氢经济的新机遇.网易网站,https://www.163.com/dy/article/H109GQ1V05387A5L.html

4.三部门:推动动力电池回收利用体系建设.汽车之家网站,https://www.autohome.com.cn/news/202208/1256940.html

5.国家标准:GB/T24040-2008“环境管理生命周期评价原则与框架”

6.掘金千亿退役动力电池回收赛道:价格最高5万元一吨巨头争相入局,中国经营报,2022年6月13日第C05版

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责任编辑:刘惠
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