Évaluation de l'impact environnemental du cycle de vie de la batterie

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7952 (2023) Citer cet article

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En tant que partie importante des véhicules électriques, les batteries lithium-ion auront un certain impact environnemental lors de la phase d'utilisation. Pour analyser l'impact environnemental global, 11 batteries lithium-ion composées de différents matériaux ont été sélectionnées comme objet de recherche. En introduisant la méthode d'évaluation du cycle de vie et la méthode du poids d'entropie pour quantifier la charge environnementale, un système d'évaluation d'indice à plusieurs niveaux a été établi sur la base des caractéristiques environnementales de la batterie. Les résultats montrent que la batterie Li-S est la batterie la plus propre en phase d'utilisation. De plus, en termes de structure d'alimentation, lorsque des batteries sont utilisées en Chine, l'empreinte carbone, l'empreinte écologique, le potentiel d'acidification, le potentiel d'eutrophisation, la toxicité humaine cancéreuse et la toxicité humaine non cancéreuse sont beaucoup plus élevés que ceux des quatre autres régions. Bien que la structure électrique actuelle en Chine ne soit pas propice au développement durable des véhicules électriques, l'optimisation de la structure électrique devrait permettre aux véhicules électriques d'atteindre une conduite propre en Chine.

L'industrie du transport se développe rapidement et joue un rôle particulièrement important dans le développement économique et social1. Dans le même temps, il consomme également de nombreux combustibles fossiles et provoque une grave pollution de l'environnement2. L'AIE (2019) rapporte qu'environ un tiers des émissions mondiales de CO2 sont causées par le secteur des transports3, 4. En tant que premier émetteur mondial de dioxyde de carbone, la Chine a dû faire face à de graves problèmes énergétiques et environnementaux ces dernières années5. Pour atténuer l'énorme demande d'énergie et la pression environnementale dans l'industrie mondiale des transports, l'électrification du secteur des transports est considérée comme l'une des mesures clés pour réduire les émissions de polluants6,7,8. Par conséquent, le développement de véhicules à énergie propre et durable, en particulier les véhicules électriques (VE), est devenu un choix prometteur dans l'industrie automobile9.

Dans ce contexte, en septembre 2001, les véhicules à énergies nouvelles ont été inclus dans le plan national "863", après quoi le "grand projet scientifique et technologique des VE" a été lancé, marquant le début de la recherche et du développement des VE en Chine. Depuis le 12e plan quinquennal (2010-2015), le gouvernement chinois a décidé de promouvoir l'utilisation des véhicules électriques pour rendre les déplacements plus propres. Cependant, la grave crise économique a laissé tous les pays confrontés aux problèmes d'une crise énergétique, d'une hausse des prix des combustibles fossiles, d'un chômage élevé et d'une inflation croissante, qui affectent la mentalité de la société, le pouvoir d'achat des gens et la prise de décision gouvernementale. Par conséquent, la reconnaissance et l'acceptation des véhicules électriques par les gens ne sont pas élevées, ce qui entrave la diffusion précoce des véhicules électriques sur le marché10. Cela arrive à un moment où le gouvernement chinois a déployé une série de mesures politiques et d'incitations financières pour promouvoir le développement des véhicules électriques11. Depuis 2013, la Chine a mis en place une politique de subvention des achats de VE12. Du 1er janvier 2021 au 31 décembre 2022, les véhicules à énergies nouvelles achetés seront exonérés de la taxe d'achat sur les véhicules. À court terme, les mesures gouvernementales telles que les subventions pour réduire l'écart de prix et le développement des infrastructures de recharge stimuleront la consommation des VE13.

Ces dernières années, les ventes et la possession de véhicules électriques et de véhicules à carburant en Chine sont illustrées à la Fig. 1. On peut voir que les ventes et la possession de véhicules électriques en Chine sont en augmentation, en particulier au cours des deux dernières années. En revanche, les ventes de voitures à essence continuent de baisser et la tendance à la croissance de la propriété ralentit. En d'autres termes, sous l'impulsion de la réglementation et de l'éveil de la conscience environnementale, l'évolution des ventes de voitures à carburant conventionnel est à l'opposé de celle des VE, et le taux de popularité des VE augmente rapidement7, 14. Actuellement, les batteries lithium-ion (LIB) sont le premier choix dans le domaine des véhicules électriques en raison de leurs avantages de légèreté, de grandes performances, de densité d'énergie élevée et de puissance de sortie élevée15,16,17,18,19. De plus, les LIB, en tant que technologie principale des systèmes de stockage d'énergie par batterie20, ont également un grand potentiel de durabilité énergétique et de réductions significatives des émissions de carbone21.

Ventes et possession de véhicules électriques et de véhicules à carburant de 2018 à septembre 2022.

