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動(dòng)力蓄電池碳減排分析

2021-12-07 19:37:07·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：王吉?jiǎng)P等  
　
文章來源:1.中國信息通信研究院2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院0引言縱觀全球汽車產(chǎn)業(yè),歐盟等發(fā)達(dá)地區(qū)已率先推出更加嚴(yán)苛的汽車碳排放標(biāo)準(zhǔn),推動(dòng)汽車產(chǎn)
文章來源:1.中國信息通信研究院2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院
0引言
縱觀全球汽車產(chǎn)業(yè),歐盟等發(fā)達(dá)地區(qū)已率先推出更加嚴(yán)苛的汽車碳排放標(biāo)準(zhǔn),推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)向電氣化轉(zhuǎn)型?歐盟計(jì)劃到2030年使汽車和貨車的二氧化碳排放量分別比2021年減少375%和31%,這對(duì)汽車的動(dòng)力技術(shù)乃至整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)將帶來顛覆性的變革?國際主流車企也積極順應(yīng)這一趨勢(shì),對(duì)產(chǎn)品線和核心業(yè)務(wù)進(jìn)行戰(zhàn)略性調(diào)整?
《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知》(國發(fā)〔2016〕61號(hào))中提出建設(shè)低碳交通運(yùn)輸體系,嚴(yán)格實(shí)施乘用車燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn),研究新車碳排放標(biāo)準(zhǔn)?2019年,生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對(duì)氣候司開展了《乘用車碳排放核算技術(shù)規(guī)范及限額標(biāo)準(zhǔn)》研究?
1文獻(xiàn)綜述
針對(duì)汽車等相關(guān)產(chǎn)品的碳排放,中國汽車技術(shù)研究中心?寶鋼研究院?陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司?廣汽研究院?部分高校及研究機(jī)構(gòu)等都開展了行業(yè)數(shù)據(jù)庫及企業(yè)數(shù)據(jù)庫的研究與開發(fā)?王偉晗等對(duì)鋼鐵產(chǎn)品開展生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià),并對(duì)某車型B柱小總成不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了LCA比較?趙明楠等通過碳足跡分析,建立白車身產(chǎn)品生產(chǎn)案例分析產(chǎn)品生命周期生產(chǎn)過程的能源?材料消耗以及污染排放等環(huán)境影響?盧強(qiáng)對(duì)電動(dòng)汽車的磷酸鐵鋰電池和鎳氫電池生命周期階段的能源消耗和環(huán)境排放進(jìn)行了LCA評(píng)價(jià)?劉大鵬等通過LCA模型,分析混合動(dòng)力汽車比純電動(dòng)汽車更節(jié)能環(huán)保?綜上所述,汽車行業(yè)目前開展碳排放研究非常深入,研究對(duì)象包括燃油車?混合動(dòng)力汽車以及純電動(dòng)汽車,從整車覆蓋到了一部分關(guān)鍵零部件?
2研究方法與模型
根據(jù)2020年5月中汽協(xié)公布的數(shù)據(jù)顯示,1—4月動(dòng)力蓄電池產(chǎn)量累計(jì)13GW·h(圖1)?其中,三元電池產(chǎn)量累計(jì)86GW·h,占總產(chǎn)量的666%?從裝車量來看,4月動(dòng)力電池裝車量共計(jì)36GW·h,其中,三元電池共計(jì)裝車26GW·h,占比732%,磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量為09GW·h,占比僅258%(圖2)?

考慮到電動(dòng)汽車市場(chǎng)動(dòng)力蓄電池應(yīng)用現(xiàn)狀,三元鋰電池相對(duì)于磷酸鐵鋰電池要有明顯的優(yōu)勢(shì)?本文研究根據(jù)國內(nèi)某大型動(dòng)力蓄電池企業(yè)實(shí)際調(diào)研及生產(chǎn)制造工程師的探討,將電動(dòng)汽車三元鋰電池作為研究對(duì)象?應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)分析方法,分析單體電池和電池模塊等生產(chǎn)過程?
2.1研究方法與數(shù)據(jù)庫
本文研究應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法,參考PAS2050?ISO14040和ISO14067,考慮產(chǎn)品生命周期內(nèi)各種過程?輸入和輸出所產(chǎn)生的碳排放?原材料和能源的生命周期數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)?其中,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來自廣汽研究院的GAC汽車碳排放數(shù)據(jù)庫,通過采樣收集?供應(yīng)商提供和和企業(yè)調(diào)研等形式獲得;背景數(shù)據(jù)主要來自生態(tài)環(huán)境部公布的中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子,少數(shù)輔助數(shù)據(jù)取自GaBi數(shù)據(jù)庫?GAC汽車碳排放數(shù)據(jù)庫如圖3所示,該數(shù)據(jù)庫能夠支撐汽車產(chǎn)品或關(guān)鍵技術(shù)在碳排放方面的生命周期影響評(píng)價(jià)及分析?

