陳軼嵩,郝卓,蘭利波,付佩,陳昊
(長(zhǎng)安大學(xué),西安 710064)
在能源安全、環(huán)境保護(hù)與科技變革的推動(dòng)下,中國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)與市場(chǎng)均取得了巨大的進(jìn)展。同時(shí),隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深化與“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)地提出,對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)全生命周期綠色可控與節(jié)能減碳重視程度更甚。作為純電動(dòng)汽車(chē)的唯一動(dòng)力來(lái)源,動(dòng)力電池未來(lái)必將持續(xù)生產(chǎn)、使用以及大量報(bào)廢,而動(dòng)力電池在其全生命周期內(nèi)具有大量能源輸入與環(huán)境排放輸出,對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的節(jié)能減碳成效影響巨大。
近年來(lái),在純電動(dòng)汽車(chē)節(jié)能減排評(píng)價(jià)領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)動(dòng)力電池的能耗與環(huán)境影響評(píng)價(jià)等方面展開(kāi)了系列研究。Ambrose 等、ELLINGSEN等、DAI Qiang等、PETERSAC 等借助全生命周期評(píng)估(Life Cycle Assessment,LCA)模型對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)用鋰離子電池(Lithium Ion Battery,LIB)進(jìn)行 資 源 消 耗 和 環(huán) 境 影 響 分 析;SUN Xin 等、ACCARDO 等基于中國(guó)本土鋰電池供應(yīng)商的數(shù)據(jù)清單,借助LCA 方法評(píng)估并量化了鎳鈷錳三元鋰離子電池(Nickel Cobalt Manganese,NCM)對(duì)純電動(dòng)乘用車(chē)和純電動(dòng)商用車(chē)生命周期環(huán)境影響;AHMADI等、CHEN Mengyuan 等分析了磷酸鐵鋰電池(Lithium Iron Phosphate,LiFePO,LFP)的制造、使用、回收及再利用等全生命周期各階段的環(huán)境影響,其回收及再利用的清單數(shù)據(jù)為估測(cè)所得;針對(duì)LFP環(huán)境影響評(píng)價(jià)的研究,賈志杰等、LOAKIMIDIS等、ZHU Lingyun 等、劉書(shū)如研究了廢舊LFP電池的綠色回收技術(shù)、二次應(yīng)用場(chǎng)景等,以最大限度降低廢舊LFP 電池對(duì)環(huán)境的潛在影響;RICHA等、李響等對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)錳酸鋰電池(Lithium Manganate,LiMnO,LMO)的生產(chǎn)制造、運(yùn)行使用以及報(bào)廢回收3 個(gè)階段的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。殷仁述等對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)用鈦酸鋰電池(Lithium Titanate,LiTiO,LTO)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)分析,得到LTO 電池對(duì)資源、能源及環(huán)境的影響。針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)不同類(lèi)型的動(dòng)力電池的能耗與環(huán)境影響,部分學(xué)者也采用LCA 方法對(duì)LIB 和鉛酸電池、LMO 和LFP、LFP 和NCM進(jìn)行對(duì)比分析,以確定更加綠色環(huán)保的動(dòng)力電池類(lèi)型,但尚未深入探討4 款動(dòng)力電池對(duì)比情況及相關(guān)預(yù)測(cè)分析,且研究結(jié)果無(wú)法表征中國(guó)背景下匹配不同動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)從搖籃到再生的全生命周期對(duì)資源、能源及環(huán)境的影響。
