基于节能评审阶段锂电池生产项目能源消费和碳排放研究

曾 鸣

（广州汇锦能效科技有限公司， 广东 广州 510660）

0 引言

我国承诺二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值、努力争取2060 年前实现碳中和[1]。实现碳达峰、碳中和的关键任务是实施可再生能源替代行动、大幅提升新能源在能源结构中的比重、构建以新能源为主体的新型电力系统[2]。锂离子电池、钠离子电池等新型电池作为推动新能源产业发展的压舱石，是支撑新能源在电力、交通、工业、通信、建筑、军事等领域广泛应用的重要基础，也是实现碳达峰、碳中和目标的关键支撑之一。通过统计分析各地电池生产企业节能审查意见批复的年综合能源消费量，产能20 GW·h 以上的项目年综合能源消费量都达到14 万t 标准煤（当量值）以上，能源消费量和碳排放量越来越大。

1 节能评审阶段研究能源消费的意义

《固定资产投资项目节能审查办法》（中华人民共和国国家发展和改革委员会令第2 号，以下简称“2号令”）规定‘企业投资项目，建设单位需在开工建设前取得节能审查机关出具的节能审查意见’。固定资产投资项目节能审查是提高新上项目能源利用效率、从源头减少能源浪费的一项重要制度，节能审查意见是项目开工建设、竣工验收和运营管理的重要依据。

锂电池生产项目在开工建设前需要进行节能评估。根据《固定资产投资项目节能审查系列工作指南》（2018 年本），在编写节能报告时，应对项目综合能耗进行核算，要求计算方法、计算过程清晰、准确，计算所引用的基础数据应有明确的来源或核算过程[3]。节能评审阶段对项目能源消费量核算的准确与否，将直接影响到项目能效水平和能源消费对所在地能源消费增量及完成能耗强度降低目标影响的分析评价，为此需要准确核算项目能源消费量[4]。

2 锂电池生产工艺及主要耗能系统

锂电池厂的能耗主要分为两部分，即锂电池原材料生产能耗及锂电池生产过程中的能耗[5]。本文研究分析锂电池生产过程中的能耗及碳排放。

锂离子电池生产主要工序包括正负极混料、涂布、碾压、干燥、裁切、卷绕或叠片、封装、注液、化成、检测、出货等，经查询国内外相关行业资料，其生产工艺流程均一致。在生产工艺流程基本一致的情况下，各种锂离子电池企业生产产品的不同在于其在各个工序参数设定的不同，就反映到电池技术的异同。锂离子电池生产主要工艺流程图如图1 所示。

图1 锂离子电池生产工艺流程

锂离子电池生产工厂主要耗能系统包括两大类，一类是生产设备系统，另一类是为保证生产正常、稳定运行并生产出合格产品而配套的公用工程动力系统和辅助生产系统，主要包括供配电系统、压缩空气系统、给排水系统、空调通风系统、热力系统、照明系统、运输系统等。

锂离子电池工厂生产设备系统以耗电为主，部分工序耗热。目前国内各锂电龙头企业的生产工艺中主要存在供热方式差异，其中电芯装配后的真空干燥均采用电加热，转轮除湿加热有电加热和蒸汽加热方式，涂布干燥有电加热和导热油加热方式。从经济性上考虑，大部分锂离子电池生产项目采用燃气式导热油锅炉为涂布工序进行供热。因此，除了用电以外，锂离子电池工厂还都需要消耗一定量的天然气。

3 锂电池生产能源消费及碳排放计算

以年产25 GWh 锂离子电池生产项目为例，计算节能评审阶段锂电池生产项目的综合能源消费量及碳排放量。

3.1 用电设备能源消费

基于项目设计产能对应的生产设备数量和功率统计，生产设备的年电力消耗量一般采用需要系数法进行核算。

根据《工业与民用配电设计手册》（第四版，以下简称“手册”），计算工业用电设备系统年电能消耗量公式为：

式中：Wy为年有功电能消耗量，kWh；Pc为有功计算功率，kW；αav为年平均有功负荷系数；T 为年工作小时数，h。

其中：

式中：Pe为设备额定功率，kW；Kd为工业用电设备需要系数。

结合式（1）和（2）可得：

项目生产设备需要系数Kd取值根据手册“表1.4-1”中相应设备的需要系数取值，平均有功负荷系数αav按手册“表1.9-1”对应的行业参考取值，工作小时数依据项目工作制取相应的年工作时间，设备额定功率Pe按核实确认后的设备参数取值。已知以上数据后就可按照式（3）计算对应设备的年耗电量。

表1 节能分析前项目能源消费情况

由以上各参数取值可以看出，在用电设备已定、年工作时间已定的情况下对年耗电量影响较大的参数是设备的需要系数和年平均有功负荷系数取值。对锂离子电池生产项目而言，年平均有功负荷系数在手册“表1.9-1”中无法找到对应的细分行业，结合项目性质，参考化工和机械制造行业对应的年平均有功负荷系数，选用0.7 作为锂离子电池生产设备的年平均有功负荷系数。需要注意的是各类生产设备的需要系数是不同的，要依据不同设备的性质依据手册“表1.4-1”确认需要系数。

