新能源汽车车载动力电池碳中和潜力分析.pdf

收稿日期院2023-04-20基金项目院国家自然科学基金(52074037)曰国家重点研发计划(2021-YFB2401800曰2022YFB3305400).作者简介院常泽宇(2000-),男,安徽淮南人,硕士,主要研究方向为动力电池研究.通讯作者院郁亚娟袁E-mail:.0引言为解决道路交通温室气体排放问题袁 中国在2009 年启动了新能源汽车试点计划1遥 在 2014 年到2018 年期间袁 电动汽车以每年 42 万辆的速度增加并且依旧处于快速增长阶段2-3遥 相较于传统内燃机燃油车渊internal combustion engine vehicles,ICEV冤袁电动汽车渊blade electric vehicles,BEV冤以动力电池为核心袁具有道路野零排放冶的优势袁能大量减少汽车道路行驶过程中 CO2的排放4-5遥生命周期评价渊life cycle assessment,LCA冤是一新能源汽车车载动力电池碳中和潜力分析常泽宇1袁王磊1袁黄凯2袁刘磊3袁郁亚娟1,4(1.北京理工大学材料学院袁北京100081曰 2.北京林业大学环境科学与工程学院袁北京100083曰3.戴尔豪斯大学袁哈利法克斯B3H4R2曰 4.北京理工大学重庆创新中心袁重庆401120冤摘要院尽管纯电动汽车具有道路野零排放冶优势袁但考虑到上游排放尧动力电池生产和材料回收袁电动汽车在全生命周期内是否比传统燃油车环保依然存疑遥基于Simapro软件对京津冀地区电动汽车全生命周期CO2排放进行生命周期评价遥结果显示袁京津冀地区传统燃油车尧LFP-based电动汽车和NMC-based电动汽车行驶全生命周期CO2排放量分别为37 879.81袁46 738.53和45 351.99 kg遥在我国电力生产平均排放水平下袁电动汽车取代燃油车已满足CO2减排需求遥而我国电力清洁度对使用电动汽车实现碳中和具有重要影响遥根据与其他国家和地区的对比袁我国在未来实现碳中和的路上具有巨大的潜力遥关键词院纯电动汽车曰生命周期评价曰碳中和曰电力清洁度曰动力电池中图分类号押 X5文献标志码押 A文章编号押 1674-4829渊2023冤0源-0001-06Carbon Neutral Potential Analysis of On-board Power Batteries for Blade Electric VehiclesCHANGZe-yu1,WANGLei1,HUANGKai2,LIULei3,YUYa-juan1,4(1.School of Material Science&Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.School ofEnvironmental Science and Engineering,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;3.Dalhousie University,Halifax B3H4R2,Canada;4.Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center,Chongqing 401120,China)Abstract:Although battery electric vehicles(BEV)have the advantage of野zero emission冶 on the road,considering theupstream emission,power battery production and material recycling,it is still doubtful whether BEV will be moreenvironmentally friendly than internal combustion engine vehicles(ICEV)in the whole life cycle.Based on Simapro software,this study makes a life cycle assessment(LCA)on the CO2emission of BEV in the whole life cycle of Beijing,Tianjin andHebei(JJJ).The result shows that,in the whole life cycle,the CO2emissions of traditional fuel vehicles,LFP-based electricvehicle and NMC-based in JJJ are 37 879.81,46 738.53 and 45 351.99 kg,respectively.Electric vehicles have replacedfuel vehicles to meet the demand of CO2emission reduction under the average emission level of China爷s power