Nature Communications｜考虑生命周期碳足迹的电池循环经济

随着环境问题的恶化和气候变化的加速，中国以外的国家正试图用更清洁的能源生产来使建筑和交通系统电气化。然而，电池本身是碳密集型的，特别是在制造、运输、操作和回收的过程中。因此，在电气化时代，有必要采取各种策略，在运行阶段通过可再生能源渗透抵消隐含碳，从而降低电池碳强度。然而，在减少电池碳排放和提高其经济可行性方面存在挑战，包括非线性行为表征（如电池循环老化和不确定性下的动态性能预测）的复杂性，结合策略进行能量转换和管理的瞬态系统模拟，碳减排和环境影响的定量分析，以及实际应用的经济可行性。因此，如何以高性价比的方式实现电池的碳中和值得探索。

考虑到建筑物的分布式太阳能供电和可控制的电网电力用于电池充电，电动汽车与建筑物或电网之间的能量交互是有效减少碳排放、高可再生渗透率和延长电池寿命以实现可持续发展的重要途径。已有研究发现，随着建筑逐渐从能源消费者向产消者转变，建筑-车辆互动能源网络可以解决可再生能源自耗高的间歇性问题。其次，电池级联利用是降低电池碳排放的一种经济有效的方法，因为电动汽车电池在其他场景（如集中式光伏发电场、建筑物等）的再利用可以延长电池的使用寿命，提高电池利用率，并储存更多的可再生能源。此外，二次再利用电池可以存储电网的非高峰电量，解决建筑能源系统的供需不匹配问题。因此，在不同气候条件下，基于电池循环经济实现电池碳中和的潜力值得进一步探索。此外，量化先进车联网（V2X）互动和电池的级联利用对碳中和行业的贡献也值得研究。

在这项工作中，研究了一个能源模式向分散化、可再生和可持续性转变的多能源区域社区，包括多向V2X交互、电池循环老化、生命周期电池循环经济、经济和整个电池寿命周期的碳排放。在此基础上，建立了相应的电池循环经济模型，即电池退化模型、暂态建筑-车辆能源网络模型、电动汽车电池梯级利用模型和电池碳强度计算模型。随后，探讨了不同气候类型下电池碳中和的途径。

电池生命周期和循环经济

传统的电池生命周期过程分为五个阶段：原材料开采、制造、运营、再利用和回收阶段，如图1a所示。在原材料开采和制造阶段，电池被制造出来，然后用于电动汽车（ev）。在先进V2X交互的运行阶段，如图1c所示，电动汽车电池不仅可以为电动汽车行驶提供能量，还可以作为移动储能来存储可再生能源，实现建筑物之间的能量共享，直到其相对容量下降到80%。多向V2X交互的原理可以通过补充图2 - 5等来解释。当可再生能源高于需求时，多余的可再生能源存储在电池储能系统（包括电动汽车）中。当可再生能源低于需求时，静态电池和电动汽车将提供能源以满足需求。在如图1d所示的电池再利用阶段，梯级式电动汽车电池利用技术可再利用电动汽车电池的相对容量为80%。将损坏的电池单体回收后，剩余部分可作为可再生能源电站的储能、建筑物的调峰、填谷等再利用电池，直至其相对容量降至60%。最后，在电池回收阶段，对相对容量小于60%的电池进行回收。

图1   电池梯级利用的电池循环经济原理图

车辆全生命周期碳排放分析

图2a显示电动汽车与内燃机汽车（即私家车和穿梭巴士）在营运阶段和生命周期过程的碳排放量比较。值得注意的是，在运行阶段，电动汽车（E-cars）的碳排放量（112.0-131.6 g CO₂,_e km⁻¹）远低于内燃机汽车（ICE-cars）的碳排放量（169.5gCO₂,_e km⁻¹）。然而，当考虑生命周期碳排放时，电动汽车（193.6-213.2 g CO₂,_e km⁻¹）和内燃机汽车（213.3 g CO₂,_e km⁻¹）的生命周期碳排放差异并不明显，因为电动汽车在制造和回收阶段的碳排放（77.14 g km⁻¹）高于内燃机汽车（43.80g km⁻¹）。对于穿梭巴士，如图2a所示，内燃机巴士（ICE -buses）在721.3g CO₂,_e km⁻¹时的生命周期低于电动巴士（E-buses）在715.7-784.4 g CO₂,_e km⁻¹时的生命周期。

图2    不同电网能量构成下电动汽车与内燃机汽车全生命周期碳排放比较

各种可再生能源系统的碳排放因子

图3显示了中国五个气候区不同省份的风能（图3a, b）和太阳能（图3c）资源丰度。中国的风能和太阳能资源在西部和北部相对丰富，在东部发达地区不足。在本研究的大城市中，上海风力资源最为丰富，平均风速为5.63 m s⁻¹，平均风力密度为190.41 W m⁻²。天津太阳能资源较为丰富，年水平辐射约为1527.60 kWh m⁻²。

