我國HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環境效益分析

王 昶,魏美芹,姚海琳,*,左綠水

1 中南大學商學院, 長沙 410083 2 中南大學金屬資源戰略研究院, 長沙 410083

我國HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環境效益分析

王 昶1,2,魏美芹1,姚海琳1,2,*,左綠水1

1 中南大學商學院, 長沙 410083 2 中南大學金屬資源戰略研究院, 長沙 410083

廢舊動力電池包中含有豐富的鎳、鈷、稀土等稀貴金屬,其資源化利用是實現混合動力汽車(Hybrid Electrical Vehicle,簡稱HEV)全生命周期綠色化管理的重要內容之一。隨著HEV的不斷發展,動力電池包在未來幾年將逐漸進入批量報廢階段,其資源化利用的環境效益成為值得關注的問題。鑒于此,以豐田混合動力汽車鎳氫電池包為研究對象,利用GREET模型和LIME值法測算出,相比于原生礦開采,單位廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用所產生的環境效益為1083元；根據報廢周期,對我國市場上現存的HEV鎳氫電池包的未來報廢情況進行預測。結果表明,這些電池包將從2018年開始迎來報廢,在2021年達到報廢高峰,至2024年基本完成報廢；預計其稀貴金屬資源化利用的環境效益,可累計達9421萬元。提出了加強廢舊動力電池回收體系和資源化利用體系建設的政策建議。

HEV廢舊鎳氫電池包；稀貴金屬；環境效益；GREET模型；LIME值法

隨著我國汽車行業的快速發展,交通行業已成為中國最大的石油消耗行業[1]。我國環保部2011年《中國機動車污染防治年報》的統計結果顯示,機動車污染日益嚴重,已經是大氣環境最突出、最緊迫的問題之一。為緩解石油進口依賴和解決日益嚴重的大氣污染問題,節能與新能源汽車的推廣應用引發我國高度重視。從2012年開始,我國節能與新能源汽車得到大力發展,現已形成了以混合動力、純電動、燃料電池三大技術路線為代表的電動汽車研發和推廣格局,其中混合動力汽車(HEV)成為目前及未來一段時間的發展重點。動力電池是HEV的重要組成部分,也是推動HEV市場化的關鍵部件[2],主要包括鋰電池和鎳氫電池。其中,鎳氫電池已經進入成熟期,實現了規模化生產[3],目前在市場上占有主導地位。按照HEV鎳氫電池壽命大概為6a到8a測算[4],預計我國HEV廢舊鎳氫電池包將從2018年開始批量出現。HEV鎳氫電池包中含有大量的鎳、鈷、稀土等戰略性稀貴金屬。鈷是我國對外依存度最高的有色金屬,2013年我國的鎳對外依存度也高達70%。我國雖為稀土儲量大國,卻承擔了世界90%以上的市場供應。因此,廢舊動力電池包的資源化利用具有資源與環境的雙重價值,也是實現推動汽車全生命周期綠色化管理的重要內容之一。

目前,國內外學者對動力電池環境影響方面的研究,主要集中在以下兩個方面：一方面,對動力電池全生命周期的環境影響的研究。汪琪等[5]采用生命周期評價法(LCA)和生命周期成本分析對鋰離子正極材料環境價值進行分析；Notter[6]利用LCA對動力鋰電池進行研究發現,電池產生的環境影響占整車的環境影響只有15%,電池使用階段是全生命周期中造成環境影響的主要階段；吉林大學的盧強[7]等利用LCA法,參考GREET模型中部分相關數據,研究了動力磷酸鐵鋰電池和鎳氫動力電池從“搖籃到使用”溫室氣體排放情況；Matheys[8]、Majeau-Bettez[9]、Van Autenboer[10]和韓業斌[11]等人利用LCA法對不同的動力電池全生命周期的環境影響進行評估與比較。另一方面,對動力電池資源化利用環節的環境影響的研究。高洋[12]利用Gabi軟件計算了鎳氫動力電池和鋰離子動力電池資源化利用的環境影響；Dewulf[13]研究發現,對動力電池中鎳和鈷金屬進行資源化利用,可減少51.3%的自然資源消耗,包括減少45.3%的礦石消耗和57.2%的化石能源消耗。Kushnir[14]指出,回收廢舊動力電池可以減少對金屬能源的開采,降低電池的生產成本。此外,余海軍[15]總結了近年來國內外鋰離子電池和鎳氫電池資源化利用的方法。