production.The cleanliness of electric power in China has an important impact on the realization of carbon neutralization in the use ofelectric vehicles.According to the comparison of other regions,China has great potential to achieve carbon neutrality in thefuture.Key words:Blade electric vehicles;Life cycle assessment;Carbon neutralization;Power cleanliness;Power battery第36卷第4期圆园23年8月环 境 科 技耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼葬造 杂糟蚤藻灶糟藻 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠灾燥造援36No.4Aug援圆园23环境科技2023 年 8 月种评价产品尧工艺或服务从原材料采集到产品生产尧运输尧使用及最终处置整个生命周期阶段渊从摇篮到坟墓冤的能源消耗及环境影响的方法6-8遥生命周期评价包括确定目的和范围尧清单分析尧影响评估和结果解释四个具体实施步骤遥 通过 LCA 报告可以对产品生产过程中的高污染环节提出改善意见袁 或者对产品在某一领域的高污染做出预警遥在这项研究中袁 首先确定了以市场上主流的磷酸铁锂渊LFP冤动力电池和三元锂渊NMC冤动力电池包为研究对象袁 通过数据收集整理出不同整备质量下BEV 效率参数和相应整备质量下的 ICEV 耗油对应数据遥 基于 Simapro 软件对京津冀地区电动汽车 CO2排放进行全生命周期评价袁并与传统燃油汽车对比袁判断推广使用 BEV 的碳中和潜力9遥 为了方便结果的比较袁 本研究使用同一 LCA 体系来量化传统燃油车和电动汽车全生命周期 CO2排放遥1研究方法BEV 和 ICEV 的环境影响差别主要来自于动力电池全生命周期的环境负荷和能源循环环境负荷遥本研究基于 LCA 方法袁以市面上主流的 LFP 动力电池和 NMC 动力电池为研究对象袁分别归纳总结了生产阶段尧使用阶段和回收阶段 BEV 动力电池的 CO2排放水平遥其中使用阶段以京津冀区域推广 BEV 的现实情形为例袁 将量化的 CO2排放水平与 ICEV 使用汽油的排放水平做出比较遥本研究在专业的环境评价软件 Simapro 中建模并进行影响评估遥 基于 Simapro 数据库中的 LCA 体系渊Selected LCI results V1.04冤计算下的 CO2排放系数袁各个结果在同一体系下计算得出袁排除了因方法体系选择不同造成的差异性遥 另外也可以对生产和回收过程中的物质流清单在统一衡量尺度下进行计算袁便于后续的统一加和分析遥生产阶段 BEV 和 ICEV 的主要环境负荷差异来自于 BEV 中动力电池的生产袁2 者车身的原材料投入本研究中默认一样且环境影响一样遥 所以生产阶段仅仅对 LFP 和 NMC 动力电池生产过程中的CO2做了量化计算袁功能单位为 1 kg袁具体清单见表1 和表 2遥 其中 LFP 动力电池清单来自 MAJEAU10袁NMC 动力电池清单来自于 COX11遥组件正极活性物质电解液原材料氢氧化锂磷酸硫酸亚铁去离子水炭黑PTFENMP铝箔六氟磷酸锂有机溶剂m/kg0.100 10.141 40.217 510.005 00.012 50.020 00.070 00.036 00.014 40.105 6组件负极活性物质冷却系统原材料石墨烯PTFENMP铜片散热器歧管夹具和紧固件管件隔热垫乙二醇m/kg0.076 00.004 00.022 40.083 00.007 00.000 30.000 27.68 伊 10-60.000 20.000 4组件隔膜电池壳模组和整体包装BMS水电原材料PEPP铝PE电路板铜片铬m/kg0.016 50.016 50.200 00.170 00.002 00.010 00.008 038027 kW 窑 h组件正极活性材料电解液电池壳隔膜原材料聚氟乙烯炭黑NMCNMP铝箔六氟磷酸锂碳酸乙烯酯铝铜塑料PPm/kg0.010 80.005 40.253 80.110 70.033 00.013 20.096 80.001 00.00180.00190.0150组件负极活性材料冷却系统原材料石墨烯羧甲基纤维素丙烯酸NMP铜片散热器歧管夹具和紧固件管件隔热垫乙二醇m/kg0.115 20.002 40.002 40.112 80.153 90.026 10.001 10.000 72.88 伊 10-50.000 60.001 4组件BMS模组和整体包装水电原材料印刷线路板IBISIBIS 紧固件高压系统低压系统模块封装电池支撑电池托盘m/kg0.002 70.014 40.000 10.009 00.003 90.141 60.026 40.072 