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申论|电池退役潮将至,上海如何构建动力电池回收再利用体系

大力发展新能源汽车产业既是中国推动绿色经济、实现“碳达峰、碳中和”目标的关键举措,也是上海市建设具有国际影响力的科技创新中心的重要组成部分。根据上海市新能源汽车公共数据采集与监测研究中心数据显示,上海新能源汽车年销量从2014年的1.1万辆升至2020年的12.8万辆。截至2020年,上海新能源汽车保有量达42.5万辆。动力电池作为新能源汽车核心零部件,其生命周期远低于新能源汽车正常使用寿命。一般而言,新能源汽车平均使用寿命为15年,乘用车动力电池生命周期约8年,商用车动力电池生命周期则低于5年。

伴随着近年来上海市新能源汽车销量井喷式递增,预计2022年上海市将迎来动力电池的退役潮。然而,目前上海尚未形成完善的动力电池回收再利用体系,这无异于阻碍了新能源汽车产业的可持续发展。2021年政府工作报告首次提出“加快建设新能源汽车动力电池回收再利用体系”。上海作为中国最早推广新能源汽车且新能源汽车保有量最多的城市,应尽快完善动力电池回收再利用体系,实现新能源汽车产业的跨越式发展。

一、完善废旧动力电池回收再利用体系的迫切需求

(一)EPR制度下的新能源汽车企业生存需求

2021年,工业和信息化部门、科技部、生态环境部、商务部、市场监管总局联合印发《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法》,明确落实生产者责任延伸(Extended Producer Responsibility,EPR)制度,要求新能源汽车生产企业建立动力电池回收渠道,负责回收新能源汽车使用及报废后产生的废旧动力电池,进行梯次利用或再生利用。伴随着新能源汽车废旧动力电池的退役浪潮逼近,尽快完善废旧动力电池回收再利用体系是EPR制度背景下新能源汽车企业创新发展的必经之路,有利于保障新能源汽车行业稳定发展。

(二)可持续发展中的城市生态安全需求

废旧动力电池若采取普通垃圾处理方法(包括填埋、焚烧、堆肥等),其内所含的钴、镍、锂、锰等金属及无机、有机化合物将对大气、水、土壤造成严重污染,威胁城市生态安全。若随意掩埋或丢弃废旧锂离子电池,不但会泄漏有毒物质,当电池温度升高时,有机溶液会与电极表面之间还会发生剧烈反应,甚至当隔膜破损后,电极容易发生短接而致使电池爆炸,严重危及人民生命安全。因此,有必要建立高效、精细的动力电池回收再利用体系,保障城市生态安全并实现城市可持续发展目标。

(三)稀缺性视角下的国家战略资源保障需求

废弃动力电池含有诸多具有回收价值的金属,其中锂、钴、镍是钴酸锂、三元材料等主流锂离子电池正极材料的重要组成元素。目前,电池生产对贵重金属的需求与其储量匹配失衡。以钴为例,中国钴储量仅占全球1%,70%的钴资源已用于电池生产与开发,国内市场95%的钴依赖进口。据废旧动力电池回收行业报告显示,废旧三元电池中锂、镍和钴的平均含量分别为1.9%、12.1%和2.3%。再生利用可通过拆解再生和化学方式提取,将钴、镍、锂等贵金属再次作为生产原料投入使用。随着新能源汽车市场需求不断扩大,动力电池原材料匮乏已成为制约其发展的关键因素。因此,对废旧动力电池的回收再生利用有助于缓解中国储能资源短缺的现状,能够提高资源利用效率并降低资源对外依存度,具有保障国家战略资源安全的重要意义。

二、完善废旧动力电池回收再利用体系的关键瓶颈

(一)不同类型废旧动力电池性能差异亟需考虑

一方面,不同类型汽车搭载的动力电池重量存在差异。根据《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》的文件,新能源汽车主要包括纯动力汽车和插电式混合动力汽车两类(燃料电池汽车因经济性不足暂不考虑),不同类型的汽车搭载的动力电池重量差异较大。例如,纯电动汽车的电池平均重量不低于550kg,而插电式混合动力汽车的电池平均重量不足250kg。另一方面,考虑新能源汽车的用途因素,动力电池寿命也存在差异。一般来说,乘用车的动力电池寿命约8年,车辆寿命周期内需更换2次电池,商用车的动力电池寿命低于5年,车辆寿命周期内需更换3次电池。这些性能标准差异加大了动力电池报废量及再利用需求的预测难度。