图3    中国不同区域可再生能源隐含碳排放因子(ECEFs)分布特征

社区电池循环经济

根据不同的应用场景，电化学电池发挥着重要的作用，例如电动汽车的日常运输，光伏电池场景中的可再生能源自消费，光伏电池-电网场景中的电力稳定和频率调节，建筑-电动汽车场景中的需求响应和能源共享。为了探索零碳电池转型的途径，研究了五种典型场景，如图4所示。

传统场景（图4a，场景A）假设电动汽车由电网充电，由燃煤电厂输送电力，建筑物与电动汽车之间没有相互作用。此场景将用作参考场景。纯可再生能源支持情景（图4b，情景B）假设电动汽车完全由太阳能支持，建筑物与电动汽车之间没有相互作用。多向V2X场景（图4c，场景C）假设多个建筑物与电动汽车之间存在能量交互，电动汽车可以在不同地理位置的建筑物之间空间共享能量。

级联式电动汽车电池再利用场景（场景D，图4d）假设电动汽车电池的相对容量下降到初始容量的80%后，被重新用作建筑物的储能电池。协同场景（场景E，图4e）将多向V2X场景与用于建筑物储能的电动汽车电池级联再利用场景相结合，当电动汽车电池退役时，其相对容量下降到初始容量的80%。请注意，在所有场景中，研究的都是零能耗模式，即分布式建筑集成光伏（bipv）和现场风力涡轮机的年可再生能源总发电量等于建筑物和电动汽车的年用电量。

图4      建筑-交通共享能源网络的不同场景

在情景A（传统情景）中，电池碳强度在所有气候条件下均为正（图5a-g），其中上海（图5e）的碳强度最低，为1604.62 kg CO₂,e kWh^-1，北京的碳强度最高，为1857.08 kg CO₂,e kWh^-1。该值与煤基电网CEF高度相关，如图2b所示。在传统情况下，电动汽车充电的能源完全来自燃煤电厂。电网碳排放系数越高，将直接导致电池碳强度越高，特别是在运行阶段。在方案B（纯可再生支持方案）中，电池碳强度在所有气候条件下均为负（图5a-g）。这是因为更清洁的电力取代了煤基电力，而在煤基电网排放系数较高的地区，可再生能源的减碳效果更为明显。关于净现值，结果从13.59×103到83.94×103 US$不等（图5a-g），这是因为在不同的气候区域，电价普遍高于太阳能发电的成本。情景B的结果表明，在清洁电网中使用100%可再生能源，既可以显著降低碳排放强度，又可以提高经济效益。在场景C（多向V2X场景）中，电池碳强度较场景a大幅降低，如北京地区电池碳强度从1857.08 kg CO₂,e kWh^-1降低至- 134.47 kg CO₂,e kWh^-1（图5c）。这主要是因为，电动汽车与建筑能源的电力交互可以使BIPV和现场风力发电机的大量可再生能源在电动汽车中充电（北京为1.36×106 kWh），从而减少从电网输入的电力（北京为8.18×107 kWh，北京为8.05×107 kWh）。同时，大多数地区的npv在情景C中为正值。这表明，多向V2X交互可以提高集成系统的经济可行性，进口成本节约（即从电网进口的电量减少乘以电价）在电池循环老化成本中占据压倒性优势。 

图5      不同气候区电池生命周期碳强度与净现值

在这项工作中，研究了一个能源模式向分散化、可再生和可持续性转变的多能源区域社区，以及多向V2X交互和生命周期电池循环经济。提出了一种基于V2X交互作用、动态循环老化和电池级联利用率的电池生命周期碳强度量化方法。提出并制定了可再生能源共享社区的电池循环经济，包括车辆到建筑物(V2B)放电、建筑物到车辆(B2V)充电、电动汽车电池再利用、光伏电池存储和退役电池回收。然后，将该方法推广到中国五个具有不同太阳能风能资源的气候区域。计算电池更换频率、电池循环老化和电力政策的净现值，以指导能源、社会和治理(ESG)投资行为的经济可行性。探索并提供了全生命周期零碳电池转型的途径，以及用于经济可行性分析的相关净现值。以最小值进行保守分析，最大限度地实现“净零碳”结果的可能性。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49868-9

原文信息：

Song, Aoye, et al. "An electricity-driven mobility circular economy with lifecycle carbon footprints for climate-adaptive carbon neutrality transformation." Nature Communications 15.1 (2024): 5905.