從已有研究成果來看,目前對動力電池環境影響的相關研究主要關注電池在使用過程中帶來的節能減排效果,對其資源化利用環節的環境效益研究較少,缺乏對廢舊動力電池包中稀貴金屬資源化利用環境效益的研究。為此,本文對我國市場上現存的HEV鎳氫電池包中的稀貴金屬未來資源化利用的環境效益進行測算,為國家及早應對大規模動力電池的報廢管理提供科學依據,以促進汽車產業的綠色發展。

1 研究方法與數據說明

1.1 研究方法

圖1 HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環境效益計量模型Fig.1 The measurement model of environmental benefits of resource utilization of precious metals in HEV spent Ni-MH battery pack

本文首先運用GREET模型計算出,對單位HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬鎳、鈷、稀土進行資源化利用和原生礦開采的能量消耗和氣體排放情況,進而計算出相應的節能減排量；其次,利用LIME值法將減排的氣體轉化為環境效益；最后,利用市場供給A模型對我國市場上現存的HEV鎳氫電池包未來的報廢情況進行預測,進而計算出對其蘊含的稀貴金屬進行資源化利用的環境效益,計量模型如圖1所示。

1.1.1 環境影響測算方法

本文擬采用美國阿貢實驗室開發的GREET模型作為研究工具,對HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用與原生礦開采的環境影響進行測算。目前該模型已經開發出1系列(燃料循環模型)和2系列(車輛循環模型)。其中1系列在1995年提出,基于車用燃料生命周期開發的用于計算各種車用燃料能源消耗和空氣污染物排放的模型[16]。2系列針對整車開發,可用于評價和汽車相關的礦物的開采、原材料運輸、汽車零部件加工、整車裝配以及汽車報廢回收在內的整個車輛生命周期的能源消耗和污染物排放,包括動力電池包中稀貴金屬資源化利用及原生礦開采的能量消耗和氣體排放情況。GREET模型中氣體排放因子主要采用的是平衡法計算,如二氧化碳的排放因子采用的是碳平衡法計算。在使用該模型的過程中,本文對其中的相關數據進行本土化處理后再進行模擬。

GREET模型能耗計算基本原理為：對于特定的上游某一階段,用能量效率來計算每產出1千焦(KJ)能量輸出所需要的能量輸入,即：

(1)

式中,Energyin代表所有的能量輸入,efficiency表示能量效率。

該模型中,某種燃料生產過程中氣體排放情況的基本計算原理如下：

(2)

式中,EMi,j為某階段生產1KJ的燃料j所排放的第i種污染物的量(g),EMcm,i,j是為生產1kJ過程燃料j所排放的第i種污染物的量(g),EMup,i,j是生產1kJ過程燃料j上游所排放的第i種污染物的量(g),ECj是生產1kJ能量過程燃料j的消耗量(kJ)。

對于本文計算的動力電池包中稀貴金屬原生礦開采或資源化利用過程中氣體排放的計算原理如下：

(3)

式中,EMt,i,j為動力電池包中某種稀貴金屬原生礦開采或資源化利用過程中消耗的燃料j排放的第i種污染物的量(g),ej為燃料j的燃燒排放因子(g/kJ),ECt,j為動力電池包中某種稀貴金屬原生礦開采或資源化利用過程中燃料j的總消耗量(kJ)。

