《Cell Reports Sustainability》刊发北航经管学院朱磊教授团队在退役动力电池梯次利用方面的最新研究成果

点击数:    |    加入时间:2024-05-11

北航新闻网5月11日电(通讯员 艾梦囡)近日,我校经管学院朱磊、姚星老师与合作者在我国推广退役动力电池梯次利用的研究中取得新进展。研究成果以“动力电池梯次利用助力中国农村实现可持续发展目标(Reusing Vehicle Batteries Can Power Rural China while Contributing to Multiple SDGs)”为题,于2024年4月26日发表于《Cell》子刊《Cell Reports Sustainability》,朱磊教授、姚星助理教授为共同第一作者,新加坡国立大学能源研究所苏斌研究员和中国科学院大学经济与管理学院汪寿阳教授为共同通讯作者,作者团队中还包括清华大学车辆与运载学院的郝瀚教授和中国石油大学(华东)周鹏教授。

电动化是道路交通领域实现低碳转型的一种重要方式,近年来我国电动汽车产业技术水平显著提升,电动汽车保有量增长迅速,但是关于电动汽车电池产品的生命周期管理体系仍然存在不足。理论上,当随车动力电池组容量衰减到80%以下就将进入电池退役阶段。我国即将迎来大批量的动力电池退役,届时,如何处理这些退役电池将成为一个重要的问题。根据废弃物管理的优先策略,对于电池的二次利用优于直接回收拆解,因此将退役动力电池作为一种静态储能设施(Retired Battery Energy Storage System, RBESS)并与波动的可再生能源相结合是一个潜在的利用选项。中国拥有当前全球最大的电动汽车市场,同时也通过“千家万户沐光行动”等措施在农村大力推进分布式光伏(Distributed Solar Photovoltaics, DSPV)的发展,因此DSPV+RBESS在我国农村居民部门具有一定的推广部署条件。并且,DSPV+RBESS的推广对于可持续发展目标(Sustainable Development Goal, SDG)具有重要的贡献。针对这一背景,本团队研究并构建了我国2021~2060年的动力电池回收利用体系,结果显示,到2060年,我国农村居民部门DSPV+RBESS可以实现3.6~4.0亿千瓦的分布式光伏装机规模,等效二氧化碳减排量为5.1~5.4亿吨/年,从退役动力电池中提取的Li、Co元素规模将有望达到其2021年全球开采量的88.8%和60.0%。这一电池回收利用体系的建立将有望促使可持续发展支持政策由以往的补贴驱动政策转向基于市场手段的政策。

研究分别设置了基准电价情景(Base Scenario)和强化分时电价情景(TOU Scenario)。研究发现,在2030年前,该模式就有望可以实现超过2亿千瓦的DSPV+RBESS部署规模,到2060年,在两种情景下,我国农村居民部门可实现89.3%和98.8%的分布式光伏渗透率,届时年光伏发电量将超过6000亿千瓦时,实现超过5亿吨/年的碳减排规模。主要部署省份集中在黄河中游地区、西南地区和长江中游地区。

图1 Base情景(左图)与TOU情景(右图)下通过供需匹配实现的DSPV+RBESS规模

采用DSPV+RBESS的农村居民部门用户,可以节约94.4%~127.6%的年电费支出,大部分投资者可以通过向电网售电实现正向收益,随着光伏渗透率的提升,2030年前,电费节约规模将持续快速增加,随后增速逐渐放缓。在Base情景下,DSPV+RBESS倾向于优先部署在光伏资源条件较好的地区,且在生命周期内大多数RBESS的增量收益(相对于仅部署DSPV)较低,超过71.7%的RBESS项目增量价值低于1000元/kW;而在TOU情景下,RBESS的收入构成将更大程度上受到电力峰谷价差的影响,生命周期内RBESS的增量收益显著增加,近80%的RBESS项目可以实现超过1000元/kW的增量收益。

图2 DSPV+RBESS的年电费节约规模(左图,十亿元人民币)和RBESS的平准化单位增量价值(右图)