Dans le processus de promotion, les véhicules électriques sont parfois considérés comme des véhicules à zéro émission, mais leur production et l'utilisation de batteries auront un impact important sur l'environnement. Par conséquent, des études récentes se sont davantage concentrées sur les avantages environnementaux des véhicules électriques22. Il y a beaucoup de recherches sur les trois étapes des VE : production, utilisation et recyclage. Par exemple, Feng et al.23 ont pris comme objet de recherche les trois batteries au lithium nickel cobalt oxyde de manganèse (NCM) et au lithium fer phosphate (LFP) les plus largement utilisées sur le marché des véhicules électriques en Chine, et ont mené une analyse spécifique des trois étapes de production, d'utilisation et de recyclage des batteries de puissance sur la base de l'analyse du cycle de vie (ACV). Le résultat montre que les batteries LFP ont de meilleures performances environnementales que les batteries NCM dans des conditions générales, mais l'efficacité énergétique en phase d'utilisation est inférieure aux batteries NCM, qui ont une plus grande valeur de recyclage.

Pour l'étape de production, Hao et al.24 ont estimé les émissions de GES de la production de LIB en Chine en établissant un cadre d'ACV. Pour les trois types de LIB les plus couramment utilisés : la batterie LFP, la batterie NMC et la batterie LMO, les émissions de GES liées à la production d'une batterie de 28 kWh sont de 3061 kg CO2-eq, 2912 kg CO2-eq et 2705 kg CO2- éq, respectivement.

Pour la phase d'utilisation, Zeng et al.25 ont utilisé les modèles de la série BYD Qin Pro en Chine comme exemple pour comparer l'impact environnemental des VEB purs et des VÉ hybrides rechargeables avec les véhicules à moteur à combustion interne traditionnels. Le résultat montre que par rapport à l'ICEV essence, les BEV et les véhicules électriques hybrides rechargeables entraînés par la structure de puissance moyenne actuelle en Chine réduisent le potentiel de réchauffement climatique de 23 % et 17 %, respectivement.

Pour l'étape de récupération et de réutilisation, Koroma et al.26 ont mené une ACV pour trois scénarios différents combinés au recyclage des batteries et ont constaté que le recyclage réduisait l'impact climatique des VE de près de 8 %, la toxicité humaine et la rareté des ressources minérales étant réduites d'environ 22 %. et 25 %, respectivement. Yang et al.27 ont utilisé l'ACV pour étudier la faisabilité environnementale de la réutilisation des déchets LIB dans les stations de base de communication. Les résultats montrent que dans toutes les catégories sélectionnées, l'utilisation secondaire des VE LIB a moins d'impact environnemental que l'utilisation de batteries au plomb.

Les véhicules électriques sont appelés véhicules "zéro émission", mais il existe un nouvel argument pour cette croyance commune. Les véhicules électriques purs n'ont pas d'émissions directes de gaz à effet de serre dans le processus d'utilisation, mais leur charge environnementale sera indirectement transférée à la structure de puissance. Autrement dit, la structure de puissance de la tarification est un facteur important affectant chaque indice environnemental. De plus, il n'y a presque pas d'articles qui ont mené une étude distincte sur l'étape d'utilisation des VE, il est donc nécessaire d'analyser leur état de conduite sur la route. Enfin, des conseils plus précieux sont nécessaires sur la manière dont la structure électrique peut être ajustée pour se rapprocher du "zéro émission" sur la route. Par conséquent, l'impact environnemental des batteries au stade de l'utilisation mérite une étude plus approfondie. De ce point de vue, cette étude se concentre sur l'impact de l'utilisation de la batterie et établit un système environnemental intégré d'ACV.

Dans ce travail, basé sur la famille d'empreintes, l'épuisement des ressources et les indicateurs de dommages toxiques, 11 types de batteries EV et cinq régions ont été sélectionnés pour évaluer la charge environnementale de différents types de LIB, et pour mesurer la supériorité des catégories de batteries et l'importance de la structure du réseau électrique. De plus, un indice de caractéristique environnementale sans dimension a été établi pour évaluer l'impact environnemental global de la batterie. Les résultats ont montré que la batterie Li-S est la batterie la plus propre en phase d'utilisation. De plus, la structure électrique de la zone de fonctionnement est un facteur important pour l'impact environnemental potentiel de la batterie. En termes de structure énergétique, l'énergie au charbon en Chine a actuellement une empreinte carbone, une empreinte écologique, un potentiel d'acidification et un potentiel d'eutrophisation importants. Bien que la structure électrique actuelle en Chine ne soit pas propice au développement durable des véhicules électriques, l'optimisation de la structure électrique devrait permettre aux véhicules électriques d'atteindre une conduite propre en Chine.

En raison des différentes structures de pouvoir dans les différentes régions, la capacité de décarbonation du secteur de l'électricité n'est pas cohérente et les impacts environnementaux sont également divergents. Dans la phase d'utilisation, ce travail suppose que le VE se déplace dans cinq régions différentes pour analyser l'influence de la structure de puissance régionale sur les caractéristiques environnementales de la batterie. Par rapport à d'autres modèles, la mini-voiture présente les caractéristiques d'une capacité de batterie plus petite, d'une demande d'énergie moindre, d'une miniaturisation et d'une commodité, ce qui convient à la conduite sur de courtes distances et propice à la promotion. Par conséquent, cette étude n'a exploré que l'impact environnemental global des mini-VE (la mini-voiture pèse 1100 kg, la capacité de la batterie est de 17,7 kWh et la demande d'énergie est de 96,8 Wh km-1).