2.2系統(tǒng)邊界與數(shù)據(jù)范圍
動(dòng)力蓄電池的原材料階段和使用階段會(huì)納入電動(dòng)汽車整車碳排放的原材料計(jì)算過程中統(tǒng)一計(jì)算,在動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品碳排放核算中沒有必要進(jìn)行重復(fù)計(jì)算?動(dòng)力蓄電池回收階段暫未納入廣汽研究院管理體系,故不作討論?因此,動(dòng)力蓄電池原材料階段?使用階段和回收階段的碳排放不在本文討論范圍中?
本文主要評(píng)價(jià)動(dòng)力蓄電池的生產(chǎn)制造階段(含單體電池和電池組的生產(chǎn),不含電池材料)的碳排放,涉及生產(chǎn)工藝包括從制卷?制芯?化成及組裝等多個(gè)環(huán)節(jié)?研究功能單位為工廠生產(chǎn)1kg動(dòng)力蓄電池?動(dòng)力蓄電池生命周期系統(tǒng)邊界如圖4所示,圖中資源能耗數(shù)量均統(tǒng)一至功能單位?研究目的在于說明分析方法,因此對(duì)模型作了簡(jiǎn)化處理?

2.3清單數(shù)據(jù)分析
動(dòng)力蓄電池制造階段的數(shù)據(jù)采集,本文選取生產(chǎn)線上能耗較大的主要設(shè)備進(jìn)行估算?如表1所示,這些主要設(shè)備包括攪拌機(jī)?電極涂布機(jī)?輥切機(jī)?極片分切設(shè)備?全自動(dòng)卷繞機(jī)?裝配設(shè)備?注液機(jī)?化成設(shè)備?焊接設(shè)備?涂膠封裝設(shè)備?測(cè)試設(shè)備和烘干箱等?同時(shí),在電池制造工程中,需要一些公共輔助設(shè)備如冷水機(jī)組?壓縮空氣?空調(diào)?照明設(shè)備?其他輔助設(shè)備等,為生產(chǎn)過程提供工業(yè)冷水?壓縮空氣?溫濕度環(huán)境?照明和真空環(huán)境等必要的生產(chǎn)條件?這些設(shè)備的數(shù)據(jù)通過估算也應(yīng)納入系統(tǒng)邊界內(nèi)?
由于供應(yīng)商同時(shí)生產(chǎn)多種類型的產(chǎn)品,一條流水線上或一個(gè)車間里會(huì)同時(shí)生產(chǎn)多種型號(hào),很難就某單個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品生產(chǎn)來收集清單數(shù)據(jù),往往會(huì)就某個(gè)車間?某條流水線或某個(gè)工藝來收集數(shù)據(jù),然后再分配到具體的產(chǎn)品上?本次采集的數(shù)據(jù)為企業(yè)最近1年內(nèi)的月平均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),能夠反映企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)水平?

本文以1kg蓄電池的生產(chǎn)為功能單元?計(jì)算生產(chǎn)1kg動(dòng)力蓄電池產(chǎn)生的能源r的年度月平均能耗Eyr,產(chǎn)生的年度月平均溫室氣體排放量為Cb,計(jì)算結(jié)果四舍五入至小數(shù)點(diǎn)后2位?
以主要生產(chǎn)設(shè)備攪拌機(jī)為例,攪拌機(jī)的能耗為電能,設(shè)備的月度平均生產(chǎn)能耗通過額定功率?功率因數(shù)和開機(jī)時(shí)間等算出?具體計(jì)算方法如式(1)所示?

式中:Emj為第j種主要生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)月度平均能耗;Emji為第j種主要生產(chǎn)設(shè)備第i個(gè)月的月度生產(chǎn)總能耗?
以公共輔助生產(chǎn)設(shè)備暖通空調(diào)為例,空調(diào)的能耗為電能,設(shè)備的生產(chǎn)能耗通過額定功率?功率因數(shù)和開機(jī)時(shí)間等算出?具體計(jì)算方法如式(2)所示?

式中:Eak為第k種公共輔助設(shè)備的月度平均能耗;Eaki為第k種公共輔助設(shè)備第i個(gè)月的月度生產(chǎn)總能耗?
動(dòng)力蓄電池生產(chǎn)月平均質(zhì)量具體計(jì)算方法如式(3)所示?

式中:My為動(dòng)力蓄電池生產(chǎn)月平均質(zhì)量,kg;Mi為動(dòng)力蓄電池第i個(gè)月的生產(chǎn)總質(zhì)量,kg?
生產(chǎn)1kg動(dòng)力蓄電池所需能源r的年度月平均能耗Eyr可以通過年平均生產(chǎn)能耗(包括Emi和Eak)和動(dòng)力蓄電池年平均生產(chǎn)質(zhì)量My計(jì)算得出,具體計(jì)算方法如式(4)所示?

