构建低碳电网：中国水电联产锌//锰氧化物电池储能系统的前瞻性生命周期评估2电池储能与发电一体化技术在中国的前景

 传统火力发电(TPG)会排放很多温室气体(GHG)。跟着电力体系向混合能源结构转型，由多能源发电单元与水系Zn//MnO2电池储能体系集成的发电-储能一体化体系(GIES)2为适应可再生能源并网及削减弃电而装备的电池储能体系已成为重要发展方向。然而，电网集成储能体系（GIES）的全生命周期温室气体排放没有被量化。本研讨选用前瞻性生命周期点评（pLCA）办法，根据未来电池功能预期与我国电网脱碳情形，体系比较了传统发电（TPG）与GIES的全生命周期温室气体排放。生命周期清单数据来历于试验室规划扩大与文献资料，体系边界不包含电池运输及作废处置阶段。结果标明，在我国2024年均匀电网结构下，GIES每输送兆瓦时电量可较惯例TPG削减34%的全生命周期温室气体排放。这一优势源自可再生能源替代与弃电存储，其间运用阶段排放占主导地位（87%）。跟着可再生能源浸透率提高，减排效益呈动态扩大趋势，当GIES彻底消纳风景弃电时，减排率可超过80%。敏感性剖析进一步指出电池往复功率是最要害的影响因子。本研讨在特定假定条件下开始揭示了电网级水系锌离子电池的脱碳潜力，并为其可持续发展供给了结构。

图文摘要

 

引言

温室气体（GHG）排放是导致全球变暖的重要因素[[1], [2], [3]]。依赖化石燃料的传统火力发电（TPG）会发生很多温室气体，对生态环境形成负面影响[[4], [5], [6]]。当电化学储能（EES）装置接入电网时，其可在风电、光伏发电顶峰等电力过剩时段充电，并在高负荷或可再生能源不足时放电，这一过程有效实现了能量时移（ETS）[7,8]。与TPG相比，集成储能的发电技能(GIES)与可再生能源更具兼容性，从而下降对火电的依赖并削减温室气体排放。因而，GIES已成为重要的研讨范畴[[9], [10], [11]]。

在先进电化学储能技能范畴，锂离子电池（LIBs）因其杰出的能量密度和长循环寿数而被广泛使用[12,13]。一起，生命周期点评（LCA）办法作为一种通过剖析各阶段输入输出来点评环境影响的技能工具，被频频使用于电化学储能技能的环境效应剖析[[14], [15], [16]]。因而，很多学者依据政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定的标准化核算指南，选用LCA办法学，并征引Ecoinvent布景数据库中的数据进行研讨，探求了与LIB储能技能相关的温室气体排放[[17], [18], [19]]。通过将锂离子电池（包含磷酸铁锂（LFP）电池和镍钴锰酸锂（NCM）电池）的生命周期划分为资料生产、电池制作、电池运转及作废处置等阶段，并量化各阶段的温室气体排放量，可为政策制定者及其他相关方选择更具环境可持续性的电池供给重要参阅依据[[20], [21], [22]]。

研讨已深入探讨锂离子电池正极资料与其最终温室气体排放量之间的相关性[[23], [24], [25]]。此外，文献[26]还探求了负极与电解液对锂离子电池温室气体排放的影响。%%各国电力基础设施清洁程度存在差异，这导致即便运用相同资料，锂离子电池相关的温室气体排放也或许有所不同[[27], [28], [29]]。这种电力结构差异会形成温室气体排放量的不同，凸显出根据情形设置的基准关于准确点评电池储能体系(BESSs)环境影响的必要性[30,31]。依据具体使用场景的不同——无论是排放买卖体系(ETS)、频率调理、光伏(PV)自消纳还是可再生能源支撑——电池储能体系在充放电时长、循环寿数、往复功率、放电深度及其他要害技能参数方面均呈现明显差异。这些差异从而影响其在生命周期内累积的温室气体排放量[32,33]。充放电功率的提高、循环寿数的延伸以及自放电率的下降，均可有效削减电池储能体系(BESSs)的温室气体排放[32]。最新研讨标明，电能存储技能发生的温室气体排放不只取决于其全生命周期(包含制作、运用和废弃阶段)，还与其特定技能参数密切相关。

鉴于锂离子电池（LIBs）存在的安全隐患（包含有机电解质引发的焚烧和爆炸事件）以及锂、钴、镍等金属元素带来的明显成本问题，开发安全、经济高效的储能技能势在必行。此外，点评这些技能的温室气体排放量关于推动其可持续发展至关重要[34,35]。水系锌离子电池（AZIBs）选用安全的水系电解质和经济的锌负极，已成为新一代电化学储能（EES）体系的有力竞争者[[36], [37], [38]]。根据这些优胜特性，与传统的火电-燃气联合（TPG）体系相比，AZIBs在电网侧的使用或许有助于下降温室气体（GHG）排放。

尽管现有研讨已开始探讨了AZIBs的环境影响，但这些研讨主要集中于电池资料本身的生命周期点评[39]。在GIES结构下，AZIBs的环境功能没有与传统单一化石燃料TPG进行体系比较。本研讨的创新之处在于将水系Zn//MnO2电池置于GIES结构内，考虑当时我国电网的均匀结构及未来脱碳情形，与TPG进行体系性比照。

本研讨遵从ISO 14040–14044标准及既有研讨确立的生命周期点评（LCA）剖析结构，重点考察水系锌锰（Zn//MnO2）电池体系。2电池——一种安全且具有远景的电网级储能技能。我们选用前瞻性生命周期点评（pLCA）办法进行剖析。该pLCA办法通过专门点评没有商业化但根据预期未来功能的新兴技能（例如试验室规划的锂硫电池（LSBs）和黄铁矿固态电池），扩展了传统的归因性LCA结构，使其适用于本研讨的方针与情境[40,41]。在本研讨的pLCA结构中，前瞻性要素具体包含：1）选用根据美国能源部2030年商业化方针的预期值作为电池循环寿数与日历寿数等核心功能参数；2）我国电网在2035年与2050年的未来脱碳情形。生命周期清单与布景数据库选用当时老练的Ecoinvent v3.10数据集，并结合试验室试验中可复现的组成途径数据。在此基础上，本研讨体系比较了GIES与TPG计划的生命周期温室气体排放量。与传统TPG相比，GIES的生命周期温室气体排放量下降了34%。该环境效益主要源自水性Zn//MnO2电池体系的运用。2将电池作为储能单元。此外，本研讨还详细剖析了其减排作用的三重机制：首要，重塑排放结构。与以焚烧环节为主导的传统发电体系不同，GIES全生命周期排放集中于运用阶段的高能耗环节（占比87%），而非制作环节（仅占13%）。具体而言，运转损耗（60.04%）、往复功率（13.29%）、自放电（0.67%）以及老化更换（13%）构成运用阶段排放的主要来历。这种结构特征决议了体系的碳脚印与充电电力的清洁度密切相关。其次，温室气体排放与电网绿色化之间存在协同扩大效应。跟着电力结构调整与可再生能源发电占比的提高，充电储能装备的清洁度将进一步提高，从而下降运转排放并动态改进减排作用。最终，电池本身的技能功能具有重要影响。敏感性剖析标明，在很多参数中，提高电池的往复功率是对生命周期碳排放实施技能减排的最有效手段。本研讨不只定量点评了AZIB储能的减排潜力，还通过剖析其排放结构特征，为未来电网规划储能的低碳发展供给了清晰的途径方向。