Tải bản đầy đủ

TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG CỦA PIN LIION XE ĐIỆN

TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG CỦA PIN LI-ION & XE ĐIỆN
TỔNG QUAN
1. Tóm tắc
Xe điện chạy bằng pin (BEVs) đóng một vai trò quan trọng trong giao thông trong tương
lai. Tuy nhiên, những nhận thức về các tác động môi trường có thể có của việc sản suất,
sử dụng và thải bỏ pin lithium ion ( Li-ion) còn rất hạn chế. Ta khó có thể so sánh được
các tác động môi trường của BEVs với xe động cơ đốt trong (ICEVs). Do đó, việc kiểm
kê chi tiết vòng đời sản phẩm của Pin Li-ion và một LCA thô của BEV đã được thực
hiện. Nghiên cứu cho thấy các vấn đề môi trường gây ra do giao thông chủ yếu phụ thuộc
giai đoạn vận hành của xe bất kể đó là xe động cơ đốt trong ICEV hay xe điện (được
khuyến khích sử dụng ở Châu Âu). Theo nghiên cứu cho thấy có khoảng 15% các tác
động môi trường của xe điện là do Pin (sử dụng thang đo chỉ thị sinh vật 99). Tác động
gây ra bởi việc khai thác nguyên liệu cho các thành phần của Pin Li-ion chiếm ít hơn
2.3% (chỉ thị sinh vật 99). Các gánh nặng môi trường chính gây ra bởi Pin là nguồn cung
cấp đồng và nhôm để làm cực âm và cực dương và các dây cáp trong hệ thống Pin.
Nghiên cứu này cung cấp một nền tảng vững chắc để đánh giá chi tiết hơn tác động môi
trường của Pin điện.
2. Giới thiệu
Giao thông cá nhân hiện đang tạo ra nhiều vấn đề môi trường: sử dụng nguyên liệu hóa
thạch, việc phát thải các chất ô nhiễm (NOx), lưu huỳnh (SO2) và bụi. Vấn đề ô nhiễm có
thể được giảm đi một phần nhờ bộ chuyển đổi xúc tác và các bộ lọc, hoặc có thể ký vọng

cao hơn bằng cách thay thế động cơ đốt trong bởi xe chạy điện.
Thuật ngữ “xe điện” được sử dụng rộng rãi, bao gồm nhiều loại và hiện đang được đề
xuất thử nghiệm với dòng xe ôtô chở khách và dòng xe lai (dòng xe range extender). Hầu
hết các nhà sản suất xe hơi lớn đều công bố rằng xe pin điện sẽ sớm thành một dòng sản
phẩm của họ.
Trong quá khứ, pin năng lượng dùng trên tàu thường có thành phần chính là axit chì,
nickel-metal hydride (NiMH), hoặc natri-niken-clorua (ZEBRA). Dòng xe điện mới
thường sử dụng là pin lithium (Li-ion). Do những đặc tính thuận lợi của lithium: là
nguyên liệu nhẹ nhất trong các kim loại, có khả năng cung cấp điện lớn, lượng điện và
mật độ điện điện cao. Ngoài ra, nhiều thành tựu đã đạt được trong ngành công nghiệp
Thông tin và Truyền thông (ICT) đã tạo ra sản phẩm an toàn, bền và giá cả phải chăng.
Pin Li-ion yêu cầu bảo dưỡng ít, lợi thế hơn hầu hết các loại pin hóa học khác - không thể
bảo dưỡng. Không có bộ nhớ hiệu dụng, ít tự xả, không có chu trình là cần thiết để kéo
dài tuổi thọ của pin. Pin Li-ion đang được phát triển mạnh và cải tiến: ví dụ: Coban
thường được sử dụng nhưng đắt tiền, Co đang dần được thay thế bằng cách sử dụng
I.


phosphate sắt hoặc mangan. Phát triển khác là sự gia tăng nồng độ của vật liệu hoạt động,
ví dụ, sử dụng lưỡng điện cực.
Pin Li-ion thương mại đang được sử dụng với nhiều loại vật liệu cực âm khác nhau, một
trong số đó là lithium mangan oxit (LiMn2O4). Tinh thể LiMn2O4 phù hợp cho BEVs
trong nhiều khía cạnh, chẳng hạn như chi phí thấp, quá trình sản xuất khá dễ dàng (3) và
cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là an toàn nhiệt (6). Ngoài ra, mangan dồi
dào trong tự nhiên (7) và cũng được thiết lập trong ngành công nghiệp pin (8).
Vấn đề còn lại là liệu việc tăng cường sử dụng pin có đem lại những lợi ích, hiệu quả
tiềm năng của BEVs có thực sự cao hơn so với ICEVs. Nghiên cứu được trình bày trong
bài báo này nhằm mục đích thiết lập một nền tảng vững chắc để trả lời câu hỏi trên dựa
trên quan điểm đánh giá về môi trường.