(二)回收再利用技术与模式的双重困境亟需突破

废旧动力电池回收模式有待规范。根据数据显示,2020年中国退役动力电池市场价值达131亿元,预计2025年其市场价值可达354亿元。对废旧动力电池进行高效回收是实现这一市场价值的第一步。目前废旧动力电池回收模式以生产者自主回收、生产者主导的第三方回收和生产者主导的联合回收模式为主。在运营方面,回收标准不统一、回收过程不规范、回收资源利用效率不一致、重复建设降低规模效应等问题还有待完善;在收益方面,回收价格不统一、回收利益分配不明确、回收权责方不明晰等诸多问题凸显,限制了废旧动力电池的有效回收。

废旧动力电池梯次利用应用场景有待拓展。废旧动力电池梯次利用包含两个层次,第一梯次利用场景(电池容量为40%~80%)主要为储能系统,如风电储能、分布式能源系统等,而第二梯次利用场景(电池容量为20%~40%)主要为低速电动车,如电动自行车、AGV低速物流车等。这两种场景的市场需求均受政策制度、经济技术发展、环境压力等因素影响,导致梯次利用的市场需求预测复杂、场景推广具有难度。上海市目前动力电池梯次利用的推广程度较低,仅少数企业应用梯次利用的动力电池,如上海电机厂将电动车淘汰的电池组用到园区的储能系统。因此,考虑不同层次梯次利用的交叉场景能最大化挖掘废旧动力电池的潜在市场价值。

废旧动力电池再生利用技术有待突破。废旧动力电池再生利用需通过破碎、拆解和萃取,使得有效资源重新用于新电池的生产制造。但现有再生利用技术具有较高的环境维护成本,处理过程中不仅工序复杂,具有交叉污染的风险,其所产生的废气、废液和废渣还必须实现完全回收、经过净化处理达标后排放。同时,受现有技术限制,再次利用所用的化学沉淀法、萃取法、电化学沉积法导致目标金属分离困难,降低了再生效率。从技术上克服环境维护成本高、再生损失率高是再生利用实现规模发展的关键。

(三)废旧动力电池的全过程处置体系亟需建立

目前,上海市尚处于动力电池回收利用产业发展模式的探索阶段,未建立动力电池回收、拆解、处理、再利用的全过程处置体系。在回收方面,目前上海已建成364个暂存性电池回收服务网点、2个第三方集中型存储网点,2021年底回收网络将基本覆盖全市;在梯次利用方面,上海煦达等企业荣获中国梯次利用标杆企业奖,但仍需进一步探索上海特色的梯次利用应用场景;在再生利用方面,相比京津冀和珠三角地区,上海尚缺乏再生利用企业及本地资源循环再利用的能力。2019年,在工信部发布的符合《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》企业名单中,申报类型为再生利用的8家企业中1家位于京津冀地区,3家位于珠三角地区,上海市并没有再生利用企业入围。目前上海市的回收及再生利用现状,无法适应未来新能源汽车的持续发展以及大规模退役动力电池的回收再利用。

三、完善废旧动力电池回收再利用体系的几点建议

(一)加强废旧动力电池回收供给端精细化管理

对废旧动力电池进行分类管理。考虑动力电池回收模式差异、不同用途的新能源汽车动力电池寿命差异、不同类型的新能源汽车搭载动力电池重量差异,应对废旧动力电池进行分类精细化管理,细节考虑动力电池类型(如三元锂电池和磷酸铁锂电池)、新能源汽车用途(如商用车和乘用车)、每台汽车搭载动力电池重量(如纯电动汽车和插电式混合动力汽车)等因素,将新能源汽车划分为不同类型,如三元锂电池纯电动乘用车、三元锂电池纯电动商用车、三元锂电池插电式混合动力乘用车、三元锂电池插电式混合动力商用车、磷酸铁锂电池纯电动乘用车、磷酸铁锂电池纯电动商用车等。

