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                      中國新能源車十年大發展,從全周期看到底環保效益多大

                      觀察者網發布時間:2022-10-18 11:20:24  作者:石煒

                        隨著整個世界對環保和排放意識的逐漸增強,作為人類碳排放大戶的汽車行業正面臨著百年來的一次大變革——新能源汽車革命正在改變世界汽車產業的現狀和未來。

                        雖然純燃油汽車已經發展了上百年,在一整套涉及到發動機、變速器、油路和散熱等系統方面已經日臻成熟,在產業和消費者當中都形成了面積甚廣的舒適區,但其驅動動力的來源,燃油本身,卻在新世紀的能源變革和環保議題中受到了越來越強的質疑和挑戰。

                        作為高水平生活標志之一的汽車,顯然是不可能被放棄的。如何讓汽車更低碳、更節能,才是產業將來發展的方向。新能源汽車正是在這一大環境之下應運而生。

                        那么,新能源汽車是否真正低碳減排,其對環境的影響和燃油車孰大孰小?這個問題看似只是一個是與否,大與小的問題,但真要弄清楚,還是需要細致的調查和研究的。

                        在討論這個問題之前,我們還是有必要對新能源汽車的現狀做一番梳理。通常而言,新能源汽車是指以更低的碳排放的能源形式驅動的汽車。按照現在世界上已經實現商用的標準來看,主要可以分為氫(或甲醇)燃料電池車(FCV)、純電動汽車(BEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)。此外還有一類是不插電的混合動力汽車(HEV),但這類車往往被歸類為節能汽車,因為其使用過程中還是只能使用傳統化石燃料作為能源。

                        燃料電池汽車FCV占比非常小。2021年全年,氫燃料電池汽車全球銷量僅為16313臺(數據來源:觀研報告網)而同年度電動汽車銷量高達650萬輛。盡管很多觀點認為氫能源才是終極綠色能源,但至少現階段以氫為能源的燃料電池汽車還無法成為氣候。

                        所以,討論是否低碳減排,目前的話題還是以鋰電池驅動的電動汽車,尤其是純電動汽車(BEV)為主。

                        電動汽車,到底是不是真的能減排呢?

                        一、電動汽車使用過程中減排嗎?

                        電動汽車依靠儲存在電池包里的電力提供驅動動力。因此,使用過程是否減排,這個問題相對簡單。只需要計算出電動汽車和燃油汽車各自的能量消耗,以及對應的碳排放就可以了。

                        為了便于計算,這里選取了兩臺代表性的,級別和價格都相近(都是緊湊級SUV)的車型進行對比。

                        能耗數據均為新車NEDC工況下的數據,具備可比性。

                        很多人認為,電動汽車雖然在市區是零排放,但它需要的電,在發電過程中也有碳排放,這個碳排放是無法忽視的。甚至有人認為,發電廠的效率一般只有42%,然后再加上輸配電損失、汽車充放電損失、電機效率損失,真正的效率可能只有30%左右;但很多燃油汽車廠商經常宣布說發動機熱效率可以高達40%以上,說明燃油車排放實際更低。

                        這么認為的人,可能還不在少數。那果真如此嗎?

                        我們首先來計算真實的碳排放。首先假設一種極端情況:假設電動汽車消耗電力100%來自于煤炭。2019年中國煤電碳排放強度是0.838千克/kWh,按照上表的汽車能耗,宋PlusEV的百公里碳排放是11.82千克。

                        通常每升燃油完全燃燒的碳排放是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%煤電,電動汽車碳排放依然顯著更低。

                        實際上,中國電力已經有三成以上是清潔電力。按照2019年數據,中國總發電73266億度,火電只有50465億度,占比為68.9%;剩余的是核電、水電、風電、光伏等,發電過程是零排放的,所以實際上2019年中國每度電的碳排放不會高于0.838×0.689=0.577千克。按這個數據,宋PlusEV百公里碳排放僅為8.14千克,比CR-V的14.72千克要低多了。

                        那為什么會有上面電動汽車碳排放更高的錯覺呢?火電發電效率只有42%左右是事實,但這個42%是實打實的42%,發電工況一直穩定在這個數值。更何況很多電廠是熱電聯產,綜合效率可以達到60%以上。而汽車發動機雖然最高有40%,但這只是理想值。多數工況下,汽車發動機效率都只有20%左右,遠低于最高值。因此,燃油汽車實際能耗和實際碳排放都顯著高于純電動汽車。

                        更何況,電動汽車在人口密集的城市中心行駛過程中不會產生任何碳排放,更不會像燃油汽車那樣產生各類有害尾氣,如NOx、SO2等。而且火力發電過程中的有害氣體是集中收集并處理,且火電廠往往遠離市中心,因此其對人類健康的影響,遠低于各類在市中心不斷排放著有毒的NOx、SO2等尾氣的傳統燃油汽車。

                        而隨著中國綠色電力占比的逐步提升,未來電動汽車的碳排放只會進一步走低,優勢也就更大。

                        二、電動汽車的全壽命碳排放分析

                        這個也是更多人的質疑:就算電動汽車使用過程中碳排放更低,但電池制造的上下游、電池廢棄后的處理,這些都是會產生碳排放的。這些都算上,電動汽車還是減排的嗎?