本文在考慮環境影響時,主要考慮全球變暖潛值(GWP)、酸化潛值(AP)及粉塵顆粒(PM2.5、PM10)。對GWP的評價過程中以CO2為標準物,包括CO2、CH4、N2O。對AP的評估過程以SO2為標準物,主要考慮NOx和SOx兩種氣體。對不同的氣體進行歸一化：

EMGWP=GWPCO2×EMCO2+GWPCH4×EMCH4+GWPN2O×EMN2O

(4)

EMAP=APSOx×EMSOx+APNOx×EMNOx

(5)

式中,EMGWP、EMCO2、EMCH4、EMN2O分別代表溫室氣體質量、CO2質量、CH4質量和N2O質量,GWPCO2、GWPCH4、GWPN2O分別為CO2、CH4、N2O的二氧化碳當量溫室效應影響因子。EMAP、EMSOx、EMNOx分別代表酸性氣體質量、SOx質量和NOx質量,APSOx、APNOx分別為SOx、NOx的二氧化硫當量酸性效應影響因子。

1.1.2 環境價值測算方法

所謂污染物的環境價值,是指減排單位量的污染物所避免“污染物經濟損失”的價值量,國際上廣泛采用環境成本對環境價值進行量化[17]。本文擬采用日本綜合產業技術研究所生命周期評估研究中心2005年開發的LIME值法測算污染物的環境價值。LIME值法運用了生態學、環境工程學等自然科學知識,將氣體對人類、自然資源等相關的多個領域造成的損害進行建模和評估。其基本原理是將不同種類的環境負荷物所造成的人類健康損害量在共同的端點匯總,通過靈活運用LIME的單一指標,把產品給環境帶來的各種影響轉換為貨幣價值,并且在指標合并時考慮各端點數之間的重要性。LIME依據層次分析法和結合法確定各終端的重要性清單,詳細劃分地球溫暖化、臭氧層破壞、大氣污染等11個環境領域中的1000種環境物質,以其為評價對象,通過下式求得單一貨幣化指標[18- 19]：

(6)

式中,Si表示物質i的生命周期清單,DFij表示物質i對保護對象j的損害系數,WTPj代表保護對象j的i指標單位損害回避意愿支付額。

1.1.3 動力電池包報廢數量預測方法

從國外的研究經驗看,動力電池包報廢數量的估算可以借鑒電子廢棄物產生量的估算模型[18]。Simon等人總結的7種主要的電子廢棄物報廢量估算模型中,市場供給A模型適用于預測HEV鎳氫電池包的報廢量,因此,本文擬采用市場供給A模型,對HEV廢舊鎳氫電池包的報廢數量進行預測。具體如下：

(7)

式中,Qw為HEV鎳氫電池包報廢量,Si為從該年算起i年前HEV鎳氫電池包的銷售量,Pi為壽命為i年的HEV鎳氫電池包的百分比,i為HEV鎳氫電池包的實際壽命。

1.2 數據說明

1.2.1 HEV鎳氫電池包成分參數

從全球范圍看,截至2015年7月底,豐田混合動力車的全球累計銷量已經突破800萬輛；從我國汽車市場研究會(CPCA)的HEV銷售數據看,豐田HEV在我國HEV市場上占有絕對的優勢。因此,本文選取豐田HEV廢舊鎳氫電池包為研究對象,該電池包也是HEV電池包的主要類型,其相關成分參數如表1所示。

表1 豐田HEV鎳氫電池包相關成分參數

1.2.2 基于GREET模型的環境影響測算數據

運用GREET模型進行模擬時,計算能量消耗和氣體排放時需要涉及到燃料的原料及來源、技術份額、排放因子、燃料的加工效率、密度、低熱值、碳含量、硫含量、運輸方式、運輸距離等數值。本文使用GREET模型中設定的2012年的模擬數據,對其中部分數據的修改參考來源于《中國能源統計年鑒》、《中國交通運輸統計年鑒》、《中國電力年鑒》及歐訓民[19]、齊天宇[20]、李書華[21]等學者的研究,詳見表2所示,其他數據均參考了GREET模型中的內置數據。此外,GREET模型中采用的單位與我國標準不同,本文的換算關系為：1Btu=1053.864J。