式中:Eyr為能源r的月平均能耗;n1為主要生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)量,臺(tái);n2為主要公共輔助設(shè)備的數(shù)量,臺(tái)?
生產(chǎn)1kg動(dòng)力蓄電池碳排放量具體計(jì)算方法如式(5)所示?

式中:Cb為生產(chǎn)1kg動(dòng)力蓄電池產(chǎn)生的碳排放量,KgCO2e;CEFPr為能源r生產(chǎn)的碳排放因子,參考GAC碳排放數(shù)據(jù)庫;CEFMr為能源r使用的碳排放因子,參考GAC碳排放數(shù)據(jù)庫;MCO2e這生產(chǎn)過程中CO2逸散的量,KgCO2e?
2.4研究結(jié)果及解釋
生命周期影響評(píng)價(jià)(LCA)是對(duì)清單數(shù)據(jù)分析所識(shí)別的環(huán)境負(fù)荷影響進(jìn)行定量或定性的描述和評(píng)價(jià)?本文采用荷蘭Leiden大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心研發(fā)的生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法————CML2001模型進(jìn)行影響評(píng)價(jià)分析,分析全球變暖這一項(xiàng),其中CO2e根據(jù)IPCC公布的全球變暖潛值(GWP)核算?
現(xiàn)場(chǎng)能源數(shù)據(jù)Eyr如表2所示,在生產(chǎn)制造階段,能源消耗主要電能,其產(chǎn)生的溫室氣體排放量約為所有能源消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放量的989%,其他能源如天然氣和柴油的消耗較少?通過式(1)—(5)計(jì)算得出,生產(chǎn)1kg動(dòng)力蓄電池制造階段產(chǎn)生的碳排放量Cb約為2058kgCO2e?

進(jìn)一步分析制造階段4道工序的能耗分布,如圖5所示,制芯過程能耗占比最高,約為整個(gè)制造過程的45%;制卷和化成分別占比28%和25%;組裝階段能耗最低,僅占比約2%,主要原因?yàn)殡姵亟M的組裝主要由人工完成?

在動(dòng)力蓄電池制造過程的制卷?制芯和化成階段(組裝階段占比較小,且多為人工操作,故不做分析)?如圖6—8所示,電力能耗最多的都為暖通空調(diào)部分?以制芯過程電能能耗的分布為例,公共輔助設(shè)備的能耗占到了該階段總能耗的81%,僅暖通空調(diào)一項(xiàng)輔助設(shè)備就占總能耗的58%?這是因?yàn)樵陔姌O的烘干過程和電池生產(chǎn)過程中需要暖通空調(diào)的長(zhǎng)時(shí)間工作,以保證干燥車間的溫度和濕度?
3減排效果分析
通過對(duì)動(dòng)力蓄電池全生命周期碳排放模型進(jìn)行敏感性分析,電能能源消耗是影響動(dòng)力蓄電池生產(chǎn)制造階段減排的主要因素?我國的電力結(jié)構(gòu)是以煤炭發(fā)電為主,煤電發(fā)電過程中導(dǎo)致的溫室氣體排放較多?光伏發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量約為火力發(fā)電的1/9?能耗設(shè)備中,主要生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化生產(chǎn)水平較高,能耗浪費(fèi)較少,節(jié)能效果有限;公共輔助設(shè)備如暖通空調(diào)等是能源消耗的主力,能耗浪費(fèi)較多且自動(dòng)化水平較低,節(jié)能效果顯著,應(yīng)作為節(jié)能減排改造的重點(diǎn)?因此,本文提出如下改進(jìn)建議:
1)電能結(jié)構(gòu)方面的節(jié)能?生產(chǎn)企業(yè)可以通過可再生能源利用,減少碳排放?如通過光伏發(fā)電等提供工廠所需電能(條件允許的光伏電可以并網(wǎng)),同時(shí)減少陽光對(duì)廠區(qū)車間房頂?shù)臒彷椛?降低車間室冷負(fù)荷,節(jié)省暖通系統(tǒng)用電;
2)暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造?目前空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)非常成熟,具體節(jié)能措施很多,包括熱回收(如冷凝水熱回收?排風(fēng)熱回收等)?蓄能技術(shù)?智能化?設(shè)備變頻技術(shù)的應(yīng)用?以及冷卻水側(cè)自然供冷技術(shù)等?通過改造,暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率為15%~40%?本文選取2個(gè)影響因子,電能結(jié)構(gòu)和暖通空調(diào)節(jié)減排?
本文選取2個(gè)影響因子,電能結(jié)構(gòu)和暖通空調(diào)節(jié)能率進(jìn)行情景設(shè)置?假設(shè)工廠生產(chǎn)1kg動(dòng)力蓄電池的基準(zhǔn)值為20
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