3.






Lịch sử BEV
1832-1839: Robert Anderson – nhà phát minh người Scotland, phát minh ra xe


điện thô đầu tiên chạy Pin không thể sạc.
1881: Gaston Plante – nhà vật lý người pháp, phát minh ra pin lưu trữ axit chì có
thể sạc lại sau này được dùng trong xe điện
1901: Thomas Edison chế tạo ra Pin Nickel – metal cải thiện khả năng trữ điện,
nhưng do chi phí đắt nên ko đc áp dụng nhiều
1967: Pin Lithium được phát minh
1990s: xe điện bắt đầu được quan tâm và phát triển mạnh trở lại.

II. PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐỊNH NGHĨA
a. LCA

Phương pháp LCA là một phương pháp được thiết lập và phát triển chủ yếu để kiểm toán
và đánh giá tác động môi trường tiềm tàng của sản phẩm từ quy trình sản xuất đến quá
tình sử dụng và thải bỏ sản phẩm đó. LCA nhằm định lượng, đánh giá năng lượng, các
dòng vật chất sử dụng trong tất cả các giai đoạn trong vòng đời của sản phẩm và các chất
thải có liên quan. LCA dựa trên quan điểm được gọi là các đơn vị chức năng. Điều này
đặc biệt quan trọng khi sản phẩm cạnh tranh được phân tích đánh giá so sánh.
Nghiên cứu này phân tích việc sử dụng pin lithium-ion trong xe điện như một lựa chọn
khả thi về môi trường và đánh giá xem liệu những gánh nặng môi trường liên quan đến
pin có khả năng được bù đắp bởi những lợi ích liên quan đến các hệ thống truyền động
điện. Muốn như vậy cần thiết phải có một mẫu xe điện bao gồm các quá trình sản xuất
của chiếc xe, sử dụng và thải bỏ đồng thời tập trung và các pin Li-ion trên mạng lưới
đường của Châu Âu. Dòng xe tham chiếu cũng được sử dụng tương ứng số km. Nghiên
cứu này bao gồm hệ thống vòng đời không được giới hạn trước. Vật liệu và quy trình chỉ
được bỏ qua khi những tác động môi trường được xem là không đáng kể dựa trên tổng
khối lượng, nhu cầu năng lượng và gánh nặng môi trường dự kiến trên một đơn vị khối
lượng, đơn vị năng lượng, Dữ liệu LCI để sản xuất pin cho việc sản suất một chiếc xe
điện được biên soạn đặc biệt cho nghiên cứu này (Hình 1). Trong khi LCI là dữ liệu cho
các vật liệu và các quá trình trong hệ thống nền được lấy từ cơ sở dữ liệu
ecoinvent(ecoinvent là cơ sở dữ liệu LCA nổi tiếng nhất được sử dụng bởi khoảng 4.500
người sử dụng tại hơn 40 quốc gia, trên toàn thế giới. Cơ sở dữ liệu chứa quốc tế. Cơ sở
dữ liệu có chứa sự sống dữ liệu quốc tế công nghiệp chu kỳ kiểm kê trên cung cấp năng
lượng, khai thác tài nguyên, nguyên liệu, hóa chất, kim loại, nông nghiệp, dịch vụ quản lý
chất thải và các dịch vụ giao thông vận tải có thể được nhập khẩu dễ dàng trong mở
LCA.) phiên bản 2.01.


Hình 1: Cấu trúc mô hình của xe điện.(tổng năng lượng cc cho QT SX pin=4.756MJ)
Nghiên cứu này xem xét tất cả các quá trình có liên quan để cung cấp cho việc thực hiện
quãng đường 1 km của xe điện nhưng tập trung vào các vật liệu và các thành phần trong
các hộp màu xám(phương pháp nhận dạng hộp, được sử dụng để mô hình hóa các quá
trình công nghiệp).
b. Pin


