迈向低碳电网：中国水基锌//二氧化锰2 CTM蓄电池储能与集成发电的生命周期评估
发布时间：2026-07-15 10:46:42 点击： 次
传统的热电联产（TPG）排放大量的温室气体（GHG）。随着电力系统向混合能源结构过渡，发电与储能集成（GIES），结合了多种能源发电装置与水系锌//锰氧化物2电池储能以容纳可再生能源并减少弃用，已成为一个重要方向。然而，GIES的生命周期温室气体排放尚未量化。本研究采用基于预期未来电池性能和中国电网脱碳情景的前瞻性生命周期评估（pLCA），系统比较了TPG和GIES的生命周期温室气体排放。生命周期清单数据来自实验室扩展和文献，系统边界不包括电池运输和寿命终止处理。结果显示，在中国2024年平均电网结构下，GIES每交付MWh减少的生命周期温室气体排放量比平均TPG多34%。这种优势源于可再生能源替代和弃用电力的储存，使用阶段排放占主导地位（87%）。随着可再生能源的渗透率增加，减碳效益动态放大，在GIES完全容纳风能和太阳能弃用时，减碳效益超过80%。敏感性分析进一步确定了电池的 round-trip 效率作为最重要的因素。本研究在特定假设下初步揭示了电网规模液态锌离子电池的脱碳潜力，并为其可持续发展提供了框架。这项研究在特定假设下初步揭示了电网规模液态锌离子电池的减碳潜力，并为其可持续发展提供了框架。这项研究在特定假设下初步揭示了电网规模液态锌离子电池的减碳潜力，并为其可持续发展提供了框架。
温室气体（GHG）排放显著加剧全球变暖[[1], [2], [3]]。传统的火力发电（TPG）依赖化石燃料，排放大量温室气体，对生态环境造成不利影响[[4], [5], [6]]。当电化学储能（EES）装置并入电网时，它在电力过剩时，如风力和太阳能峰值发电期间充电，并在高消费或可再生能源短缺时放电。这个过程有效地实现了能量时间转移（ETS）[7,8]。与传统的火力发电相比，结合储能的发电（GIES）更兼容可再生能源，从而减少对火力发电的依赖并减少温室气体排放。因此，GIES已成为一个重要的研究领域[[9], [10], [11]]。
在先进的电化学储能技术领域，锂离子电池（LIBs）因其卓越的能源密度和延长的循环寿命而被广泛使用[12,13]。同时，生命周期评估（LCA）方法，一种通过检查各个阶段的输入和输出来评估环境影响的工具，常被用于分析与电化学储能技术相关的环境影响[[14], [15], [16]]。因此，许多学者利用LCA方法，遵循政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定的标准化会计指南。他们从Ecoinvent背景数据库中获取数据，以研究与LIB储能技术相关的温室气体排放[[17], [18], [19]]。通过将LIBs（包括磷酸铁锂电池（LFP）和镍钴锰酸锂电池（NCM））的生命周期划分为材料生产、电池制造、电池使用和最终处理等阶段，并量化各自的温室气体排放，可以为政策制定者和其他人提供宝贵的见解，帮助他们选择更环保的电池[[20], [21], [22]]。
研究已经深入探讨了锂离子电池的阴极材料与其最终温室气体排放之间的相关性[[23], [24], [25]]。此外，阴极和电解液对锂离子电池温室气体排放的影响已经被研究过[26]。即使使用相同的材料，由于各国电力基础设施的清洁程度不同，与锂离子电池相关的温室气体排放也会有所不同[[27], [28], [29]]。这种电力结构的差异导致了不同的温室气体排放，这突显了在准确评估电池储能系统（BESSs）的环境影响时，进行基于情景的设置的必要性[30,31]。根据应用的不同，无论是电力系统平衡（ETS）、频率调节、光伏（PV）自用，还是可再生能源支持，BESSs表现出不同的充电和放电时间、循环寿命、 round-trip 效率、放电深度和其他关键技术参数。这些差异反过来影响它们在其生命周期内的累计温室气体排放量[32,33]。充电/放电效率的提高、循环寿命的延长和自放电率的降低可以有效减少BESSs的温室气体排放量[32]。最近的研究表明，EES技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还显著受到其特定技术参数的影响。这些差异在其生命周期内影响它们的累积温室气体排放量[32,33]。提高充电/放电效率、延长循环寿命和降低自放电率可以有效减少电池储能系统（BESS）的温室气体排放量[32]。最近的研究表明，能源储存系统（EES）技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还受到其特定技术参数的显著影响。这些差异进而影响它们在其生命周期内的累积温室气体排放量[32,33]。提高充电/放电效率、延长循环寿命以及降低自放电率可以有效减少电池储能系统（BESS）的温室气体排放[32]。最近的研究表明，能源储存系统（EES）技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还受到其特定技术参数的显著影响。最近的研究表明，来自能源存储系统（EES）技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还受到其特定技术参数的显著影响。最近的研究表明，来自能源存储系统（EES）技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还受到其特定技术参数的显著影响。
