新能源汽車車載動力電池碳中和潛力分析

常澤宇， 王 磊， 黃 凱， 劉 磊， 郁亞娟,4

(1.北京理工大學材料學院， 北京 100081； 2.北京林業大學環境科學與工程學院， 北京 100083；3.戴爾豪斯大學， 哈利法克斯 B3H4R2； 4.北京理工大學重慶創新中心， 重慶 401120）

0 引言

為解決道路交通溫室氣體排放問題， 中國在2009 年啟動了新能源汽車試點計劃[1]。 在2014 年到2018 年期間， 電動汽車以每年42 萬輛的速度增加并且依舊處于快速增長階段[2-3]。 相較于傳統內燃機燃油車（internal combustion engine vehicles, ICEV），電動汽車（blade electric vehicles, BEV）以動力電池為核心，具有道路“零排放”的優勢，能大量減少汽車道路行駛過程中CO2的排放[4-5]。

生命周期評價（life cycle assessment, LCA）是一種評價產品、工藝或服務從原材料采集到產品生產、運輸、使用及最終處置整個生命周期階段（從搖籃到墳墓）的能源消耗及環境影響的方法[6-8]。生命周期評價包括確定目的和范圍、清單分析、影響評估和結果解釋四個具體實施步驟。通過LCA 報告可以對產品生產過程中的高污染環節提出改善意見， 或者對產品在某一領域的高污染做出預警。

在這項研究中， 首先確定了以市場上主流的磷酸鐵鋰（LFP）動力電池和三元鋰（NMC）動力電池包為研究對象， 通過數據收集整理出不同整備質量下BEV 效率參數和相應整備質量下的ICEV 耗油對應數據。 基于Simapro 軟件對京津冀地區電動汽車CO2排放進行全生命周期評價，并與傳統燃油汽車對比，判斷推廣使用BEV 的碳中和潛力[9]。 為了方便結果的比較， 本研究使用同一LCA 體系來量化傳統燃油車和電動汽車全生命周期CO2排放。

1 研究方法

BEV 和ICEV 的環境影響差別主要來自于動力電池全生命周期的環境負荷和能源循環環境負荷。本研究基于LCA 方法，以市面上主流的LFP 動力電池和NMC 動力電池為研究對象，分別歸納總結了生產階段、使用階段和回收階段BEV 動力電池的CO2排放水平。其中使用階段以京津冀區域推廣BEV 的現實情形為例， 將量化的CO2排放水平與ICEV 使用汽油的排放水平做出比較。

本研究在專業的環境評價軟件Simapro 中建模并進行影響評估。 基于Simapro 數據庫中的LCA 體系（Selected LCI results V1.04）計算下的CO2排放系數，各個結果在同一體系下計算得出，排除了因方法體系選擇不同造成的差異性。 另外也可以對生產和回收過程中的物質流清單在統一衡量尺度下進行計算，便于后續的統一加和分析。

生產階段BEV 和ICEV 的主要環境負荷差異來自于BEV 中動力電池的生產，2 者車身的原材料投入本研究中默認一樣且環境影響一樣。 所以生產階段僅僅對LFP 和NMC 動力電池生產過程中的CO2做了量化計算，功能單位為1 kg，具體清單見表1 和表2。 其中LFP 動力電池清單來自MAJEAU[10]，NMC 動力電池清單來自于COX[11]。

表1 LFP 動力電池清單

表2 NMC 動力電池清單

使用階段中，以Well-to-Wheel（WTW）法，即WTT (well to tank, 油井到油箱的CO2排放) 和TTW（tank to wheels, 過程中的CO2排放） 對汽油能源生命周期進行區分， 其中ICEV 的排放主要在道路行駛階段，BEV 行駛過程中主要依靠電力消耗。 考慮到電力排放的轉移， 本研究收集了2010 年至2017年華北地區的電網數據， 相關電網數據來源于國家統計局的統計。此外，當地的電力生產排放系數的水平同樣影響BEV 使用過程環境影響，排放系數客觀反映了當地電力生產的清潔度，對量化BEV 行駛過程中的上游污染排放有著重要作用。 Selected LCI results V1.04 體系下的相關排放系數見表3。