Chúng tôi chọn để mô hình một pin LiMn2O4 vì nó có vẻ hợp lý để giả định rằng
mangan trong tương lai gần có thể được dùng để thay thế hoàn toàn cho niken và coban
thường được dùng trong nhiều loại pin hiện nay, vì giá cả thấp hơn nhiều và mangan dễ
kiếm hơn. Tính toán được thực hiện trên các loại vật liệu cực âm khác nhau có chứa
niken, coban hoặc sắt phosphate để kiểm tra độ nhạy của kết quả. Thông tin chi tiết về
sản xuất pin và của các thành phần được đưa ra trong đoạn dưới đây Mô tả Đơn vị quy
trình (Description of Unit Processes).
c. Xe điện
Xe được chọn nghiên cứu là Volkswagen Golf, có tầm hoạt động khoảng 200 km mỗi lần
sạc (trọng lượng pin: 300 kg, dung lượng pin: 0.114 kWh/kg pin) và đã hoạt động được
150 000 km. Những giả thiết này đã được thử nghiệm phân tích cho tới 240 000 km.
Trong trường hợp này BEVs sẽ đòi hỏi một sự thay thế pin. Năng lượng tiêu thụ hoạt
động của xe điện được ước tính dựa trên các phương tiện hiện có và mang tính lý thuyết
(xem chi tiết ở thông tin hỗ trợ); 14,1 kWh điện năng lượng là cần thiết cho mỗi 100 km
để đẩy một chiếc xe Volkswagen Golf với hiệu suất tổng thể của 80% (kể cả hao phí và
tăng hồi phục) trong một chu kỳ lái xe tiêu chuẩn (Chu kỳ lái xe mới của Châu Âu,
NEDC). Sưởi ấm, làm mát, và thiết bị điện tử tiêu thụ 2,9 kWh/100 km (xem chi tiết
Thông tin hỗ trợ). Các BEV vì vậy yêu cầu tổng cộng 17 kWh/100 km. Gánh nặng môi
trường của việc tiêu thụ điện được kiểm tra bằng các năng lượng khác với sai số ± 20%.
Sự pha trộn sản lượng điện trung bình (UCTE) ở châu Âu (11) đã được lựa chọn cho các
hoạt động của BEVs trong cam kết với các tiêu chí được sử dụng trong phần còn lại của
nghiên cứu và trong cơ sở dữ liệu ecoinvent. Gánh nặng môi trường cho hoạt động của
BEV phụ thuộc chủ yếu vào sự lựa chọn của nguồn sản xuất điện. Điều này đã được thử
nghiệm bằng cách thay thế UCTE trộn điện từ than đá và thủy điện. Điều quan trọng là cả
xe lẫn Pin điều không được dùng để đại diện cho các sản phẩm cụ thể mà là sự hợp lý về
mặt kỹ thuật tùy chọn.
d. Xe tham chiếu
Loại xe xử dụng xăng hiệu quả mới (Euro 5) được chọn để so sánh. Xe động cơ đốt trong
này tiêu thụ 5.2L nguyên liệu cho 100 km theo tiêu chuẩn đường châu Âu. Dẫn đến mức
phát thải 0.12 kg CO2 cho 1 km. Các xe được lựa chọn là đại diện cho các phương tiện
được sử dụng ở Châu Âu, không phải là các xe mới được bán ở Châu Âu trong năm
2009: 51,4% bao gồm xe nhiên liệu diesel với một nhiên liệu trung bình tiêu thụ 5,7
L/100 km diesel hoặc 6.6 L/100 km xăng (tính từ báo cáo phát thải CO2). Tuy nhiên, các
ICEVs đã được lựa chọn để đại diện cho trình độ công nghệ tương tự cho các BEVs.
e. Phân bổ và giới hạn
Lựa chọn đầu vào, đầu ra cho các sản phẩm khác nhau là một vấn đề quan trọng trong
nghiên cứu LCA vì sự lựa chọn của nguyên tắc lựa chọn có thể định trước kết quả của
LCA. Vì vậy, nó rất quan trọng và quy trình lựa chọn là phù hợp với các mục tiêu của
nghiên cứu này (15). Nghiên cứu này nhằm mục đích xác định tiềm năng góp phần của


