为资源续航 ——2030年新能源汽车电池循环经济潜力研究报告

2020年10月29日

近三十年来,全球各类金属的产量成倍增长,其中用于生产电池的金属锂在2010年代的产量就达到1980年代产量的5倍之多1。除产量飙升之外,现代科技产品使用的各类金属材料种类也达到了历史顶峰。在1980年代,生产一台计算器只需要使用12种金属元素,而现在生产一部智能手机所需要的金属已经多达21种2。世界经济论坛呼吁全球应尽快认清“生产—使用—废弃”线性的生产与消费模式对社会带来的挑战。发展循环经济模式,使资源得以循环利用,减少开采原生资源,才是未来必然的发展方向。

新能源汽车,是高资源强度时代最具有代表性的产品之一。

自2010年开始,在投资推动与政策激励的双重作用下,电动汽车浪潮在全球兴起。虽然多国政府视推广电动车为摆脱化石能源、减少温室气体排放的政策方向,但新能源汽车并不是没有副作用的灵丹妙药,生产和处理数量庞大的动力电池对于保护环境和减缓资源压力而言,已成为一道矛盾渐显的新难题。

特斯拉CEO马斯克曾经表示,即便向包括松下电器,LG化学和宁德时代在内的所有电池供应商追加订单,到2022年特斯拉依然会面临非常严峻的电池供应短缺问题。电池供应的风险主要在于生产电池所需的原材料(主要指锂,钴,锰,镍)资源量有限,尤其是钴,近些年来一直处于供不应求的状况。随着全球新能源汽车产业的迅速发展,动力电池中的关键资源的供应将会是各汽车生产商的必答题。

根据国际环保组织绿色和平与中华环保联合会于2020年10月29日发布的最新报告《为资源续航——2030年新能源汽车电池循环经济潜力研究报告》(下文简称《报告》),研究团队指出,2030年全球将有超过2.1TWh (太瓦时) 动力电池随乘用电动汽车售出,这些电池的电量充满一次就可满足新加坡全国半个月的用电需求。同期,中国将有超过1.1 TWh的动力电池随新能源汽车售出。届时,全球和中国也将面临第一波动力电池的大规模退役潮。

研究团队以5—8年的服役期折损20% 电量为退役条件来计算,在2021至2030年期间,全球乘用电动汽车动力电池退役总量将会达到1,285万吨,相当于1285个埃菲尔铁塔总重。同期中国新能源汽车动力电池退役总量将会达到705万吨,相当于168个鸟巢体育场钢结构的重量。退役下来的动力电池,既可能是丰厚的能量载体,也可能成为沉重的环境负担,这将取决于我们采用什么样的处理策略。

报告发现一:梯次利用满足5G通信用电需求,2030年可达百亿元市场

研究团队假设退役动力电池中有80%可以进行梯次利用,仅2030年一年,来自全球乘用电动汽车的梯次利用电池电量将达到368GWh[1],几乎可以覆盖全球储能的用电需求;同等电量市场价值相当于150亿美元,约合1000亿人民币。而在中国新能源车市场,2030年的动力电池梯次利用总价值接近430亿元人民币。

国务院2020年10月9日最新通过的《新能源汽车产业发展规划》明确,到2025年中国新能源汽车新车销量占比达到25%左右,这表示电动汽车的动力电池的销量也会同步提升。预计在2021年至2030年期间,中国新能源汽车动力电池退役总量将会达到705万吨,累积退役电量达到708GWh,其中2030年退役动力电池梯次利用总价值接近430亿元人民币。

根据行业数据分析,2023至2025年间中国将每年新增5G基站150万个。以单个基站备用电源容量为21.2KWh计算 ,2025年通信基站备用电源的总电量需求将达到31.8GWh。《报告》指出,中国退役动力电池累积电量在到2025年可达120GWh,其中2025年中国退役动力电池电量将接近40GWh,同样采用80%电池储能进行梯次利用计算,2025年的梯次电池电量将会达到32GWh,足够覆盖全国5G通信基站的备用电源需求。