表3 電力生產CO2 排放系數

目前國內動力電池的回收產業相對還不完善，因此本研究使用的數據基于大量文獻調研， 結合生產過程中量化影響較大的特征材料， 選擇了適合本研究的回收清單，回收清單包括原材料、能源和回收物質3 個部分，并且按功能單位進行換算。本研究使用的LFP 回收清單來自于王琢璞[12]，該LFP 回收技術包含了傳統濕法技術和全組分“物理法” 回收技術，相關參數見表4。

表4 LFP 動力電池回收清單

本研究使用的NMC 回收清單來自謝英豪等[13]的廢舊動力電池定向循環工藝流程， 該法結合了傳統濕法和火法的優勢并改進了各自的不足， 相關參數見表5。

表5 NMC 動力電池回收清單

2 BEV 動力電池全生命周期碳足跡

生命周期評價方法一般用于評價某一確定產品或者規模化的產業鏈，在電動汽車產業中，由于不同車型、不同技術之間的差別，動力電池的整備質量會因為其滿足的功能不同而產生差異[14]。 因為大部分車型的單次行駛里程集中在300～400 km， 因此本研究以單次續航里程350 km， 放電深度（DOD）80%計算。

BEV 不同動力電池全生命周期CO2排放分布情況見圖1。由圖1 可知，LFP 和NMC 動力電池在生產過程中的碳足跡相差不大， 全生命周期內的CO2排放LFP 動力電池略高于NMC 動力電池。由圖1（a）可知，在BEV 動力電池全生命周期內，LFP 動力電池和NMC 動力電池的CO2排放量分別達到49 495.04和46 759.09 kg。由圖1（b）和圖1（c）可知，使用階段的CO2排放占到了2 類動力電池全生命周期排放的大部分，LFP 動力電池使用階段CO2排放占比達到了69.05%， 而NMC 動力電池使用階段的CO2排放量達到了73.09%。 要降低電動汽車全生命周期CO2的排放水平，必須要改善提高電力清潔度。 BEV 電池使用階段，主要消耗電能，因此電力結構依然決定著電動汽車行駛階段CO2排放。 生產階段NMC 和LFP 動力電池的CO2排放量分別占到各自全生命周期的23.63%和19.35%。 回收階段LFP 動力電池CO2排放占7.32%，NMC 動力電池占7.56%。 LFP 和NMC 動力電池生產和回收階段的CO2排放共計分別占到各自全生命周期的30.95%和26.91%。 由此可見通過提高電力清潔度使BEV 使用階段的CO2排放降低的潛力十分巨大[15-17]。京津冀地區電力生產的CO2排放因子始終在1 kg/（kW·h） 左右波動，遠高于歐盟等地的電力排放系數， 因此改善電力條件對未來我國實現碳中和有重要的意義。

圖1 BEV 動力電池全生命周期CO2 排放

3 電動汽車碳中和潛力分析

3.1 電動汽車與傳統燃油車全生命周期排放比較

BEV 的碳中和潛力主要取決于電池包的生產和使用的電力清潔度[18]，并且需要展現出相較于ICEV的低排優勢。 因此本研究對二者的比較主要是進行動力電池全生命周期和汽油全生命周期的CO2排放進行比較， 對于車身材料的全生命周期排放默認二者一樣。受到當地的電力生產條件的制約，京津冀不同區域BEV 行駛過程中的CO2排放與相應的汽油全生命周期排放比較結果并不一致[19]。 因此，我們分別計算京津冀不同地區的CO2排放， 并求平均值。BEV 動力電池生產和回收階段的排放主要受到能源投入和原材料開采消耗的影響， 而重要的使用階段則主要受到電力清潔度的影響。 為了增加對比可信度，我們考慮了上游排放轉移的可能，比較BEV動力電池和ICEV 燃油的全生命周期CO2排放。

