电力系统应用中电池储能系统的生命周期温室气体影响分析

可再生能源在电力系统中的比重正不断上升,这一趋势会给电网稳定性及峰值负荷管理带来挑战。在这样的情况下,电池储能(battery energy storage,BES)技术在不同电力系统中的应用变得迫切,因为它们能够支持可再生能源以系统友好的方式进入电力体系,从而推进能源系统的脱碳化发展。然而,电池储能技术的应用会带来新的温室气体(greenhouse gas,GHG)排放源,因而对电池储能系统引起的温室气体影响进行分析是必要的。目前,与此相关的研究很少,本文旨在通过对现有的针对电池储能系统的生命周期分析(life cycle assessment,LCA)的批判性综述,认识电池储能系统在其生命周期内造成的温室气体影响。本文依据荟萃分析的研究步骤和原则,对电池储能系统的生命周期分析进行了批判性综述和数据分析,比较了四种不同类型的电池储能技术:铅酸电池(PbA)、锂离子电池(Li-ion)、钠硫电池(NaS)以及全钒液流电池(VFB)。本文从26篇针对电池储能系统的生命周期分析中筛选出了11篇符合本文研究标准的文章,并将这些文章得出的研究结果按照不同的功能单位(functional unit,FU)分为两类,其中23个是单独分析电池生产过程的结果,反映的是生产每单位(kWh)电池存储容量造成的温室气体影响;41个是将电池储能系统与不同的电力系统应用结合起来分析的结果,反映的是电池储能系统放出每单位(kWh)电能造成的温室气体影响。这些估算都是对电池储能系统从"摇篮到大门"(cradle to gate,CTG)过程温室气体影响的分析,CTG过程包括原材料的获取、原材料加工和电池部件生产。不同的应用情景会对电池性能有不同的影响,从而影响电池在特定应用中的生命周期碳排放,因而本文强调应该将电池储能系统置于电力系统应用情景中,用系统的方法进行分析。未来的研究应该基于充分的数据对如下结论进行进一步的严格论证:能源密度越高、充放电效率越高、更长的使用寿命将减小电池储能在不同电力系统中的生命周期温室气体影响。相对于能量应用(energy application,EA),电池储能系统在功耗应用(power application,PA)中会带来更大的生命周期温室气体影响。本文认为现有的针对电池储能系统的生命周期分析仍处在初步阶段,主要的问题包括两个方面,首先,生命周期分析中的系统边界定义不清晰,对上游的材料获取以及电池储能系统寿命终止后的处理缺乏明确研究;第二,缺乏可靠的研究数据,生命周期清单数据常常是陈旧的并被反复使用。因此,目前尚不能通过对已有文献进行荟萃分析得出可靠的结论。在生命周期分析方法方面,本文也强调清晰定义功能单位对于生命周期研究的严谨性至关重要,功能单位应该与研究目标和范围相对应。同时,通过比较储能系统放出的电与不同电源发出的电,本文指出电池储能系统的使用所带来的温室气体排放是值得关注的,当可再生能源在能源系统中的占比增加时,储能系统带来的碳排放将更为明显,针对这些碳排放将需要额外的减排努力。