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        基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)力電池回收方式經(jīng)濟(jì)效益研究

        2022-06-30 12:06:20邵珠峰劉心緣張思琦
        物流技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:新能源利用模型

        邵珠峰,劉心緣,張思琦

        (山東師范大學(xué) 商學(xué)院,山東 濟(jì)南 250300)

        0 引言

        在當(dāng)下能源危機(jī)日益加劇的新階段,國家持續(xù)推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,不斷增強(qiáng)民眾的環(huán)保意識(shí),“綠色出行,低碳生活”成了人們的生活準(zhǔn)則。汽車出行的高排放量引人矚目,據(jù)國際能源署(IEA)預(yù)測,到2050年我國道路交通的二氧化碳排放量將超過16億t,距實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)還有很大的差距。節(jié)能環(huán)保的新能源汽車漸漸進(jìn)入大眾的視野,成為世界各國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向。自2012年國務(wù)院頒布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》以來,新能源汽車在我國發(fā)展迅猛。2012年新能源汽車年銷量僅有3.21 萬輛,而2020 年年銷量增加到了136.7萬輛,此時(shí)的新能源汽車?yán)塾?jì)保有量已達(dá)到492萬輛。圖1是2014-2020年我國新能源汽車銷量變化情況,可見新能源汽車的發(fā)展勢不可擋。

        圖1 2014-2020年中國新能源汽車銷量統(tǒng)計(jì)及增長情況

        新能源汽車的推廣和使用在一定程度上緩解了石油資源的短缺,但也帶來了新的環(huán)境問題。新能源汽車的主要?jiǎng)恿碓礊殡娔?,?shù)據(jù)顯示,2020年動(dòng)力電池在新能源汽車中的裝車量達(dá)到了63.65GWh,累計(jì)裝車量265.85GWh。動(dòng)力電池的大量使用,必將產(chǎn)生大量的報(bào)廢電池,到2020年報(bào)廢量預(yù)計(jì)達(dá)到245.5千t。廢舊動(dòng)力電池中含有大量的鎳、錳等重金屬,如果處理不當(dāng)會(huì)造成重金屬泄漏,污染環(huán)境。同時(shí),廢舊動(dòng)力電池中含有鈷、鋰等貴金屬,如果能有效拆解電池并回收其中的貴金屬,將會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值??梢酝ㄟ^改裝重組后進(jìn)行梯次利用,在獲得利潤的同時(shí)又節(jié)約了資源。為了更好地促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展,落實(shí)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,解決好廢舊動(dòng)力電池的回收與再利用問題顯得十分重要。

        1 文獻(xiàn)綜述

        近年來,對(duì)于新能源汽車廢舊動(dòng)力電池回收與再利用問題,許多學(xué)者從不同角度運(yùn)用不同的模型和理論進(jìn)行了研究。在動(dòng)力電池回收模式方面,黎宇科,等根據(jù)我國動(dòng)力電池的回收現(xiàn)狀,構(gòu)建了生產(chǎn)者回收體系和租賃回收體系。龍占璐從分散決策和集中決策兩個(gè)角度出發(fā),論證了由第三方企業(yè)進(jìn)行回收是供應(yīng)鏈可以獲得最大收益的模式。謝雋陽,等考慮在生產(chǎn)者責(zé)任延伸理念下,分析帕累托均衡狀態(tài),研究不同市場環(huán)境因素對(duì)各企業(yè)策略選擇的影響,以及不同主體間的研發(fā)補(bǔ)貼作用。Alamerew,等從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā),針對(duì)電動(dòng)汽車電池建立了一個(gè)復(fù)雜的逆向物流系統(tǒng),利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)成本、收入、策略和監(jiān)管決策進(jìn)行建模分析。于洋從閉環(huán)供應(yīng)鏈的角度,運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)電子廢棄物的回收模式進(jìn)行研究。GIOVANNI,等以動(dòng)力電池回收為例,研究了最大化激勵(lì)對(duì)制造商和零售商利潤和綠色努力水平的影響。

        與層出不窮的動(dòng)力電池回收模式研究相比,學(xué)者們在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面的研究較少。張一丁針對(duì)電子產(chǎn)品的特征,在把握框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分別構(gòu)建了電子產(chǎn)品閉環(huán)供應(yīng)鏈和引入回購契約的電子產(chǎn)品閉環(huán)供應(yīng)鏈兩種遞進(jìn)關(guān)系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。萬振,等運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建了一個(gè)四級(jí)閉環(huán)供應(yīng)鏈模型,分別在不同的回收比率、回收延遲、回收產(chǎn)品再制造率下觀察產(chǎn)品訂貨率,以研究逆向物流對(duì)牛鞭效應(yīng)的影響。邵必林,等在有限理性的假設(shè)前提下,通過構(gòu)建演化博弈模型,分析雙方的博弈關(guān)系和穩(wěn)定策略,并運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行建模仿真,明晰了關(guān)鍵因素對(duì)綠色供應(yīng)鏈政企參與行為的影響路徑。