长期来看,通过DSPV+RBESS模式构建起电池回收体系对于退役电池内主要金属元素的回收意义重大。根据动力电池的二次寿命及参与梯次利用的规模占比,动力电池自退役期始,其主要金属元素的再生过程会存在0~15年的滞后期。研究根据未来电动汽车增长规模与电池技术的假定,计算了从退役电池再生的金属元素占新电池生产需求中的比重情况,结果显示,到2060年,在新电池生产过程中可以有33.9%~61.6%的Li,38.8%~69.0%的Co,37.6%~68.7%的Ni和42.1%~69.8%的Mn来自于退役电池中的再生元素,因此退役电池回收利用体系对于资源可持续利用具有重要意义。

图3 新电池生产中来源于退役电池再生元素的占比

本研究认为,退役电池回收利用体系的建立宜采用循序渐进的方式。初期,受制于本地退役动力电池规模普遍较小,不宜在各省都建立本地退役电池回收处理中心,电池处理中心的选址很大程度上受到电池退役规模、RBESS需求和电价机制的共同影响。在规划期内,动力电池退役与DSPV+RBESS部署呈现一定程度的区域逆向分布,广东、上海、浙江、北京等地由于其具备较大规模的电动汽车保有量,退役电池规模占全国比重接近50%,而农村居民部门DSPV+RBESS则主要部署在黄河中游地区、西南地区和长江中游地区,因而基于电池处理中心的建设优化退役电池的跨区流动十分必要。

图4 2021~2030年Base情景(左图)和TOU情景(右图)下的退役电池流向(从左至右电池流向依次代表动力电池退役-电池回收处理-电池梯次利用)

图5 2031~2060年Base情景(左图)和TOU情景(右图)下各省电池处理中心建设情况

基于上述分析,本研究从SDG1(消除贫困)、SDG7(清洁能源)、SDG9(工业创新)、SDG12(永续供求)、SDG13(气候行动)等5个方面分别测算了不同时期下推广DSPV+RBESS对于实现可持续发展目标的贡献。

•近期(2021~2030年):DSPV+RBESS的经济性将助力退役电池回收体系在不依赖补贴政策的条件下顺利建立,但是在2028年之前,退役电池供应不足将限制其发挥应有的作用,推广分时电价机制对于SDG1的意义重大,在TOU情景下,到2030年DSPV+RBESS的渗透率将达到50%以上,节约的年电费支出将达到base情景下的2.6倍。

•中期(2031~2040年):到2040年,我国农村居民部门的DSPV+RBESS部署将趋于饱和,有助于实现能源转型目标,对于SDG7和SDG13的贡献较大。实施分时电价机制对于SDG1的贡献较大,而对其他可持续发展目标的影响较小。

•长期(2041~2060年):在这一时期,退役电池规模将远超过农村居民部门DSPV+RBESS的需求,仅有约不到15%的退役电池可被用于DSPV+RBESS。退役电池回收利用体系对SDG9和SDG12的贡献较大,从退役电池中再生的Li资源可以达到0.2~9.5万吨/年,Co资源可以达到0.3~9.9万吨/年。

(a)Base Scenario

(b)TOU Scenario

图6 2021~2060年DSPV+RBESS对于各可持续发展目标的贡献

未来我国电动汽车将持续快速增长,本研究基于多种方法结合农村居民部门分布式光伏发展提供了一个针对退役电池回收利用的长期解决方案。本研究得到的主要政策启示如下:

通过推广DSPV+RBESS模式可以在不依赖补贴政策的条件下构建退役电池回收利用体系,并缓解分布式光伏发展滞缓的问题,助力我国碳中和目标的实现。

针对DSPV+RBESS在农村居民部门的应用场景,我国退役电池的供需存在一定程度的区域逆向分布,优化退役电池的跨区流动,合理布局退役电池处理中心是该模式顺利推进的重要先决条件。

实行分时电价政策并且进一步扩大峰谷价差可以显著提升DSPV+RBESS的经济性,有助于这一模式的推广,并且会影响到该体系初期的处理中心选址。

尽管该模式对于可持续发展目标的实现具有多方面的贡献,但是值得注意的是,这一模式的落地仍将面临诸多方面的挑战,例如基础设施缺乏、融资渠道不完善、公众认知不足、技术体系不成熟、电池安全性担忧等,这需要包括政府在内的所有利益相关方在多环节通力合作,在商业模式创新等方面做出努力。

本研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目、教育部人文社会科学研究青年基金项目等项目的支持。

(审核:郑海涛)

编辑:贾爱平


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