NỀN KINH TẾ TUẦN HOÀN : VÍ DỤ VỀ QUẢN LÝ PIN TỪ NGÀNH CÔNG NGHIỆP Ô TÔ

Nhu cầu toàn cầu về giảm phát thải khí nhà kính (GHG) và nhu cầu di chuyển cá nhân và bền vững ngày càng tăng chỉ là một vài ví dụ về những hiện tượng đang tạo ra thách thức cho ngành công nghiệp ô tô. Do những thay đổi này, các OEM ô tô và nhà cung cấp cấp một sẽ phải đối mặt với sự chuyển đổi lớn từ động cơ đốt thông thường sang các công nghệ khác để bảo vệ hoạt động kinh doanh của họ. Một cách tiếp cận để vượt qua những trở ngại này là giảm lượng khí thải của hệ truyền động được sử dụng. 

Xe điện chạy pin (BEV), pin nhiên liệu (FC) và chuyển đổi năng lượng sang khí đốt là một số công nghệ phổ biến có thể giúp đạt được mục tiêu này. Bài đăng này cung cấp cái nhìn tổng quan về những phát triển hiện tại, đặc biệt tập trung vào BEV và mô tả một trong những rào cản lớn nhất đối với xe điện: vòng đời lưu trữ năng lượng.

Những phát triển hiện nay về giao thông vận tải nhằm giảm khí nhà kính

Trong những thập kỷ qua, một số biện pháp đã được thiết lập để tăng hiệu suất của các phương tiện truyền thống sử dụng động cơ đốt trong (ICE). Tuy nhiên, tốc độ tăng hiệu suất ngày càng giảm và không còn bất kỳ kỳ vọng nào về những lợi ích to lớn trong việc phát triển hệ thống truyền động. Bên cạnh sự cải tiến này, còn có luật mới về ICE và yêu cầu giảm phát thải khí nhà kính, mở đường cho các công nghệ mới xuất hiện trong những thập kỷ gần đây. Hiện tại, có ba công nghệ đáng chú ý và đầy hứa hẹn sẽ làm tăng đáng kể tính bền vững trong vận tải cá nhân bằng ô tô chở khách và trong vận tải và hậu cần bằng xe tải và xe buýt.

1. Xe điện chạy pin: là phương pháp sử dụng pin, nói chung là pin lithium-ion, để lưu trữ điện năng cung cấp năng lượng cho động cơ điện.
2. Pin nhiên liệu trong xe điện (FCEV): một phương pháp sử dụng các quá trình điện hóa để biến nhiên liệu được cung cấp liên tục thành điện năng trong pin điện. Thông thường, hydro (Hydro  ) được sử dụng cho các loại hệ truyền động này.
3. Chuyển đổi năng lượng thành khí (P2G hoặc PtG): một phương pháp trong đó năng lượng điện có nguồn bền vững được chuyển thành các loại khí dễ cháy như metan hoặc hydro bằng các quá trình điện hóa, từ đó cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong hoặc pin nhiên liệu.

Hydro có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu cũng như trong động cơ chuyển đổi năng lượng sang khí đốt. Họ mang lại nhiều lợi ích công nghệ và một số OEM chủ chốt như BMW và Hyundai đang đầu tư vào R&D và cơ sở sản xuất. 

Huyndai hy vọng xe chạy pin nhiên liệu Hydro sẽ ngang bằng với giá BEV vào năm 2030. Tiềm năng chuyển đổi năng lượng sang khí đốt đang được khám phá chủ yếu là trong các ứng dụng hệ truyền động hạng nặng như xe tải, xe buýt, xe lửa, máy bay và tàu thủy _, và không phải trong ngành công nghiệp xe khách. 

Mặc dù có một số lợi thế trong việc sử dụng pin nhiên liệu hoặc động cơ chuyển đổi năng lượng sang khí đốt dựa trên hydro, nhưng cần phải có một số rào cản (công nghệ) (ví dụ: chi phí sản xuất phương tiện, mức độ hoàn thiện công nghệ, chi phí nhiên liệu và lợi nhuận) vượt qua. Một mô tả chi tiết về các rào cản khác có thể được tìm thấy trong Trencher và. al. 2021 (pdf) .