從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看,目前關(guān)于純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)用動(dòng)力電池節(jié)能減排研究的評(píng)價(jià)對(duì)象多為單一類(lèi)型的動(dòng)力電池、兩款傳統(tǒng)電池對(duì)比分析、新型動(dòng)力電池與傳統(tǒng)電池對(duì)比分析以及電池裝車(chē)對(duì)比分析,而針對(duì)市面上所常見(jiàn)的4 款動(dòng)力電池生命周期對(duì)比分析研究較少。因此,本文基于以往文獻(xiàn)研究及其不足,從全生命周期角度對(duì)4 款動(dòng)力電池進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)研究,并將4 款動(dòng)力電池作為變量匹配到同一款BEV 中進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)研究與敏感性分析。研究結(jié)果可為動(dòng)力電池企業(yè)與整車(chē)企業(yè)在生產(chǎn)制造及產(chǎn)品發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步提供參考依據(jù)。
本文以當(dāng)前市場(chǎng)中銷(xiāo)量較高、技術(shù)相對(duì)成熟的比亞迪·秦系列純電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象,以該車(chē)相關(guān)參數(shù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),分別搭載4 款動(dòng)力電池(LFP、NCM、LMO、LTO),并組件成為4 款匹配不同動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē),分別對(duì)4款BEV 進(jìn)行全生命周期ADF(f)和GWP 定量評(píng)價(jià)計(jì)算,結(jié)合中國(guó)實(shí)景數(shù)據(jù)、技術(shù)路線、文獻(xiàn)參考等因素對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)2030年ADF(f)和GWP情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。4款動(dòng)力電池與整車(chē)各階段所需的實(shí)景數(shù)據(jù)主要來(lái)源于動(dòng)力電池公司官網(wǎng)及國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn),上游背景數(shù)據(jù)主要來(lái)源于GaBi 軟件數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于某些零部件的制造過(guò)程由于數(shù)據(jù)缺失進(jìn)行相似處理,用相同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行替代。
生命周期評(píng)價(jià)是指對(duì)一個(gè)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中所有輸入、輸出和潛在環(huán)境影響進(jìn)行匯編和評(píng)價(jià)的過(guò)程。汽車(chē)LCA 分析需要按照ISO14040 進(jìn)行,首先需要明確研究目的、系統(tǒng)邊界和功能單位。本文旨在探索2021 年及2030 年我國(guó)動(dòng)力電池及純電動(dòng)汽車(chē)生命周期內(nèi)能源和環(huán)境排放的影響,因此將純電動(dòng)汽車(chē)全生命周期分為原材料獲取、制造裝配、運(yùn)行使用、報(bào)廢回收4 個(gè)階段。動(dòng)力電池及純電動(dòng)汽車(chē)的能源消耗與環(huán)境排放僅考慮ADF(f)與GWP,系統(tǒng)邊界如圖1所示。
圖1 BEV全生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界
功能單位是指經(jīng)過(guò)量化的產(chǎn)品功能或績(jī)效特征,本文考慮車(chē)輛實(shí)際使用過(guò)程中的平均行駛里程數(shù),選取該車(chē)型在中國(guó)道路上平均行駛里程15 萬(wàn)km作為功能單位。
影響評(píng)價(jià)是指在選定的影響指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上,將清單分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為潛在環(huán)境影響的過(guò)程。本文針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)及動(dòng)力電池的相關(guān)特性,選取化石能源消耗量ADP(f)與GWP(以COeq計(jì))這兩項(xiàng)指標(biāo)用于衡量動(dòng)力系統(tǒng)的化石能源消耗與溫室氣體環(huán)境排放影響,其單位分別為MJ與kg。
本文主要將純電動(dòng)汽車(chē)劃分為車(chē)身、底盤(pán)、動(dòng)力電池、電機(jī)、電控裝置、流體幾部分。將動(dòng)力電池分為正極、負(fù)極、電解液、隔膜、殼體、冷卻液、電池管理系統(tǒng)(BMS)等部分。動(dòng)力電池各部件上游原材料消耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,除動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)各部件上游原材料的消耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