En tant que méthode scientifique d'évaluation de la demande énergétique et des émissions associées aux cycles de vie des produits28, l'ACV a été largement utilisée dans l'analyse des caractéristiques environnementales des produits et l'aide à la décision. L'ACV est divisée en quatre étapes : détermination des objectifs et de la portée, analyse de l'inventaire, analyse de l'impact et des résultats de l'évaluation, et interprétation ou optimisation des résultats de l'évaluation29. Dans cette étude, la famille d'empreintes, l'épuisement des ressources et les dommages toxiques des batteries EV ont été évalués de manière exhaustive par la méthode LCA.

Dans cette étude, 11 types de batteries ont été sélectionnés comme objets de recherche pour analyser leur impact environnemental sous la structure du pouvoir dans 5 régions. La portée de l'étude est le processus d'utilisation des véhicules électriques, qui n'implique pas la production de la voiture et de la batterie, mais uniquement le processus de charge de la batterie et de conduite de la voiture sur la route. Une certaine distance a été prise comme unité d'évaluation de l'impact environnemental de la batterie. Lorsque le VE de différentes batteries parcourt le même kilométrage, leur capacité de batterie respective est différente. La puissance provient de l'énergie électrique que le VE absorbe pendant la charge. Cette énergie, à son tour, provient de sources d'énergie telles que le charbon, le nucléaire ou l'hydroélectricité. On voit donc qu'une certaine distance de roulage, sous l'appui de différentes batteries, peut correspondre à leur puissance respective. Par conséquent, nous définissons l'unité fonctionnelle comme la distance parcourue par unité.

Étant donné que les types de batteries commerciales couramment utilisés sont LFP et NMC, deux types de LFP (selon les différentes compositions et proportions de matériaux de cathode LFP), trois types de NMC (selon les différents rapports de composition des trois matériaux actifs de nickel, cobalt et manganèse et les différentes proportions de matériaux de cathode) et deux types de batteries NMC associées à des matériaux de nanoanode (nanofils de silicium et nanotubes de silicium) ont été sélectionnés. De plus, un type de batterie avec LMO comme matériau actif positif, un type de batterie à matériau cathodique composite contenant LMO et NMC et deux types de LIB contenant du soufre ont également été sélectionnés. Par conséquent, les objets de recherche de cette étude étaient onze types différents de packs LIB, y compris LFPx-C30, LFPy-C31, NMC-C31, NMC442-C30, NMC111-C32, NMC-SiNT33, NMC-SiNW34, LMO-C35, LMO /NMC-C36, Li-S37 et FeS2SS38.

Les batteries peuvent être divisées en quatre catégories selon leurs composants, à savoir LFP, NMC, LMO et LMB. Information spécifique:

LFP : LFPx-C, batterie au lithium-oxyde de phosphate de fer avec du graphite pour anode, sa densité d'énergie de bloc-batterie était de 88 Wh kg-1 et l'efficacité énergétique de charge-décharge est de 90 % ; LFPy-C, batterie lithium fer phosphate oxyde avec graphite pour anode, x et y ne représentent que différents types de batterie, son efficacité charge-décharge est de 95 % et sa consommation électrique est de 15 kWh aux 100 km.

NMC : NMC-C, oxyde lithium-nickel manganèse cobalt (LiNixMnyCo (1-x–y) O2) couplé à un matériau d'anode en graphite, son efficacité charge-décharge est de 99 % et sa consommation électrique est de 13 kWh aux 100 km ; NMC442-C, oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (LiNi0,4Mn0,4Co0,2O2) couplé à un matériau d'anode en graphite, la densité énergétique du bloc-batterie est de 112 Wh kg-1 et l'efficacité énergétique charge-décharge est de 90 % ; NMC111-C, oxyde lithium-nickel manganèse cobalt (LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2) couplé à un matériau d'anode en graphite, sa capacité énergétique est de 26,6 kWh et le rendement de la batterie est de 95% à 96% ; NMC-SiNT, oxyde lithium-nickel manganèse cobalt (LiNixMnyCo (1-x–y) O2) couplé à un matériau d'anode en nanotubes de silicium, sa densité d'énergie gravimétrique est de 199 Wh kg−1 et son efficacité charge‒décharge est de 90 % ; NMC-SiNW, oxyde de lithium-nickel manganèse cobalt (LiNixMnyCo (1-x–y) O2) couplé à un matériau d'anode en nanofils de silicium, le bloc-batterie a un poids total de 120 kg et une capacité énergétique de 43,2 kWh.

LMO : LMO-C, oxyde de manganèse lithium (LiMn2O4) couplé à un matériau d'anode en graphite, le poids de la batterie est de 300 kg et la capacité de la batterie était de 34,2 kWh ; LMO/NMC-C, oxyde de manganèse lithium couplé à un matériau d'anode en graphite (LiMn2O4 et LiNi0,4Mn0,4Co0,2O2), dont la capacité nominale est de 11,4 kWh et peut être utilisé pour environ 140 000 km de roulage ;

LMB : Li–S, lithium métal couplé à du soufre élémentaire, sa capacité énergétique totale est de 61,3 kWh et son efficacité de charge est de 95 % ; FeS2SS, pile au lithium à semi-conducteurs avec sulfure de fer (FeS2) pour cathode ; le lithium métal pour l'anode ; et le sulfure de lithium (Li2S) et le pentasulfure de phosphore (P2S5) pour l'électrolyte à l'état solide, sa capacité spécifique de 182 Wh kg-1 et sa capacité énergétique est de 80 kWh.