Sản xuất pin

Trong khi số lượng ô tô chạy pin nhiên liệu được đăng ký trên toàn cầu là hàng chục nghìn chiếc vào năm 2020 thì số lượng BEV được đăng ký là khoảng 6,5 triệu. Việc sản xuất pin quy mô lớn đang được thực hiện trong thời gian ngắn và trung hạn, vì vậy đóng góp này sẽ tập trung vào BEV. Để đáp ứng nhu cầu pin tăng lên có thể dự đoán được, một số dự án sản xuất pin lớn đã được khởi xướng ở châu Âu, tập trung chủ yếu vào Đức. Bảng 1 cho thấy năng lực sản xuất pin ô tô vào đầu năm 2021.

Bảng 1: Tổng quan về năng lực sản xuất (trích từ đầu năm 2021)

Tổng quan về các địa điểm sản xuất khác nhau và vị trí của chúng có thể được xem trong Hình 1.

Những thách thức đối với BEV và Chuỗi giá trị của các thành phần của chúng

Khách hàng trong ngành công nghiệp ô tô đã quen với việc có nhiều trạm xăng và thời gian tiếp nhiên liệu nhanh chóng. Do đó, phạm vi tiềm năng và tính sẵn có của năng lượng được tích điện nhanh là một vấn đề quan trọng để tạo nên thành công cho các hệ thống truyền động thay thế. Từ quan điểm của khách hàng, có ba rào cản chính có thể được xác định và cản trở việc BEV trở nên cạnh tranh với xe ICE trong thời gian ngắn:

• Cơ sở hạ tầng sạc (tức là số lượng trạm sạc nhanh/tăng áp, công suất đường dây điện)
• Phạm vi khi không sạc
• Giá cả cạnh tranh cho BEV

Mặc dù độ phức tạp của hệ thống truyền động BEV ít hơn so với hệ thống truyền động ICE và các bộ phận chính (ví dụ: hộp số và sang số) của ICE là không cần thiết, nhưng việc sản xuất BEV ngày nay vẫn còn đắt đỏ so với xe động cơ đốt trong. Điều này chủ yếu là do chi phí khai thác và xử lý nguyên liệu thô cũng như chi phí sản xuất tổng thể để lưu trữ năng lượng. 

Nói một cách tương đối, nội thất và thân xe vẫn giữ nguyên nên trọng tâm là đạt được lợi thế cạnh tranh bằng cách sản xuất pin giá cả phải chăng với công suất ngày càng tăng và giảm lượng khí thải trong các giai đoạn sản xuất sản phẩm cuối cùng và các vật liệu cần thiết.

BEV trọn đời

Một cách để giảm lượng khí thải GHG tổng thể của hệ truyền động trong giai đoạn sử dụng là kéo dài tuổi thọ của pin. Điều này lần lượt chuyển trọng tâm sang thị trường hậu mãi và khả năng bảo trì sản phẩm. So với các phương tiện chạy bằng ICE, chuỗi giá trị BEV ngày càng trở nên phức tạp hơn do tầm quan trọng của việc tái sử dụng các bộ phận và nguyên liệu thô ngày càng tăng. Trước đây, những chiếc xe ICE cũ được bảo dưỡng và bán lại nếu có thể, trước khi bị loại bỏ để lấy những bộ phận và tài nguyên có giá trị thấp. Hiện tại, thị trường BEV đã qua sử dụng chỉ mới bắt đầu xuất hiện. 

Giá trị tài nguyên trong BEV cao hơn đáng kể và khó phục hồi hơn so với xe ICE. Do đó, việc tái chế đòi hỏi khả năng đặc biệt và nỗ lực đáng kể cũng như kéo dài chuỗi giá trị. Do đó, khả năng tái chế của các thành phần BEV là một tính năng quan trọng cần được xem xét. Trong thị trường hậu mãi BEV, có tiềm năng rất lớn để gia tăng giá trị và mở ra các phân khúc thị trường mới đồng thời tăng cường đáng kể tính bền vững chung của ngành. Việc chuyển đổi từ các thành phần ICE sang hệ thống pin phức tạp hơn là một thách thức đối với cấu trúc và khả năng hậu mãi hiện tại.[1]

Do nhu cầu về BEV ngày càng tăng, sẽ có nhiều loại pin sắp hết tuổi thọ (đầu tiên) trong thập kỷ tới và nói rộng ra là sẽ xuất hiện trên thị trường với công suất/năng suất giảm đáng kể. Do công nghệ này đang ở giai đoạn tương đối sớm trong đường cong trưởng thành so với ICE nên có rất ít phương pháp có sẵn để kéo dài tuổi thọ của các bộ phận, tái chế các bộ phận trong pin hoặc thậm chí chỉ ngăn chặn việc thải bỏ hoàn toàn. “Kim tự tháp phân cấp chất thải” đưa ra cách tiếp cận để hiểu rõ hơn về tác động của việc ngăn ngừa chất thải và các biện pháp giúp kéo dài tuổi thọ của sản phẩm và bộ phận.

