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專欄文章

運具電動化你應該知道的事(下) 循環經濟下的電池趨勢

上一篇文章中,我們解析了運具電動化的反對者是如何刻意運用佔比約5%的「全國平均數據」,淡化移動污染源對民眾健康可能產生的危害。移動污染源的密度在各縣市及都會區都有顯著的落差,其中機車密度越高的地區,在懸浮微粒、非甲烷碳氫化合物及一氧化碳等污染物上,都明顯高於其他區域,顯見其對人口及交通稠密的地區影響不容小覷。

在重新認識移動污染源對空氣品質可能造成的損害後,在這一篇文章裡,我們將把重點放在電動車輛興起後的電池製造與回收議題。事實上廢棄電池若沒有經過妥適的處理,確實可能對環境造成負擔,電動化就像所有的技術革新一樣仍然伴隨著風險與挑戰,但上至電池原料選定的策略轉移,下至電池回收機制的建立,都能有效在運具的整體生命週期上,大幅減輕如今燃油車輛對環境所造成的傷害。

往下,我們將以燃油車輛的電瓶污染為借鏡,帶出全球電池最新的應用技術及研發成果,唯有充分認識電池產業的發展趨勢,台灣才有機會搶得先機,在循環經濟、能源管理的國際市場中,找到屬於自己的定位。

 

問題五:電動車用完的電池會傷害環境,燃油車輛比較好?

從歷史經驗回顧,我們可從燃油車輛的電瓶污染,看出電池回收機制的重要(許多以「電池污染」反對運具電動化的論者,往往忽略燃油車輛也有電池污染問題)。燃油車輛的廢棄電瓶,以鉛酸電池為主,在過去回收機制尚未完善、法規建置不全的年代,多年來對土地及水源造成了嚴重的危害。

根據環保署《廢鉛酸電池回收率提升冶煉技術開發》研究一文提到,鉛是有害環境與人體健康的重金屬,鉛酸電池行業是一個典型的高能源消耗和重污染產業,在生產過程中需要消耗大量電力,並排出污染物質,如鉛塵、酸性含鉛污水、酸霧以及廢渣。其中鉛酸電池的含鉛量高達6成以上,若不加以回收將成為環境的污染源。然而根據環保署公告列管材質回收率統計資料民國90年廢鉛蓄電池的回收率僅有64.68%、民國95年攀升至80%、100年提升到87.73%,截至108年回收率才終於達到94.63%

環資中心在20168月的報導中指出,汽機車重要零件電瓶需定期更換,汰換下來的廢鉛蓄電池每一就有約近600萬顆,若隨意棄置則可能造成強酸污染土壤、重金屬鉛危害人體神經系統、腦部與腎臟等。過去在二仁溪畔廢五金事件中,環保署也曾在處理過程中發現廢鉛蓄電池的部分殘骸,對當地土壤與溪水造成危害

經過數十年來環保團體及政府部門的努力,汽機車電瓶回收機制才逐步建立,大幅降低傳統電瓶的環境危害。若新型態的鋰電池不能及早透過回收再利用,降低開採及廢棄物產生,確實可能重蹈燃油車輛鉛酸電池的老路。但相反的,濫用鋰電池開採及回收議題來阻止電動化,恐怕只是刻意迴避、忽視傳統油車的發展歷史。傳統燃油車輛的經驗正是全球永續交通發展的借鏡,保留電池系統的優勢、提早面對並解決難題,才是科技促成進步的根本之道。

 

問題六:國際市場如何看待電池技術及其價值?

事實上,鋰電池早已普遍存在於日常生活中,舉凡手機、平板及筆記型電腦都是以鋰電池為電力核心。可喜的是,電動車輛的出現,因其夾帶著綠色運具的政策目標及環保思維,反倒讓鋰電池可能造成的污染問題浮上檯面,加強檢視,而獲得技術及政策上的討論與重視。

近來歐盟動作頻頻,積極搶進電池的製造及回收市場APEC能源國際合作資訊網指出,歐盟已在2017年搶先成立歐洲電池聯盟,多次召開部長級會議推動電池產業鏈的形成,201912月更批准高達32 億歐元的技術研發基金,用於推動電池技術和產品研發推廣。

2020彭博社Electric Vehicle Outlook 研究報告指出,全球車輛用鋰電池的平均能量密度因為相關技術的不斷投入及研發,正以每年4-5%的速度持續增長,同時2010年至2019年為止,鋰電池組價格已下跌約87%,未來將隨著技術進步持續降低。而電池與內燃機在成本上的交叉,極有可能在2025年前後就會發生,屆時將對傳統車輛市場帶來翻天覆地的改變。

英國能源諮詢公司循環儲能產能預測(Circular Energy Storage)整理各國約50家鋰離子回收公司的資料後發現,電池回收比率超乎預期,2018年共全球共回收約9.7萬噸電池,而大多數回收廠與實驗室都集中於中國、南韓、歐洲、日本與美加等地,其中中國和南韓由於電池收購價或獎勵的價格更高,已成為電池回收大戶,占比高達70%。

從電池的先期製造到終端回收,電池技術和回收的競逐早已成為循環經濟的顯學,誰能搶得先機,誰就能在永續經濟、能源穩定的戰略地位上取得優勢。

 

問題七:電池造成的污染怎麼解?

