基于節能評審階段鋰電池生產項目能源消費和碳排放研究

曾 鳴

（廣州匯錦能效科技有限公司， 廣東 廣州 510660）

0 引言

我國承諾二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值、努力爭取2060 年前實現碳中和[1]。實現碳達峰、碳中和的關鍵任務是實施可再生能源替代行動、大幅提升新能源在能源結構中的比重、構建以新能源為主體的新型電力系統[2]。鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動新能源產業發展的壓艙石，是支撐新能源在電力、交通、工業、通信、建筑、軍事等領域廣泛應用的重要基礎，也是實現碳達峰、碳中和目標的關鍵支撐之一。通過統計分析各地電池生產企業節能審查意見批復的年綜合能源消費量，產能20 GW·h 以上的項目年綜合能源消費量都達到14 萬t 標準煤（當量值）以上，能源消費量和碳排放量越來越大。

1 節能評審階段研究能源消費的意義

《固定資產投資項目節能審查辦法》（中華人民共和國國家發展和改革委員會令第2 號，以下簡稱“2號令”）規定‘企業投資項目，建設單位需在開工建設前取得節能審查機關出具的節能審查意見’。固定資產投資項目節能審查是提高新上項目能源利用效率、從源頭減少能源浪費的一項重要制度，節能審查意見是項目開工建設、竣工驗收和運營管理的重要依據。

鋰電池生產項目在開工建設前需要進行節能評估。根據《固定資產投資項目節能審查系列工作指南》（2018 年本），在編寫節能報告時，應對項目綜合能耗進行核算，要求計算方法、計算過程清晰、準確，計算所引用的基礎數據應有明確的來源或核算過程[3]。節能評審階段對項目能源消費量核算的準確與否，將直接影響到項目能效水平和能源消費對所在地能源消費增量及完成能耗強度降低目標影響的分析評價，為此需要準確核算項目能源消費量[4]。

2 鋰電池生產工藝及主要耗能系統

鋰電池廠的能耗主要分為兩部分，即鋰電池原材料生產能耗及鋰電池生產過程中的能耗[5]。本文研究分析鋰電池生產過程中的能耗及碳排放。

鋰離子電池生產主要工序包括正負極混料、涂布、碾壓、干燥、裁切、卷繞或疊片、封裝、注液、化成、檢測、出貨等，經查詢國內外相關行業資料，其生產工藝流程均一致。在生產工藝流程基本一致的情況下，各種鋰離子電池企業生產產品的不同在于其在各個工序參數設定的不同，就反映到電池技術的異同。鋰離子電池生產主要工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 鋰離子電池生產工藝流程

鋰離子電池生產工廠主要耗能系統包括兩大類，一類是生產設備系統，另一類是為保證生產正常、穩定運行并生產出合格產品而配套的公用工程動力系統和輔助生產系統，主要包括供配電系統、壓縮空氣系統、給排水系統、空調通風系統、熱力系統、照明系統、運輸系統等。

鋰離子電池工廠生產設備系統以耗電為主，部分工序耗熱。目前國內各鋰電龍頭企業的生產工藝中主要存在供熱方式差異，其中電芯裝配后的真空干燥均采用電加熱，轉輪除濕加熱有電加熱和蒸汽加熱方式，涂布干燥有電加熱和導熱油加熱方式。從經濟性上考慮，大部分鋰離子電池生產項目采用燃氣式導熱油鍋爐為涂布工序進行供熱。因此，除了用電以外，鋰離子電池工廠還都需要消耗一定量的天然氣。