公用工程及辅助生产系统年耗电量的计算相对明确，该系统以水泵通用设备为主，在手册“表1.4-1”中都可找到相应的需要系数。此部分需要注意的是此类设备应与生产系统匹配，也就是说应该满足生产，这与对应系统的设备选型相关。另外供配电系统的损耗也应得到准确的计算。

按上述分析结果计算该项目耗电设备的年耗电量70 489.96 万kW·h，耗电量最大的工序依次分别为化成占22.57%、干燥占13.11%、切叠占6.00%、定容占5.36%以及合浆和涂布，整个工厂来说辅助系统的空调系统耗电量也较大。因此，节能潜力挖掘的重点应该为以上几个系统。

3.2 用天然气设备能源消费

3.2.1 蒸汽锅炉耗天然气量计算

项目锅炉房设置10 台（9 用1 备）15 t/h 的燃气锅炉用于生产项目所需的蒸汽，蒸汽指标为1.25 MPa、194℃饱和蒸汽，单台蒸汽锅炉额定出力下消耗天然气为1 250 Nm3/h。

由于项目生产车间及库房对温湿度要求较高，一年四季皆需要采用轮转除湿措施。夏季气温较高，相对湿度相对较低，转轮除湿系统仅需部分开启；而过渡季节空气湿度较大，通常需要全天候开启轮转除湿系统。因此，项目极端情况下，需要开启9 台锅炉用于制备蒸汽采暖除湿，夏季开启2 台蒸汽锅炉制备蒸汽进行除湿。

过渡季节天然气消耗量=1 250 Nm3/h×9×75 d×24 h/d×0.8×0.7/10 000=1 134 万Nm3。

夏季天然气消耗量=1 250 Nm3/h×2×75 d×24 h/d×0.8×0.7/10 000=252 万Nm3。

日常天然气消耗量=1 250 Nm3/h×5×170 d×24 h/d×0.8×0.7/10 000=1 428 万Nm3。

合计全年蒸汽锅炉年天然气消耗量=1 134+252+1 428=2 814 万Nm3。

3.2.2 导热油锅炉耗天然气量计算

项目设置10 台（9 用1 备）燃气型导热油锅炉，将导热油加热到250 ℃左右。导热油炉额定热功率1 200 万大卡，天然气额定消耗量1 450 Nm3/h。项目导热油主要由油泵输送到生产区域用于正极与负极涂布工序，当涂布机全负荷启动后，后续只需补热即可，热量只需最大负荷的40%，综合考虑管道损耗及导热油锅炉效率等因素，生产线需要系数取0.45，按照锅炉平均负荷系数0.62 计算。

项目导热油锅炉用气=1 450 Nm3/h×9×7 200 h×0.45×0.62/10 000=2 621.5 万Nm3。

3.2.3 食堂耗天然气量计算

根据《全国民用建筑工程设计技术措施——暖通空调·动力》“附录D”要求，取职工食堂用气指标2 000 MJ/人年，食堂年总用气量计算为35.17 万Nm3。

则项目年天然气用量=2 814+2 621.5+35.17=5 470.67 万Nm3。

3.3 项目年能源消费量和碳排放量计算

依据《综合能耗计算通则》（GB/T2589-2020），电力（当量值）折标系数为0.1 229 kgce/kW·h，天然气折标系数为1.214 3 kgce/m3（来源于燃气公司提供低位热值35 587.5 kJ/m3计算[6]），汇总计算该项目的年能源消费量见表1。

本文针对2 号令的要求，结合《广东省企业（单位）二氧化碳排放信息报告指南》（2023 年修订）的方法核算该锂离子电池项目的碳排放量及相关指标，具体如下：

本文采用“排放因子法[7]”作为该项目的二氧化碳排放计算方法，计算方式：

式中：EA为企业（单位）二氧化碳排放量，单位为t（t-CO2）；DA为二氧化碳排放活动数据，t；FE为排放因子。

依据式（4）计算该项目二氧化碳排放量如下：

项目直接二氧化碳排放量Ed=项目年天然气用量×天然气排放因子=5 470.67 万Nm3×35 587.5 kJ/m3×56.10 g-CO2/MJ=109 219.7 t-CO2

项目间接二氧化碳排放量Eind=项目年外购电力量×电力排放因子=70 489.96×104kW·h×6.379 t-CO2/104kW·h=449 655.45 t-CO2

项目的二氧化碳排放总量计算为：

4 基于能源消费分析的节能分析和计算

4.1 涂布工序余热回收

负极涂布机绝大部分电能被转化为空气的热能，该热能最终被排至室外，采用新风通过热交换器回收排风的热量，约可回收排风的45%热能。项目有3 条负极涂布产线，每条产线排风量118 800 m3/h，处理系统6 套：设备包含风机6 套，每套风量59 400 m3/h，空气热交换器6 套，换热效率＞65%。负极烘箱排出空气干球温度80 ℃，室外新风全年平均干球温度20 ℃，经过65%换热效率的空气热交换器后，新风空气变成干球温度59 ℃。全部359 400 m3/h 排气，等于节省了从20 ℃到59 ℃的加热量，相当于节省了1 458 kW的加热量。全年按照7 200 h，平均生产负载0.7 计算，节省电能734.8 万kW·h。