基于國家統計局統計的電網數據中2010 年至2017 年整個華北區域的電力輸入輸出結果，總結出了京津冀地區電力使用消耗分布，見表6。 因為精確數字的保留問題， 可能存在分布比例和不為1 的情況，實際計算過程中采用原精確數值進行計算。

表6 京津冀地區電力使用分布

京津冀地區BEV 與ICEV 全生命周期CO2排放情況見圖2。 由圖2 可知， 在京津冀區域，LFPbased 電動汽車、NMC-based 電動汽車和ICEV 全生命周期的CO2排放量分別為46 738.53，45 351.99，37 879.81 kg。BEV 在CO2排放上并沒有產生明顯的優勢，這主要是由于在生產、使用和回收階段中電力的投入使用會有較大的排放貢獻比例。 特別是BEV行駛過程中， 因為京津冀地區使用的電力清潔度并不高，盡管使用過程中BEV 可以在CO2百公里排放上低于相應的ICEV， 但是在行駛里程下能否彌補BEV 動力電池生產和回收階段產生的CO2排放尚且存疑。可能的原因一是BEV 的行駛里程不夠造成全生命周期內CO2減排效果不理想[20]。 二是本研究考慮了上游排放轉移的可能性， 京津冀地區使用的電能并不完全來自于本地區， 電力負擔從清潔電力能源結構轉移到相對不清潔的電力能源結構中[21]，間接加大了CO2的排放水平。

圖2 京津冀地區BEV 與ICEV 全生命周期CO2 排放量

3.2 碳中和潛力分析

由上述研究可知， 電力清潔程度對于CO2排放和碳中和潛力具有關鍵的影響。從這個角度出發，我們收集了全球各個地區的電力排放系數[22]，對CO2排放和碳中和潛力進行對比，見表7。

表7 不同國家/地區的電力排放系數

全球各個地區CO2排放和碳中和潛力對比見圖3。

圖3 全球各地區CO2 排放和碳中和潛力對比

由圖3（a）可知，如果BEV 使用的所有電能均來自于京津冀地區，即不考慮上游排放轉移，在CO2排放上BEV 對比ICEV 有一定水平的減少。 而若是采用全國平均的電力排放系數， 則可以觀察到很明顯的CO2減排效果。 這說明在我國推廣使用BEV，對實現CO2減排具有明顯的效果， 對于我國實現碳中和可以提供可觀的積極影響。 而隨著我國電力清潔水平的提升，可以預見，在達到全球平均水平，甚至歐美及其他發達國家的水平時， 將產生更為明顯的CO2減排。 由圖3（b）可知，京津冀地區乃至全國，使用電動汽車具有十分巨大的碳中和潛力。 隨著電力清潔程度的提高，BEV 的推廣使用為我國CO2減排和碳中和事業將起到很大的助力作用。

4 結論與展望

對于電動汽車LFP 和NMC 動力電池全生命周期的CO2排放，LFP 動力電池和NMC 動力電池使用階段CO2排放占比分別達到了69.05%和73.09%。在生產階段，NMC 和LFP 動力電池的生產排放CO2占到了分別占到各自全生命周期的23.63%和19.35%。而回收階段的CO2排放，2 種動力電池回收階段的CO2排放分別僅占到7.32%和7.56%。 說明生產和回收過程中的電力輸入以及使用過程中電力的消耗依然是BEV 動力電池全生命周期的CO2排放主要貢獻來源， 提高電力清潔度可以更加明顯的突顯出電動汽車低排放優勢。

通過對本研究中選擇的BEV 動力電池和相應整備質量下燃油車汽油消耗的全生命周期排放對比， 傳統燃油車、LFP-based 電動汽車、NMC-based電動汽車的全生命周期CO2排放分別為37 879.81,46 738.53,45 351.99 kg。 在京津冀地區BEV 動力電池在CO2排放上實現減排具有有限的優勢。 而在全國平均水平下， 因為電力清潔度的改善可以實現BEV 的CO2減排。 隨著我國環保事業的發展，未來我國電力清潔程度必然會得到提升， 與全球其他國家對比的結果說明，隨著電力清潔度的改善BEV 的推廣使用具有巨大的碳中和潛力。