鉴于与锂离子电池（LIBs）相关的安全问题，包括使用有机电解质引发的燃烧和爆炸事件，以及金属元素如锂、钴和镍的高昂成本，迫切需要创新安全且成本效益高的能量存储系统（EES）技术。此外，评估其温室气体（GHG）排放对于推动这些技术的可持续发展至关重要[34,35]。水性锌离子电池（AZIBs）采用安全的水性电解质和经济的锌阳极，在下一代EES系统中展现出巨大的潜力[[36], [37], [38]]。鉴于这些卓越的特性，AZIBs在电网侧的应用可能潜在地减少与传统热力发电（TPG）系统相比的温室气体排放。
虽然现有的研究已经初步探讨了锌离子电池的环境影响，但它们主要集中在电池材料本身的生命周期评估上 [39]。锌离子电池的环境性能尚未在GIES背景下系统地与传统的单一化石燃料TPG进行比较。本研究的创新之处在于将水性锌//二氧化锰2 电池放入GIES框架中，与TPG进行系统比较，同时考虑中国电力 grid 的当前平均结构和未来的脱碳情景。
在本研究中，我们遵循ISO 14040-14044标准和之前研究中建立的LCA分析框架，专注于水性Zn//MnO2 电池——一种安全且有前景的大规模能源储存技术。我们使用了一种前景生命周期评估（pLCA）方法进行分析。pLCA方法通过特别评估尚未商业化但基于预期未来性能的新兴技术（例如，实验室规模的锂硫电池（LSB）和黄铁矿固态电池），扩展了传统的归因生命周期评估（LCA），使其适用于本研究的对象和情景 [40,41]。在本研究的pLCA框架中，前景元素具体包括：1）基于美国能源部2030商业化目标的预期值的电池循环寿命和历寿命等核心性能参数；2）2035年和2050年中国的电力系统未来脱碳情景。生命周期清单和背景数据库使用当前成熟的Ecoinvent v3.10数据集，并结合实验室实验的可重复合成路径数据。在此基础上，研究系统比较了GIES和TPG方法的生命周期温室气体排放。与传统TPG相比，GIES的生命周期温室气体排放减少了34%。环境效益主要来自于使用水相Zn//MnO。2将电池作为能量储存单元。此外，这项工作还详细分析了其减排效果的三重机制：首先，排放结构被重塑。与以燃烧环节为主的TPG系统不同，GIES的生命周期排放集中在使用阶段的高能耗环节（占87%），而不是制造环节（仅占13%）。具体来说，运行损失（60.04%）、循环效率（13.29%）、自放电（0.67%）和由于老化而更换的排放构成了使用阶段的主要排放来源。这种结构性质决定了系统的碳足迹与充电电力的清洁度密切相关。其次，温室气体排放和电网绿色化的协同放大效应。随着电力结构的调整和可再生能源电力比例的增加，充电能源储存设备的清洁度将进一步提高，从而减少运营排放并动态改善减排效果。最后，电池本身的性能对排放减少有重要影响。敏感性分析表明，在众多参数中，提高电池的往返效率是降低生命周期碳排放的技术减排最有效手段。本研究不仅定量评估了AZIB储存的减排潜力，还通过分析其排放结构特征，为未来电网规模储能的低碳发展提供了明确的方向。
图形摘要
介绍
在先进的电化学储能技术领域，锂离子电池（LIBs）因其卓越的能源密度和延长的循环寿命而被广泛使用[12,13]。同时，生命周期评估（LCA）方法，一种通过检查各个阶段的输入和输出来评估环境影响的工具，常被用于分析与电化学储能技术相关的环境影响[[14], [15], [16]]。因此，许多学者利用LCA方法，遵循政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定的标准化会计指南。他们从Ecoinvent背景数据库中获取数据，以研究与LIB储能技术相关的温室气体排放[[17], [18], [19]]。通过将LIBs（包括磷酸铁锂电池（LFP）和镍钴锰酸锂电池（NCM））的生命周期划分为材料生产、电池制造、电池使用和最终处理等阶段，并量化各自的温室气体排放，可以为政策制定者和其他人提供宝贵的见解，帮助他们选择更环保的电池[[20], [21], [22]]。