4.2 高温浸润与化成除湿机

由于项目除湿机受转轮材料的限制，除湿机先通过中表冷将回风温度由45 ℃降低到15 ℃左右，除湿后，再通过后加热将温度由15 ℃提升到50 ℃左右送入车间，极大浪费能源。采用回风通过中表冷只需要温度从45 ℃降低到40 ℃左右。对于50 000 风量的机型，中表冷制冷量可减少435 kW（原方案设备需求制冷1 100 kW)，同时后加热减少440 kW(原方案设备后加热需求710 kW）制热量，整体节能率将近60%。项目除湿机组年用电量1 674.7 万kW·h，采用回风通过中表冷年节电量为1 674.7×（1/0.4-1）=837.3 万kW·h。

4.3 定容工序充放电回馈

项目生产在定容工序时，电池在分容柜内进行多次充放电测试，多次充放电老化后可提高产品稳定性和可靠性，再对电池的容量进行分选。项目充电过程中纯充入电量为系统同期输入电量的65%，同期回馈电网总能量为电池放电能量的55%。

项目可回收电量=1×65%×55%=35.75%。

项目定容总用电量为5 881.9 万kW·h。

项目回收电量=5 881.9×35.75/100=2 102.8 万kW·h。

4.4 空压机系统余热利用

空压机运行大部分能耗是转化为热能，其中85%的热量为可利用热量，对气冷却器13%的热量和油冷却器72%的热量进行收集。空压机运行大部分能耗是转化为热能，其中80%的热量为可利用热量，按照35%的回收效率对热量进行收集。项目空压机全年用电量3 480.6 万kW·h，若热量全部回收，则年可节约热量折算为电量为3 480.6×0.8×0.35=974.6 万kW·h，折算为热量为974.6×3.6×10000=35 084 689.9 MJ，按照空气源热水器效率2.5 计算，年节电量约389.8 万kW·h。

4.5 高效制冷站及变频调速

项目制冷站房系统包含：制冷主机、冷冻冷却水泵及冷却塔设备、末端设备。项目制冷站房增设节能控制方案，在主机、水泵及冷却塔进出口管道上增加能耗采集装置、自适应节流仪、传感器及智能控制系统和变频调速装置，根据末端使用情况，实时改变冷冻、冷却水流量、主机运行功率，从而达到节能降耗的目的，从而提高制冷站房整体的COP，综合节能率大于15%。空压机采用变频调速控制，空压站根据储气罐压力实时调整空压机运行功率，从而达到节能降耗的目的。

变频调速措施的节能效果可达到1 629.7 万kW·h。

4.6 分布式光伏建设

项目厂房屋面可设置10 MW 太阳能光伏发电系统。

分布式光伏发电量计算公式=装机容量×峰值日照时数×系统效率。

按项目所在地峰值日照时数3.87，10 MW 太阳能光伏发电系统年均发电量约为1 000 万kW·h。

综上所述，节能措施的节电量合计为6 694.5 万千瓦时，折标煤量为8 227.5 t 标准煤，年减排CO2为42 704.09 t。

5 节能分析后锂离子电池生产项目能效指标分析

节能分析后，该锂离子电池生产项目能源消费为：电63 795.46 万kW·h，天然气5 470.67 万m3，合计折标煤当量值为144 834.97 t 标准煤。

项目的二氧化碳排放总量计算为：

则，项目主要能效指标计算如下：

5.1 单位产品综合能耗

项目年综合能源消费当量值标煤144 834.97 t，生产三元锂电池25GW·h，项目三元锂电池电压3.67V，则三元锂电池25 GW·h 产能换算为总产能681 198.91万Ah。

单位产品综合能耗为144 834.97 tce×1 000÷681 198.91=222.62 kgce/万Ah。

5.2 单位产品碳排放量

单位产品碳排放量=516 171.03 t-CO2÷681 198.91万Ah=757.7 kg-CO2/万Ah

依据节能分析后的指标计算结果，分析如下：

本项目单位产品综合能耗为222.62 kgce/万Ah（5.79 kgce/kW·h），符合《锂离子电池行业规范条件（2021 年本）》（工信部公告2021 年第37 号）中规定的“锂离子电池企业综合能耗应≤400 kgce/万Ah”的要求，优于《电池行业清洁生产评价指标体系》锂电池生产单位产品综合能耗Ⅰ级，项目产品能效水平属于国内先进水平。

6 结语

本文以典型锂离子电池生产项目节能审查阶段的能耗和碳排放计算为研究对象，介绍了典型锂离子电池生产项目生产工艺和主要耗能系统，并以该锂离子电池生产项目为例提出了准确计算同类项目节能审查阶段能源消费及碳排放的核算方法及计算公式，规范了项目能源消费及碳排放核算、保证项目节能报告指标的准确性，并依据计算结果指出节能设计的重点和方向，为以后锂离子电池生产项目节能报告核算及源头的节能降碳提供了参考和借鉴。