3 鋰電池生產能源消費及碳排放計算

以年產25 GWh 鋰離子電池生產項目為例，計算節能評審階段鋰電池生產項目的綜合能源消費量及碳排放量。

3.1 用電設備能源消費

基于項目設計產能對應的生產設備數量和功率統計，生產設備的年電力消耗量一般采用需要系數法進行核算。

根據《工業與民用配電設計手冊》（第四版，以下簡稱“手冊”），計算工業用電設備系統年電能消耗量公式為：

式中：Wy為年有功電能消耗量，kWh；Pc為有功計算功率，kW；αav為年平均有功負荷系數；T 為年工作小時數，h。

其中：

式中：Pe為設備額定功率，kW；Kd為工業用電設備需要系數。

結合式（1）和（2）可得：

項目生產設備需要系數Kd取值根據手冊“表1.4-1”中相應設備的需要系數取值，平均有功負荷系數αav按手冊“表1.9-1”對應的行業參考取值，工作小時數依據項目工作制取相應的年工作時間，設備額定功率Pe按核實確認后的設備參數取值。已知以上數據后就可按照式（3）計算對應設備的年耗電量。

表1 節能分析前項目能源消費情況

由以上各參數取值可以看出，在用電設備已定、年工作時間已定的情況下對年耗電量影響較大的參數是設備的需要系數和年平均有功負荷系數取值。對鋰離子電池生產項目而言，年平均有功負荷系數在手冊“表1.9-1”中無法找到對應的細分行業，結合項目性質，參考化工和機械制造行業對應的年平均有功負荷系數，選用0.7 作為鋰離子電池生產設備的年平均有功負荷系數。需要注意的是各類生產設備的需要系數是不同的，要依據不同設備的性質依據手冊“表1.4-1”確認需要系數。

公用工程及輔助生產系統年耗電量的計算相對明確，該系統以水泵通用設備為主，在手冊“表1.4-1”中都可找到相應的需要系數。此部分需要注意的是此類設備應與生產系統匹配，也就是說應該滿足生產，這與對應系統的設備選型相關。另外供配電系統的損耗也應得到準確的計算。

按上述分析結果計算該項目耗電設備的年耗電量70 489.96 萬kW·h，耗電量最大的工序依次分別為化成占22.57%、干燥占13.11%、切疊占6.00%、定容占5.36%以及合漿和涂布，整個工廠來說輔助系統的空調系統耗電量也較大。因此，節能潛力挖掘的重點應該為以上幾個系統。

3.2 用天然氣設備能源消費

3.2.1 蒸汽鍋爐耗天然氣量計算

項目鍋爐房設置10 臺（9 用1 備）15 t/h 的燃氣鍋爐用于生產項目所需的蒸汽，蒸汽指標為1.25 MPa、194℃飽和蒸汽，單臺蒸汽鍋爐額定出力下消耗天然氣為1 250 Nm3/h。

由于項目生產車間及庫房對溫濕度要求較高，一年四季皆需要采用輪轉除濕措施。夏季氣溫較高，相對濕度相對較低，轉輪除濕系統僅需部分開啟；而過渡季節空氣濕度較大，通常需要全天候開啟輪轉除濕系統。因此，項目極端情況下，需要開啟9 臺鍋爐用于制備蒸汽采暖除濕，夏季開啟2 臺蒸汽鍋爐制備蒸汽進行除濕。

過渡季節天然氣消耗量=1 250 Nm3/h×9×75 d×24 h/d×0.8×0.7/10 000=1 134 萬Nm3。

夏季天然氣消耗量=1 250 Nm3/h×2×75 d×24 h/d×0.8×0.7/10 000=252 萬Nm3。

日常天然氣消耗量=1 250 Nm3/h×5×170 d×24 h/d×0.8×0.7/10 000=1 428 萬Nm3。

合計全年蒸汽鍋爐年天然氣消耗量=1 134+252+1 428=2 814 萬Nm3。

3.2.2 導熱油鍋爐耗天然氣量計算

項目設置10 臺（9 用1 備）燃氣型導熱油鍋爐，將導熱油加熱到250 ℃左右。導熱油爐額定熱功率1 200 萬大卡，天然氣額定消耗量1 450 Nm3/h。項目導熱油主要由油泵輸送到生產區域用于正極與負極涂布工序，當涂布機全負荷啟動后，后續只需補熱即可，熱量只需最大負荷的40%，綜合考慮管道損耗及導熱油鍋爐效率等因素，生產線需要系數取0.45，按照鍋爐平均負荷系數0.62 計算。

