中文版 | English
  • 科研成果

    您现在所在的位置:首页 >>科研成果
    中国电动汽车回收的技术发展、环境效益和政策综述

    本文根据英文论文“Impact of recycling on energy consumption and greenhouse gas emissions from electric vehicle production: The China 2025 case”翻译精编整理。


    【作者】郝瀚,乔钦彧,刘宗巍,赵福全*

    【单位】清华大学汽车产业与技术战略研究院

    【期刊】资源、保护和回收(Resources, Conservation & Recycling)2017年122卷,114-125页


    一、电动汽车回收迫在眉睫

    中国的新能源汽车的增速和规模已经达到了世界第一,这给中国汽车制造业带来了新的机遇和挑战,并且会改变汽车制造本身所产生的能源消耗与排放格局。事实上,研究表明电动汽车在制造环节的温室气体(GHG)排放远高于内燃机汽车,在中国的制造技术背景下这个数字可以高出50%,这有可能会抵消电动汽车在使用环节时带来的GHG减排效果。因此,降低中国电动汽车制造环节的GHG排放变得愈发重要。除了采用更先进的制造工艺、不断优化流程以外,通过回收来降低原材料的消耗也是一种非常有效的方法。这不仅可以降低汽车报废后对环境的潜在污染,同时也可以把大部分主要金属材料回收运用到新的汽车制造中,尤其是在电动汽车大规模推广后,由于生产方式和材料的特殊性,动力电池的回收将成为一个巨大的环境难题,同时也是一个巨大的减排机遇。

    针对这一问题,我们对中国电动汽车回收进行了系统性的分析,从技术工艺角度评估了电动汽车回收的减排潜力,并在此基础上分析了世界各国关于汽车回收的相关政策法规。最后,因大部分电动汽车仍未到达回收年限,本研究对未来可能发生的情况进行了展望分析,预测了在法规充分实施情况下的中国未来电动汽车回收的环境效益。

    二、电动汽车回收的工艺技术

    电动汽车主要由车身、底盘、动力总成、转向系统、电池、轮胎等组成,根据拆解流程,电池和轮胎将在最初阶段被拆解下来交予专门的回收机构进行回收,而剩余部分将通过与传统汽车类似的整车回收流程进行回收,整个过程如图1所示,其中绿色底框表示回收环节。

    1.png

    图1 中国电动汽车回收链

    首先是整车(除电池、轮胎)的回收。目前全球范围内整车回收技术已经发展较为成熟,以欧洲最先进的整车回收流程为例,包括防污染预处理、整车拆解、压碎分解和分解后处理工序,其中分解后处理又包括了金属处理、塑料处理、能源再生等工艺。

    关于轮胎回收,这一技术在全球范围内都已经非常成熟,中国主要企业所采用的是动态脱硫技术。整个流程包括压碎分解、研磨、动态脱硫和重塑,最终可以获得粗制的丁苯橡胶。但由于轮胎本身质量与整车相比较小,轮胎回收的减排效益不大,意义主要在于橡胶的资源回收及其相关的经济效益。

    最后,关于电池回收,以三元锂离子电池(NMC)为例,目前全球主流的回收工艺包括火法回收和湿法回收。火法回收指的是通过熔炼、熔铸、烧结等方式对废电池进行金属冶炼式的回收,整个流程包括预处理、熔炼熔铸、电解、沉淀、烧结。湿法回收是由Retrievtech公司优化形成的工艺流程,整个过程包括预处理、碱浸、除杂和烧结。湿法回收相比火法回收消耗的能源少得多,但会消耗大量酸碱溶液。同时由于有碱浸的环节导致所有的铝都无法回收,在一定程度上带来损失。然而,由于湿法回收的效率和成本都强于火法回收,中国目前主流的锂离子电池回收企业多采用湿法回收,这一工艺将更有可能成为未来中国的主流工艺。

    三、电动汽车回收的减排潜力

    评估电动汽车回收的减排潜力,首先要对其在生产制造环节的GHG排放有明确的认知。目前全球各地针对这一课题已经有比较成熟的研究,如表1所示。

    表1 电动汽车生产的GHG排放

    2.png

    可以看到,在欧美等较发达的地区,因设备先进且能源结构中具有较多可再生、无污染的能源占比,每吨电动汽车制造所消耗的能源或排放比较接近且显著低于其他国家。然而在中国,由于相关的因素限制,电动汽车制造的GHG排放高于世界先进水平,中国每吨电动汽车制造的碳排放与美国相比高出了40%左右。而回收可以有效地改善这一情况。以中国的这一车型作为研究对象,在目前的技术工艺假设下,可以降低总计约5.1吨的GHG排放,这相当于制造环节产生的GHG排放的三分之一。如图2所示,整车回收和动力电池回收分别带来了78%和21%的减排效益,而轮胎回收则几乎无法对降低GHG排放有太大贡献,因此整车回收和动力电池回收是我们研究的重点。

