在環(huán)保的大勢下,用電動車取代燃油車是默認的趨勢。于是,隨著各國政府對電動汽車各種政策出臺以及補貼獎勵等支持,全球電動汽車數量得以迅速地增長。對廠商而言,碳中和的背景下,傳遞電動車環(huán)保是一個構建賣點的好方式,而大多消費者選購電動汽車的認知也正是遵循了“環(huán)?！边@一直觀邏輯。
雖然電動車在結構上要比傳統(tǒng)燃油車更簡單,但要打造一款品控出色的電動車,也并非那么容易。事實上,用發(fā)電代替燃油這種簡單的邏輯并不能經得住環(huán)保賬的精打細算,尤其是關于電動車能源環(huán)保的質疑。而如何使用高效、低碳的能源系統(tǒng)保障電動汽車的充電,依然是科學家與各領域企業(yè)共同面對的挑戰(zhàn)。
言過其實的環(huán)保
眾所周知,碳排放已經成為當前一個扭轉全球變暖的核心議題,其執(zhí)行的邏輯是:先制定一個總的碳排放額度,然后分配給各個經濟體,碳排放的總額度某種程度上可以直觀折射一個國家與地區(qū)的工業(yè)化水平和規(guī)模。
在這樣的背景下,汽車產業(yè)無疑其中的重要一環(huán),碳排放限額,就是在倒逼車企向新能源轉型。事實上,自2005年以來,多國都在促進減少重污染車輛,包括以汽油,液化石油氣和柴油為燃料的車輛。這是因為,與其他多方面禁止化石燃料的政策相比,禁止出售以燃料為燃料的車輛的禁令相對簡單明了。
于是,傳統(tǒng)的燃油汽車淘汰趨勢加速,新能源汽車的發(fā)展則在政策的支持下進入發(fā)展快車道。根據天風證券研究報告,2017年以來新能源乘用車滲透率逐步提升至4．35%,純燃油車占比穩(wěn)步下降。2017年1月至2019年10月,純汽油動力的乘用車銷量占比從98．8%下降到了93．8%。
人們寄希望于新能源汽車,希望用石油的消耗,實現“零排放”,但事實證明并非如此。如果從產品的LCA全生命周期的角度去分析,傳統(tǒng)電動汽車在對人體毒性潛勢、酸化潛勢、氣溶膠潛力和光化學污染上一點都不亞于燃油車,并且它的節(jié)能減排的效果也并沒有達到預期。
從汽車生產來看,大部分研究都表明,生產電動車產生的碳排放其實要比燃油車更多。因為需要生產電池,電動車比燃油車在生產工程中的碳排放要多15%到70%。而如果拋開電池的話,生產燃油車和電動車的排放規(guī)模是相當的。
那么,綜合下生產一輛燃油車需要的碳排放,假設生產一輛燃油車需要10噸碳排放,電動車生產30kWh電池需要1-5噸碳排放,100kWh需要6-17．5噸碳排放,取卓越值,也就是生產一輛燃油車需要10噸碳排放,生產一輛30kWh電動車需要15．3噸,而100kWh需要27．5噸碳排放。
從汽車使用來看,根據美國的碳排放數據。一輛燃油皮卡大概每年會排放 6．24 噸的二氧化碳,美國的平均水平是一輛燃油車每年排放 5．2 噸二氧化碳。電動車則更加復雜一些,這取決于電能是怎么來的,和中國一樣,美國同樣依賴火電,電動車每年平均排放 2．02 噸二氧化碳。
實際上,當前,我國火電比例雖然在持續(xù)下滑,但火電仍是※主要的發(fā)電類型。據國家統(tǒng)計局數據顯示,以燃煤發(fā)電為主的火力發(fā)電量,占全國發(fā)電量比例為71．19%。其次,是水力發(fā)電,占比達到16．37%,然后是風力發(fā)電、核能。最后,才是太陽能發(fā)電,比重僅為1．92%。值得一提的是,所謂綠電,通常指利用風能、太陽能等可再生能源轉化成的電能。這些電能才算得上真正的新能源。但顯然,當前,清潔能源電力的使用占比并不高。
也就是說,對于30kWh的電動車來說,只要開過 1．67 年后,電動車就要比燃油車更加環(huán)保了,但如果把測算對象換成 100kWh 電動車,則需要5．5年了。這還是在不考慮電池損耗和回收問題的情況下。
從燃油汽車到電動汽車,從汽車生產到汽車使用,環(huán)保依然停留在設想。
電池回收的難題
實際上,除了面對“排放”問題,電池回收也是新能源汽車需要解決的難題。
考慮到動力電池的平均4-6年的有效壽命以及5-8年的使用年限,結合2014年開始的電動車快速普及,2021年底,我們就已經迎來第一批退役高峰。十到十五年后,數百萬輛電動車更將壽命到期,傳統(tǒng)汽車的鉛酸電池能被廣泛回收利用,但新能源電動車的鋰離子電池回收,卻不是件容易的事。
眾所周知,廢舊電池是一種污染性很強的垃圾。尤其是體積巨大的動力電池,其包含大量重金屬、電解質、溶劑及各類有機物輔料,集多種毒性很強的污染物于一身,不恰當的處置會嚴重污染土壤與水源,亦會產生有毒氣體排放。因此,簡單的填埋或是焚燒,都不適合用來處理退役的動力電池。因此,為了實現鋰電池的再利用,“拆解回收”與“梯次利用”就成為必然選擇。