項目導熱油鍋爐用氣=1 450 Nm3/h×9×7 200 h×0.45×0.62/10 000=2 621.5 萬Nm3。

3.2.3 食堂耗天然氣量計算

根據《全國民用建筑工程設計技術措施——暖通空調·動力》“附錄D”要求，取職工食堂用氣指標2 000 MJ/人年，食堂年總用氣量計算為35.17 萬Nm3。

則項目年天然氣用量=2 814+2 621.5+35.17=5 470.67 萬Nm3。

3.3 項目年能源消費量和碳排放量計算

依據《綜合能耗計算通則》（GB/T2589-2020），電力（當量值）折標系數為0.1 229 kgce/kW·h，天然氣折標系數為1.214 3 kgce/m3（來源于燃氣公司提供低位熱值35 587.5 kJ/m3計算[6]），匯總計算該項目的年能源消費量見表1。

本文針對2 號令的要求，結合《廣東省企業（單位）二氧化碳排放信息報告指南》（2023 年修訂）的方法核算該鋰離子電池項目的碳排放量及相關指標，具體如下：

本文采用“排放因子法[7]”作為該項目的二氧化碳排放計算方法，計算方式：

式中：EA為企業（單位）二氧化碳排放量，單位為t（t-CO2）；DA為二氧化碳排放活動數據，t；FE為排放因子。

依據式（4）計算該項目二氧化碳排放量如下：

項目直接二氧化碳排放量Ed=項目年天然氣用量×天然氣排放因子=5 470.67 萬Nm3×35 587.5 kJ/m3×56.10 g-CO2/MJ=109 219.7 t-CO2

項目間接二氧化碳排放量Eind=項目年外購電力量×電力排放因子=70 489.96×104kW·h×6.379 t-CO2/104kW·h=449 655.45 t-CO2

項目的二氧化碳排放總量計算為：

4 基于能源消費分析的節能分析和計算

4.1 涂布工序余熱回收

負極涂布機絕大部分電能被轉化為空氣的熱能，該熱能最終被排至室外，采用新風通過熱交換器回收排風的熱量，約可回收排風的45%熱能。項目有3 條負極涂布產線，每條產線排風量118 800 m3/h，處理系統6 套：設備包含風機6 套，每套風量59 400 m3/h，空氣熱交換器6 套，換熱效率＞65%。負極烘箱排出空氣干球溫度80 ℃，室外新風全年平均干球溫度20 ℃，經過65%換熱效率的空氣熱交換器后，新風空氣變成干球溫度59 ℃。全部359 400 m3/h 排氣，等于節省了從20 ℃到59 ℃的加熱量，相當于節省了1 458 kW的加熱量。全年按照7 200 h，平均生產負載0.7 計算，節省電能734.8 萬kW·h。

4.2 高溫浸潤與化成除濕機

由于項目除濕機受轉輪材料的限制，除濕機先通過中表冷將回風溫度由45 ℃降低到15 ℃左右，除濕后，再通過后加熱將溫度由15 ℃提升到50 ℃左右送入車間，極大浪費能源。采用回風通過中表冷只需要溫度從45 ℃降低到40 ℃左右。對于50 000 風量的機型，中表冷制冷量可減少435 kW（原方案設備需求制冷1 100 kW)，同時后加熱減少440 kW(原方案設備后加熱需求710 kW）制熱量，整體節能率將近60%。項目除濕機組年用電量1 674.7 萬kW·h，采用回風通過中表冷年節電量為1 674.7×（1/0.4-1）=837.3 萬kW·h。

4.3 定容工序充放電回饋

項目生產在定容工序時，電池在分容柜內進行多次充放電測試，多次充放電老化后可提高產品穩定性和可靠性，再對電池的容量進行分選。項目充電過程中純充入電量為系統同期輸入電量的65%，同期回饋電網總能量為電池放電能量的55%。

