动力锂电池vs燃油系统，到底谁更环保？

不可否认,新能源汽车替代燃油汽车是大势所趋,但这是在汽车全生命周期低能耗、少污染的前提下,若一味死磕新能源汽车本身,而忽视其上下游及相关产业的发展和完善,便违背了新能源汽车节能减排的初衷。

文︱郭紫文

图︱网络

近年来,节能减排的呼声越来越高,全球"碳中和"进程不断加速。在国家政策支撑下,新能源汽车,尤其是电动汽车迎来了发展热潮,造车大军蜂拥而至,市场发展前景广阔。根据TrendForce集邦咨询报告显示,预计2021年全球新能源汽车的销售量将达到435万辆,年上升率49%。而根据中汽协数据显示,截至2021年五月底,我国新能源汽车保有量约580万辆,约占全球新能源汽车总量的50%。

前段时间,大众董事会成员KlausZellmer在接受采访时透露,大众将在2033年至2035年间在欧洲停售燃油汽车,随后这一计划将在美国和我国实行。此前,福特、通用、奥迪、本田等车企也纷纷宣布停售燃油车的计划。比亚迪董事长兼总裁王传福表示,结合国内外环境及资源来看,新能源汽车替代燃油汽车的大势已定。

无论是新能源汽车的发展,还是燃油汽车停售,其初衷都是解决能源紧缺和环境污染等问题,实现"碳中和"目标。在使用过程中,和传统燃油汽车相比,新能源汽车的确在能耗和二氧化碳的排放量方面占据优势。然而,从新能源汽车全生命周期来看,其三电系统之一的动力锂电池,在生产制造和回收环节均存在能耗和污染问题。假如新能源汽车所谓的零排放、零污染仅限于使用阶段,那么新能源电动汽车真的比燃油汽车更加环保吗?

排放转移和电池生产量耗

较之燃油汽车,新能源电动汽车在行驶过程中没有尾气排放,其动力来源于动力锂电池储存的电能。在汽车行驶过程中,新能源汽车号称"零排放",这里面其实存在一个很大的问题。

根据我国电力公司联合会规划发展部公布的《2020年全国电力工业统计快报》数据显示,我国电力结构中,火电占比最大,高达68%。火电重要以煤炭作为燃料,在发电过程中消耗了大量的煤炭资源,并出现大量环境污染物。终端用户每使用1kWh电能,火力发电厂就要排放0．86kg的二氧化碳。由此看来,新能源汽车在使用过程中,并非真正意义上实现了零排放,而是将污染排放因素转移到了发电过程中。

数据来源:我国电力公司联合会规划发展部《2020年全国电力工业统计快报一览表》

在节能减排趋势下,全世界都在积极寻求清洁能源代替化石燃料,新能源汽车成为实现碳中和的重要驱动力。然而,动力锂电池从材料提取到生产完成都存在一定的能耗和污染。以锂电池为例,锂的开采重要分为两种,一种是从岩石中开采,再使用化学制品提取;另一种则是从盐沼中提取。年产锂量最高的澳洲属于前者,而锂储量最高的智利则通过后者开采。

锂开采过程要使用大量水资源,严重破坏生态系统,而其出现的有毒化学元素则存在泄露风险。智利大学锂电池专家吉列尔莫·冈萨雷斯(GuillermoGonzalez)曾在采访中表示,开采锂是侵入性的,这根本不是一个绿色的解决方法。好在锂在动力锂电池生产中使用比例不大,但使用量最多的镍和钴在其提取过程中出现的不利影响则比锂更甚。

从动力锂电池生产制造过程来看,锂电池重要包括电池材料生产、匀浆、涂布、烘干、分切、电芯卷绕、电池装配、注液和化成等步骤。美国阿贡实验室研究结果显示,动力锂电池原料获取和制造过程总能耗205MJ/kg。据美国凯斯西储大学的ChrisYuan对24kWh锂电池组生产量耗分析数据显示,锂离子单体电池采用锰酸锂正极和石墨负极,其中电池材料生产量耗为29．9GJ,电池生产阶段能耗为58．7GJ,而电池组装阶段能耗0．3GJ。

锰酸钾电池生产量耗

和之相对,燃油汽车动力系统的生产制造重要考虑发动机的铸造和机加工。发动机重要零部件的生产量耗约417．63kWh。比较可知,在动力系统生产制造阶段,动力锂电池的能耗要比发动机能耗大得多。