据公开信息显示,截至2019年底中国铁塔公司已经在35万个通信基站中累积使用超过4.5GWh梯次动力电池。不仅如此,中国铁塔还计划在2020年内将70-80万个通信基站的铅酸电池更换为锂离子电池。由此可见,将退役动力电池应用于通信基站已经是可行的商业模式。随着5G普及引发通信基站翻倍增加,以及云计算所衍生对数据中心规模及效率的要求,动力电池的梯次利用将迎来蓬勃发展的机遇。

报告发现二:全球储能需求日益增长,动力电池梯次利用大有可为

为了满足汽车的使用条件,动力电池的性能要求比一般电池更高。动力电池的能量密度更高、充放循环次数更多、在极端气温下的性能也更好。因此,即使从新能源车自然退役下来,动力电池仍然有足够的性能,通过梯次利用服务于其他场景中。发电侧、输配电侧、用电侧的储能系统建设是全球的趋势。

全球新能源汽车产业和储能产业的发展,将会带动梯次电池在储能领域的应用。预计全球对储能系统的需求到2025年可以达到103GWh,在2030年将达到378GWh[1],而此后的布局量仍将进一步增长,全球到2040年将会建设超过1.3TWh的储能系统,相比2020年增长超过50倍,这些增长主要集中在中国、美国、印度、德国、法国、韩国、英国和日本等国。

《报告》计算结果显示,2021年-2030年期间全球乘用电动汽车退役动力电池累积电量可达1.3TWh,其中2030当年全球乘用电动汽车退役动力电池电量就可达460GWh。按照80%的退役电池性能,2030当年的梯次电池电量将达到368GWh,几乎可以覆盖全球储能的电池需求。

报告发现三:金属原料严重依赖进口,应对关键金属供应风险 已纳入国家战略

金属资源关系科技、能源和国防发展,“金属关键性”正成为世界各国政府积极关注和研究的热点。欧盟、美国、日本等国家和地区近几年已经将“金属关键性”研究纳入国家战略参考范畴,制定相关战略保障供应,控制涉及金属资源的经济风险及国家安全风险。目前,作为新能源汽车行业龙头的特斯拉也面临资源供应风险的问题,已率先透过开发新技术减少使用钴以控制风险。

由于动力电池是高资源强度时代的产品,每生产一块锂电池,需要开采至少八种金属矿产。《报告》推算,从2021至2030年全球售出的乘用车动力电池中,锂、钴、镍、锰、四种金属的累计含量约为1035万吨,其中钴的累计使用量预期超过205万吨,相当于现在全球已探明钴矿可开采量的30%5

2019年全球动力电池85%的出货量和产能集中在中国、日本、韩国三国,然而,动力电池主流生产国却并非金属资源原料的主要储量国和生产国。主流类型镍钴锰三元电池及镍钴铝三元电池,钴的最主要生产国和储量国是刚果(金);锂的主要生产国和储量国分别是澳大利亚和智利。

对于中国来说,目前中国的锂资源 70%依赖进口,钴资源96%依赖进口。《报告》推算,2021至2030年售出的动力电池将消耗约98万吨钴,相当于2019年全球所有国家钴矿产量的7倍,是2010至2019年中国本土钴矿产量总和的17倍。2018年中国用于电池行业的镍大约为6.5万吨,到2030年中国仅用于动力电池的镍预计消耗超过48万吨,是前者的7.5倍。

《报告》认为,对于东亚地区、欧盟和美国等未来动力电池生产国而言,对现有动力电池进行梯次利用有望降低原料金属的供应风险。从国家的资源安全战略层面考虑,发展动力电池的循环经济能减缓对关键性金属的进口依赖,对于稳定各国金属资源供应具有极其重要的战略意义。

报告发现四:梯次利用可替代新增环境风险,未来10年减少千万吨碳排放

尽管新能源动汽车行驶的时候几乎不会排放污染物,但包括动力电池制造在内的电动汽车生产过程,不仅存在金属资源开采等环境污染,也会消耗大量能源并产生碳排放。其中,锂电池的上游有色金属的开采仍存在环境重金属超标和地质下陷等问题;作为动力电池负极材料的石墨会造成空气污染并引发人类的呼吸道及心血管疾病。

