冲绳岛网长期热电负荷削减：考虑CTM蓄电池退化和循环性评估的风险意识多目标优化
发布时间：2026-07-15 10:45:38 点击： 次
日本冲绳岛是一个高度依赖进口液化天然气（LNG）、石油和煤炭的岛屿。这使其暴露在全球燃料价格的波动和温室气体排放的高风险中。同时，日本迅速普及电动汽车也带来了与退役电池处理相关的挑战。本研究探讨了第二 life电池（SLB）在冲绳电网中减少对热力发电依赖和改善风险意识规划的潜力。应用非支配排序遗传算法III（NSGA-III）的多目标优化框架，以最小化总成本强度（TCOI）、运行排放强度（OEI）和95%置信水平的条件价值风险（CVaR0.95电池退化和更换行为被明确建模，后优化的循环性评估量化了电池二次寿命和更换动态中产生的材料质量流、回收潜力和避免的原生材料需求。研究了四种情景，包括以热能为主导的系统和采用光伏、风能和电池储能的混合配置，使用SLB或新电池。最优的基于SLB的配置实现了184.21美元/兆瓦时的TCOI和0.44吨CO2的OEI。2/MWh，并且CVaR0.95 为85.29美元/MWh。该情景相比新电池情景的循环得分高出7个百分点，相比基准情景的热能减少17%。这些发现表明，二手电池为岛礁电力系统减少热能依赖提供了一种成本效益高且循环的途径。所提出的框架在结构上具有可转移性，需要针对特定地点的输入进行当地重新校准。
全球减少温室气体（GHG）的努力、实现气候目标（如2050年净零排放）以及能源安全的需求，加剧了对低碳、可靠和循环经济导向的能源系统的需求[1]。化石燃料能源是GHG排放增加的主要贡献者。尽管有这些影响，煤炭和石油仍然是大多数岛屿电网和离网系统的主要能源[2]。日本的冲绳岛就是一个这样的系统，约60%的电力供应来自热源。到2030年，冲绳电力公司（OPEC）计划将排放量从2005年的水平减少30%，这突显了将可再生能源和储能解决方案纳入长期规划的紧迫性[3]。
日本电动汽车（EV）的快速普及正在产生越来越多的退役电池，这些电池在车辆的使用寿命结束时的健康状态（SOH）约为70%到80% [4]。它们在固定储能中具有再利用的潜力，例如在微电网中，从而减轻可再生能源的波动性并减少对化石燃料的依赖 [5]。将退役的EV电池重新利用支持日本的循环经济目标，最大限度地减少对新材料的需求，并为经济有效的电池储能部署提供了一条替代途径 [6]。
多项研究已经开展，以探索SLB在电网中的应用。研究表明，SLB可以在某些条件下支持削峰、进行电压稳定，并最小化运营成本[7]。进一步的技术经济评估表明，SLB的可行性取决于工作周期、退役组件的初始健康状态以及重新利用的成本[8]。退化被纳入模型中，以捕捉SLB的生命周期约束[9]。模拟日历老化、循环老化和SOH演变的研究表明，退化建模对于延长电池寿命和成本估算也至关重要[10]。然而，这些研究在确定性调度假设或有限的运行场景下评估了SLB[11]。
SLB的利用引起了越来越多的关注，许多基于优化的研究已经探讨了其在并网和混合可再生能源系统中的应用。现有工作主要集中在通过优化的SLB调度和 dispatch来最小化运营成本和与老化相关的损失 [9]，以及在混合能源系统中提高系统可靠性和尺寸优化 trade-offs [12]。一些研究使用混合整数优化框架来解决 PV–SLB 配置中的自消耗增强和运营成本降低 [13]，而多目标公式已被应用于探索成本、电池退化和 CO 之间的 trade-offs。2在光伏–超级电容器电网优化中的排放 [14]。控制导向目标，如频率调节和寿命延长，也已通过元启发式方法 [15] 进行研究，并探索数据驱动方法以改进超级电容器寿命预测和需求成本最小化 [16]。
表1提供了本研究与最相关的先前工作的结构化比较，这些工作是按照所提出框架的六个关键维度组织的。
如表1所示，尽管许多研究已经证明了SLB利用的可行性，但在现有文献中仍存在一些差距。首先，大多数研究没有将SLB纳入进行技术经济评估、环境影响和风险的长期多目标规划框架中。其次，SLB的循环性，即材料的再利用、生命周期的一致性以及由于电池需求而避免的原生材料，很少被纳入技术经济评估中。第三，现有研究很少将退化意识模型与使用蒙特卡洛模拟等随机方法的不确定性量化结合起来。这些限制阻碍了评估高化石燃料依赖和可再生能源波动的现实岛屿电网中SLB利用的全部价值的能力。
