动力电池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,年增长率49%。而根据中汽协数据显示,截至2021年5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Klaus Zellmer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中国实施。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,与传统燃油汽车相比,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电池,在生产制造与回收环节均存在能耗和污染问题。如果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?

排放转移与电池生产能耗

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。

根据中国电力企业联合会规划发展部发布的《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%。火电主要以煤炭作为燃料,在发电过程中消耗了大量的煤炭资源,并产生大量环境污染物。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:中国电力企业联合会规划发展部《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。以锂离子电池为例,锂的开采主要分为两种,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。

锂开采过程需要使用大量水资源,严重破坏生态系统,而其产生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(Guillermo Gonzalez)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案。好在锂在动力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产生的不利影响则比锂更甚。

从动力电池生产制造过程来看,锂离子电池主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Chris Yuan对24kWh锂离子电池组生产能耗分析数据显示,锂离子单体电池采用锰酸锂正极和石墨负极,其中电池材料生产能耗为29．9GJ,电池生产阶段能耗为58．7GJ,而电池组装阶段能耗0．3GJ。

锰酸钾电池生产能耗

与之相对,燃油汽车动力系统的生产制造主要考虑发动机的铸造和机加工。发动机主要零部件的生产能耗约417．63kWh。对比可知,在动力系统生产制造阶段,动力电池的能耗要比发动机能耗大得多。

发动机主要零部件生产制造能耗

电池回收与可行性

业内数据显示,2020年我国动力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。新能源汽车动力电池退役数量呈现逐年增长的态势,而其回收利用体系却尚未完善。废旧动力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,避免了稀缺资源的浪费。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,动力电池回收阶段产生的能耗,主要集中在对稀缺金属材料的回收上。电池材料的回收主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,但燃烧必然会产生废气污染,处理成本较高;湿法冶金技术工艺上相对复杂,但对于金属的回收率较高。我国的动力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,极大增加了回收难度和回收成本,也让动力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,需要通过标准测试获取,成本增加的同时拉长了处理周期,也耗费了大量的人力物力,增加了能源消耗。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。企业终归要自负盈亏,金属价格的波动、技术和产能周期也会影响材料回收的效益,对动力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,在回收利用的时候需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,单是拆解就面临大量难题。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,动力电池的回收市场仍然处于发展的初级阶段,对动力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产生的污染低到可以忽略,但在其全生命周期的能耗和污染,似乎与燃油车不相上下。动力电池的生产制造、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,如何真正实现动力电池全生命周期低能耗,少污染仍需要进一步布局,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。

对于动力电池的回收利用,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,对于汽车排放的管理难度将会成倍增加。燃油汽车的尾气排放离散不可控,如果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。

而对于动力电池的回收利用,别无他法,终归还是要国家、企业、消费者三方密切合作,建立完善的动力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。