电动汽车真的环保么?
原创2019-06-05 15:50

电动汽车真的环保么?

从第二次工业革命至今,石油成为主宰一切的“上帝”,从政治到经济,从生产到生活。作为全世界依赖的主要能源,石油在推进人类进步的同时,也在“毁灭”着人类。


当年看《2012》的时候觉得“世界末日”的情景还很遥远,如今2019年,虽然并未发生电影中的惨剧,但在全球仍有诸多迹象预示着,如果再不做任何改变,“地球会很生气,后果会很严重”。


所以人们一听到“新能源”,就不由自主的觉得是世界的“救主”,而电动汽车作为新能源汽车中的一员“大将”,自然背负着同样的使命。


汽车尾气


产生上述认知的根源,是由于燃油车尾气排放物中,含有上百种不同的有害物质,其中有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等。人们刚听说氢能源汽车时,以排放仅为“水”作为判断,认为一定很环保,而如今没有尾气排放的电动汽车走进了人们的生活,自然而然就被认为是拯救环境的“福星”。


然而现实并非如想象的一样“丰满”。


如今这个时代,商家绞尽脑汁想出宣传方案,刺激人们的消费欲望,似乎任何商品只要被赋予一定的“意义”,就能有市场。例如钻石,在没有被开发出“代表爱情”喻意之前,不过就是用于工业切割罢了。


当年柴油车横空出世,“省油、环保”被作为标签直到大众“排放门”之后才被撕掉,而如今电动汽车同样被冠以“环保”称号。诚然,电动汽车没有排放,所以也就不会拥有同样的尾气污染,但是电动汽车从制造到被使用过程中,伴随着大量二氧化碳产生,而二氧化碳正是导致全球变暖的主要因素。


(南极洲Pine Island Glacier海平面高度变化)


全球变暖并非仅仅是夏天变热和冬天变暖,如果持续下去将会发生如同《2012》电影中的景象,海洋吞没大陆,而后进入“冰川世纪”。研究表明南极洲的海平面,在近20年上升迅速,受温室效应的影响,相较于1990年上涨了8mm,并且仍以较高速度继续提升。


(中国地区气温变化)


或许海平面上涨,是大部分人是无法直观感受到的,但是温度的变化相信很多人深有体会。中国在1951年至2017年,地表年平均气温平均每10年升高0.24℃,升温率高于同期全球平均水平。


可以预估的严重后果并不遥远,所以欧盟针对二氧化碳排放制定了严格的标准,用高昂的罚款来“促进”各大汽车生产商尽快作出改变。


“真假”环保


电动汽车虽然在行驶过程中并无二氧化碳释放,但其制造过程本质上与燃油车无太大区别,仍旧会随着工厂生产流程,排放大量二氧化碳。


(生产不同类型车辆释放二氧化碳数值,来自维基百科)


麻省理工一份研究显示,生产一辆燃油车大约释放2-17吨二氧化碳, 而生产一辆电动汽车释放二氧化碳是要高于这个数值的。2016年在《Journal of Sustainable Development》杂志中刊登的一篇研究显示,在发展中国家马来西亚每生产一辆燃油车约释放4.2吨二氧化碳,每生产一辆电动汽车约释放5.7吨二氧化碳。维基百科统计数据中,制造一辆普通燃油车约释放5.6吨二氧化碳,混动为6.5吨,插电混动是6.7吨,纯电动高达8.8吨。



之所以会产生这种结果,是因为电池制造过程会释放大量二氧化碳,在电动汽车释放总值中占比可高达70%。但是不同车型搭载不同大小的电池组,意味着不同占比,不方便作对比。所以笔者将电池生产所释放的二氧化碳值去掉,并为了“公平”起见,把生产排放值统一为每生产一辆汽车产生10吨二氧化碳。



如今生产电池的企业有很多,使用的配方和工艺也不尽相同,所以选用比较有代表性的日产Leaf电池组和特斯拉Model S电池组作为参照对象。根据资料显示,生产Leaf所使用的30kWh电池组约释放1-5吨二氧化碳,而生产特斯拉的100kWh电池组约释放6-17.5吨二氧化碳。