本文中的CO2、CH4、N2O的二氧化碳當量溫室效應影響因子GWPCO2、GWPCH4、GWPN2O的取值參考大氣環境變化國際政府間工作組織(IPCC)推薦的數據,分別為1、25、296。對于SOx、NOx的二氧化硫當量酸性效應影響因子APSOx、APNOx的取值分別為0.7和1[22]。

1.2.3 基于LIME值法的環境價值測算數據

本文根據日本發布的環境損害綜合系數表可查得CO2、SO2、粉塵(PM2.5、PM10)的LIME系數值,然后通過人民幣與日元之間的匯率將LIME值折算成人民幣,進而測算出HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用和原生礦開采的溫室氣體、酸性氣體和粉塵顆粒的環境價值,如表3所示。

1.2.4 基于市場供給A模型的數量預測數據

隨著我國《乘用車燃料消耗量限值》第三階段標準的出臺,政府從2012年開始加大對HEV的發展。在相關政策的刺激下,從2012年開始HEV成批投放市場。因此,本文選取2012年為時間起點,預測我國市場上現存的HEV鎳氫電池包未來的報廢情況。從2012年至目前(2015年10月),我國的HEV銷售量如圖2所示。

表3 污染物環境價值

LIME:Life-cycleImpactAssessmentMethodBasedonEndpointModeling

圖2 我國HEV銷售量(2012—2015)Fig.2 The sales of HEV in China (2012—2015) HEV: 混合動力汽車Hybrid Electrical Vehicle；數據來源于全國汽車市場研究會及混合動力汽車行業信息情報專家

根據HEV鎳氫電池壽命大概為6—8a,假設我國HEV動力電池包的平均使用壽命為7a,且產品的實際使用壽命圍繞平均使用壽命呈正態分布[23],大部分電池包在這一平均年限上下一年的時間內報廢。盡管有部分HEV廢舊鎳氫電池包經過簡單處理后可進行梯次利用,但因數量較少且情況復雜,本文暫未考慮梯次利用的情況。選取HEV鎳氫電池包的平均使用壽命7a為平均值,則HEV鎳氫電池包的使用壽命服從正態分布N(7,2/3),標準化后通過查正態分布表得HEV鎳氫電池包的壽命分布比例：壽命為6a的電池包概率為11.025%,壽命為7a的電池包概率為38.975%,壽命為8a的電池包概率為38.975%,壽命大于8a的概率為11.025%。即P6=11.025%,P7=38.975%,P8=38.975%,P9=11.025%。

2 結果分析

2.1 基于GREET模型的環境影響測算結果

根據表2中我國實際情況數據和GREET模型中2012年的內置數據進行模擬計算得到,單位HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬分別進行原生礦開采與資源化利用的環境影響如表4所示。

表4 單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬原生礦開采與資源化利用的環境影響

Table4EnvironmentalinfluenceofprimaryoreminingandresourceutilizationofpreciousmetalsinunitHEVspentNi-MHbatterypack

稀貴金屬Preciousmetals能量/MJEnergy溫室氣體/gGreenhousegas酸性氣體/gAcidgas粉塵/gDustCO2CH4N2OSOxNOxPM2.5PM10原生礦鎳Nickel56613870931456517957724125262Primaryoremin-ing氧化鈷Cobaltoxide249170486403232410稀土Rareearth734484211561163862165合計1Total166444525621676618153842150337資源化鎳Nickel7314424825816184923Resourceutilization氧化鈷Cobaltoxide3219481103401稀土Rareearth1046860220231239合計2Total2867530562911871001233