拆解回收,即再拆解回收其中有價值的金屬元素,包括兩種主流處理工藝:火法回收和濕法回收。其中,“火法回收”則更為常見——回收者首先將電池進行機械粉碎,然后進行燃燒從而留下一堆燒焦的塑料、金屬、膠水,最后使用包括進一步燃燒的幾種方法來提取金屬。而“濕法回收”是將電池材料浸入酸池中從而產生金屬負載的湯。
當然,不論是火法回收還是濕法回收,都有其優(yōu)點和缺點。比如,“火法回收”不需要回收者知道電池的設計或成分,甚至不需要知道電池是否已完全放完電就可以安全地進行,但作為代價能源消耗很大。而濕法回收可以提取不易通過燃燒獲得的材料,但其中可能涉及對健康有危害的化學物質。但無論是哪種方法,不可避免的是——都會產生大量廢料并排放溫室氣體。
從循環(huán)經濟角度考慮,梯次利用比起火法或濕法冶煉要輕松得多。梯次利用是指動力電池在達到設計使用壽命時,通過修復、改裝或再制造等方法使其能夠在合適的工作位置繼續(xù)使用的過程。退役的動力電池經過相關的檢測,確定其性能后,可依次用于低功率電動車、電網儲能、家庭儲能領域,等電池性能進一步劣化后,低于※低利用標準再行回收。
但目前,鋰電池梯次利用的路線的整體發(fā)展卻較為遲緩。一方面,梯次利用需要對退役動力電池進行充分的評價檢測,確定其性能。經過檢測篩選后,才可根據不同的用途,對退役電池進行重組,穩(wěn)定重組后的電池包電壓、電流,最后重新打包投入使用。但當前,基于容量衰減機理分析建立的電池壽命預測模型首先就不夠完善,更不用說后面的步驟。
另一方面,從經濟效益來看,梯次利用涉及的逆向物流系統(tǒng)頗為復雜,中間環(huán)節(jié)眾多,在梯次利用過程中,電池制造商、回收商、研究人員還需要解決很多問題,這使得梯次利用遠比直接拆解回收要麻煩,不如直接回收來得省事。不僅如此,復雜的流程還嚴重堆高了梯次利用電池的成本,甚至出現重組電池和新電池價格倒掛的現象——舊電池比新電池還貴。
電動汽車沒那么便宜?
過去,電動汽車革命的目的是減少對化石燃料的依賴,減少排放,并減少交通對氣候變化的影響。隨之而來的是,當涉及到個人消費者時,電動汽車還被寄予一個預期的好處,節(jié)省燃料成本。
2021年10月,安德森經濟集團發(fā)布了一份報告,比較了燃油車和電動汽車的成本,并得出結論,電動汽車可能比燃油車更昂貴。在編制該報告時,安德森集團使用了大部分使用商業(yè)充電站充電的電動汽車的數據。結果顯示,在某些情況下,使用公共充電樁的費用是在家充電的三倍。安德森經濟集團還增加了隱性成本,如充電所花費的時間。
根據國網電動方面的預計,到2040年我國將達到3億輛電動汽車,銷量占比50%到60%,年用電量將增加2．68萬億千瓦時,占全社會用電量占比17%;日充電功率可達5．87億千瓦,占2040年新能源裝機量18．81億千瓦的31%。要知道,2020年我國整體發(fā)電量累計也才7．42萬億千瓦時。
面對激增的電動汽車,單純的增長電網容量,而忽視車輛電池與電網的互動,顯然是不健康的發(fā)展。因為電動汽車的充電接入是分散的、隨機的。所以,電動汽車的充電特性會進一步加劇區(qū)域電網峰谷差,電網調節(jié)難度加大,單純增容升級線路,會使全社會電力投資翻倍,增加終端用戶的用電成本。
顯然,不論是電動汽車的生產、使用、回收還是消費,都與人們的理想有所出入,而環(huán)境友好也并不是小修小補,汽車制造是一個系統(tǒng)性的難題。
電動汽車確實許諾了一個更加環(huán)保減排的美好前景,但想讓消費者開上更環(huán)保的車,想構建車企真正的“核心環(huán)保競爭力”,更重要的是,在汽車制造和使用的各個環(huán)節(jié)都加入環(huán)保的理念——對環(huán)境友好,實現清潔能源替代,盡可能地減少污染排放,以及保持高效率的生產。這就意味著在汽車制造本身流程不會大改的情況下,要從全盤的角度,對汽車工廠的處處細節(jié)進行環(huán)保追求。
不可否認,從燃油汽車到電動汽車,是能源升級的必然,正如馬斯克曾在一場 TED上做的闡述:把天然氣一類的化石燃料,輸送到發(fā)電廠發(fā)電,會有60%的綜合燃燒效率,但如果放在加天然氣的內燃機中,目前為止卓越的綜合燃燒效率只有20%。即使考慮到傳輸過程中電量的損耗,電動汽車+發(fā)電廠模式對內燃機直接燃燒也有著明顯的優(yōu)勢,這還沒有考慮汽油、柴油、天然氣從石油中提煉過程中所消耗的能源。
另外,風電水電太陽能發(fā)電這些可持續(xù)能源發(fā)電方式對能源的利用率一直在顯著提升,換句話說,它們在總發(fā)電量的份額中所占的比重會越來越大。但是,電能生產方式的逐漸轉變依然還需要一定的時間,在真正實現環(huán)保的理想以前,電動汽車行業(yè)還需要許多的修煉。
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