为解决这些差距，本研究提出了一种多目标、风险意识规划框架，该框架明确整合了冲绳岛电网中二手电池的退化、不确定性和循环性考虑。该框架在以下方面推进了现有技术：
介绍
日本电动汽车（EV）的快速普及正在产生越来越多的退役电池，这些电池在车辆的使用寿命结束时的健康状态（SOH）约为70%到80% [4]。它们在固定储能中具有再利用的潜力，例如在微电网中，从而减轻可再生能源的波动性并减少对化石燃料的依赖 [5]。将退役的EV电池重新利用支持日本的循环经济目标，最大限度地减少对新材料的需求，并为经济有效的电池储能部署提供了一条替代途径 [6]。
多项研究已经开展，以探索SLB在电网中的应用。研究表明，SLB可以在某些条件下支持削峰、进行电压稳定，并最小化运营成本[7]。进一步的技术经济评估表明，SLB的可行性取决于工作周期、退役组件的初始健康状态以及重新利用的成本[8]。退化被纳入模型中，以捕捉SLB的生命周期约束[9]。模拟日历老化、循环老化和SOH演变的研究表明，退化建模对于延长电池寿命和成本估算也至关重要[10]。然而，这些研究在确定性调度假设或有限的运行场景下评估了SLB[11]。
SLB的利用引起了越来越多的关注，许多基于优化的研究已经探讨了其在并网和混合可再生能源系统中的应用。现有工作主要集中在通过优化的SLB调度和 dispatch来最小化运营成本和与老化相关的损失 [9]，以及在混合能源系统中提高系统可靠性和尺寸优化 trade-offs [12]。一些研究使用混合整数优化框架来解决 PV–SLB 配置中的自消耗增强和运营成本降低 [13]，而多目标公式已被应用于探索成本、电池退化和 CO 之间的 trade-offs。2在光伏–超级电容器电网优化中的排放 [14]。控制导向目标，如频率调节和寿命延长，也已通过元启发式方法 [15] 进行研究，并探索数据驱动方法以改进超级电容器寿命预测和需求成本最小化 [16]。
表1提供了本研究与最相关的先前工作的结构化比较，这些工作是按照所提出框架的六个关键维度组织的。
如表1所示，尽管许多研究已经证明了SLB利用的可行性，但在现有文献中仍存在一些差距。首先，大多数研究没有将SLB纳入进行技术经济评估、环境影响和风险的长期多目标规划框架中。其次，SLB的循环性，即材料的再利用、生命周期的一致性以及由于电池需求而避免的原生材料，很少被纳入技术经济评估中。第三，现有研究很少将退化意识模型与使用蒙特卡洛模拟等随机方法的不确定性量化结合起来。这些限制阻碍了评估高化石燃料依赖和可再生能源波动的现实岛屿电网中SLB利用的全部价值的能力。
为解决这些差距，本研究提出了一种多目标、风险意识规划框架，该框架明确整合了冲绳岛电网中二手电池的退化、不确定性和循环性考虑。该框架在以下方面推进了现有技术：
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一个用于孤岛电网的系统级、退化一致规划框架，其中通过统一的能源管理系统（EMS）将第二寿命电池和新电池与现有的热能和可再生能源资产相结合，该系统能够跟踪所有技术的寿命状态、更换事件和交付的能源。 - •
一种针对岛屿能源规划的风险意识多目标优化 formulation，在可再生能源波动性和需求不确定性下，联合最小化总成本强度 (TCOI)、运行排放强度 (OEI) 和 95% 置信水平下的条件价值-at-风险 (CVaR0.95)，通过修改后的 NSGA-III 算法与蒙特卡洛模拟结合实现。 - •
一种后优化循环性评估方法，该方法量化了材料质量流、回收率潜力、节水以及基于优化系统配置和实际电池更换行为的避免排放和避免原生材料需求，能够在不引入循环性作为优化目标的情况下进行循环经济评估。 - •
对岛屿电网背景下二手电池（SLB）与新电池（NB）的比较性、基于证据的评估，展示了可再生能源渗透水平、电池老化动态和电池更换频率共同如何影响技术、经济、环境、风险和循环利用结果。