Kim tự tháp phân cấp chất thải

Kim tự tháp phân cấp chất thải là một khái niệm mô tả hệ thống phân cấp để xử lý chất thải. Nhìn từ trên xuống dưới, khối lượng rác thải tổng thể hiện tại tăng lên, trong khi tác động của các biện pháp bền vững tăng lên đáng kể khi chúng càng lên cao. Hình dưới cho thấy các cấp độ của kim tự tháp phân cấp chất thải và mô tả các chiến lược điển hình để ngăn ngừa chất thải và khối lượng chất thải ước tính. Kim tự tháp phân cấp chất thải

Kim tự tháp chất thải là một khái niệm mô tả thứ bậc về cách xử lý chất thải. Từ trên xuống dưới, khối lượng rác thải tổng thể hiện tại tăng lên trong khi tác động của các biện pháp bền vững tăng lên đáng kể khi chúng được triển khai ở cấp cao hơn. HìnHydro thể hiện các giai đoạn của kim tự tháp phân cấp chất thải và mô tả các chiến lược điển hình để ngăn ngừa chất thải và khối lượng chất thải ước tính.

Mỗi cấp độ của hệ thống phân cấp chất thải mô tả cách xử lý chất thải. Phần sau đây mô tả các cấp độ của kim tự tháp phân cấp chất thải:

Tái sử dụng/đời thứ hai:

Ở cấp độ cao nhất, mục tiêu là tái sử dụng sản phẩm càng lâu càng tốt và không yêu cầu sản phẩm mới. Các biện pháp nhằm mục đích chia sẻ, bảo trì và thậm chí tái sử dụng sản phẩm để kéo dài vòng đời của chúng. Một số OEM đặt ra chiến lược bảo trì pin của họ. Ví dụ, Daimler đảm bảo tình trạng sức khỏe (SOH) 80% trong 8 năm. Các chiến lược mang lại tuổi thọ thứ hai cho pin bao gồm kho lưu trữ năng lượng tái tạo tự sản xuất tại nhà và công nghiệp.

Tái sản xuất:

Những sản phẩm không còn hoạt động hiệu quả sẽ được sửa chữa hoặc lắp đặt các bộ phận thay thế để kéo dài tuổi thọ của sản phẩm cốt lõi. Sản phẩm được tái sản xuất sẽ quay trở lại thị trường giống như sản phẩm ban đầu. Khi xem xét ICE khi chúng được sử dụng trong ô tô, một số bộ phận của chúng, chẳng hạn như bộ ly hợp, bộ khởi động hoặc hộp số có thể được tái sản xuất [3] . Nhiều bộ phận trong số này không liên quan đến BEV. Cuộc thảo luận hiện nay xung quanh tính bền vững của BEV liên quan đến pin, bộ pin hoặc vỏ pin được thu hồi và tái sản xuất như một thành phần chính của BEV, cùng với động cơ và mạch điện.

Tái chế:

Điều này đề cập đến việc thu hồi nguyên liệu thô để sản xuất sản phẩm mới. Do khối lượng vẫn còn thấp nên quy trình tái chế hiện tại rất phức tạp và thường tốn nhiều năng lượng. Tuy nhiên, việc tái chế là cần thiết vì tài nguyên rất hiếm và việc khai thác cũng có tác động lớn đến lượng khí thải. Khi nói đến các linh kiện điện tử, đất hiếm và lượng lithium đáng kể trong pin là trọng tâm của nỗ lực tái chế.

Thiêu đốt:

Nếu vật liệu của sản phẩm không thể chuyển sang trạng thái có thể tái sử dụng thì đốt thường trở thành biện pháp cuối cùng để ít nhất thu hồi năng lượng từ sản phẩm.

Loại thải :

Chất thải không thể hoặc không nên đốt sẽ được xử lý tại các bãi chôn lấp trên toàn cầu, thường theo cách không được kiểm soát.

Một nghiên cứu về thị trường hậu mãi hiện tại dành cho pin ô tô đã xác định được trọng tâm là tái chế và/hoặc tái sản xuất pin. Để đạt được điều này, các “liên minh pin” thường được thành lập để giải quyết các phát triển khác nhau liên quan đến việc kéo dài tuổi thọ pin, tái chế pin hoặc tái sản xuất chúng. Liên minh Pin Toàn cầu, bao gồm 70 thành viên (như BMW, Honda, BASF và Google), mong muốn phát triển cách tiếp cận nền kinh tế tuần hoàn cho BEV. 