Les études évaluant les impacts environnementaux des LIB supposent des distances totales de conduite comprises entre 150 000 km et 200 000 km34. Dans cette étude, on suppose que la batterie du VE a une autonomie de 180 000 km et aucun remplacement de batterie n'est envisagé pendant la période d'utilisation. La plage limite de l'étude est l'étape d'utilisation de la batterie, de sorte que l'unité fonctionnelle est déterminée à 1 km, c'est-à-dire que l'impact environnemental de la batterie d'alimentation dans l'étape d'utilisation est calculé sur la base de la distance de fonctionnement de l'unité. Les paramètres de base du scénario sont répertoriés dans le tableau 1.

Dans la phase d'exploitation, l'analyse régionale met l'accent sur la différence d'influence des différentes combinaisons de puissance sur les résultats de l'analyse. Par conséquent, lors de l'utilisation de batteries EV, la structure de l'alimentation électrique affectera dans une large mesure les émissions environnementales. Les régions de l'étape d'utilisation des véhicules électriques sont déterminées dans cinq régions pour analyse, notamment le monde, la Chine, le Japon, l'Europe et les États-Unis.

À l'étape d'utilisation, la perte de puissance de la batterie (pour fournir de l'énergie pour le transport du VE), la puissance supplémentaire requise par le véhicule pour transporter la batterie et l'énergie consommée pendant le fonctionnement du véhicule ont été prises en compte. Le processus d'utilisation de la batterie est calculé sur la base des hypothèses du scénario de base (tableau 1).

Perte de puissance (\({EL}_{be}\)) due à l'efficacité de charge de la batterie :

où \({EL}_{be}\) représente la perte de puissance causée par la charge de la batterie, kWh ; \({D}_{v}\) est le kilométrage du véhicule électrique, km ; et \({CEL}_{drm}\) représente la consommation électrique du VE par kilomètre, kWh km−1.\(\eta c\) est l'efficacité d'une batterie, %.

Puissance supplémentaire (ELex) du transport de la batterie :

où \({EL}_{ex}\) représente la puissance supplémentaire nécessaire pour transporter la batterie, kWh ; \({W}_{b}\) est le poids de la batterie, en kg ; \({W}_{v}\) est le poids de l'EV, kg ; et \({CEL}_{w}\) représente la relation directe entre la consommation d'énergie et le transport de la batterie (rapport poids-énergie : 30 % dans le scénario de base), %.

L'énergie consommée (ELu) pendant la durée de vie de la batterie est :

où Elu représente l'énergie consommée pendant la durée de vie de la batterie, kWh ; \({CA}_{b}\) est la capacité de la batterie, kWh ; et \({D}_{r}\) représente le kilométrage d'EV dans un cycle, km charge−1.

L'énergie dans la phase d'utilisation de la batterie se compose de la perte de puissance, de la puissance supplémentaire et de la consommation d'énergie. Le schéma cadre de la phase d'utilisation et de la structure de production d'électricité dans différentes régions en 2018 est illustré à la Fig. 2.

Le schéma cadre de la phase d'utilisation et de la structure de production d'électricité dans différentes régions en 2018 (Source des données : http://bp.com/statsreview).

Selon la formule ci-dessus, l'énergie électrique totale consommée par les véhicules électriques en phase de conduite est calculée, puis introduite dans le logiciel Simapro. Selon la structure de puissance des différentes régions, la valeur de l'indice à trois niveaux des émissions dans le processus de production d'électricité peut être calculée.

Dans cette étude, en se référant à la littérature nationale et étrangère, 11 groupes d'indicateurs représentatifs à trois niveaux ont été sélectionnés et divisés en trois groupes d'indicateurs complets de deuxième niveau : épuisement des ressources, famille d'empreintes et dommages toxiques. L'indice d'évaluation environnementale complète est illustré à la figure 3.

Indice d'évaluation environnementale complète.

Pour évaluer la caractéristique environnementale de la batterie dans son ensemble, un indice complet, à savoir l'indice des caractéristiques environnementales, a été construit sur la base des indicateurs de second niveau, tels que la famille d'empreintes, l'épuisement des ressources et les dommages toxiques.

Dans le système d'évaluation multi-indices, il est souvent difficile de comparer et d'analyser les indices en raison des différentes unités, dimensions et ordres de grandeur de chaque indice. Le traitement unifié des données peut empêcher que différentes dimensions des principaux indicateurs n'affectent les résultats de l'évaluation. Comme le montrent les indicateurs du système d'évaluation environnementale globale construit, les indicateurs du système sont tous des indicateurs inverses, et la formule standardisée positive est :

Dans la formule, \({X}_{ij}\) représente les données d'origine du jème index de troisième niveau de la ième batterie. i représente différents types de blocs d'alimentation (i = 1,2…11). j est la catégorie des données d'index (j = 1, 2 … 11). \({Z}_{ij}\) est la valeur normalisée du jième indice de la ième batterie de type. Parmi eux, la valeur de \({Z}_{ij}\) varie de 0 à 1. Plus la valeur est grande, meilleures seront les données de cet indicateur.