pin vào tổng thể gánh nặng môi trường do phương tiện giao thông gây ra. Lựa chọn trong
hệ thống đầu vào là lựa chọn theo cách như dẫn đến mức cao nhất các vấn đề môi trường
cho pin. Do đó, tất cả các chi phí cho việc khai thác muối lithium đã được phân bổ cho
các muối lithium, mặc dù nước muối mặn mang lại khác sản phẩm tốt hơn.
Phù hợp với nguyên tắc này, các sản phẩm cuối cùng của vòng đời (EOL) mà đang được
tái chế không được lựa chọn bất kỳ chi phí từ sản xuất của chúng. Do đó, tất cả những
gánh nặng từ vật liệu sản xuất được lựa chọn cho vòng đời đầu tiên của một sản phẩm
thậm chí dù sản phẩm có thể được tái sử dụng (ví dụ, sau 5 năm, một chiếc xe pin có thể
được sử dụng trong ứng dụng văn phòng).
f. Đánh giá tác động môi trường
Các vấn đề môi trường được thể hiện như tiềm năng nóng lên troàn cầu (GWP) áp dụng
trong khung thời gian 100 năm, yêu cầu tích lũy năng lượng (CED) để tái tao lại nguyên
liệu (nguyên liệu hóa thạch và hạt nhân) được trình bày và chỉ thị sinh vật 99 được sử
dụng góc nhìn thứ bậc và tỉ trọng trung bình (EI99 H/A). Cạn kiệt tài nguyên được xem
như là mất khả năng tái tạo (ADP), một trong những tác động trong phương pháp CML.
Tất cả các tác động được sử dụng dựa trên cơ sở dữ liệu ecoinvent phiên bản 2.01. Hai
chỉ số đầu tiên đã được lựa chọn để được chấp nhận rộng rãi cho nghiên cứu. phù hợp
trong việc đưa ra quyết định. Các EI99 H/A được lựa chọn kể từ khi các chỉ số khác gần
như chỉ hướng đến năng lượng và loại từ ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và
hệ sinh thái, cũng như suy giảm tài nguyên thiên (ADP) được đánh giá bao gồm việc sử
dụng các nguồn nguyên liệu đặc biệt là kim loại. Ngoài kết quả đánh giá tác động, chúng
tôi còn xét mặt tích lỹ bụi (PM10), SO2, và NOx kể từ khi các chỉ số này được sử dụng
rộng rãi trong các hội thảo về vấn đề giao thông.
g. Mô tả các quy trình đơn vị
Hình 1 mô tả các bước sản xuất pin Li-ion, từ việc khai thác lithium và sản xuất các điện
cực đến việc đóng thành pin, các thành phần của chiếc xe điện và sự chuyển động của nó.
Các đường nét đứt thể hiện cho các đơn vị chức năng được chọn để nghiên cứu. Tất cả
các bước đều có năng lượng nhiệt và điện cần thiết tương ứng để sản xuất 1 kg pin Liion. Việc tính toán thực hiện trên pin Kokam và catot được làm từ LiMn2O4. Bảng chi
tiết input-output cho tất cả các ô xám và các giả thiết về khoảng cách vận chuyển, cơ sở
hạ tầng và sự trộn lẫn nguồn điện được cung cấp trong Thông tin Hỗ trợ.
Quá trình sản xuất muối lithium đậm đặc bao gồm việc cô đặc lithium có trong nước biển
bằng năng lượng mặt trời ở sa mạc Atamaca. Cần có nhiên liệu diesel để bơm nước muối
từ nguồn đến sa mạc. Tiếp theo, Muối lithium đậm đặc được xử lí tiếp bằng các chất phụ
gia nhằm loại bỏ Bo, sau đó thanh lọc hỗn hợp. Cuối cùng, thêm soda (Na2CO3) để tạo
được kết tủa của lithium cacbonat (Li2CO3).Lọc kết tủa, rửa sạch và phơi khô ta sẽ được
độ tinh khiết hơn 99%.


Mn2O3 được sản xuất từ magan cacbonat thông qua hai bước nung: nung ở nhiệt độ thấp
trong nito (N) sau đó nung ở nhiệt độ cao trong oxi. Kết quả là LiMn2O4 được tạo ra từ
Mn2O3 và Li2CO3. Trong quá trình nung, không khí trong lò chuyển từ điều kiện trơ
(N2) sang oxi hóa (O2). Bột oxit sau đó được tách nước bằng biện pháp sấy phun.
Nguyên liệu chính cho dung dịch điện phân là một dung môi hữu cơ, thường là hỗn hợp
của etylen cacbonat và các muối điện phân (thường là LiPF6). Để sản xuất LiPF6, đầu
tiên ta sản xuất LiF bằng phản ứng của Li 2CO3 và HF ở nhiệt độ phòng. Lọc dung dịch
thu được, sau đó chuẩn độ bằng NH3 (pH 7.5), rửa sạch với nước và sấy khô. Tiếp theo,
kết hợp photpho pentaclorua (PCL5) và LiF trong một lò hấp và hạ nhiệt độ xuống -78C.
Cuối cùng, thêm HF vào để hoàn tất quá trình trao đổi Cl-F. Phản ứng được xảy ra trong
môi trường khí trơ (N2)
Sản xuất catot và anot yêu cầu trộn lẫn một vài thành phần (chất kết dính và dung môi,
than đen, LiMn2O4, và graphit(than chì) tương ứng), sau đó được bọc bằng các kim loại
(tương ứng là Al và Cu). Các chất kết dính được trộn với nước và sử dụng mà không cần
đến các dung môi hữu cơ. Để sản xuất lớp phân cách, sử dụng một tấm phim nhựa xốp
được phủ bởi hỗn hợp của copolymer, dibutyl phthalate và silicat hòa tan trong axeton.
Trong quá trình sản xuất anot, catot và lớp phân cách, nhiệt năng được sử dụng để làm
nóng hỗn hợp lên 130o C, làm bay hơi dung môi và hút ẩm các điện cực (hàm lượng nước
< 20ppm)
Catot, lớp phân cách, anot được sắp xếp, cắt, cuộn lại và đóng thành một viên pin đơn bởi
một lớp bọc nhựa. Trong môi trường khí trơ, dung dịch điện môi được thêm vào khối
trên.Cuối cùng, lắp ráp pin, bộ quản lý và các dây cáp vào một hộp thép.
Chiếc xe điện sử dụng cho nghiên cứu được lấy từ một chiết xe Golf hiện có. Các thành
phần khác (khung, phụ tùng xe, bánh xe, thiết bị an toàn...) vẫn không thay đổi, nhưng hệ
thống truyền động đã được thay thế bằng hệ thống điện (bao gồm bộ điều khiển, động cơ
điện và bộ truyền dẫn) và bộ pin Li-ion. Việc sử dụng xe sẽ được xem xét trên cả phương
diện điện năng tiêu thụ và tất cả các cơ sở hạ tầng cần thiết (xe, đường bộ, mạng lưới
điện) bao gồm cả xử lý EOL (end of life). Các dữ liệu của xe khách dùng xăng sử dụng
công nghệ tiết kiệm nhiên liệu được lấy từ cơ sở dữ liệu Ecoinvent.