因此,通过把退役电池匹配到合适的领域,取代新电池的部分需求,不仅可以带来巨大的经济效益,而且还可以产生广泛而深远的环境效益。当匹配到适合的领域,退役电池可以取代一部分对新增电池的需求,有利于降低对金属矿物资源的开采利用、控制和减少“三废”污染排放、缓解剧增的废物处置压力以及促进可再生能源部署,长远也有利于达到减少碳排放的效果。尽可能延长电池使用寿命,是对资源和能源消耗最负责任的做法。

假设对中国新能源汽车的退役动力电池中的80%进行梯次利用,在“十四五”结束时,理论上会比制造同等电量的全新电池碳排放减少185万吨。预计在2030年,梯次利用退役动力电池将比制造新电池减少909万吨碳排放。

假设对全球退役动力电池中的80%进行梯次利用,2021至2030年期间,相比于制造等量的新电池,梯次利用共可以减少超过6334万吨碳排放,等于1/3中国总森林面积树木的碳汇量。

报告发现五:梯次利用管理尚未标准化,政府企业需共同投入

虽然动力电池梯次利用可以带来经济和环境双重效益,然而其产业规模化发展仍然面临不少挑战,包括与新电池的市场竞争;针对退役电池梯次利用的政策法规不完善;动力电池设计及梯次利用均缺乏统一标准;退役电池收集率低影响供应量的稳定等。这些挑战都会导致正规梯次利用产业运营成本增加,利润空间收窄,影响资本投入的意愿。

工信部在2020年10月10日发布了《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法》(征求意见稿),文件提出对动力电次梯次利用的管理要求,反映出政府已经意识到动力电池梯次利用的的经济及环境效益。动力电池梯次利用是新能源汽车产业中未来必然需要发展的一环。

绿色和平项目主任郑名扬表示:“根据研究团队计算,2030年中国动力电池梯次利用的经济价值约430亿元人民币,按照2019年中国动力电池的市场份额来看,宁德时代和比亚迪占比接近7成。意味着届时市面上绝大多数退役电池也将来自这两家企业。因此,这两家企业有理由负起生产者责任,妥善处理退役电池并最大化地发挥其价值。”

发展动力电池循环经济符合经济、环境和国家的战略利益。因此,为了应对潜在的挑战、达到循环经济目标,绿色和平对电动汽车生产企业、电池制造企业、政府、行业协会有以下建议:

1. 建议工业和信息化部,国家发展和改革委员会等部门制定政策法规,明确梯次利用为动力电池的最优先处理方式,并配套奖惩机制或许可证制度等方式,落实生产者责任延伸制度,要求企业加入生产者责任组织 (PRO) 并履行以下目标:

  • 100% 电池生命周期追溯;
  • 以收集率达到 40%为年度指标,最终实现100%收集退役电池;
  • 梯次利用及循环利用率目标 90%;
  • 提高消费者及业界人士对循环经济和生产者责任延伸制度的意识;
  • 保证供应链公开透明。

同时政府须要求电池生产企业的再生原料使用比例达到20%;规范电池回收途径,确保退役电池流向正规电池处理企业;建立资源开采的环境及人道规范,鼓励电池生产企业以100% 使用再生材料为长远目标。政府可以考虑对使用原生材料加征税款, 或者为采购再生材料的企业提供补助。

2. 汽车生产及电池制造等行业组织应建立受国际认可的动力电池梯次利用技术标准,提高市场对梯次利用电池质量的信心,提升梯次利用产业的生产效率。

3.电动汽车生产、电池制造行业及政府需要扶持回收利用产业规模化。目前电动汽车及电池的产能部署已经就绪, 然而其价值链中回收利用这一环仍未跟上,难以应付即将到来的电池退役潮。故此,政府及业界需要尽快扶持产业发展,使之达到和生产环节相对应的规模。

4. 电动汽车生产及电池制造企业为承担社会责任应该投入资源进行动力电池梯次利用的技术研究;政府可以考虑从税收成立研发基金,鼓励学术界及企业进行电池的研发工作。研发不应该仅以提高电池的性能为目标,更重要的是考虑电池全生命周期的环境影响,以减少资源消耗为目标,提升再生材料质量

参考资料:

[1] BNEF, 2018, New Energy Outlook 2018, Bloomberg New Energy Finance (BNEF), pp: 1-181.

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