La méthode de pondération entropique est une méthode de pondération objective. Dans le processus spécifique d'utilisation, le poids d'entropie de chaque indice est calculé en utilisant l'entropie d'information en fonction du degré de dispersion des données de chaque indice, puis le poids d'entropie est modifié en fonction de chaque indice pour obtenir un poids relativement objectif de l'indice . L'entropie est utilisée pour mesurer le degré de désordre du système, ainsi que les informations effectives portées par les données, pour déterminer la valeur de poids de l'indice. Si l'entropie d'information de l'indice est plus petite, cela signifie que le degré de variation de la valeur de l'indice est plus grand et que les informations fournies par l'indice sont plus importantes, il devrait donc jouer un rôle plus important dans l'évaluation complète et le poids est plus élevé. . Dans cette étude, l'introduction du poids n'a pas changé la méthode de recherche de base, mais a trié les résultats de calcul de l'ACV, pour effectuer une analyse globale de l'impact environnemental de la batterie et rendre les résultats plus précis.

L'entropie d'information d'un ensemble de données est :

où \({P}_{ij}=\frac{{Z}_{ij}}{{\sum}_{i=1}^{n}{Z}_{ij}}\), si \ ({P}_{ij}=0\), \(\interpret{{\math{P}}_{\math{ij}}\to 0}{\math{lim}}{P}_{ij }\mathrm{ln}{P}_{ij}=0\)

Le poids correspondant de l'indicateur est :

où \({S}_{j}\) est l'entropie d'information d'un ensemble de données et \({y}_{j}\) est le poids correspondant de l'indicateur.

La méthode du poids entropique est utilisée pour calculer le poids de chaque indice environnemental. La figure 4 montre les combinaisons d'indicateurs et leurs valeurs de pondération des indicateurs de caractéristiques environnementales régionales mondiales.

Combinaisons d'indicateurs et leurs valeurs de pondération des indicateurs de caractéristiques environnementales régionales globales.

Parmi les 11 indicateurs de troisième niveau, la valeur pondérée de l'empreinte carbone est la plus grande et celle de POFP est la plus petite, ce qui indique que l'empreinte carbone est l'un des indices de référence importants de la performance environnementale dans l'évaluation de l'impact environnemental des batteries.

Les 11 indicateurs d'impact sont le reflet du potentiel d'émission de la batterie dans leurs domaines respectifs. L'indice des caractéristiques environnementales reflète l'impact environnemental global de la batterie au stade de l'utilisation, c'est-à-dire le degré de propreté des 11 indicateurs d'impact sur l'état environnemental global. Plus l'indice de caractéristique environnementale est élevé, plus l'impact négatif de la batterie sur l'environnement naturel est faible, c'est-à-dire plus le processus de conduite est propre. La méthode de calcul de l'indice des caractéristiques environnementales est la suivante :

où \({E}_{i}\) est l'indice des caractéristiques environnementales de la ième batterie.

Au cours de la phase d'utilisation des mini-voitures, les valeurs potentielles de la famille d'empreintes, de l'épuisement des ressources et des dommages toxiques de toutes les batteries dans la même zone n'ont pas changé de manière significative au cours de la phase d'utilisation. Par conséquent, la valeur moyenne de chaque indicateur de 11 types de piles a été prise pour une comparaison interrégionale. Dans la phase d'utilisation du scénario de base, les valeurs d'impact environnemental de la famille d'empreintes, l'épuisement des ressources, les dommages toxiques générés par la batterie du mini modèle dans les cinq régions sont illustrés à la Fig. 5.

La famille d'empreintes, l'épuisement des ressources, les dommages toxiques influencent la valeur de la batterie du mini véhicule au stade de l'utilisation.

Comme le montre la figure 5a, les véhicules électriques pourraient indirectement causer différents degrés d'impact sur l'environnement en raison de la différence dans les zones de conduite. La valeur moyenne globale de l'impact environnemental pourrait être utilisée comme norme de référence pour évaluer la performance environnementale des véhicules en phase d'utilisation entre les régions. Les modèles Mini en Chine et au Japon pouvaient produire des valeurs d'influence de l'empreinte carbone (CF) et de l'empreinte écologique (EF) élevées, qui étaient supérieures à la norme mondiale. En revanche, les valeurs d'impact des CF et EF générées dans la région européenne étaient les plus faibles, ce qui indiquait indirectement que l'utilisation des VE en Chine et au Japon n'était pas respectueuse de l'environnement. La raison était principalement due aux différentes structures de pouvoir régionales. Par exemple, le taux de production d'électricité au charbon en Chine était le plus élevé parmi les cinq régions, à 66,54 %, et la quantité de gaz à effet de serre produite était supérieure à la moyenne mondiale. Les modèles régionaux d'EF et de CF de la batterie étaient similaires. Par conséquent, la Chine et le Japon devraient optimiser la structure du pouvoir pour réduire davantage les émissions de gaz à effet de serre.

En termes d'empreinte hydrique (WF), le seul pays ayant un impact global inférieur était le Japon, tandis que d'autres pays ou régions étaient au-dessus de la moyenne en termes de consommation d'eau, notamment l'Europe et les États-Unis. Cela s'explique principalement par le fait que l'énergie nucléaire représente environ un cinquième du mix électrique en Europe et aux États-Unis, contre 10,15 % dans le monde. On pourrait supposer que la génération de charbon dans la structure de puissance pourrait exercer une influence sur le CF et le EF du bloc-batterie au stade de l'utilisation. La structure nucléaire pourrait affecter l'EF de la batterie pendant l'utilisation.