    对于整车来说,回收效益主要来源于大量的再生钢铁和再生铝。以再生钢为例,由于我国目前炼钢的主要工艺是高炉-转炉,会消耗大量煤炭、焦炭,从而导致了大量的GHG排放;而钢铁再生使用的是电炉工艺,主要消耗的是电能,GHG排放大大降低。同时,由于整车的质量远大于电池,所以总的回收环境效益非常巨大。对于电池来说,回收效益的主要来源是三元正极材料。由于正极材料本身生产工艺的特殊性,使用回收再生的正极材料可以有效降低对原产正极材料的需求量,从而避免大量的GHG排放。从另一个角度来说,正极材料也是电池中最具价值的组成部分,因此电池回收也具有非常可观的经济潜力。 

    3.png

    图2 电动汽车回收的GHG减排效益

    具体到各个材料,如图3所示,钢铁和三元正极材料毫无疑问是最主要的减排效益来源。由于钢铁的回收量大,从而提供了更大的GHG减排效益,但如果折算成每千克减排效益,其效果远不如三元正极材料。事实上,以当前较初级的电池回收工艺来说,每回收1千克的三元正极材料可以获得6.8千克的GHG减排效益,这大约是钢铁的四倍。因此,电池回收更具有发展潜力,随着电池工艺的持续改进,更大的减排效益是值得期待的。

    4.png

    图3 电动汽车各材料回收的GHG减排效益

     

    四、电动汽车回收的政策变化

    为实现最大的效益,中国不仅要采用或开发更为合适的回收工艺,同时也要制定相关的政策,以确保回收产业的健康发展。欧洲、美国和日本都已经发展起了各自的电动汽车回收体系,这对我们后续的政策制定具有很大的参考价值。

    欧洲自2000年起开始实行2000/53/EC法规,要求欧盟所有的成员国在2006年实现85%的汽车回收和再生率,并在2015年将这个比例提升到了95%。经营者需要承担起报废汽车的收集、处理和回收利用的系统责任,而拥有者不需要承担任何费用。在监管方面,欧盟成员国需要建立报废汽车的注册和注销制度,只有符合规定的回收机构才可以为报废机构提供相关注销证明,而所有的汽车在生产后都会根据注册时间设立一个注销年限,若没有在年限内依法注销将会对经营者进行罚款甚至取消其经营权力。

    美国则依托市场的力量对废旧汽车进行管理。目前已经实现了高于95%的报废汽车回收率及80%以上的再生率。美国没有明确的监管机构要求汽车回收企业提高回收效率,但由于公众对于可能存在的有害污染物填埋现象具有极大的担忧,这会影响汽车回收企业的社会形象及潜在的用户,因此汽车回收企业也趋向于投入更多的资金去研发更高效的回收技术。

    日本社会与欧美有较大区别,因此主要依托于社会组织的监管力量促使大型汽车集团担负起回收的责任,并已实现了95%以上的回收率。日本政府于2002年通过了废旧汽车回收法,并于2005年正式开始实施,法规中明确了汽车生产商的责任,限制了消费者所应承担的回收费用,以及相关回收企业的资质审核与发放。这一法规不仅规范了原本无序的汽车回收市场,同时也促进了废旧汽车的资源回收。与此同时,日本民间存在较多非政府机构对回收链上的各个责任主体进行监管,依托民众的力量促使各方履行义务。这些机构在消费者中具有非常大的影响力,起到了非常积极的作用。

    自2001年国务院第307号令《报废汽车回收管理办法》起,中国政府出台了包括回收技术、回收责任、回收流程等在内的一系列汽车回收法规,完整构建了合理合法的汽车回收体系。但由于监管不足,部分地区的汽车回收还处于比较混乱的状态。对于电动汽车,中国政府在整车回收的基础上对动力电池回收提出了要求,并于2012年7月在《节能与新能源汽车产业发展规划》中首次提到了电动汽车动力电池的回收问题。随后紧锣密鼓地出台了《汽车动力蓄电池行业规范条件》、《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策》、《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》、《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范公告管理暂行办法》和《废电池污染防治技术政策(征求意见)》等一系列法规,并在2017年初通过《生产者责任延伸制度推行方案》强调了动力电池回收的各方责任。这些管理规定及法规有效规范了动力电池回收的市场秩序。通过效仿欧美日的做法,中国已经构建起了一套完整的电动汽车回收体系。尽管这一体系仍不够系统化,但已经具有较强的可实施性和监管能力。这将有效确保中国未来电动汽车的合法回收,从而合理地获取电动汽车回收应有的环境效益。

    五、总结

    研究表明,按照目前的电动汽车回收技术,中国可以通过合适的回收方式和再生资源的合理利用,有效降低电动汽车制造环节三分之一的GHG排放。其中动力电池回收具有非常大的发展潜力,且随着电池回收工艺的不断完善,这一环境效益将继续上升。为充分获取这一环境效益,不仅需要回收企业致力于采用先进的回收技术,也需要政府建立起合理的市场秩序和行之有效的监管手段。目前中国政府已经开始着手完善回收制度,并在欧美日的经验基础上建立了生产者责任延伸的回收体系。随着监管能力的进一步加强,其经济及环境效益值得期待。

    【下载】

     
     上一篇:新能源汽车和油耗法规对中国车队碳排放的影响
     下一篇:The impact of fuel cell vehicle deployment on road transport Greenhouse gas emissions: the China case
     
    清华大学(汽车系)汽车产业与技术战略研究院版权所有 Copyright @ TASRI · 2015 · All Rights Reserved
    备案号:京ICP备08004127号
  • TASRI微信二维码
  • TASRI_qrcode.jpg