新能源汽车车载动力电池碳中和潜力分析

常泽宇， 王 磊， 黄 凯， 刘 磊， 郁亚娟,4

(1.北京理工大学材料学院， 北京 100081； 2.北京林业大学环境科学与工程学院， 北京 100083；3.戴尔豪斯大学， 哈利法克斯 B3H4R2； 4.北京理工大学重庆创新中心， 重庆 401120）

0 引言

为解决道路交通温室气体排放问题， 中国在2009 年启动了新能源汽车试点计划[1]。 在2014 年到2018 年期间， 电动汽车以每年42 万辆的速度增加并且依旧处于快速增长阶段[2-3]。 相较于传统内燃机燃油车（internal combustion engine vehicles, ICEV），电动汽车（blade electric vehicles, BEV）以动力电池为核心，具有道路“零排放”的优势，能大量减少汽车道路行驶过程中CO2的排放[4-5]。

生命周期评价（life cycle assessment, LCA）是一种评价产品、工艺或服务从原材料采集到产品生产、运输、使用及最终处置整个生命周期阶段（从摇篮到坟墓）的能源消耗及环境影响的方法[6-8]。生命周期评价包括确定目的和范围、清单分析、影响评估和结果解释四个具体实施步骤。通过LCA 报告可以对产品生产过程中的高污染环节提出改善意见， 或者对产品在某一领域的高污染做出预警。

在这项研究中， 首先确定了以市场上主流的磷酸铁锂（LFP）动力电池和三元锂（NMC）动力电池包为研究对象， 通过数据收集整理出不同整备质量下BEV 效率参数和相应整备质量下的ICEV 耗油对应数据。 基于Simapro 软件对京津冀地区电动汽车CO2排放进行全生命周期评价，并与传统燃油汽车对比，判断推广使用BEV 的碳中和潜力[9]。 为了方便结果的比较， 本研究使用同一LCA 体系来量化传统燃油车和电动汽车全生命周期CO2排放。

1 研究方法

BEV 和ICEV 的环境影响差别主要来自于动力电池全生命周期的环境负荷和能源循环环境负荷。本研究基于LCA 方法，以市面上主流的LFP 动力电池和NMC 动力电池为研究对象，分别归纳总结了生产阶段、使用阶段和回收阶段BEV 动力电池的CO2排放水平。其中使用阶段以京津冀区域推广BEV 的现实情形为例， 将量化的CO2排放水平与ICEV 使用汽油的排放水平做出比较。

本研究在专业的环境评价软件Simapro 中建模并进行影响评估。 基于Simapro 数据库中的LCA 体系（Selected LCI results V1.04）计算下的CO2排放系数，各个结果在同一体系下计算得出，排除了因方法体系选择不同造成的差异性。 另外也可以对生产和回收过程中的物质流清单在统一衡量尺度下进行计算，便于后续的统一加和分析。

生产阶段BEV 和ICEV 的主要环境负荷差异来自于BEV 中动力电池的生产，2 者车身的原材料投入本研究中默认一样且环境影响一样。 所以生产阶段仅仅对LFP 和NMC 动力电池生产过程中的CO2做了量化计算，功能单位为1 kg，具体清单见表1 和表2。 其中LFP 动力电池清单来自MAJEAU[10]，NMC 动力电池清单来自于COX[11]。

表1 LFP 动力电池清单

表2 NMC 动力电池清单

使用阶段中，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, 过程中的CO2排放） 对汽油能源生命周期进行区分， 其中ICEV 的排放主要在道路行驶阶段，BEV 行驶过程中主要依靠电力消耗。 考虑到电力排放的转移， 本研究收集了2010 年至2017年华北地区的电网数据， 相关电网数据来源于国家统计局的统计。此外，当地的电力生产排放系数的水平同样影响BEV 使用过程环境影响，排放系数客观反映了当地电力生产的清洁度，对量化BEV 行驶过程中的上游污染排放有着重要作用。 Selected LCI results V1.04 体系下的相关排放系数见表3。