Comme le montre la figure 5b, les valeurs d'influence des indices d'épuisement des ressources variaient entre les différentes régions et il n'y avait pas de cohérence entre les petits indices. La batterie des mini-modèles fonctionnant en Chine avait la valeur la plus faible de potentiel d'épuisement abiotique (ADP), tandis que la batterie du Japon avait la valeur la plus élevée, indiquant que la Chine avait de meilleures performances environnementales en termes d'ADP. Au Japon et aux États-Unis, la part de la production d'électricité au gaz naturel était comprise entre 35 et 37 %, supérieure à celle des trois autres régions, alors qu'elle n'était que de 3,28 % en Chine. La proportion de la production d'électricité au gaz naturel était similaire à la valeur d'influence de l'ADP générée par les VE dans les cinq régions. Par conséquent, il a été émis l'hypothèse que la génération de gaz naturel dans la structure de puissance pourrait affecter l'ADP du bloc-batterie pendant la phase de fonctionnement.

Dans différentes régions, les valeurs du potentiel d'acidification et du potentiel d'eutrophisation générés par les packs de batteries EV étaient cohérentes dans la régularité. Les valeurs du potentiel d'acidification (AP) et du potentiel d'eutrophisation (EP) en Chine ont montré l'état le plus élevé, tandis que celles de l'Europe étaient les plus basses. Par conséquent, les véhicules électriques en Europe et aux États-Unis avaient de meilleures performances environnementales en termes de potentiel d'acidification et de potentiel d'eutrophisation. Pour la structure électrique, la Chine avec une structure de production d'énergie au charbon élevée produit des valeurs élevées de potentiel d'acidification et de potentiel d'eutrophisation, il a donc été supposé que la production d'énergie au charbon dans la structure électrique pourrait augmenter le potentiel d'acidification et le potentiel d'eutrophisation générés par la batterie dans l'opération organiser.

Le potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone (ODP) était proche de la moyenne mondiale en Chine et aux États-Unis, et la région avec la valeur la plus élevée d'ODP était le Japon. La valeur du potentiel de formation d'oxydants photochimiques (POFP) des véhicules électriques en Europe était la plus élevée, alors qu'elle était assez faible aux États-Unis. Affecté par la loi de l'impact environnemental dans chaque région, il était difficile de déterminer la véritable structure de production d'électricité conduisant à l'appauvrissement de la couche d'ozone et à l'oxydation photochimique, qui pourraient être le résultat de l'effet synergique de plusieurs structures de production d'électricité. Parmi les indices d'épuisement des ressources, les véhicules électriques fonctionnant dans différentes régions avaient un potentiel environnemental disparate, et les valeurs du potentiel d'acidification, du potentiel d'eutrophisation, de l'ODP et du POFP aux États-Unis étaient inférieures à la moyenne mondiale. En d'autres termes, la consommation réelle de ressources des véhicules électriques dans le secteur des transports aux États-Unis était inférieure à la moyenne mondiale, ce qui était très probablement dû aux sources d'énergie relativement équilibrées dans la structure de l'énergie électrique aux États-Unis.

Dans la phase de fonctionnement du scénario de base, la valeur de l'impact environnemental des dommages toxiques générés par les batteries du mini modèle dans les cinq régions est illustrée à la Fig. 5c. La tendance à la variation de la toxicité humaine cancéreuse (HTC) et de la toxicité humaine non cancéreuse (HTN) dans différentes régions était cohérente, et la valeur d'impact de HTN dans la batterie d'évaluation correspondante était 6 à 8 fois supérieure à celle de HTC en moyenne. En phase de fonctionnement, les batteries EV du mini modèle avaient la valeur d'impact HTC et HTN la plus élevée en Chine, mais la plus faible en Europe. Pour l'écotoxicité (ETX), les conclusions sont assez différentes. Dans le secteur des transports, l'ETX réel généré par les véhicules électriques au Japon pendant le fonctionnement pourrait atteindre le double de la valeur moyenne mondiale, appartenant à la région avec la valeur ETX la plus élevée, qui était la plus faible en Chine.

Selon l'influence environnementale indirecte de la structure de l'alimentation électrique, l'indice des caractéristiques environnementales pourrait être utilisé pour analyser le degré de protection environnementale des blocs-batteries en phase de fonctionnement du véhicule. Les résultats ont montré qu'il y avait peu de différence dans l'indice des caractéristiques environnementales des différentes zones, et la loi de distribution était à peu près la même lorsque différents packs de batteries sont assemblés. L'indice des caractéristiques environnementales des véhicules électriques avec différents packs de batteries dans différentes zones est illustré à la Fig. 6.

Indice des caractéristiques environnementales des véhicules électriques avec différents packs de batteries dans différentes zones.