h. Khí thải và tác động

Pin Li-ion chỉ góp một phần nhỏ trong tác động đến môi trường của xe điện và ko phụ
thuộc vào phương pháp nghiên cứu. Dịch vụ vận tải sử dụng ICEV tác động môi trường
cao hơn BEV (ADP cao hơn 37,47% tương ứng 261 kg antimon, GWP cao hơn 55,3%
tương đương với 37700 kg CO2, CED cao hơn 23,5% tương ứng 583000 MJ, EI99 H/A
cao hơn 61.6% tương ứng 2530 điểm). Tác động môi trường của xe điện do pin chỉ chiếm
7% (đối với CED) và 15% (EI99). Phân tích với EI99 H/A cho thấy mức độ tác động của
xe điện do pin cao gấp đôi so với việc phân tích bằng các phương pháp khác, và chủ yếu
là do các chi phí của quá trình vận hành.
Không có sự khác biệt lớn giữa ICEV và BEV về tác động môi trường do sử dụng đường
bộ (cơ sở hạ tầng, bảo trì...) và các thiết bị của xe. Sự khác biệt nhỏ chủ yếu về hệ thống
truyền lực, bảo trì và thanh lý xe. Sự khác biệt này chủ yếu được phản ánh trong quá trình
vận hành, khi mà tác động của pin tăng lên. Quá trình vận hành chi phối đến kết quả LCA
của cả BEV và ICEV, trong đó ICEV bị tác động nhiều hơn. PM10, NOx và SO 2 do xe
điện tạo ra (PM10 100%, 16.2 kg; NOx 100%, 49.5 kg; SO2 100%, 83.7 kg) cao hơn so
với ICEV (PM10 79.0%, 12.8 kg; NO x 87.9%, 43.5 kg; SO2 74.7%, 62.5 kg). Các khí
thải này chủ yếu xuất phát từ quá trình hoạt động độc lập của các loại xe. Sản xuất pin,


thiết bị và hệ thống truyền động cũng tạo ra một lượng đáng kể các loại khí thải này. Sản
xuất pin Lithium chủ yếu là quá trình sản xuất catot, anot và gói pin. Pin đơn, lớp phân
cách, muối lithium và chất điện môi chỉ đóng vai trò nhỏ. Ngoài các pin đơn, một khối
pin Liion còn bao gồm hộp thép, dây nối và bảng in dây. Các thành phần này chiểm tỷ lệ
tương đối cao (hơn 20% tác động) trong tất cả các phương pháp đánh giá tác động.

Với EI99 H/A quá trình sản xuất anot tác động lớn nhất, trong khi đó với CED, GWP,
ADP thì là sản xuất catot. Việc sử dụng đồng ở anot chiếm hơn 43% tác động môi trường
của pin Li-ion (theo EI99 h/A). Ngoài ra đồng còn được sử dụng trong các thiết bị khác
(như dây cáp...). Than chì và các thành phần khác chỉ chiếm phần nhỏ. Kết quả đánh giá
anot này lại khác khi được đánh giá với ADP, CED hoặc GWP. Theo đó, anot chỉ chiếm
một lượng nhỏ trong tổng tác động của pin. Và trong anot, than chì lại tác động môi
trường nhiều hơn là đồng. Tác động của Catot tới GWP, CED và ADP cao hơn anot.
Trong đó bộ thu bằng nhôm chiếm phần lớn trong tất cả các phương pháp đánh giá tác
động. Các thành phần khác (chất kết dích, than đen, năng lượng...) tác động môi trường
rất nhỏ trong quá trình sản xuất catot. Tác động môi trường được gây ra mới hai thành
phần chứa lithium là LiMn2O4 và LiPF6 là 10% (EI99) và 20% (GWP), trong đó
LiMn2O4 (EI99 H/A 5,6%; GWP 13,8%) cao hơn so với LiPF6 (EI99 3,79% và GWP
6,47%). Bên cạnh các lá đồng và nhôm, các vật liệu than chì và LiMn 2O4 thì bảng in dây,
nhiệt quá trình và nito đều đóng góp vào tác động môi trường của pin Li-ion.
Theo EI99 H/A, sản xuất pin Li-ion chủ yếu tác động đến sức khỏe con người (44%) và
chất lượng tài nguyên (39%), trong khi hệ sinh thái ít bị ảnh hưởng hơn (17%). Lượng
khí thải vô cơ ảnh hưởng đến hô hấp như PM10, SO2, NOx... gây ra tác động lớn nhất,