全球各國車廠及主管部門,早已注意到鋰電池在原料開採上可產生的供給與生態風險,因此有兩大作為正在加速進行,其一是根本的調整原料結構,降低毒性高、開採風險大的原料使用;其次是投入研發量能在後端的回收處理技術,促進金屬原料的再利用。

調整原料結構部分,電動車電池正極材料主要使用鋰、鎳、鈷三種金屬,但的含量較低、成本高且毒性較強,反觀鎳因具備在高溫運轉下穩定,又能防止過度充電等特性,獲得市場青睞,近來電池生產將逐步走向「高鎳化」。除傳統鋰電池的技術革新已投入市場外,日本預計在2021年展開「全樹脂電池」的量產、中國電池商則正朝向「無稀有貴金屬」的目標邁進。若能根本的減少稀有貴金屬在電池中的含量,電池循環經濟將能更大幅度地降低人類活動對環境所造成的傷害。

而在電池回收的處理上,現行電動車動力以鋰電池為主,電池壽命若低於80%,為行車安全就不能運用在車輛使用上。這些退役的電池將依據製造結構及生產成本進行回收再利用,可區分為兩大類型,其一將重複利用為「靜態儲存電力設備」,成為電網中儲備電力的一環,達成台灣分散式電網、降低輸電風險的重要利器。其次將直接對廢棄電池進行分解,取出稀有貴金屬後循環再製為電池。

從生產原料結構的根本調整到後端回收處理技術的建構,電池污染的風險並沒有成為世界各國運具電動化的阻礙,積極投入技術的研發和法規的制定,才是開創新局的重要關鍵。

 

問題八:循環經濟崛起,全球蓄勢待發,台灣有能力嗎?

為爭取全球電池製造及回收的市場,各國在政策和技術上無不積極佈局。根據工業材料雜誌鋰電池循環經濟(下)一文中指出,美國能源部已成立鋰離子電子回收技術研發中心「ReCell Center」,集結阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、國家再生能源實驗室與各大學術機構以及新創企業如Farasis Engery,共同推動具商業加值之鋰電池回收技術。而歐盟正啟動Battery 2030鋰電池計畫,包含循環經濟(Circular Economy)之規劃,串起材料供應商、電池製造商、應用端及回收商整合成電池循環產業,並規定新電池設計必須符合永續環保設計、易拆解設計以及易循環設計等三項指標。

回到台灣,在靜態儲能設備上,國家中山科學研究院早已投入「汰役動力鋰電池組再轉用」技術開發,建立起鋰電池組診測、重製翻新、進階監控管理、再轉用電池系統產品設計與研製等關鍵技術。而工研院現行研發的RAIBA系統也能將各類不同種類、型式、大小的汰役電池整合成儲能系統,平均可以再延長1-2倍的使用壽命,以目前一般儲能系統保固八年為例,加上RAIBA技術後,就可延長到20年。

除研究機構的研發動能充沛外,市場價格的因素也迫使廠商積極搶進電池回收市場。因為貴金屬的價格成本高昂,國內外電動車廠皆致力於研發提煉貴金屬並重新再製電池的技術,而協助國際電動車龍頭特斯拉回收貴金屬的關鍵廠商,就在台灣!

商業周刊報導,台灣的電池廠商康普、美琪瑪都有將產品回收、再利用的能力。康普可回收氧化觸媒、美琪瑪能將產品裡95%的鈷提煉出來,重新利用,降低原料成本,美琪瑪的董事長指出,目前技術能保證達到90%的回收率,可協助客戶可省下70%以上的費用,同時大幅減少製造過程中所產生的廢料。

而在回收量能上,環保署回收基管會也表示,2019年我國電池回收量達到3727公噸,未來5年二次鋰電池將大量增長,2025年開始預計每年將有1100公噸的電動車鋰電池待回收,而目前台灣有5家專責鋰電池回收處理商,每年處理量能可達1600公噸,足以應即將來到的回收需求整體來看,台灣不論在技術端或回收量能上,在國際上具有一定水準與實力。

 

問題九:如果納入電池生命週期評估,電動車還有環保優勢嗎?