L'indice des caractéristiques environnementales est un indice positif ; plus la valeur est élevée, meilleure est sa performance environnementale. La batterie Li – S était la plus propre, tandis que LMO / NMC-C avait la plus grande charge environnementale. Plus l'énergie électrique consommée par la batterie des véhicules électriques est importante, plus l'impact environnemental causé par l'existence d'une structure d'énergie non propre dans la composition de l'énergie électrique est important, donc plus les caractéristiques environnementales sont faibles. En général, l'indice des caractéristiques environnementales de la batterie a été trié du plus grand au plus petit : Li–S, NMC-SiNT, FeS2SS, NMC-C, NMC-SiNW, NMC442-C, NMC111-C, LFPy-C, LFPx-C, OVM-C, OVM/NMC-C.

Du point de vue de la composition de la batterie, les deux types de batteries LMB ont l'indice de caractéristiques environnementales le plus élevé (en haut de la liste se trouvent les batteries Li-S, avec FeS2SS en troisième position.), c'est-à-dire qu'il est le plus propre et vert pendant la phase d'utilisation. C'est principalement parce que ces batteries ont une densité d'énergie plus élevée et un poids plus faible pour la même capacité, ce qui leur permet de consommer moins d'énergie sur la route. De plus, NMC-SiNT a une densité d'énergie massique plus élevée que FeS2SS. On peut également voir sur la figure 6 que l'indice de caractéristique environnementale complet de NMC-SiNT est supérieur à FeS2SS. En général, la densité d'énergie massique des batteries NMC est supérieure à celle des batteries LFP, ce qui est également le cas dans cet article. Par conséquent, les indices caractéristiques environnementales des batteries LFPy-C et LFPx-C sont inférieurs à ceux des batteries NMC. Ensuite, l'analyse comparative de la batterie NMC montre que du point de vue de l'électrode positive, le rapport molaire des composants nickel, manganèse et cobalt de NMC442-C et NMC111-C est différent. Parmi eux, le NMC442-C a une teneur en nickel plus élevée que le NMC111-C, ce qui se traduit par une densité d'énergie plus élevée et un impact environnemental plus propre. Du point de vue de l'anode, les composants de la batterie des trois types de batteries NMC-SiNT, NMC-C, NMC-SiNW sont différents. NMC-SiNT utilise des nanotubes de silicium comme électrode négative, NMC-C utilise du carbone comme électrode négative et NMC-SiNW utilise un nanofil de silicium comme électrode négative de la batterie, ce qui fait que trois batteries ont des caractéristiques environnementales différentes. Enfin, les batteries LMO ont l'indice de caractéristique environnementale le plus bas, en particulier LMO/NMC-C, c'est-à-dire qu'elles ont la valeur de protection de l'environnement la plus faible.

Au cours de l'année écoulée, la transition énergétique mondiale et la pénurie d'énergie se sont accompagnées. Les pays du monde entier avaient fait de leur mieux pour coordonner le développement et l'approvisionnement en énergie verte et à faible émission de carbone. Selon la Clean Energy Administration, la demande mondiale de combustibles fossiles atteindra son pic d'ici quelques années, et la crise énergétique actuelle pourrait être un tournant pour le développement des énergies propres, accélérant la transition vers une énergie propre. La nouvelle tendance du développement de l'énergie électrique en Chine est illustrée à la Fig. 7. La part de l'énergie au charbon installée en Chine devrait passer de 49 % en 2021 à 31 % en 2025, ce qui suit également une transition verte et à faible émission de carbone. Par conséquent, la transformation propre est la direction inévitable et la tendance internationale du développement énergétique futur, et c'est également le seul moyen pour la Chine de modifier sa structure d'approvisionnement en électricité à haute teneur en carbone.

Structure de puissance installée en 2021 et tendance de puissance en 2025.

Avant 2020, la production d'électricité en Chine était dominée par le charbon, ce qui entraînait une surcapacité de production d'électricité au charbon et une grave pollution. De 2021 à 2030, l'énergie au charbon jouera toujours un rôle fondamental dans la conversion du charbon, l'approvisionnement en chauffage électrique, etc. Entre 2031 et 2050, l'électricité au charbon sera simplement une "alimentation d'appoint". Avec l'objectif d'atteindre le "pic carbone d'ici 2030 et la neutralité carbone d'ici 2060", la Chine va accélérer sa transition propre et son développement environnemental. Les énergies renouvelables propres deviendront progressivement la majorité de l'approvisionnement en électricité. En d'autres termes, avant 2030, la Chine dépend toujours fortement de l'énergie au charbon et est susceptible de maintenir des émissions importantes provenant de l'empreinte carbone, de l'empreinte écologique, du potentiel d'acidification, du potentiel d'eutrophisation, du HTC et du HTN, avec des améliorations uniquement dans les provinces à énergie propre. Après 2030, la proportion décroissante de l'énergie au charbon diminuera les valeurs de l'empreinte carbone, de l'empreinte écologique, du potentiel d'acidification et du potentiel d'eutrophisation. Dans le même temps, l'énergie propre et renouvelable devenant le pilier pourrait réduire considérablement HTN et HTC en Chine et permettre aux véhicules électriques de favoriser la propreté.