        綜上所述,前人多在動(dòng)力電池回收模式方面進(jìn)行了深入探索,但少有學(xué)者涉及應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建動(dòng)力電池回收模型的研究。本文將構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,探討售賣回收、租賃回收、拆解回收三種回收方式下動(dòng)力電池回收供應(yīng)鏈的利潤情況。此外,該模型與博弈論相關(guān)理論相結(jié)合,彌補(bǔ)了博弈分析的局限性問題,同時(shí)又能發(fā)揮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在仿真方面的優(yōu)勢。

        2 模型構(gòu)建與參數(shù)假設(shè)

        2.1 模型分析

        本文考慮以第三方綜合利用企業(yè)為回收主體的動(dòng)力電池回收供應(yīng)鏈系統(tǒng)。當(dāng)電池?zé)o法滿足消費(fèi)者需求時(shí),電池銷售商從消費(fèi)者手中回收廢舊動(dòng)力電池,再以一定的價(jià)格轉(zhuǎn)賣給電池制造商,最后交由第三方綜合利用企業(yè)處理??紤]到廢舊動(dòng)力電池所剩電量不同,一方面剩余電量70%-80%的電池首先進(jìn)行梯次利用,第三方綜合利用企業(yè)通過售賣或租賃兩種方式將改造后的電池交給有需要的企業(yè)和發(fā)電廠等。當(dāng)電池經(jīng)過循環(huán)利用電量剩余不足50%時(shí),租賃的電池可以進(jìn)行拆解,提取出鋰、鈷、鎳、錳四種貴金屬元素;另一方面當(dāng)從消費(fèi)者手中回收的電池剩余電量較低時(shí),此時(shí)無法梯次利用,第三方綜合利用企業(yè)直接將電池進(jìn)行拆解,提取貴金屬元素獲得利潤。

        2.2 模型假設(shè)

        (1)本模型包括一個(gè)動(dòng)力電池制造商、一個(gè)動(dòng)力電池銷售商、一個(gè)第三方綜合利用企業(yè)。

        (2)假設(shè)一輛新能源汽車內(nèi)含一個(gè)電池。

        (3)假設(shè)廢舊動(dòng)力電池拆解過程中,提取的貴金屬元素僅有鋰、鈷、鎳、錳,不含其他金屬元素。

        (4)第三方綜合利用企業(yè)與制造商長期合作,能確保所有廢舊動(dòng)力電池均能得到回收。

        (5)第三方綜合利用企業(yè)對(duì)廢舊電池進(jìn)行梯次利用和拆解均具有經(jīng)濟(jì)性。

        (6)動(dòng)力電池回收率達(dá)到一定程度,政府給予第三方綜合利用企業(yè)一定補(bǔ)貼力度。

        (7)動(dòng)力電池梯次利用僅有租賃和售賣兩種方式。

        (8)通過售賣后的動(dòng)力電池?zé)o法再次回到第三方綜合利用企業(yè)手中進(jìn)行拆解利用。

        2.3 模型構(gòu)建

        與傳統(tǒng)的定性或者定量方法構(gòu)建動(dòng)力電池回收模型相比,采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建模型能更有效地將定性和定量分析相結(jié)合,對(duì)于多回路的復(fù)雜問題,可以展現(xiàn)出更強(qiáng)的邏輯性和層次性。

        通過各個(gè)因素、各個(gè)主體之間的直接關(guān)系及原因度分析結(jié)果,定性建立動(dòng)力電池回收因果回路圖,如圖2所示,體現(xiàn)了回收模型內(nèi)部各因素之間的因果聯(lián)系及正負(fù)反饋關(guān)系。

        圖2 動(dòng)力電池回收因果回路圖

        圖3 動(dòng)力電池回收存量流量圖

        在此回路圖的基礎(chǔ)上,將各個(gè)變量按性質(zhì)加以分類,從定量的層面建立動(dòng)力電池回收存量流量圖(如圖3所示),進(jìn)一步明確各個(gè)變量之間的數(shù)量關(guān)系。

        2.4 參數(shù)設(shè)定

        (1)根據(jù)王斑的研究,金屬平均回收率達(dá)90%,則進(jìn)行電池拆解,剩余金屬的比例為1-平均回收率,即10%。

        (2)根據(jù)楊俊峰,等的研究,鈷、鎳、錳三種金屬進(jìn)行拆解利用提取率為95%。

        (3)根據(jù)實(shí)地調(diào)研,按電量收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),電池梯次利用租賃的單價(jià)為1.8 元/kW·h,根據(jù)郝碩碩,等的研究,一個(gè)動(dòng)力電池蓄電量為25kW·h,進(jìn)行梯次利用時(shí)電量平均利用率為75%,單個(gè)電池租賃利用次數(shù)為88次左右,則一個(gè)動(dòng)力電池租賃單價(jià)為4 000元/個(gè)。同理可知,一個(gè)動(dòng)力電池售賣單價(jià)為8 750元/個(gè)。