发动机重要零部件生产制造能耗

电池回收和可行性

业内数据显示,2020年我国动力锂电池累计退役量达到20万吨,预计到2025年退役量将攀升至78万吨。新能源汽车动力锂电池退役数量呈现逐年上升的态势,而其回收利用体系却尚未完善。废旧动力锂电池实际流入正轨渠道的数量不足10%,更多的电池流入灰色产业链,甚至不知去向,隐藏着巨大的安全隐患。

按照国家标准,动力锂电池容量低于80%即可退役回收,这就意味着电池在退役时,仍然拥有很大的剩余价值。通过梯次利用和再生利用,提高了资源利用率,防止了稀缺资源的浪费。然而,电池回收市场乱象丛生,处理不当的电池极易发生泄露、爆炸、自燃,严重危害环境和人身安全,还浪费了大量的资源。

除去流入非正规市场的电池,动力锂电池回收阶段出现的能耗,重要集中在对稀缺金属材料的回收上。电池材料的回收重要包括火法冶金和湿法冶金等方式,火法冶金适合大规模处理复杂电池组,但燃烧必然会出现废气污染,处理成本较高;湿法冶金技术工艺上相对复杂,但关于金属的回收率较高。我国的动力锂电池回收工艺还处于探索阶段,技术水平仍有待提高。

由于动力锂电池规格不一,缺乏统一标准,废旧电池的状态无法追踪,极大新增了回收难度和回收成本,也让动力锂电池回收利用的可行性遭遇瓶颈。相比之下,燃油汽车动力系统的回收、拆解、材料再生等过程相对简单,且已经拥有一套成熟的工艺和市场体系。

此外,退役电池的残余容量难以估计,要通过标准测试获取,成本新增的同时拉长了处理周期,也耗费了大量的人力物力,新增了能源消耗。另一方面,由于消费者回收意识薄弱,回收网络尚未完全覆盖,随意丢弃的废旧电池不计其数。公司终归要自负盈亏,金属价格的波动、技术和产量周期也会影响材料回收的效益,对动力锂电池市场的发展有一定掣肘。

以锂电池为例,锂电池由正极、负极、电解液、隔膜、集流体和外壳等部分组成,在回收利用的时候要拆解成不同部分分别处理。而市面上的锂电池由多种化学结构和规格工艺,单是拆解就面对大量难题。此外,锂电池的拆解还会涉及到重金属、有机电解液等,工艺技术复杂多样,形成完整全面的回收体系成本太大,短时间内很难实现。

由此可以看出,当前阶段,多种因素共同约束,动力锂电池的回收市场仍然处于发展的初级阶段,对动力锂电池回收利用的可行性仍有待提升。

新能源汽车的环保意义

长期以来,新能源汽车似乎被打上了"零排放"、"零污染"的烙印,成为驱动"碳中和"的真理。综合上述,虽然新能源电动汽车在行驶阶段出现的污染低到可以忽略,但在其全生命周期的能耗和污染,似乎和燃油车不相上下。动力锂电池的生产制造、回收利用的情况也对新能源汽车的环保意义影响颇深。

不可否认,新能源汽车替代燃油汽车是大势所趋,但这是在汽车全生命周期低能耗、少污染的前提下,若一味死磕新能源汽车本身,而忽视其上下游及相关产业的发展和完善,便违背了新能源汽车节能减排的初衷。

尤其是在动力锂电池尚不能达到全生命周期的零排放零污染的前提下,新能源电动汽车的发展还有意义吗?答案当然是肯定的,推进碳中和是全球发展的必然趋势,因此,如何真正实现动力锂电池全生命周期低能耗,少污染仍要进一步布局,推进电池完整周期的工艺、技术走向成熟是汽车产业发展的必然。

关于动力锂电池的回收利用,无论先行的政策、回收标准,还是技术水平都远远达不到要求,这也导致当今电池回收的污染比燃油汽车还大。这也是新能源汽车遭到质疑的一个方面。另一方面则来源于动力锂电池生产阶段的排放转移。

针对这两点质疑,更意味着发展新能源汽车的必要性。一旦汽车流入市场,进入消费者群体中,关于汽车排放的管理难度将会成倍新增。燃油汽车的尾气排放离散不可控,假如将离散的排放转移至集中可控的发电厂,将超出人力控制的污染源通过量化集中管控,继而优化发电结构,提高非化石能源的使用率,则可以有效节约成本,减少污染。

而关于动力锂电池的回收利用,别无他法,终归还是要国家、公司、消费者三方密切合作,建立完善的动力锂电池回收利用产业链,实现电池剩余价值的利益最大化。任何一个产业的发展都要经历从质疑到成熟的过程,新能源汽车市场的未来仍然大有可为。