构建动力电池报废量科学预测体系。新能源汽车动力电池报废量的科学预测是完善废旧动力电池回收再利用体系的关键前提。一是精准预测新能源汽车销量,通过系统刻画影响上海市新能源汽车市场发展的关键因素,其中驱动因素包括新能源汽车性能、充换电设施数量、财政补贴等;抑制因素包括新能源汽车平均价格、动力电池平均价格、充电成本,通过系统仿真对不同政策情境下的上海市新能源汽车销量进行科学预测。二是,综合考虑新能源汽车保有量、动力电池重量差异、寿命差异等因素,构建动力电池报废量的动态预测体系,该体系的预测结果将对废旧动力电池回收再利用体系的规模和结构设计具有指导意义。

(二)推进废旧动力电池再利用需求端应用场景合理化拓展

纳入上海市本土清洁能源发电储能体系。第一梯次利用(电池容量在40%-80%区间)可应用于上海市存在储能需求的相关领域,尤其是本土清洁能源储能领域。目前上海市电力结构以火力发电为主。根据上海市统计局数据,上海市2019年总发电量为822.13亿千瓦时,其中以煤炭燃烧为主的火力发电量占总发电量的95.2%。由于风电和光伏发电具有随机性、间歇性和波动性,且具有反调峰特性,将废旧动力电池的梯次利用纳入储能系统不仅能丰富其应用场景,还能将风电、光伏发电等间歇可再生能源发电量进行消纳,提高电力系统的稳定性,有助于解决上海市本土清洁能源发电储能问题。

应用于分布式循环充电系统服务智能港口建设。第二梯次利用(电池容量在20%-40%区间)可应用于集装箱码头的分布式循环充电系统。根据交通运输部《交通运输行业重点节能低碳技术推广目录(2019年度)》,在集装箱码头采用全电动驱动的AGV替代传统柴油集装箱卡车,建立分布式循环充电系统,兼顾充电及集装箱作业,能够减少能源消耗及污染物排放。上海市作为全球航运中心,将废旧动力电池的梯次利用应用于分布式循环充电系统,这将推进AGV小车的应用,助力于港口的智能化升级和绿色低碳建设。

联合城市换电站网络为低速电动自行车补能。第二梯次利用可应用于低速电动自行车充电场景。电动自行车作为绿色、灵活和具有韧性的交通工具,是绿色交通系统不可或缺的组成部分。2021年,中国电动自行车保有量已超过3亿,并仍在以每年30%的速度递增,仅以拥有常住人口30万的上海浦东新区北蔡镇为例,电动自行车保有量已达到8万,实现电动自行车高效环保充电成为关乎民生的重要问题。结合目前已初见规模的城市换电站网络,将废旧电池应用到低速电动自行车的补能系统中,不仅拓展了废旧动力电池梯次利用的应用场景,同时还有利于解决公共交通出行“最后1公里”难题,有助于上海市绿色立体交通出行体系的构建。

(三)健全市场机制实现废旧动力电池回收再利用供给-需求平衡

明确动力电池回收再利用市场准入门槛,提升回收再利用处理能力。针对上海废旧动力电池回收再利用处理能力不足的问题,依据废旧动力电池报废预测体系,明确能够体现市场特质的动力电池回收与再利用市场准入门槛。一是引入专业型第三方废旧动力电池回收及再利用企业,同时采用押金和奖励并行制度提高新能源生产企业和消费者对动力电池回收的积极性;二是确定回收环节企业责任,完善动力电池回收模式,加强回收渠道及网络建设,提高动力电池回收率;三是促进电子溯源技术和区块链技术的推广应用,提高动力电池梯次利用率。

推进绿色能源及绿色交通体系发展,合理化再生利用产业布局。绿色能源和绿色交通体系的快速发展以循环能源再生利用为关键基础,该领域的可持续快速发展是促进废旧动力电池回收再利用产业布局的主要驱动力。一是刺激需求场景的增加,促进动力电梯再利用场景的有效拓展,如在港口推广AGV小车应用、加快建设城市电动自行车充电换电站网络;二是积极引入废旧动力电池再生利用的企业落户,完善再生利用产业布局,加强动力电池回收网络与再利用网络的联动机制;三是增强再生利用技术的安全性,加强产教融合的双引擎制度建设,有效促进废旧动力电池再生利用技术成果的市场转化,提高动力电池再生利用率。

[本文依托于2021年上海市“科技创新行动计划”软科学重点项目——基于供给-需求端预测的动力电池回收再利用模式设计及对策研究:以上海市为例(批准号21692109300)。作者张李浩系上海海事大学物流科学与工程研究院副教授,张默系上海海事大学经济与管理学院副教授。]

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