                        這是一個很好的問題。汽車不只是使用,還有生產和最后的廢棄處理,都是必須考慮到的環節。在學術上,這個就是“全生命周期”的碳排放,也就是涵蓋了所謂的“從搖籃到墳墓”的生命總周期。

                        簡而言之,從鋰礦等礦石的開采冶煉,到電池制造,再到車輛使用,最后到動力電池報廢和回收過程中總的碳足跡,都要考慮到。這種情況下,電動汽車還能比傳統燃油汽車(ICEV)減排嗎?

                        答案依然是肯定的。學界其實對此早有研究。中國標準GB/T24040-2008“環境管理生命周期評價原則與框架”就對生命周期評價(LCA)定義為“對一個產品系統的生命周期中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價”。

                        LCA強調貫穿于從獲取原材料、生產、使用、生命末期的處理、循環和最終處置的產品生命周期的環境因素和潛在的環境影響,如下圖所示。

                        在這種評估思路下,汽車原材料的獲取、制造裝配、運行使用、關鍵部件二次利用直至報廢回收過程中所產生的碳排放都應該考慮在內。


                      汽車生命周期評價主體思路(圖片來源:陳軼嵩等,汽車工程學報,2022,12(4):360-374)

                        根據上述全生命周期評價方法,純電動汽車的全生命周期主要包括了整車制造、使用和報廢回收三個階段。

                        首先在整車制造環節,根據文獻,通常認為純電動汽車BEV的碳排放比傳統燃油汽車ICEV要高約50%,這主要是因為鋰電池制造過程中相比于內燃機有較高的碳排放。但如果將使用環節和最終報廢回收環節考慮在內的全生命周期評價里,幾乎所有的研究都認為BEV碳排放明顯低于ICEV。

                        例如,有國內研究認為,2015年中國BEV的全生命周期碳排放為41噸,比ICEV低18%,且由于中國電力的逐年低碳化,在同一模型研究下,2020年中國BEV的全生命周期碳排放可以降低到34.1噸。最近岳國君院士也指出,生命周期碳排放,純電動汽車是最低的。


                      圖片來源:岳國君(https://www.163.com/dy/article/H109GQ1V05387A5L.html)

                        在巴西,有研究表明,BEV的生命周期碳排放為每公里151g,而ICEV為291g,幾乎是BEV的兩倍。美國的一份研究也表明,ICEV的生命周期碳排放為每公里260g,是BEV的180g的近1.5倍。

                        此外,不同種類的動力鋰電池,如磷酸鐵鋰電池(比亞迪刀片電池為代表)和三元鋰電池(部分特斯拉車型為代表)在生命周期碳排放上也有細微的區別,但通常區分度不大,這里就不詳細討論了。

                        三、動力鋰電池的梯次利用和資源回收

                        汽車的鋰電池隨著不斷充放電循環,以及隨時間的自然壽命折損,其可用容量會不斷降低,當容量降低到設計容量的75%左右時,往往就不再適合作為汽車電池使用,這就要求對鋰電池進行報廢回收。

                        目前對報廢的汽車動力鋰電池,其處理方式通常包括梯次利用和完全報廢回收。因為此時電池還有較大的可利用容量,因此可以用于通訊基站的電池供應、電池儲能系統、光伏儲能輔助系統等。

                        根據研究發現,將退役的磷酸鐵鋰動力電池繼續用于通信基站儲能,相比使用新的電池,可以減少近19%的總環境影響。有學者研究表明,在BEV的退役電池完全回收和完全不回收兩種情況下,前者可以最多減少34%的碳排放。因此,合理使用退役電池,完全可以做到更低碳、更環保。

                        2022年8月,工信部、國家發改委和生態環境部三部門印發《工業領域碳達峰實施方案》,文件提出要加強再生資源循環利用,推動新能源汽車動力電池回收利用體系建設。

                        工信部表示,中國在今年將真正迎來第一波動力鋰電池退役潮。處理好廢舊動力電池事關重大。一方面,廢舊動力電池如不能及時有效處理,電極材料將會給生態環境和人體健康、安全帶來極大隱患。