        (4)根據(jù)尉浩的研究,政府補(bǔ)貼對(duì)于動(dòng)力電池回收有一定影響,隨著政府補(bǔ)貼的增加,電池回收率先增加后降低。

        (5)根據(jù)實(shí)地調(diào)研訪談,三元電池中金屬元素鎳、錳、鈷、鋰含量比為6:2:1:1。

        通過實(shí)地調(diào)研、查閱資料,結(jié)合以上數(shù)據(jù),本文模型涉及變量用如下符號(hào)表示:設(shè)庫存數(shù)量為Q,庫存增加量為,庫存減少量為,不可利用的電池為,不可利用的電池1 為,不可利用的電池2為、電池回收數(shù)量為Q,可以被利用的電池為,可以被利用的電池2為,可以被利用的電池3為,出售數(shù)量為,租賃數(shù)量為,剩余材料數(shù)量為,總含量(鋰)為Li,總含量(錳)為Mn,總含量(鎳)為Ni、總含量(鈷)為Co,提取成本為C,安全處置成本為C,庫存成本為C,出售收益為I,材料收益為I,租賃收益為I,總成本為、總收益為,租賃電池所占比例為R。

        為更好地分析變量間的關(guān)系,依據(jù)圖3所示構(gòu)建的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,將模型中的變量關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)公式,表達(dá)如下:

        本模型中初始常量設(shè)置見表1。

        表1 常量說明

        3 模型仿真與分析

        如圖4所示,在整條供應(yīng)鏈的經(jīng)濟(jì)效益研究中,考慮租賃電池所占比例在[0,1]區(qū)間進(jìn)行均勻增加,相應(yīng)地,出售電池所占比例在[0,1]區(qū)間均勻減少。由于每月汽車報(bào)廢量相同,對(duì)于凈利潤而言,可以較為直觀地顯示出供應(yīng)鏈整體利潤最大時(shí)的最佳回收方式。

        圖4 租賃電池所占比例

        本模型考慮政府補(bǔ)貼對(duì)于回收率的影響,如圖5所示,根據(jù)文獻(xiàn)[19]的研究,在政府補(bǔ)貼相對(duì)較小時(shí),回收率會(huì)隨著補(bǔ)貼的增加而升高,而補(bǔ)貼數(shù)額達(dá)到一定值后,回收率隨補(bǔ)貼增加而降低。

        圖5 政府補(bǔ)貼對(duì)動(dòng)力電池回收率的影響

        在本模型中,除了回收價(jià)格不同外,圖6所示材料收益是區(qū)別租賃與出售兩種回收方式的另一要素。租賃的電池在梯次利用直到報(bào)廢后,會(huì)與回收后不可利用的電池進(jìn)行同樣的拆解回收工作,包括材料的分揀與金屬的提煉等,進(jìn)而獲得材料收益。由圖6可知,隨著租賃電池比例增加,材料收益也相應(yīng)增加。

        如圖7所示,從整條回收供應(yīng)鏈總成本的角度研究,租賃比例與總成本呈正相關(guān)關(guān)系,隨著租賃電池比例增加,以售賣方式回收的動(dòng)力電池比例減少,動(dòng)力電池回收供應(yīng)鏈總成本相應(yīng)增加。

        最后考慮動(dòng)力電池回收供應(yīng)鏈凈利潤的變化趨勢(如圖8所示),租賃電池所占比例與回收凈利潤呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,租賃電池比例越大,以售賣方式回收的動(dòng)力電池比例越少,動(dòng)力電池回收供應(yīng)鏈凈利潤越小。當(dāng)租賃比例為0,即全部電池均以售賣方式回收時(shí),供應(yīng)鏈利潤達(dá)到最大值。

        圖6 租賃電池所占比例對(duì)材料收益的影響

        圖7 租賃電池所占比例對(duì)回收總成本的影響

        圖8 租賃電池所占比例對(duì)動(dòng)力電池回收凈利潤的影響

        綜上,以售賣方式對(duì)廢舊動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用,可以使得動(dòng)力電池逆向回收供應(yīng)鏈整體凈利潤最大,此時(shí)最具有經(jīng)濟(jì)效益。

        4 結(jié)語

        在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天,動(dòng)力電池回收的研究更有其意義和價(jià)值。本文建立了動(dòng)力電池回收方式的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,采用模型虛擬與仿真的方法,確定了動(dòng)力電池回收供應(yīng)鏈利潤最大化的最佳決策方案。結(jié)果顯示,售賣的回收方式能夠使供應(yīng)鏈整體獲得最大利益,為未來其他企業(yè)選擇動(dòng)力電池回收方式提供參考與支持。

        本文假設(shè)電池回收方的主體僅為一家第三方綜合利用企業(yè),假設(shè)較為理想化。在實(shí)際中,動(dòng)力電池回收企業(yè)不止一家,且可能還有其他類型企業(yè),如何解決這個(gè)問題是下一步研究要考慮在內(nèi)的。

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