項目可回收電量=1×65%×55%=35.75%。

項目定容總用電量為5 881.9 萬kW·h。

項目回收電量=5 881.9×35.75/100=2 102.8 萬kW·h。

4.4 空壓機系統余熱利用

空壓機運行大部分能耗是轉化為熱能，其中85%的熱量為可利用熱量，對氣冷卻器13%的熱量和油冷卻器72%的熱量進行收集。空壓機運行大部分能耗是轉化為熱能，其中80%的熱量為可利用熱量，按照35%的回收效率對熱量進行收集。項目空壓機全年用電量3 480.6 萬kW·h，若熱量全部回收，則年可節約熱量折算為電量為3 480.6×0.8×0.35=974.6 萬kW·h，折算為熱量為974.6×3.6×10000=35 084 689.9 MJ，按照空氣源熱水器效率2.5 計算，年節電量約389.8 萬kW·h。

4.5 高效制冷站及變頻調速

項目制冷站房系統包含：制冷主機、冷凍冷卻水泵及冷卻塔設備、末端設備。項目制冷站房增設節能控制方案，在主機、水泵及冷卻塔進出口管道上增加能耗采集裝置、自適應節流儀、傳感器及智能控制系統和變頻調速裝置，根據末端使用情況，實時改變冷凍、冷卻水流量、主機運行功率，從而達到節能降耗的目的，從而提高制冷站房整體的COP，綜合節能率大于15%。空壓機采用變頻調速控制，空壓站根據儲氣罐壓力實時調整空壓機運行功率，從而達到節能降耗的目的。

變頻調速措施的節能效果可達到1 629.7 萬kW·h。

4.6 分布式光伏建設

項目廠房屋面可設置10 MW 太陽能光伏發電系統。

分布式光伏發電量計算公式=裝機容量×峰值日照時數×系統效率。

按項目所在地峰值日照時數3.87，10 MW 太陽能光伏發電系統年均發電量約為1 000 萬kW·h。

綜上所述，節能措施的節電量合計為6 694.5 萬千瓦時，折標煤量為8 227.5 t 標準煤，年減排CO2為42 704.09 t。

5 節能分析后鋰離子電池生產項目能效指標分析

節能分析后，該鋰離子電池生產項目能源消費為：電63 795.46 萬kW·h，天然氣5 470.67 萬m3，合計折標煤當量值為144 834.97 t 標準煤。

項目的二氧化碳排放總量計算為：

則，項目主要能效指標計算如下：

5.1 單位產品綜合能耗

項目年綜合能源消費當量值標煤144 834.97 t，生產三元鋰電池25GW·h，項目三元鋰電池電壓3.67V，則三元鋰電池25 GW·h 產能換算為總產能681 198.91萬Ah。

單位產品綜合能耗為144 834.97 tce×1 000÷681 198.91=222.62 kgce/萬Ah。

5.2 單位產品碳排放量

單位產品碳排放量=516 171.03 t-CO2÷681 198.91萬Ah=757.7 kg-CO2/萬Ah

依據節能分析后的指標計算結果，分析如下：

本項目單位產品綜合能耗為222.62 kgce/萬Ah（5.79 kgce/kW·h），符合《鋰離子電池行業規范條件（2021 年本）》（工信部公告2021 年第37 號）中規定的“鋰離子電池企業綜合能耗應≤400 kgce/萬Ah”的要求，優于《電池行業清潔生產評價指標體系》鋰電池生產單位產品綜合能耗Ⅰ級，項目產品能效水平屬于國內先進水平。

6 結語

本文以典型鋰離子電池生產項目節能審查階段的能耗和碳排放計算為研究對象，介紹了典型鋰離子電池生產項目生產工藝和主要耗能系統，并以該鋰離子電池生產項目為例提出了準確計算同類項目節能審查階段能源消費及碳排放的核算方法及計算公式，規范了項目能源消費及碳排放核算、保證項目節能報告指標的準確性，并依據計算結果指出節能設計的重點和方向，為以后鋰離子電池生產項目節能報告核算及源頭的節能降碳提供了參考和借鑒。