表1 4種不同動(dòng)力電池的原材料消耗數(shù)據(jù) 單位:kg
表2 純電動(dòng)汽車(chē)的原材料消耗數(shù)據(jù)[23] 單位:%
車(chē)輛制造裝配過(guò)程中主要產(chǎn)生部分電能與熱能消耗,各部件與整車(chē)再制造裝配階段的電能與熱能消耗見(jiàn)表3~4。
表3 整車(chē)部件制造裝配過(guò)程能耗[25] 單位:MJ/kg
純電動(dòng)汽車(chē)使用階段的能源消耗與環(huán)境排放主要來(lái)源于電能的消耗,考慮比亞迪·秦BEV 生命周期行駛里程為150 000 km,基于百公里公稱(chēng)電耗12.3 kWh/100 km 計(jì)算可知,整車(chē)運(yùn)行使用階段的電能消耗約為69 916 MJ。
車(chē)輛報(bào)廢回收階段主要包括零部件再制造、再利用、材料回收、焚燒填埋等過(guò)程。
當(dāng)前純電動(dòng)汽車(chē)回收過(guò)程尚未完善,此處采用金屬材料回收來(lái)簡(jiǎn)化和代替回收過(guò)程,其中各金屬材料回收率與回收單位材料能源消耗見(jiàn)表5。
表5 回收單位金屬時(shí)各能源消耗及金屬回收率[26]
本文主要通過(guò)考慮動(dòng)力電池的能量密度、電池制造過(guò)程的能耗、正負(fù)極活性材料的碳排放、電力結(jié)構(gòu)的變化以及未來(lái)車(chē)輛輕量化等因素的影響,對(duì)2030 年動(dòng)力電池及BEV 化石能源消耗與GWP 進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,其中動(dòng)力電池能量密度、電池制造過(guò)程的能耗、正負(fù)極活性材料的碳排放參數(shù)預(yù)測(cè)見(jiàn)表6,電力結(jié)構(gòu)的變化見(jiàn)表7?!豆?jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》提出,到2030 年純電動(dòng)乘用車(chē)輕量化系數(shù)將降低20%,此處將BEV 整車(chē)整備質(zhì)量降低20%。
表4 整車(chē)裝配階段能耗[13] 單位:MJ/kg
表6 2030年動(dòng)力電池相關(guān)參數(shù)變化預(yù)測(cè)值[27-29]
表7 2030年動(dòng)力電池相關(guān)參數(shù)變化預(yù)測(cè)值[30]
本文模型搭建以目的為導(dǎo)向,基于ADF(f)與溫室氣體排放的評(píng)價(jià)指標(biāo),將動(dòng)力電池與純電動(dòng)汽車(chē)生命周期評(píng)價(jià)模型分為ADF(f)評(píng)價(jià)模型和溫室氣體排放評(píng)價(jià)模型兩部分。
為深入分析不同動(dòng)力電池生產(chǎn)階段及匹配不同動(dòng)力電池純電動(dòng)汽車(chē)生命周期的ADF(f)與溫室氣體排放結(jié)果,本文將生命周期ADF(f)分為材料周期與能源周期兩部分。
3.1.1 材料周期
材料周期主要包含材料加工與制造裝配兩部分。
車(chē)用材料加工階段的ADF(f)為:
式中,m為第個(gè)部件所包含的第種材料;為動(dòng)力系統(tǒng)零部件數(shù)量;為材料種類(lèi);為生產(chǎn)單位第種能源所需要的第種初級(jí)能源輸入量;為初級(jí)能源的種類(lèi)。
制造裝配過(guò)程的ADF(f)為:
式中,為能源生產(chǎn)過(guò)程中第個(gè)組件所需的第種能源量;表示制造裝配過(guò)程中第個(gè)組件制造裝配過(guò)程所需的第種能源量;為動(dòng)力系統(tǒng)零部件數(shù)量;為能源種類(lèi)數(shù)。
則材料周期總ADF(f)為:
3.1.2 能源周期
能源周期的ADF(f)主要來(lái)源于車(chē)輛運(yùn)行階段的電能消耗。設(shè)為BEV行駛總里程數(shù),km,為汽車(chē)百公里公稱(chēng)電耗,kWh/100 km,為電能傳輸效率,則BEV能源周期的ADP(f)為:
全生命周期ADP(f)矩陣為:
生命周期全球變暖評(píng)價(jià)模型同樣包含材料周期和燃料周期。
3.2.1 材料周期
構(gòu)建材料加工階段的溫室氣體排放矩陣:
式中,為生產(chǎn)單位第種車(chē)用材料所排放的第種溫室氣體排放當(dāng)量;為溫室氣體排放當(dāng)量類(lèi)型。
構(gòu)建制造裝配階段的溫室氣體排放矩陣:
式中,為生產(chǎn)單位第種能源所排放的第種污染物排放當(dāng)量;為污染物排放當(dāng)量的種類(lèi)數(shù)。
3.2.2 燃料周期
構(gòu)建能源生產(chǎn)的溫室氣體排放強(qiáng)度矩陣:
式中,為生產(chǎn)單位第種能源所排放的第種污染物排放當(dāng)量;為污染物排放當(dāng)量的種類(lèi)數(shù)。
則生命周期溫室氣體排放總值為:
基于前文搭建的數(shù)學(xué)模型,利用GaBi 軟件中相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)與前文所述基礎(chǔ)材料清單與2030年情景清單,可獲得LFP、NCM、LMO、LTO4 款不同類(lèi)型動(dòng)力電池在生命周期生產(chǎn)制造階段ADP(f)與GWP 結(jié)果。不同動(dòng)力電池生產(chǎn)制造階段2021年與2030年各部件ADP(f)與GWP如圖2所示。
圖2 動(dòng)力電池生產(chǎn)制造階段ADP(f)與GWP
由圖2可知,動(dòng)力電池生產(chǎn)階段ADP(f)與GWP排放值由大到小分別為L(zhǎng)TO、LFP、LMO、NCM,LTO、LMO、NCM、LFP,即LTO 電池生產(chǎn)中ADP(f)消耗與GWP 的排放最高,分別為101 000 MJ、21 700 kg CO-eq,NCM 電池ADP(f)消耗最低,為28 400 MJ,LFP 電 池GWP 排放最低,為5 440 kg CO-eq。主要是由于該動(dòng)力電池質(zhì)量相對(duì)較高,為其他電池的2~3 倍,其金屬材料含量較高,所以其在電池制造裝配與殼體生產(chǎn)制造部分的ADP(f)最大;由圖可知,4 款動(dòng)力電池在正極生產(chǎn)制造時(shí)具有較高的溫室氣體排放值,主要是因?yàn)閯?dòng)力電池正負(fù)極活性材料(LFP、NCM、LMO、LTO、石墨等)在生產(chǎn)過(guò)程中具有較高的碳排放因子。
在正負(fù)極活性材料碳排放因子降低、電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力電池輕量化等條件影響下,制造裝配部分ADP(f)大幅下降(輕量化、電力結(jié)構(gòu)),正極材料生產(chǎn)制造部分GWP 大幅下降(電力結(jié)構(gòu)、活性材料碳排放銀子下降)。2030 年,4 款動(dòng)力電池生產(chǎn)制造ADP(f)分別下降46.7%、53.2%、52.3%、58.8%,GWP分別下降43.6%、45.4%、47.1%、55.1%。
基于前文搭建的數(shù)學(xué)模型,利用GaBi 軟件中相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)與前文所述基礎(chǔ)材料清單與2030年情景清單,可獲得匹配分別LFP、NCM、LMO、LTO 四款不同類(lèi)型動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)全生命周期ADP(f)與GWP 結(jié) 果。不 同BEV 全 生 命 周期2021年與2030年ADP(f)與GWP如圖3所示。
由圖3 可知,整車(chē)生命周期能源消耗與溫室氣體排放LTO>LMO>LTO>NCM。受我國(guó)電力結(jié)構(gòu)影響,匹配各動(dòng)力電池在運(yùn)行使用階段環(huán)境排放與能源消耗占比最高(60%~70%),報(bào)廢回收階段產(chǎn)生約10%~20%的正效益。其中,匹配LTO 電池的純電動(dòng)汽車(chē)在電池生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生較高ADP(f)與GWP,遠(yuǎn)超其他部件生產(chǎn)時(shí)的能耗與排放,而在匹配LFP、NCM、LMO 等動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)中,動(dòng)力電池生產(chǎn)與整車(chē)其他部件生產(chǎn)的能耗與排放相近,可見(jiàn)動(dòng)力電池生產(chǎn)能源消耗與碳排放具有較大占比,約占整車(chē)生產(chǎn)階段的50%。
圖3 匹配4款不同動(dòng)力電池的整車(chē)生命周期ADP(f)與GWP
在正負(fù)極活性材料碳排放降低、電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力電池輕量化等條件影響下,2030年,LFP、NCM、LMO、LTO 四款動(dòng)力電池生產(chǎn)制造ADP(f)分別下降39.8%、40.7%、40.8%、43.9%,GWP 分 別 下 降45.5%、46.1%、46.1%、49.0%。
4.3.1 電力結(jié)構(gòu)
我國(guó)目前電力結(jié)構(gòu)清潔能源發(fā)電比例較少,仍以火力發(fā)電為主,會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境污染,不利于我國(guó)“雙碳”目標(biāo)下的減碳進(jìn)程。
本文以我國(guó)電力結(jié)構(gòu)為敏感性因子,設(shè)定用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)補(bǔ)充煤電比例降低所帶來(lái)的缺口,提出3 種改進(jìn)的電力結(jié)構(gòu)。在這3 種改進(jìn)的電力結(jié)構(gòu)中,煤電的下降比例依次為10%,20%和30%,具體見(jiàn)表8。通過(guò)調(diào)節(jié)清潔能源發(fā)電和降低火力發(fā)電比例,以研究分析不同情景下匹配不同動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)ADP(f)與GWP,具體情境下匹配4 款動(dòng)力電池的BEV 各組成部分ADP(f)與GWP如圖4所示。
表8 當(dāng)前及改進(jìn)后的電力結(jié)構(gòu)