                        另一方面,動力電池原材料的短缺,也反推著資源再利用。廢鋰離子電池含有5-20%的鈷(Co)、5-10%鎳(Ni)、5–7%鋰(Li)、5–10%其他金屬(銅、鋁、鐵)等,具有極大的再利用價值。

                        工信部副部長辛國斌在今年6月份國新辦發布會上就表示,今年將著眼于滿足動力電池等生產需要,適度加快國內鋰、鎳等資源的開發進度,同時將健全動力電池回收利用體系,支持高效拆解、再生利用等技術攻關,不斷提高回收比率和資源利用效率。

                        而報廢的三元鋰電池甚至成為回收企業眼里的“香餑餑”?!吨袊洜I報》記者就表示,有電池回收商披露,1噸三元鋰電池回收最低價格都在2萬元,最高到過5萬元。

                        在巨大的經濟利益刺激下,鋰電池回收產業得到了迅速發展。不少電池回收企業都迅速擴充回收產能。

                        例如天奇股份表示,至2022年末,其擴產技改項目建成達產后預計將形成年處理5萬噸廢舊鋰電池的能力。與此同時,天奇股份全資子公司贛州天奇循環擬投資3.8億元擴大磷酸鐵鋰電池回收產能,投產后可年處理15萬噸磷酸鐵鋰電池。

                        另一大鋰電池回收企業格林美則表示,2022年將正式完成各類動力電池回收及梯級利用產品的產能釋放,回收量達3萬噸以上,梯級利用電池包出貨量將達2-3GWh,增長100%,電池廢料黑粉制造10000噸以上。動力電池梯級利用全面進入產業化階段。

                        目前,動力電池的回收再利用體系已經在我國初步建立,我國在地市級行政區已建設了1萬多個回收服務網點。各大車企也正在完善電池回收體系。

                        比亞迪作為中國新能源汽車的領導者,最先布局了動力電池回收工作,目前在全國有近40個動力電池回收網點。蔚來汽車與寧德時代等企業合資成立的電池資產公司“蔚能”,總部位于武漢,致力于整個電池生命周期的管理和回收利用。

                        工業和信息化部黨組成員、副部長張云明表示,我國未來將進一步健全回收利用體系,加快制定回收利用管理辦法,加強央地工作聯動,形成協調監管機制,完善動力電池回收利用標準體系,支持智能拆解、材料再生等技術攻關和推廣應用,加快培育一批梯次利用和回收再生的相關企業。

                        四、總結

                        新能源汽車,尤其是代表性的BEV,其使用過程中相比于傳統燃油汽車ICEV的碳排放是顯著更低的。即使是在整個生命周期內,其碳排放依然是低于ICEV。并且,BEV的碳排放會隨著全球電力清潔化和低碳化的發展而進一步降低,這是依賴于化石燃料的ICEV所難以做到的。發展新能源汽車,不僅是中國,更是全球主要國家的共識。

                        新能源汽車以其更低的全生命周期碳排放、更強勁的動力系統、更智能的駕駛體驗等,贏得了越來越多的關注和市場份額。

                        中國新能源汽車產業代表性企業比亞迪汽車在近日成都國際車展期間,發布了品牌紀錄短片并發出了“為地球降溫1℃”的號召,呼吁全社會關注全球變暖的問題。

                        以新能源汽車更低碳、更環保為契機,中國的新能源汽車產業正在引領全球汽車產業的變革。而這次變革,不僅會重塑中國汽車產業格局,也會對全球出行方式產生深遠影響,更會對我們整個世界的環境問題產生積極的影響。(作者:石煒)

                        參考文獻:

                        1.王志紅,董阿山,張遠軍,等.輕型汽油車與純電動汽車碳排放量比較研究.汽車工程學報,2022,12(4):495-505.

                        2.陳軼嵩,蘭利波,郝卓,等.面向碳中和的新能源汽車全生命周期評價研究綜述及趨勢展望.汽車工程學報,2022,12(4):360-374.

                        3.岳國君院士:“雙碳”背景下燃料乙醇走向氫經濟的新機遇.網易網站,https://www.163.com/dy/article/H109GQ1V05387A5L.html

                        4.三部門:推動動力電池回收利用體系建設.汽車之家網站,https://www.autohome.com.cn/news/202208/1256940.html

                        5.國家標準:GB/T24040-2008“環境管理生命周期評價原則與框架”

                        6.掘金千億退役動力電池回收賽道:價格最高5萬元一噸巨頭爭相入局,中國經營報,2022年6月13日第C05版

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