026620 kW 窑 h表1LFP动力电池清单表2NMC动力电池清单2第 猿6 卷第 4 期使用阶段中袁以 Well-to-Wheel渊WTW冤法袁即WTT(well to tank,油井到油箱的 CO2排放)和 TTW渊tank to wheels,过程中的 CO2排放冤 对汽油能源生命周期进行区分袁 其中 ICEV 的排放主要在道路行驶阶段袁BEV 行驶过程中主要依靠电力消耗遥 考虑到电力排放的转移袁 本研究收集了 2010 年至 2017年华北地区的电网数据袁 相关电网数据来源于国家统计局的统计遥此外袁当地的电力生产排放系数的水平同样影响 BEV 使用过程环境影响袁排放系数客观反映了当地电力生产的清洁度袁对量化 BEV 行驶过程中的上游污染排放有着重要作用遥 Selected LCIresults V1.04 体系下的相关排放系数见表 3遥表3电力生产CO2排放系数目前国内动力电池的回收产业相对还不完善袁因此本研究使用的数据基于大量文献调研袁 结合生产过程中量化影响较大的特征材料袁 选择了适合本研究的回收清单袁回收清单包括原材料尧能源和回收物质 3 个部分袁并且按功能单位进行换算遥本研究使用的 LFP 回收清单来自于王琢璞12袁该 LFP 回收技术包含了传统湿法技术和全组分 野物理法冶 回收技术袁相关参数见表 4遥表4LFP动力电池回收清单本研究使用的 NMC 回收清单来自谢英豪等13的废旧动力电池定向循环工艺流程袁 该法结合了传统湿法和火法的优势并改进了各自的不足袁 相关参数见表 5遥表5NMC动力电池回收清单2BEV 动力电池全生命周期碳足迹生命周期评价方法一般用于评价某一确定产品或者规模化的产业链袁在电动汽车产业中袁由于不同车型尧不同技术之间的差别袁动力电池的整备质量会因为其满足的功能不同而产生差异14遥 因为大部分车型的单次行驶里程集中在 300 400 km袁 因此本研究以单次续航里程 350 km袁 放电深度渊DOD冤80%计算遥BEV 不同动力电池全生命周期 CO2排放分布情况见图 1遥 由图 1 可知袁LFP 和 NMC 动力电池在生产过程中的碳足迹相差不大袁 全生命周期内的 CO2排放 LFP 动力电池略高于 NMC 动力电池遥由图 1渊a冤可知袁在 BEV 动力电池全生命周期内袁LFP 动力电池和 NMC 动力电池的 CO2排放量分别达到 49 495.04和 46 759.09 kg遥由图 1渊b冤和图 1渊c冤可知袁使用阶段的 CO2排放占到了 2 类动力电池全生命周期排放的大部分袁LFP 动力电池使用阶段 CO2排放占比达到了 69.05%袁 而 NMC 动力电池使用阶段的 CO2排放量达到了 73.09%遥 要降低电动汽车全生命周期 CO2的排放水平袁必须要改善提高电力清洁度遥 BEV 电池使用阶段袁主要消耗电能袁因此电力结构依然决定着电动汽车行驶阶段 CO2排放遥 生产阶段 NMC 和LFP 动力电池的 CO2排放量分别占到各自全生命周期的 23.63%和 19.35%遥 回收阶段 LFP 动力电池CO2排放占 7.32%袁NMC 动力电池占 7.56%遥 LFP 和NMC 动力电池生产和回收阶段的 CO2排放共计分地区北京天津河北山西内蒙古WTT-汽油TTW-汽油单位g 窑渊kW 窑 h冤-1g 窑渊kW 窑 h冤-1g 窑渊kW 窑 h冤-1g 窑渊kW 窑 h冤-1g 窑渊kW 窑 h冤-1g 窑 kg-1g 窑 L-1排放系数8019801 0701 1101 4506032 975类别原材料能源回收物质项目废旧 LFP 动力电池液氮DMC 溶剂碳酸锂氮气葡萄糖电能铝箔铜箔正极材料 LFP单位kgkgkgkgkgkgkW 窑 hkgkgkg系数1.0003.6190.1840.0150.1040.0473.4760.2500.0800.221类别原材料能源回收物质项目废旧 NMC 动力电池H2SO4HClNaOHNa2CO3氨水P507煤油H2O2工业用水碳酸锂电能天然气铜箔铝箔NMC 正极材料单位kgkgkgkgkgkgkgkgkgtkgkW 窑 hm3kgkgkg系数1.0001.0990.0401.8710.0210.1120.0020.0050.3660.0140.1212.3290.2800.1000.0600.300常泽宇等新能源汽车车载动力电池碳中和潜力分析3环境科技2023 年 8 月别占到各自全生命周期的 30.95%和 26.91%遥 由此可见通过提高电力清洁度使 BEV 使用阶段的 CO2排放降低的潜力十分巨大15-17遥京津冀地区电力生产的 CO2排放因子始终在 1 kg/渊kW 窑 h冤 左右波动袁远高于欧盟等地的电力排放系数袁 因此改善电力条件对未来我国实现碳中和有重要的意义遥图1BEV动力电池全生命周期CO2排放3电动汽车碳中和潜力分析3.1电动汽车与传统燃油车全生命周期排放比较BEV 的碳中和潜力主要取决于电池包的生产和使用的电力清洁度18袁并且需要展现出相较于 ICEV的低排优势遥 因此本研究对二者的比较主要是进行动力电池全生命周期和汽油全生命周期的 CO2排放进行比较袁 对于车身材料的全生命周期排放默认二者一样遥受到当地的电力生产条件的制约袁京津冀不同区域 