由圖4 可知,通過(guò)降低煤電比例,增強(qiáng)風(fēng)電、太陽(yáng)能等清潔能源發(fā)電比例,匹配4 種動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)全生命周期能耗與排放逐步降低。主要是由于我國(guó)火力發(fā)電模式中所消耗的能源為煤炭等化石能源,電量需求越高,ADP(f)則越高,同時(shí)煤炭等化石能源燃燒將會(huì)排放大量污染物。隨著火力發(fā)電比例降低10%、20%、30%,匹配不同動(dòng)力電池的整車(chē)ADP(f)將隨之降低18%~20%、27%~30%、48%~57%;溫室氣體排放將隨之降低12%~20%、20%~30%、27%~41%。其中匹配N(xiāo)CM 電池的純電動(dòng)汽車(chē)ADP(f)下降最高,匹配LFP 電池的純電動(dòng)汽車(chē)GWP 排放下降最多,匹配LTO 電池的純電動(dòng)汽車(chē)ADP(f)與GWP下降相對(duì)較低。
圖4 不同電力結(jié)構(gòu)下匹配4款不同動(dòng)力電池的整車(chē)生命周期ADP(f)與GWP
4.3.2 充電效率
動(dòng)力電池在使用過(guò)程中受電池充電效率影響,將會(huì)對(duì)整車(chē)運(yùn)行使用階段的電量損耗具有較大影響。本文針對(duì)動(dòng)力電池充電效率進(jìn)行敏感性分析,量化分析隨著充電效率提升90%、95%、98%,不同情景下匹配不同動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)ADP(f)與溫室氣體排放變化,具體情境下不同BEV 各組成部件ADP(f)與GWP如圖5所示。
由圖5 可知,通過(guò)充電效率的提升,純電動(dòng)汽車(chē)全生命周期的ADP(f)與GWP 均有一定程度降低。當(dāng)動(dòng)力電池充電效率提升至98%時(shí),動(dòng)力電池ADP(f)將降低6%~7%,GWP 將降低4%~6%。其中,匹配N(xiāo)CM 電池的純電動(dòng)汽車(chē)ADP(f)降幅最大,匹配LMO 電池的純電動(dòng)汽車(chē)GWP 降幅最大,而匹配LTO 電池的純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)充電效率的敏感性相對(duì)較低。
圖5 不同充電效率下匹配4款不同動(dòng)力電池的整車(chē)生命周期ADP(f)與GWP
以生命周期評(píng)價(jià)體系與理論方法為基礎(chǔ),搭建純電動(dòng)汽車(chē)全生命周期數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而運(yùn)用GaBi工具對(duì)匹配不同類(lèi)型動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)在2021與2030 年的ADP(f)與溫室氣體排放結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究并選取電力結(jié)構(gòu)與充電效率為敏感性因子進(jìn)行敏感性分析,以測(cè)算其對(duì)BEV 生命周期能耗與排放的影響程度。最終數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:
(1)動(dòng)力電池生產(chǎn)制造過(guò)程中,由于其電池質(zhì)量本身較高,所以LTO 電池具有最高的ADP(f)與GWP,而具有高碳排放因子的正負(fù)極材料為動(dòng)力電池生產(chǎn)階段帶來(lái)了大量的溫室氣體排放,所以具有較高的GWP,電池制造裝配階段的電能損耗則為電池生命周期帶來(lái)大量的ADP(f)。
(2)匹配不同動(dòng)力電池純電動(dòng)汽車(chē)生命周期化石能源消耗LTO>LMO>LFP>NCM,全球變暖潛值LTO>LMO>NCM>LFP,各BEV 運(yùn)行使用階段環(huán)境排放與能源消耗占比最高(60%~70%),報(bào)廢回收階段產(chǎn)生約10%~20%的正效益,其中動(dòng)力電池生產(chǎn)制造在整車(chē)生產(chǎn)制造中擁有較高的環(huán)境排放與能耗(40%~70%)。
(3)至2030 年,隨著我國(guó)電力結(jié)構(gòu)調(diào)整、材料輕量化、正負(fù)極活性材料碳排放因子的降低,匹配不同電池純電動(dòng)汽車(chē)ADP(f)將降低40%~44%,GWP 將下降45%~49%,且通過(guò)敏感性分析可知,我國(guó)電力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與充電效率的提高均能有效改善BEV 生命周期內(nèi)能耗與排放,且電力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改善效果更為明顯。
(4)未來(lái)將聚焦動(dòng)力電池上游鋰離子來(lái)源與下游動(dòng)力電池梯次利用與報(bào)廢回收等場(chǎng)景,全面鏈接純電動(dòng)汽車(chē)全生命周期,并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)能耗與排放研究。