表3 电力生产CO2 排放系数

目前国内动力电池的回收产业相对还不完善，因此本研究使用的数据基于大量文献调研， 结合生产过程中量化影响较大的特征材料， 选择了适合本研究的回收清单，回收清单包括原材料、能源和回收物质3 个部分，并且按功能单位进行换算。本研究使用的LFP 回收清单来自于王琢璞[12]，该LFP 回收技术包含了传统湿法技术和全组分“物理法” 回收技术，相关参数见表4。

表4 LFP 动力电池回收清单

本研究使用的NMC 回收清单来自谢英豪等[13]的废旧动力电池定向循环工艺流程， 该法结合了传统湿法和火法的优势并改进了各自的不足， 相关参数见表5。

表5 NMC 动力电池回收清单

2 BEV 动力电池全生命周期碳足迹

生命周期评价方法一般用于评价某一确定产品或者规模化的产业链，在电动汽车产业中，由于不同车型、不同技术之间的差别，动力电池的整备质量会因为其满足的功能不同而产生差异[14]。 因为大部分车型的单次行驶里程集中在300～400 km， 因此本研究以单次续航里程350 km， 放电深度（DOD）80%计算。

BEV 不同动力电池全生命周期CO2排放分布情况见图1。由图1 可知，LFP 和NMC 动力电池在生产过程中的碳足迹相差不大， 全生命周期内的CO2排放LFP 动力电池略高于NMC 动力电池。由图1（a）可知，在BEV 动力电池全生命周期内，LFP 动力电池和NMC 动力电池的CO2排放量分别达到49 495.04和46 759.09 kg。由图1（b）和图1（c）可知，使用阶段的CO2排放占到了2 类动力电池全生命周期排放的大部分，LFP 动力电池使用阶段CO2排放占比达到了69.05%， 而NMC 动力电池使用阶段的CO2排放量达到了73.09%。 要降低电动汽车全生命周期CO2的排放水平，必须要改善提高电力清洁度。 BEV 电池使用阶段，主要消耗电能，因此电力结构依然决定着电动汽车行驶阶段CO2排放。 生产阶段NMC 和LFP 动力电池的CO2排放量分别占到各自全生命周期的23.63%和19.35%。 回收阶段LFP 动力电池CO2排放占7.32%，NMC 动力电池占7.56%。 LFP 和NMC 动力电池生产和回收阶段的CO2排放共计分别占到各自全生命周期的30.95%和26.91%。 由此可见通过提高电力清洁度使BEV 使用阶段的CO2排放降低的潜力十分巨大[15-17]。京津冀地区电力生产的CO2排放因子始终在1 kg/（kW·h） 左右波动，远高于欧盟等地的电力排放系数， 因此改善电力条件对未来我国实现碳中和有重要的意义。

图1 BEV 动力电池全生命周期CO2 排放

3 电动汽车碳中和潜力分析

3.1 电动汽车与传统燃油车全生命周期排放比较

BEV 的碳中和潜力主要取决于电池包的生产和使用的电力清洁度[18]，并且需要展现出相较于ICEV的低排优势。 因此本研究对二者的比较主要是进行动力电池全生命周期和汽油全生命周期的CO2排放进行比较， 对于车身材料的全生命周期排放默认二者一样。受到当地的电力生产条件的制约，京津冀不同区域BEV 行驶过程中的CO2排放与相应的汽油全生命周期排放比较结果并不一致[19]。 因此，我们分别计算京津冀不同地区的CO2排放， 并求平均值。BEV 动力电池生产和回收阶段的排放主要受到能源投入和原材料开采消耗的影响， 而重要的使用阶段则主要受到电力清洁度的影响。 为了增加对比可信度，我们考虑了上游排放转移的可能，比较BEV动力电池和ICEV 燃油的全生命周期CO2排放。