tiếp theo đó là việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch và khoáng sản. Thử nghiệm về độ
nhạy tác động môi trường theo EI99 H/a của LiMn 2O4 với Li(MnNiCo) O2 tăng 12,8%,
trong khi đó sử dụng LiFeO4 giảm 1,9%. Kết quả tính toán độ nhạy cho một vòng đời xe,
tương ứng 240 000 km (BEV cần 2 pin Li-ion) cho thấy sự giảm xuống của tổng tác động
môi trường cho mỗi km theo EI99 H/A là 7,5% (BEV) và 7,1% (ICEV).
Tác động (EI99 H/A) của BEV tăng 13,4% khi sử dụng điện từ than đá (UCTE), trong
khi đó giảm 40,2% khi sử dụng thủy điện. Do đó sử dụng nguồn điện từ thủy điện làm
giảm đáng kể tổng tác động môi trường của BEV (lên tới 9,6%).
4. Thảo luận
Kết quả chính của nghiên cứu này cho thấy tác động của một pin Li-ion sử dụng trong
BEVs (xe điện chạy bằng Pin) cho dịch vụ vận tải là tương đối nhỏ. Tuy nhiên, giai đoạn
hoạt động vẫn là gánh nặng môi trường chủ yếu trong dịch vụ vận tải (khi điện cho BEV
được sản xuất bởi thủy điện). Phát hiện này thì khá phù hợp với các nghiên cứu trước đó
cho thấy tác động của quá trình hoạt động của phương tiện chiếm ưu thế trong tác động
MT gây ra từ dịch vụ vận tải. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: cơ sở hạ tầng, bảo trì và dịch
vụ khác cũng góp 1 phần vào tác động môi trường của dịch vụ giao thông. Chúng tôi
nhận thấy những tác động tương tự về gánh nặng môi trường của các loại hình vận
chuyển khác như xe sử dụng động cơ đốt trong (Hình 2). Một giải thích khác cho các tác
động nhỏ của pin trên việc đánh giá tổng thể tác động của dịch vụ vận tải là phần % các
tác động MT do thành phần lithium gây ra cho các gánh nặng môi trường so với tổng tác
động của pin Li-ion là tương đối nhỏ. Điều này có thể được giải thích trước hết là thực tế
chỉ có 0.007 kg lithium/1kg pin Li-ion. Thành phần lithium của pin bao gồm vật liệu hoạt
động (LiMn2O4) và lithium trong chất điện phân. Ngoài ra, quá trình sử dụng để trích
xuất lithium từ nước mặn thì rất đơn giản và có mức nhu cầu năng lượng thấp. Mặc dù
lithium có nồng độ trung bình thấp hơn 0,01% khối lượng vỏ trái đất và có thể coi là một
kim loại hiếm nhưng đánh giá về khía cạnh ADP (khả năng cạn kiệt tài nguyên không tái
sinh) cho thấy các thành phần lithium có tác động không lớn. Li2CO3 đóng vai trò cực âm
của pin, nguồn nguyên liệu và muối lithium có tác động chỉ 1,9%. So với các thành phần
khác. Ví dụ, Mn2O3 (4,4%), đồng (5,3%) hoặc nhôm (15,1%), sự cạn kiệt tài nguyên
không tái sinh lithium dường như không đáng kể. Tuy nhiên, những kết quả này chỉ có
giá trị chỉ khi Li2CO3 là được sản xuất từ nguồn nước mặn. Nếu các thành phần lithium
dựa trên Spodumene (khoáng silicat nhôm-liti), các quá trình trích xuất lithium từ
khoáng vật này sẽ đòi hỏi một lượng lớn năng lượng.Đóng góp chính cho gánh nặng môi
trường trong quá trình sản xuất pin (không phụ thuộc vào tác động của phương pháp đánh
giá được sử dụng) là nguồn cung cấp kim loại (hình 3) vàquá trình năng lượng . Kim loại
có mặt trên tất cả quá trình sản xuất: cực dương (điện cực đồng), cực âm (điện cực nhôm)
và pin . Pin cần có cáp (đồng), thép hộp của pin và hệ thống quản lý pin, trong đó có các