將上述得到的各溫室氣體和酸性氣體代入式(4)、(5),最終得出單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用的歸一化節能減排情況,如表5所示。

表5 單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用的節能減排量

2.2 基于LIME值法的環境效益測算結果

將表5中各污染物的排放量乘以表3中各污染物的環境價值得到,單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬,分別進行原生礦開采和資源化利用的環境成本,二者相減得到其環境效益如表6所示,其總的環境效益可達1083元。

表6 單位HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環境效益

2.3 基于市場供給A模型的環境效益預測結果

圖3 我國市場上現存HEV鎳氫電池包報廢情況預測 Fig.3 The forecast for the scrap situation of HEV Ni-MH battery packs in China

運用市場供給A模型對我國市場上現存的HEV鎳氫電池包未來的報廢情況進行預測,結果如圖3所示。由圖可以看出,我國市場上現存的HEV鎳氫電池包將從2018逐漸迎來報廢,在2021年達到報廢高峰,至2024年基本完成報廢。

假設對這些HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬進行有效的資源化利用,可產生環境效益累計達9421萬元,具體情況如表7所示。

3 結論與討論

廢舊動力電池包中含有豐富的鎳、鈷、稀土等稀貴金屬,其資源化利用是實現HEV全生命周期綠色化管理的重要內容之一。本文以我國市場上現存的HEV鎳氫電池包為研究對象,對其未來報廢后所含稀貴金屬資源化利用的環境效益進行了測算,研究表明：

(1)HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬資源化利用不僅具有資源價值,而且還有顯著的節能減排效果。相對于原生礦開采,單位HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬資源化利用可節能5777MJ,減排的溫室氣體為435627g、酸性氣體為18585g、PM2.5為138g、PM10為304g。因此,有必要進一步促進汽車廠商履行生產者責任,健全廢舊動力電池的回收與逆向物流網絡,完善汽車產業全生命周期的綠色管理體系。

(2)HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬進行資源化利用具有環境效益的正外部性。相對于原生礦開采,單位HEV廢舊鎳氫電池包中的稀貴金屬資源化利用可帶來的環境效益為1083元。然而,目前我國正規處置企業大多面臨回收難、成本高、效益差等難題,這將會影響未來廢舊動力電池的資源化利用。因此,國家需要出臺動力電池“以舊換新”、“抵押-返還”政策,完善處置基金制度,建立生態補償機制。

表7 中國市場上現存HEV鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用節能減排量及環境效益預測

Table7TheforecastofenergyconservationandemissionreductionandenvironmentalbenefitsfromtheresourceutilizationofpreciousmetalsinHEVspentNi-MHbatterypacksinChina

年份Year2018201920202021202220232024節能Energyconservation/TJ534951491386813減排溫室氣體Greenhousegasemissionreduction/t4032589716011226102725133995減排酸性氣體Acidgasemissionreduction/t1711030547944321942減排PM2.5PM2.5gasemissionreduction/t0124320減排PM10PM10gasemissionreduction/t0258741環境效益environmentalbenefits/萬元1006441780279125831276247合計Total/萬元9421

(3)隨著HEV的不斷上市,廢舊鎳氫電池包將在未來幾年逐漸進入批量報廢階段。我國市場上現存的HEV鎳氫電池包將從2018逐漸迎來報廢,在2021年達到報廢高峰,至2024年基本完全報廢。如果能夠對其蘊含的稀貴金屬進行有效的資源化利用,其環境效益累計達9421萬元。當前我國已把HEV列為《中國制造2025》重點發展領域,這將刺激HEV的消費,并由此帶來HEV鎳氫電池包的大規模使用。因此,我國應在HEV鎳氫電池包大規模報廢來臨之前,加快出臺拆解及資源化利用的技術規范及標準,實施嚴格的準入制度,為廢舊動力電池的資源化利用提早布局。

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Environmental benefit analysis of resource utilization of precious metals in HEV spent Ni-MH battery packs in China