Dans cet article, les effets de 11 groupes de LIB installés dans des mini-VE sur 11 indicateurs environnementaux dans 5 régions sont discutés en détail. Les résultats montrent que :

Les batteries fonctionnant en Chine produiront une valeur potentielle environnementale plus élevée de CF, EF, AP, EP, HTC et HTN. Les blocs-batteries fonctionnant en Europe produiront des WF et POFP plus élevés, tandis que ceux fonctionnant au Japon produiront une valeur d'impact environnemental plus élevée pour l'ADP, l'ODP et l'ETX. L'utilisation des véhicules électriques a des implications environnementales positives et significatives pour les pays et régions ci-dessus sous différents aspects. Les véhicules électriques en Europe peuvent mieux réduire la valeur des CF, EF, HTC et HTN. Les véhicules électriques au Japon réduiront la valeur de WF best. Alors qu'en Chine, les véhicules électriques apportent le mieux la réduction de l'ADP et de l'ETX. Afin de réduire l'ODP et le POFP produits pendant le fonctionnement, les véhicules électriques sont les meilleurs aux États-Unis.

À partir des valeurs d'impact environnemental de chaque région, on peut constater qu'il existe une corrélation entre la composition de la structure du pouvoir et les indicateurs environnementaux. La production d'énergie au charbon dans la structure d'alimentation peut affecter les CF, EF, AP et EP produits par les batteries en phase de fonctionnement. La production d'énergie nucléaire peut affecter le WF des batteries pendant le fonctionnement. La production d'électricité au gaz naturel dans la structure d'alimentation peut affecter l'ADP des blocs-batteries pendant le fonctionnement. Cependant, l'indice de la propriété verte est un indice complet, qui ne doit pas seulement tenir compte de l'influence des principales sources d'énergie dans la région, mais ne peut pas non plus ignorer le rôle des autres modes de production d'électricité. Pendant la phase de fonctionnement, la batterie avec l'indice de caractéristique environnementale le plus élevé est Li-S, tandis que LMO/NMC-C a l'indice de caractéristique verte le plus bas. Ce résultat se produit que la densité d'énergie de masse est la clé. Avec la même capacité de batterie et une densité d'énergie de masse plus élevée, le poids de la batterie est plus petit et moins il faut consommer d'énergie électrique pour transporter la batterie pendant la phase d'utilisation, plus la batterie sera verte.

Comme le montrent les résultats de la recherche, l'énergie au charbon en Chine a actuellement une empreinte carbone, une empreinte écologique, un potentiel d'acidification et un potentiel d'eutrophisation importants, et sa structure énergétique n'est pas propice au développement durable du BEV. Il convient de mentionner que la Chine s'efforce de réaliser une transition propre dans la production d'électricité. À l'avenir, on espère établir un modèle de relation entre la structure du pouvoir et l'indice d'impact pour simuler l'impact de divers changements de la structure du pouvoir sur l'environnement de la Chine et trouver la combinaison optimale adaptée aux conditions nationales de la Chine, afin que BEV puisse rouler vert en Chine. .

Les contributions originales présentées dans l'étude sont incluses dans l'article, d'autres demandes peuvent être adressées à l'auteur correspondant.

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Les auteurs tiennent à remercier les contributeurs suivants : (1) la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n° 52074037) ; (2) Programme national de R&D clé de la Chine (2021YFB2401800).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Hongliang Zhang et Bingya Xue.

École de gestion et d'économie, Centre de recherche sur les politiques énergétiques et environnementales, Institut de technologie de Pékin, Pékin, 100081, Chine

Hongliang Zhang et Yuchen Hu

Département de l'énergie et des matériaux environnementaux, École des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Institut de technologie de Pékin, Pékin, 100081, Chine

Bingya Xue, Songnian Li, Yajuan Yu, Zeyu Chang, Haohui Wu, Lai Chen et Yuefeng Su

Institut de technologie de Pékin Centre d'innovation de Chongqing, Chongqing, 401120, Chine

Yajuan Yu, Lai Chen et Yuefeng Su

Centre de technologie automobile de Pékin, Pékin, 100163, Chine

Xi Li

Collège des sciences et de l'ingénierie de l'environnement, Université forestière de Pékin, Pékin, 100083, Chine

Kai Huang

Département de génie civil et des ressources, Université Dalhousie, Halifax, B3H4R2, Canada

Lei Liu

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Tous les auteurs ont contribué à la conception et à la conception de l'étude. La conceptualisation, la préparation du matériel, la collecte de données et la méthodologie ont été réalisées par [ZH], [XB] et [WH]. La curation des données et la méthodologie ont également été réalisées par [HY], [CZ], [LX] et [LL]. Le manuscrit a été révisé par [LS], [XB]. L'analyse formelle et la première ébauche du manuscrit ont été rédigées par [XB]. Le logiciel, l'investigation, la révision et l'édition, la validation, les ressources, l'administration du projet, l'acquisition de financement ont été réalisés par [YY]. La supervision, la révision et l'édition, la validation, l'acquisition de financement ont également été réalisées par [HK], [CL] et [SY]. Tous les auteurs ont commenté les versions précédentes du manuscrit. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Yajuan Yu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhang, H., Xue, B., Li, S. et al. Évaluation de l'impact environnemental du cycle de vie des véhicules électriques alimentés par batterie aux niveaux mondial et régional. Sci Rep 13, 7952 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35150-3

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Reçu : 12 avril 2023

Accepté : 13 mai 2023

Publié: 16 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35150-3

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