所謂生命週期評估,就是將產品從製造端的原料到終端的回收廢棄處理,都納入評估的一種研究方法。許多論者會質疑,電動車輛只有在使用階段對環境有利,如果加計生產製造及廢棄物處理,可能對環境產生更大的危害。

論者近來多引述2019年德國IFO經濟研究院發表的報告稱,若把耗電量折算為二氧化碳排放量,並把生產過程中的耗能考慮在內,其產生的二氧化碳排放量可能比燃油車更多然而引述並未提及的是,該份報告非但在德國遭到當地多家知名媒體的質疑,更引來歐盟事實查核機構的闢謠澄清。

歐盟事實查核機構指出,引用該篇研究得出「電動車排放量比柴油車更高」的普遍結論是有誤的。理由有三,第一是該篇研究僅比較了特斯拉Model 3Mercedes C220d柴油車兩款車輛,研究標的相當限定;其次德國的電力結構中有較高的佔比是以燃煤為主,與其他國家的發電結構未必相同;其三,電動車輛的技術在近年內有長足進步,電池的生產技術與時俱進,該研究調查的標的非但不具備廣泛的代表性,也較為過時。

20205月,自然通訊期刊發表一份針對電動車輛生命週期的淨排放研究報告,該份研究英國劍橋大學、埃克塞特大學與荷蘭奈梅亨大學學者共同提出研究涵蓋超過59個地區,結果發現在現今發電的結構下,全球仍有53個地區電動車輛的碳排放量低於傳統燃油方案。

201912瑞典環境科學院針對電動車輛及電池提出最新的研究報告指出,同以生命週期評估法進行分析,每生產1千瓦小時的鋰離子電池,平均將產生61-106千克的二氧化碳當量,該數值在2017年的技術及生產環境中,平均為150-200千克二氧化碳當量,整體平均降幅約達52%,而中間時隔僅有兩年。可看出電池發展速度飛快,持續降低其對環境的傷害。

如前所述,電池從製造方式到回收技術,目前都處在高速成長的階段,許多研究電動車輛污染的報告,若只研究單一車種或單一國家的發電模式,往往會高估整體生命週期下電動車輛的污染程度。可以肯定的是,長期趨勢下,在全球各國逐步調整發電結構之際,電動車輛相比燃油車輛的環境優勢只會越加顯著,即便納入電池生命週期評估,電動車也較燃油機車更環保。台灣已經走在能源轉型的路上,能源結構也正逐步改善之中,除了政府的政策推動之外,企業、民眾更也需要扮演更積極的角色

當然,許多研究確實也點出,電動車輛雖在減低碳排、空汙上比起燃油車輛更具優勢,但仍須注意各地回收機制與環保法規的落實,才能確保友善環境的優勢能發揮最大值。

問題十、推動運具電動化的同時,政府可以做些什麼,以避免電池造成的環境負擔?

除了技術精進與市場競爭外,為確保環境永續的目標能夠確實達成,政府法規也應從旁協助,建立起應有的監督機制。環資中心於20208《電動車能幫助解決氣候問題?國際報告這樣說》一文提到,中國2019年已訂下「生產者責任」條款,要求生產電池業者同時必須負責回收再利用鋰離子電池。而歐盟則直接成立了電池聯盟,開始審查電池指令有關之政策。美國則在《加州第2832號議會法案》中要求成立鋰離子汽車電池回收諮詢小組,並對鋰電池回收政策向立法機構提供建議。

回到台灣,政府有過去燃油車輛廢棄電瓶的管理經驗,或許可嘗試制訂相關標準及立法,強化電池後端的回收及處理機制,引導電池產業的正向循環。現階段台灣在電動機車產業的發展以換電站為大宗,反而在電池回收及能源管理上能夠發揮集中處理的優勢,降低過往廢棄電瓶難以掌握流向的弊病,主管機關也能更精確執行回收規範。

結合以上,我們不難發現,從運具電動化所衍生的電池製造及再利用市場,已成為獨立的循環經濟體系,未來將成為全球市場上角逐的兵家必爭之地。論者質疑電池污染可能造成的傷害,恰好是綠色產業努力投入創新、研發,更加強降低污染的重要動力。

當全球各國都正加速進入運具電動化的全新時代,國際能源總署在最新的2020年電動車輛展望報告中也再次肯定,電動車輛是減少人口稠密地區空氣污染的關鍵技術,也是有助於實現能源多樣化和減少溫室氣體排放目標的重要選擇。迄今為止,已有17個國家宣布2050年將實現100%零排放的車輛目標,那麼,台灣準備好了嗎?