kim loại khác nhau.Ví dụ: đồng, vàng, thiếc. Một nhu cầu năng lượng lớn trongsản xuất
nhôm , sản xuất tấmcho hệ thống quản lý pin, sản xuất than chì, các quá trình làm khô
cacbonat manganMn2O3 hoặc Li2CO3 và Mn2O3 để sản xuất LiMn2O4 hoặc việc sử dụng
nhiệt để làm khô điện cực.Than chì có tác động về CED (nhu cầu năng lượng tích lũy)
cao hơn nhiều so với GWP (tiềm năng, nguy cơ nóng lên toàn cầu). Than cốc được
chuyển đổi thành than chì, loại than này chứa rất nhiều năng lượng và góp phần vào
CED, nhưng gần như không ảnh hưởng tới GWP do Carbon vẫn còn trong sản phẩm(than
chì) và chỉ có một phần nhỏ lượng khí CO 2 được tạo ra trong quá trình này.Tác động lớn
nhất vào môi trường của pin Li-ion là về mặt GWP do trong quá trình sản xuất LiMn 2O4,
công đoạn làm khô Mn2O3 sử dụng lượng nhiên liệu đốt rất lớn. Giá trị cực kỳ cao về
GWP bắt nguồn từ thực tế là việc chuyển đổi mangancacbonat (MnCO 3)thành Mn2O3 và
tiếp theo là phản ứng của Li 2CO3 vàMn2O3tạo thành LiMn2O4 phát thải một lượng đáng
kể khí CO2.
Kết quả phân tích LCA của BEVs chủ yếu phụ thuộc vàothông tin môi trường của Pha
điện xem xét, như khói xe chiếc xe được chuyển sang đơn vị điện thế. Xe điện di động
gây ra cao nhấtcó thể lên đến EI99 H/A , CED , GWP ADP khi điện được sử dụng có
chứa một tỷ lệ cao hóa thạchnhiên liệu như sự pha trộn điện UCTE ( phần nhiên liệu hóa
thạch> 50 %) . Tuy nhiên, các hoạt động của ICEVgây ảnh hưởng tương đối cao ( CED ,
92%; GWP, 125% (Hình 2), ICEV sẽ cần phải tiêu thụ ít hơn 3,9 L/100km đểCED gây ra
tổng tác động môi trườngthấp hơn so với một BEV hoặc ít hơn 2,6 L/100km đểgây ra
một điểm số EI99 H/Athấp hơn. Tiêu thụ trong phạm vi nàyđược thực hiện bằng một số
ICEVs động cơ diesel nhỏ và rất hiệu quả. Ví dụ, từ Ford và Volks wagen.
Dịch vụ vận tải ảnh hưởng đến môi trường chủ yếu dogóp phần ô nhiễm không khí toàn
cầu: PM10, SO2, NOx vàkhí thải giao thông góp phần đáng kể môi trườngcác vấn đề như
quá trình axit hóa và hiện tượng phú dưỡng (SO 2và NOx), ô nhiễm không khí quang
(NOx) hay có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, ví dụ, độc tính tế bào, gây hại cho
vật liệu di truyền qua quá trình oxy hóa hoặc khả năng gây dị ứng (PM10, SO 2 và NOx).
Đối với kết quả LCI cho các vấn đề ô nhiễm PM10, SO 2, NOx cho thấy khi vận tải bằng 1
BEV dẫn đến gánh nặng môi trường cao hơn so với vận chuyển bằng 1 ICEV . Tuy nhiên,
lượng khí thải do sản xuất của chiếc xe, đặc biệt là pin Li-ion, được đặt tại khu công
nghiệp nơi mật độ dân số khá nhỏ. Trong khi đó các phát thải của động cơ đốt trong phổ
biến trong các khu đô thị với một mật độ dân số cao . Lượng khí NO x phát thải từ 1 ICEV
có nguồn gốc từ quá trình hoạt động, do đó gây tiềm năng gây hại cao đối với sức khỏe
con người.
Mối quan hệ giữa hoạt động so với quá trình sản xuất pin là khác nhau khi đánh giá với
EI99 H/A, so sánh với các phương pháp đánh giá tác động khác thì quá trình vận tải bằng
BEV hay ICEV có vẻ rất giống nhau bất kể cách thức sử dụng. EI99H/A cho thấy Cu


cũng đóng góp lớn vào gánh nặng môi trường,trong khi đánh giá với các phương pháp
khác lại cho rằng đó chỉ là một phần khá nhỏ. Ngược lại, Al và LiMn 2O4 là vấn đề cần
cân nhắc khi đánh giá CED, GWPhoặc ADP, chỉ chiếm một phần nhỏ khi đánh giá với
EI99H/A. Điều này là do các đánh giá này xuất phát từ những giả thuyết khác nhau,
GWP,CED và ADP đánh giá dựa trên việc sử dụng khoáng sản và năng lượng , trong khi
EI99H/A lại đánh gía dựa trên độc tính đối với con người và các hệ sinh thái . Các loại
thiệt hại sức khỏe con người trong EI99 H/A chiếm 43% các môi trườnggánh nặng gây ra
bởi việc sản xuất một pin Li-ion (xemHình S2 trong hỗ trợ Thông tin). Khi chỉ phân tích
Cu với EI99 H/A, thiệt hại cho sức khỏe con người (40%) và chất lượng hệ sinh thái
(27%) gây ra một gánh nặng môi trường lớn hơn so với khai thác khoáng sản (30%), tiêu
thụ năng lượng (3%).
5. Tính bất định và độ nhạy