BEV 行驶过程中的 CO2排放与相应的汽油全生命周期排放比较结果并不一致19遥 因此袁我们分别计算京津冀不同地区的 CO2排放袁 并求平均值遥BEV 动力电池生产和回收阶段的排放主要受到能源投入和原材料开采消耗的影响袁 而重要的使用阶段则主要受到电力清洁度的影响遥 为了增加对比可信度袁我们考虑了上游排放转移的可能袁比较 BEV动力电池和 ICEV 燃油的全生命周期 CO2排放遥基于国家统计局统计的电网数据中 2010 年至2017 年整个华北区域的电力输入输出结果袁总结出了京津冀地区电力使用消耗分布袁见表 6遥 因为精确数字的保留问题袁 可能存在分布比例和不为 1 的情况袁实际计算过程中采用原精确数值进行计算遥表6京津冀地区电力使用分布京津冀地区 BEV 与 ICEV 全生命周期 CO2排放情况见图 2遥 由图 2 可知袁 在京津冀区域袁LFP-based 电动汽车尧NMC-based 电动汽车和 ICEV 全生命周期的 CO2排放量分别为 46 738.53袁45 351.99袁37 879.81 kg遥BEV 在 CO2排放上并没有产生明显的优势袁这主要是由于在生产尧使用和回收阶段中电力的投入使用会有较大的排放贡献比例遥 特别是 BEV行驶过程中袁 因为京津冀地区使用的电力清洁度并不高袁尽管使用过程中 BEV 可以在 CO2百公里排放上低于相应的 ICEV袁 但是在行驶里程下能否弥补BEV 动力电池生产和回收阶段产生的 CO2排放尚且存疑遥可能的原因一是 BEV 的行驶里程不够造成全生命周期内 CO2减排效果不理想20遥 二是本研究考虑了上游排放转移的可能性袁 京津冀地区使用的电能并不完全来自于本地区袁 电力负担从清洁电力能源结构转移到相对不清洁的电力能源结构中21袁间接加大了 CO2的排放水平遥图2京津冀地区BEV与ICEV全生命周期CO2排放量电力消耗区域北京天津河北电力负荷分布区域北京山西内蒙古天津山西内蒙古河北山西内蒙古分布比例/%39.4223.1537.4382.596.6510.7685.475.558.966050403020100LFPNMC生产总计回收使用阶段渊a冤动力电池全生命周期 CO2排放渊b冤LFP 动力电池各阶段排放分布渊c冤NMC 动力电池各阶段排放分布6050403020100各地区汽车动力类型4第 猿6 卷第 4 期3.2碳中和潜力分析由上述研究可知袁 电力清洁程度对于 CO2排放和碳中和潜力具有关键的影响遥从这个角度出发袁我们收集了全球各个地区的电力排放系数22袁对 CO2排放和碳中和潜力进行对比袁见表 7遥表7不同国家/地区的电力排放系数全球各个地区CO2排放和碳中和潜力对比见图 3遥图3全球各地区CO2排放和碳中和潜力对比由图 3渊a冤可知袁如果 BEV 使用的所有电能均来自于京津冀地区袁即不考虑上游排放转移袁在 CO2排放上 BEV 对比 ICEV 有一定水平的减少遥 而若是采用全国平均的电力排放系数袁 则可以观察到很明显的 CO2减排效果遥 这说明在我国推广使用 BEV袁对实现 CO2减排具有明显的效果袁 对于我国实现碳中和可以提供可观的积极影响遥 而随着我国电力清洁水平的提升袁可以预见袁在达到全球平均水平袁甚至欧美及其他发达国家的水平时袁 将产生更为明显的 CO2减排遥 由图 3渊b冤可知袁京津冀地区乃至全国袁使用电动汽车具有十分巨大的碳中和潜力遥 随着电力清洁程度的提高袁BEV 的推广使用为我国 CO2减排和碳中和事业将起到很大的助力作用遥4结论与展望对于电动汽车 LFP 和 NMC 动力电池全生命周期的 CO2排放袁LFP 动力电池和 NMC 动力电池使用阶段 CO2排放占比分别达到了 69.05%和 73.09%遥在生产阶段袁NMC 和 LFP 动力电池的生产排放 CO2占到了分别占到各自全生命周期的 23.63%和19.35%遥而回收阶段的 CO2排放袁2 种动力电池回收阶段的 CO2排放分别仅占到 7.32%和 7.56%遥 说明生产和回收过程中的电力输入以及使用过程中电力的消耗依然是 BEV 动力电池全生命周期的 CO2排放主要贡献来源袁 提高电力清洁度可以更加明显的突显出电动汽车低排放优势遥通过对本研究中选择的 BEV 动力电池和相应整备质量下燃油车汽油消耗的全生命周期排放对比袁 传统燃油车尧LFP-based 电动汽车尧NMC-based电动汽车的全生命周期 CO2排放分别为 37 879.81,46 738.53,45 351.99 kg遥 在京津冀地区 BEV 动力电池在 CO2排放上实现减排具有有限的优势遥 而在全国平均水平下袁 因为电力清洁度的改善可以实现BEV 的 CO2减排遥 随着我国环保事业的发展袁未来我国电力清洁程度必然会得到提升袁 与全球其他国家对比的结果说明袁随着电力清洁度的改善 BEV 的推广使用具有巨大的碳中和潜力遥参考文献1 MANSOUR C J,HADDAD M G.Well-to-wheel assessmentfor informing transition strategies to low-carbon fuel-vehiclesin developing countries dependent on