Trong khi đó, mục tiêu chính của Công ty Ô tô Ô tô (ACC), bao gồm Daimler, Saft và Stellantis, là muốn tăng khả năng tái chế BEV lên tới 95% nhằm kéo dài tuổi thọ của chúng. Hợp tác chuỗi giá trị pin tập trung chủ yếu vào tái chế khép kín kim loại pin EV. Đây chỉ là ba ví dụ nổi tiếng về việc OEM, nhà cung cấp và nhà tái chế truyền thống tổng hợp kiến ​​thức của họ. Ngoài các liên minh về pin, một số OEM và nhà cung cấp cũng đang triển khai phương pháp riêng của họ để tái chế hoặc tái sản xuất pin. Tesla là một ví dụ về cách tiếp cận sau này.

Mục tiêu cho sự phát triển hiện tại

Đối với kim tự tháp phân cấp chất thải, một ý tưởng là lật ngược các tập trong kim tự tháp để thu được nhiều giá trị hơn từ các giai đoạn cao hơn của kim tự tháp. Do đó, cần phải xem xét các công nghệ tập trung vào việc tái sử dụng hoặc tái sản xuất pin để tăng thêm giá trị. Hình 3 minh họa kim tự tháp ngược được mô tả ở đây và giá trị gia tăng tiềm năng ở các giai đoạn khác nhau.

Tái sử dụng/đời thứ haipin bên ngoài BEV là một cách đầy hứa hẹn để tạo ra lợi nhuận. Do các yêu cầu kỹ thuật cao đối với ắc quy của xe liên quan đến dòng điện sạc và xả cũng như dung lượng của chúng, ắc quy chỉ có thể được sử dụng trên một phương tiện trong một thời gian giới hạn. Thông thường, chúng đạt đến giai đoạn cuối đời (EOL) ở mức SOH là 80% (thường đề cập đến cuộc sống đầu tiên). Tuy nhiên, có một số ứng dụng mà các loại pin này có thể được sử dụng sau khi chúng đã vượt qua mốc này. Một ví dụ là việc sử dụng bộ lưu trữ pin tại nhà để lấy năng lượng từ hệ mặt trời hoặc các nguồn năng lượng tái tạo khác. Một ví dụ khác là sử dụng một số loại pin để lưu trữ năng lượng trong các doanh nghiệp nhằm cho phép phản ứng linh hoạt hơn trước những biến động giá năng lượng. Trong thời kỳ giá năng lượng cao, việc lưu trữ như vậy có thể được sử dụng làm bộ đệm cho nhu cầu sản xuất. Các mô hình kinh doanh mới có thể được phát triển dựa trên các ứng dụng này để quản lý các chu kỳ tuổi thọ pin khác nhau. Các nghiên cứu khoa học dự báo mức sản lượng sẵn có là 112 đến 275 GWh mỗi năm vào năm 2030.[4]

Các tế bào pin già đi không đồng đều và một tế bào pin bị lỗi sẽ ảnh hưởng đến SOH của toàn bộ pin. [5] Những khiếm khuyết nhỏ có thể dẫn đến việc BEV không thể hoạt động ngay cả khi chúng vẫn mang lại giá trị tiềm năng cao. Nếu tái sử dụng hoặc sử dụng vòng đời thứ hai không phải là một lựa chọn đối với pin thì việc tái sản xuất bộ pin hứa hẹn tiềm năng gia tăng giá trị cao so với việc tái chế hoặc đốt. Các trường hợp sử dụng điển hình là thay thế các tế bào hoặc mô-đun pin không đủ hoặc thậm chí các bộ phận khác trong pin. Việc tiếp tục sử dụng những sản phẩm có kỹ thuật cao này sẽ làm tăng đáng kể giá trị cho khách hàng. Theo đó, việc tìm kiếm chiến lược tái sản xuất sẽ là mục tiêu trọng tâm trong thời gian tới, mang lại tiềm năng lớn cho ngành công nghiệp ô tô và các nhà cung cấp ô tô.

Chúng tôi xin cảm ơn David Dickmann và Julian Keens vì sự đóng góp của họ cho bài viết này.

Nguồn : https://blog.camelot-group.com/2021/12/circular-economy-automotive-industry-challenges-for-sustainable-value-chain-transformation/.