WANG Chang1,2,WEI Meiqin1, YAO Hailin1,2,*, ZUO Lüshui1

1BusinessSchool,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China2InstituteofMetalResourcesStrategy,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China

In recent years, the Chinese government has committed to promoting the use of energy-saving and alternative energy vehicles, aiming to reduce dependency on oil imports and address the air pollution problem. Hybrid electric vehicles (HEV) have been developed in China since 2012. As a key component of hybrid electric vehicles, Ni-MH batteries have entered its mature period and should be replaced 2—3 times during the life of a HEV. Spent Ni-MH power battery packs contain a wealth of rare metals (e.g., nickel, cobalt and rare earth). The green utilization of these spent Ni-MH batteries is important because of their environmental value. With the gradual popularization of the HEV, the volume of spent Ni-MH power battery packs will increase over the coming years. The environmental benefits of utilizing waste Ni-MH power batteries will therefore become an important topic. Many studies have explored the environmental impact of utilization of power batteries, but few of them have conducted quantitative research on the environmental benefits of the utilization of precious metals from these batteries. For this reason, they cannot recommend specific policies for use in the future development of the HEV industry in China. To fill this gap, this study calculated the energy-saving and emission reduction effects of resourceful utilization of three precious metals (nickel, cobalt, rare earth) from HEV Ni-MH battery packs, with the application of the GREET model proposed by the Argonne National Laboratory in the United States. In this paper, energy consumption, greenhouse gas, acid gas, and dust particles were used as indexes to calculate energy-saving emission reduction effects. The Ni-MH battery pack of the Toyota HEV was selected as a representative model, as it is currently dominating the market. The results reveal that the per unit resourceful utilization of the three precious metals in the HEV Ni-MH battery pack can save 5777 MJ of energy and prevent the emission of 435627 g of greenhouse gas, 18584 g of acidic gas, 138 g PM2.5, and 304 g PM10, when compared to primary ore mining. This saved energy and reduced emissions can be converted into environmental benefits of 1083 Yuan using the LIME value method. We took 2012 as a baseline year for predicting the number of spent HEV Ni-MH battery packs in China because China′s HEV industry has developed rapidly since 2012, and many Ni-MH batteries have been put on the market since then. Based on sales of HEV Ni-MH battery packs from 2012 to 2015 and their life cycle, the quantity and distribution of spent battery packs were predicted using the market supply A model. The resulting predictions show that these battery packs will start to be scrapped from 2018, reaching a peak in 2021, and be out of the market in 2024. If precious metals in these battery packs were recycled and transformed into resources, the environmental benefit could be considered to be worth a remarkable 94.21 million Yuan. Finally, we proposed recommendations for the Chinese government for the improvement of policies and regulation concerning China′s HEV spent battery recycling and utilization industry. First, we suggest that an extended producer responsibility (EPR) system for problematic recycling should be established and the reverse logistics network should be optimized. Implementation of economic incentives (e.g., the policy of trade-in, deposit-refund, and ecological compensation mechanism) to foster spent battery recycling should be introduced. Finally, it is important to create technical specifications and standards for dismantling and recycling.

HEV spent Ni-MH battery pack; precious metals; environmental benefits; GREET model; LIME value method

國家社會科學基金重大資助項目(14ZB136)；國家社會科學基金項目(13BGL105，13CJY029，14BGL196); 湖南省軟科學項目(2013ZK2003，2013ZK3025)

2015- 07- 30;

2016- 03- 24

10.5846/stxb201507301605

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yaohailin14703@163.com

王昶,魏美芹,姚海琳,左綠水.我國HEV廢舊鎳氫電池包中稀貴金屬資源化利用環境效益分析.生態學報,2016,36(22):7346- 7353.

Wang C,Wei M Q, Yao H L, Zuo L S.Environmental benefit analysis of resource utilization of precious metals in HEV spent Ni-MH battery packs in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7346- 7353.