fuel imports:a case-study of road transport in LebanonJ.Energy policy,2017,107:167-181.2 YI T,ZHANG C,LIN T Y,et al.Research on the spatial-temporal distribution of electric vehicle charging load demand:国家/地区中国俄罗斯全球平均水平日本英国欧盟美国CO2排放系数/渊g 窑 渊kW 窑 h冤-1冤836.945621.452625.178640.103344.147382.097201.893俄罗斯JJJ中国日本全球美国英国欧盟4035302520151050俄罗斯JJJ中国日本全球美国英国欧盟1009080706050403020区域渊a冤各地区 CO2排放量区域渊b冤各地区碳中和潜力常泽宇等新能源汽车车载动力电池碳中和潜力分析5环境科技2023 年 8 月a case study in China J.Journal of cleaner production,2020,242:118457.3 ZHENG Y L,HE X Y,WANG H W,et al.Well-to-wheelsgreenhouse gas and air pollutant emissions from batteryelectric vehicles in China J.Mitigation and adaptationstrategies for global change,2020,25(3):355-370.4 HAWKINS T R,SINGH B,MAJEAU B G,et al.Comparativeenvironmental life cycle assessment of conventional andelectric vehiclesJ.Journal of industrial ecology,2013,17(1):53-64.5 陈维荣,黄锐森,陈隆,等.电动汽车电池技术发展综述J.电源学报,2018,16(6):166-178.6 PETERS J F,WEIL M.Providing a common base for life cycleassessments of Li-Ion batteriesJ.Journal of cleaner prod-uction,2018,171:704-713.7 贾志杰,高峰,杜世伟,等.磷酸铁锂电池不同应用场景的生命周期评价J.中国环境科学2022,42(4):1975-1984.8 赵子贤,邵超峰,陈珏.中国省域私人电动汽车全生命周期碳减排效果评估J.环境科学研究,2021,34(9):2 076-2 085.9 麦文隽.系统动力学中的系统思想及其在野碳中和冶愿景目标中的应用研究要要要以交通行业减碳为例J.系统科学学报,2022,30(1):17-22.10 MAJEAU B G,HAWKINS T R,STROMMAN A H.Life cycleenvironmental assessment of lithium-ion and nickel metalhydride batteries for plug-in hybrid and battery electricvehiclesJ.Environmental science&technology,2011,45(10):4 548-4 554.11 COX B,MUTEL C L,BAUER C,et al.Uncertain envi-ronmental footprint of current and future battery electricvehiclesJ.Environmental science&technology,2018,52(8):4 989-4 995.12 王琢璞.新能源汽车动力电池回收利用潜力及生命周期评价D.北京:清华大学,2018.13 谢英豪,余海军,欧彦楠,等.废旧动力电池回收的环境影响评价研究J.无机盐工业,2015,47(4):43-46,61.14 李文翔,李晔,董洁霜,等.引入碳交易机制的新能源汽车发展路径研究J.系统仿真学报,2021,33(6):1451-1465.15 王靖添,马晓明.低碳交通研究进展与启示J.生态经济,2021,37(5):57-64.16 鞠军,陈跃,余艳春.碳达峰目标下基于德国经验的我国新能源汽车应用推广建议J.交通节能与环保,2021,17(5):27-32,36.17 蔺增琪,郭烨,李文仲,等.汽车整车制造企业制造过程碳中和实施路径研究J.中国汽车,2022(7):24-26,52.18 么丽欣,刘 斌,马乃锋.纯电动乘用车碳排放量关键影响因子相关性分析J.汽车文摘,2021(11):7-11.19 王磊.纯电动汽车动力电池全生命周期 CO2,PM2.5,SO2和 NOx排放评价D.北京:北京理工大学,2021:1-71.20 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