由于影响其变量的原因有很多,我们选取最大值作为比较以减少可能的误差。此时仅从生产流程角度看,生产电动汽车所释放的二氧化碳将远超过燃油车。


(不同类型汽车平均每年释放二氧化碳量,数据来自US.Department of Energy)


根据美国能源部资料显示,平均每辆燃油车每年约释放5.2吨二氧化碳(每年行驶19200公里,每天约50公里)。电动汽车虽然没有尾气排放二氧化碳,但是制造电力是伴随着二氧化碳排放的。


(不同国家电力基础下电动汽车的二氧化碳排放)


根据不同地方电力来源不同(煤、水利、核电等),所对应释放的值也不同。例如法国、瑞典等国家电力来源较为“清洁”,其对应的电动汽车二氧化碳排放较低,而印度、澳大利亚以及中国的电力结构仍存在大量的“污染”,所以对应的排放值就较高。如今全球都在减少“污染严重”的发电设施,假设使用较为“清洁”的电力来源(绿色部分平均值),那么按年均行驶19000km计算,每年约排放2吨的二氧化碳。

 


那么把生产过程和使用过程的二氧化碳排放量加在一起,用最简单的方程式表达,燃油车生产排放+燃油车每年行驶排放*年数=电动汽车生产排放+ 电动汽车每年行驶排放*年数。


(行驶2年二氧化碳总排放)


(行驶6年二氧化碳总排放)


代入数值后可得,使用30kWh的日产Leaf电动汽车,其二氧化碳的总排放在不到2年就会低于燃油车,而使用100kWh的特斯拉Model S则在6年左右低于燃油车。


注意,上述比较是基于“较高”制造排放值基础的,如果将制造排放降低为5吨,日产Leaf将在半年左右低于燃油车排放,特斯拉Model S将在不到2年即可低于燃油车。此外,燃油车已经走过了约100年的发展路程,其生产、使用情况近期内不会得到巨大的改善,而电动汽车行业才刚刚起步,无论是整车还是电池的生产制造工艺都在飞速进步,其二氧化碳的排放也将会进一步降低。


耶鲁大学的研究报告指出:“从汽车制造到使用循环结束,电动汽车要比燃油车环保很多。”从上述分析对比中不难看出,虽然在制造环节电动汽车“贡献”的二氧化碳与燃油车相差无几,甚至搭载较大电池还会释放更多二氧化碳,但是放眼整个汽车使用周期,电动汽车比燃油车要环保的多。


(燃油车尾气中有害物质)


当然,笔者也看到过多次有人提出质疑,“虽然电动汽车本身不会像燃油车那样排放多种有害物质,但是就像大量废弃的手机电池,对环境造成巨大危害,所以电动汽车无非是‘换汤不换药’罢了。”


电池何去何从


首先要明白一个问题,虽然都叫“锂电池”,电动汽车使用的锂电池和手机电脑使用的锂电池是不同的。手机电脑使用的锂电池是“锂钴氧化物电池”,其特性是:“能量密度大,使用寿命短”,由此才达到电池足够小和电池容量足够大,另外此类产品本身被淘汰的速度就很快,所以在保证一定使用寿命即可,即“牺牲寿命,换去性能”。



电动汽车使用的锂电池目标不同,例如特斯拉使用的是“锂镍钴铝氧化物电池”,其特性是:“能量密度较大,充放电速度高,使用寿命长,成本高”,其目的是以较小体积、重量实现大容量,快速放电以满足汽车性能,快速充电满足日常使用方便,寿命长,满足作为汽车使用寿命的要求。


不过仍旧有人会质疑:“使用寿命长?多长呢?三年?还是五年?几年后电池总容量损耗后,不是还要花很多钱购买?”