基于国家统计局统计的电网数据中2010 年至2017 年整个华北区域的电力输入输出结果，总结出了京津冀地区电力使用消耗分布，见表6。 因为精确数字的保留问题， 可能存在分布比例和不为1 的情况，实际计算过程中采用原精确数值进行计算。

表6 京津冀地区电力使用分布

京津冀地区BEV 与ICEV 全生命周期CO2排放情况见图2。 由图2 可知， 在京津冀区域，LFPbased 电动汽车、NMC-based 电动汽车和ICEV 全生命周期的CO2排放量分别为46 738.53，45 351.99，37 879.81 kg。BEV 在CO2排放上并没有产生明显的优势，这主要是由于在生产、使用和回收阶段中电力的投入使用会有较大的排放贡献比例。 特别是BEV行驶过程中， 因为京津冀地区使用的电力清洁度并不高，尽管使用过程中BEV 可以在CO2百公里排放上低于相应的ICEV， 但是在行驶里程下能否弥补BEV 动力电池生产和回收阶段产生的CO2排放尚且存疑。可能的原因一是BEV 的行驶里程不够造成全生命周期内CO2减排效果不理想[20]。 二是本研究考虑了上游排放转移的可能性， 京津冀地区使用的电能并不完全来自于本地区， 电力负担从清洁电力能源结构转移到相对不清洁的电力能源结构中[21]，间接加大了CO2的排放水平。

图2 京津冀地区BEV 与ICEV 全生命周期CO2 排放量

3.2 碳中和潜力分析

由上述研究可知， 电力清洁程度对于CO2排放和碳中和潜力具有关键的影响。从这个角度出发，我们收集了全球各个地区的电力排放系数[22]，对CO2排放和碳中和潜力进行对比，见表7。

表7 不同国家/地区的电力排放系数

全球各个地区CO2排放和碳中和潜力对比见图3。

图3 全球各地区CO2 排放和碳中和潜力对比

由图3（a）可知，如果BEV 使用的所有电能均来自于京津冀地区，即不考虑上游排放转移，在CO2排放上BEV 对比ICEV 有一定水平的减少。 而若是采用全国平均的电力排放系数， 则可以观察到很明显的CO2减排效果。 这说明在我国推广使用BEV，对实现CO2减排具有明显的效果， 对于我国实现碳中和可以提供可观的积极影响。 而随着我国电力清洁水平的提升，可以预见，在达到全球平均水平，甚至欧美及其他发达国家的水平时， 将产生更为明显的CO2减排。 由图3（b）可知，京津冀地区乃至全国，使用电动汽车具有十分巨大的碳中和潜力。 随着电力清洁程度的提高，BEV 的推广使用为我国CO2减排和碳中和事业将起到很大的助力作用。

4 结论与展望

对于电动汽车LFP 和NMC 动力电池全生命周期的CO2排放，LFP 动力电池和NMC 动力电池使用阶段CO2排放占比分别达到了69.05%和73.09%。在生产阶段，NMC 和LFP 动力电池的生产排放CO2占到了分别占到各自全生命周期的23.63%和19.35%。而回收阶段的CO2排放，2 种动力电池回收阶段的CO2排放分别仅占到7.32%和7.56%。 说明生产和回收过程中的电力输入以及使用过程中电力的消耗依然是BEV 动力电池全生命周期的CO2排放主要贡献来源， 提高电力清洁度可以更加明显的突显出电动汽车低排放优势。

通过对本研究中选择的BEV 动力电池和相应整备质量下燃油车汽油消耗的全生命周期排放对比， 传统燃油车、LFP-based 电动汽车、NMC-based电动汽车的全生命周期CO2排放分别为37 879.81,46 738.53,45 351.99 kg。 在京津冀地区BEV 动力电池在CO2排放上实现减排具有有限的优势。 而在全国平均水平下， 因为电力清洁度的改善可以实现BEV 的CO2减排。 随着我国环保事业的发展，未来我国电力清洁程度必然会得到提升， 与全球其他国家对比的结果说明，随着电力清洁度的改善BEV 的推广使用具有巨大的碳中和潜力。