Thông tin đánh giá hiện nay được trình bàycho pin Li-ion, BEV và cả ICEV khôngdựa
trên dữ liệu hiệu suất đại diện cho các sản phẩm cụ thể, do đó, không chắc chắn tuân thủ
các LCI. Lựa chọnthủ tục phân bổ và lựa chọn mô hình khác gợi rachênh lệch có thể ảnh
hưởng đến kết quả của nghiên cứu. Do đó điểm quan trọng nhất được thảo luận trong
những phần sau:
Hóa học được lựa chọn cho pin Li-ion điều tratrong nghiên cứu này dựa trên mangan.
Ngày nay, rất nhiềucác vật liệu khác được sử dụng trong pin ô tô, ví dụ: niken, coban
hoặc sắt. Phân tích độ nhạy vật liệu cathode khác nhau cho thấy tác động chỉ thay đổi
nhỏ.Do đó môi trường đối vớimột đánh giá chung có vẻ như hợp lý để bỏ quasự đa dạng
của nhiều loại vật liệu hoạt động khác nhau để giảmphức tạp của pin hóa học.
Phân tích độ nhạy về tiêu thụ điện chocác BEV hoặc các phân tích độ nhạy cho tuổi thọ
pin cho thấy chênh lệch khá nhỏ liên quan đến gánh nặng môi trường của cả hai, vận
chuyển với một ICEV hoặc BEV. Tuy nhiên,sự lựa chọn của nguồn cung cấp điện năng
cho BEV dẫn đến biến đổi đáng kể. Nạp điện BEV với điệntừ một nhà máy điện sử dụng
than đá dẫn đến tăng13,4%gánh nặng môi trường. Mặt khác, sử dụngđiện từ một nhà máy
thủy điện trung bình giảmgánh nặng môi trường đến 40,2%. Điều này dẫn đến giảm tác
động cho các hoạt động từ 41,8% (UCTE pha trộn) xuống 9,6 % khisạc pin với điện
từthủy điện.
Mô hình áp dụng để đánh giá EOL cho xebao gồm cả pin Li-ion dẫn đến trường hợp kịch
bảnxấu nhất, như không tính đến lợi ích bắt nguồn từ vật liệu hữu ích trong pin. Pin được
tái chếmộttỷ lệ rất cao, quy định của EU là 85 % trong năm 2006 và đạt 95% vào năm
2015. Đối với một chiếc xe thông thường, điểm EI99 H/A sẽđược giảm xuống còn 88,8%
nếu phương pháp tiếp cận mô hình bao gồmnhững lợi ích củaviệc tái sinh vật liệu được
thay thế các vật liệu khác chưa khai phá. Việc giảm tác động này dự kiến sẽ còn cao hơn


đối với xe điện. Cho thấy rằng chuyển từkhai thác tài nguyên sang cung cấp tài nguyên
để tái chế âm cựcpin Li-ion sẽ tiết kiệm khoảng 51% tài nguyên thiên nhiên sử dụng. Do
đó,phương pháp tiếp cận mô hình EOL áp dụng trong nghiên cứu này nhấn mạnh lợi thế
sinh thái của di chuyển bằngBEV so với một ICEV.
Dựa trên tất cả các cơ sở lí luận cùng kết quả của LCA, cácphân tích độ nhạy khác nhau,
mô hình áp dụng cho EOL,giả thiết cho sự pha trộn điện sử dụng,…. Đều cho thấy E- di
động có lợi cho môi trường hơn so với các phương tiện di chuyển thông thường khác. Sự
sử dụng pin Li-ion đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá gánh nặng môi trường E
-Mobility. Do đó, một pin Li-ion trong một BEV không dẫn đến một ảnh hưởng xấu nào
trong những lợi ích tiềm tàng củaBEVhiệu quả hơn so với một ICEV.
III. LIÊN HỆ Ở VIỆT NAM

Hiện nay tại Việt Nam Pin Li-ion chủ yếu được sử dụng trong: các thiết bị điện thoại,
laptop, một số dòng xe đạp điện mới, và một số thiết bị điện khác.
Tuy nhiên vẫn chưa xử lý sau khi thải bỏ, chỉ thải bỏ như một chất thải nguy hại hoặc
thu gom theo yêu cầu của nhà sản suất, phân phối.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×