(特斯拉车主分享的电池数据统计,来自Tesla Battery Survey)


根据特斯拉用户的调查报告,以及网上特斯拉车主长期记录统计得数据,绝大多数特斯拉电池的寿命为185000英里(30万公里)左右降至90%电池容量,其中一位Model X车主,甚至在60万公里左右仍有89%的电池容量。特斯拉提供的“8年或19.2万公里”电池保修政策也足以侧面证明其寿命,如果在两个条件内电池损耗至70%以下,即可免费更换电池。


问题是即便保证了使用寿命,电池终究会面临“寿终正寝”的一天。锂电池中含有大量“有毒”物质,如果释放到大自然中,必将造成严重的污染,并且锂电池还有爆炸的危险,过去锂电池95%被直接废弃,导致全球多次发生垃圾处理时锂电池燃烧或爆炸事件。


(锂电池回收流程)


锂电池的回收,主要是指其中重要的原材料的回收,例如锂、钴和铝等金属元素。2018年12月,一篇刊登在《Journal of Power Sources》的论文《Recycling of lithium-ion batteries: Recent advances and perspectives》中,详细阐述了如何对锂电池进行回收。通过将电池粉碎,分拣出主要成分,再经过酸洗得到较为纯粹的元素物质,最后再进行回收利用。



另外一种回收方式,是用低频率超声波将电池中不重要的材料“洗掉”,得到所需物质,该技术比较节能。最为被看好的一种回收方式是“生物降解”,利用植物的酸性物质,和能够在其中生存的细菌,“分解”电池,最终可以从电池中提取100%锂、100%钴和75%的铝。


传统的铅酸电池由于其技术较陈旧,并且工艺和成分大都相同,已经能够做到99%的回收利用率。而锂电池发展迅速,每家公司之间所使用的材料和工艺也不同,所以很难达到“成本低,耗能低、回收率高、环保”的理想目标。不过目前已经有多家厂商可以完成锂电池电池回收,Li-Cycle科技公司每年回收利用约25万吨锂电池,澳大利亚Enviro-Stream公司在2018年已经实现了24万吨的目标。


特斯拉与松下合作的超级工厂,也拥有自己的回收业务,其目标是通过回收锂电池并重新制造新电池,节省原材料购买的成本。Umicore是给特斯拉提供原材料的主要供应商,拥有一套完整的回收方法,能够减少70%的二氧化碳排放并能够再次利用回收提供给电池制造商。特斯拉给出的另一个解决方案是回收锂电池作为其他用途使用。例如马斯克的太阳能源公司SolarCity,将损耗的电池组重新组装成太阳能储能装置,用于储存“多余”电能。



回收锂电池需要多方面的努力,除了技术之外,法律、政策、环保以及经济等因素都会影响其发展。如今已经有多个国家地区制定了相关法律政策和“激励”措施,随着电动汽车趋势的逐渐到来,目前仍存在问题的锂电池回收将会越来越完善。锂电池并不像汽油随着燃烧使用消耗殆尽,其主要原材料在使用过程中不存在损耗,如果回收利用行业成熟,就真的能够实现较为环保的“永动机”。


结语


人总是个“短视“的生物,只要满足了眼前的“利益”,就选择性忽视长远问题。单纯空气污染已经几乎让城市“无法生存”,仍有大把人觉得反正大家都这样,“我一个人也造不成多少伤害。”


电动汽车在披着“节能环保”的外衣同时,也存在着对环境产生污染的可能,如果某地去电力来源主要为煤,电动汽车的二氧化碳排放值几乎达到燃油车80%。随着市场和环境的压力,越来越多资金和技术将会投入到该行业中,希望汽车制造商或者电池制造商在“品尝”着红利的同时,能够眼光更远一些,也希望政府能够出台配套政策和监管,促进行业“健康”发展,防止再次发生类似于大众“排放门”的事件。


宣传归宣传,毕竟是为了“恰饭”,虽然长期来看电动汽车必然比燃油车环保很多,但现如今的情况,还要受到整个产业链中电能来源、电池工艺、以及电池回收等环节的影响。无论怎么说,在占有石油消耗70%的汽车领域撬开一个豁口,无疑对可持续能源发展都是有益的。英国削减“煤”的使用已经很多年,其空气质量不断逐年变好,足以给其他国家作为参考了。

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