研究已经深入探讨了锂离子电池的阴极材料与其最终温室气体排放之间的相关性[[23], [24], [25]]。此外，阴极和电解液对锂离子电池温室气体排放的影响已经被研究过[26]。即使使用相同的材料，由于各国电力基础设施的清洁程度不同，与锂离子电池相关的温室气体排放也会有所不同[[27], [28], [29]]。这种电力结构的差异导致了不同的温室气体排放，这突显了在准确评估电池储能系统（BESSs）的环境影响时，进行基于情景的设置的必要性[30,31]。根据应用的不同，无论是电力系统平衡（ETS）、频率调节、光伏（PV）自用，还是可再生能源支持，BESSs表现出不同的充电和放电时间、循环寿命、 round-trip 效率、放电深度和其他关键技术参数。这些差异反过来影响它们在其生命周期内的累计温室气体排放量[32,33]。充电/放电效率的提高、循环寿命的延长和自放电率的降低可以有效减少BESSs的温室气体排放量[32]。最近的研究表明，EES技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还显著受到其特定技术参数的影响。这些差异在其生命周期内影响它们的累积温室气体排放量[32,33]。提高充电/放电效率、延长循环寿命和降低自放电率可以有效减少电池储能系统（BESS）的温室气体排放量[32]。最近的研究表明，能源储存系统（EES）技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还受到其特定技术参数的显著影响。这些差异进而影响它们在其生命周期内的累积温室气体排放量[32,33]。提高充电/放电效率、延长循环寿命以及降低自放电率可以有效减少电池储能系统（BESS）的温室气体排放[32]。最近的研究表明，能源储存系统（EES）技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还受到其特定技术参数的显著影响。最近的研究表明，来自能源存储系统（EES）技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还受到其特定技术参数的显著影响。最近的研究表明，来自能源存储系统（EES）技术的温室气体排放不仅取决于其整个生命周期（包括制造、使用和处理阶段），还受到其特定技术参数的显著影响。
鉴于与锂离子电池（LIBs）相关的安全问题，包括使用有机电解质引发的燃烧和爆炸事件，以及金属元素如锂、钴和镍的高昂成本，迫切需要创新安全且成本效益高的能量存储系统（EES）技术。此外，评估其温室气体（GHG）排放对于推动这些技术的可持续发展至关重要[34,35]。水性锌离子电池（AZIBs）采用安全的水性电解质和经济的锌阳极，在下一代EES系统中展现出巨大的潜力[[36], [37], [38]]。鉴于这些卓越的特性，AZIBs在电网侧的应用可能潜在地减少与传统热力发电（TPG）系统相比的温室气体排放。
虽然现有的研究已经初步探讨了锌离子电池的环境影响，但它们主要集中在电池材料本身的生命周期评估上 [39]。锌离子电池的环境性能尚未在GIES背景下系统地与传统的单一化石燃料TPG进行比较。本研究的创新之处在于将水性锌//二氧化锰2 电池放入GIES框架中，与TPG进行系统比较，同时考虑中国电力 grid 的当前平均结构和未来的脱碳情景。
在本研究中，我们遵循ISO 14040-14044标准和之前研究中建立的LCA分析框架，专注于水性Zn//MnO2 电池——一种安全且有前景的大规模能源储存技术。我们使用了一种前景生命周期评估（pLCA）方法进行分析。pLCA方法通过特别评估尚未商业化但基于预期未来性能的新兴技术（例如，实验室规模的锂硫电池（LSB）和黄铁矿固态电池），扩展了传统的归因生命周期评估（LCA），使其适用于本研究的对象和情景 [40,41]。在本研究的pLCA框架中，前景元素具体包括：1）基于美国能源部2030商业化目标的预期值的电池循环寿命和历寿命等核心性能参数；2）2035年和2050年中国的电力系统未来脱碳情景。生命周期清单和背景数据库使用当前成熟的Ecoinvent v3.10数据集，并结合实验室实验的可重复合成路径数据。在此基础上，研究系统比较了GIES和TPG方法的生命周期温室气体排放。与传统TPG相比，GIES的生命周期温室气体排放减少了34%。环境效益主要来自于使用水相Zn//MnO。2将电池作为能量储存单元。此外，这项工作还详细分析了其减排效果的三重机制：首先，排放结构被重塑。与以燃烧环节为主的TPG系统不同，GIES的生命周期排放集中在使用阶段的高能耗环节（占87%），而不是制造环节（仅占13%）。具体来说，运行损失（60.04%）、循环效率（13.29%）、自放电（0.67%）和由于老化而更换的排放构成了使用阶段的主要排放来源。这种结构性质决定了系统的碳足迹与充电电力的清洁度密切相关。其次，温室气体排放和电网绿色化的协同放大效应。随着电力结构的调整和可再生能源电力比例的增加，充电能源储存设备的清洁度将进一步提高，从而减少运营排放并动态改善减排效果。最后，电池本身的性能对排放减少有重要影响。敏感性分析表明，在众多参数中，提高电池的往返效率是降低生命周期碳排放的技术减排最有效手段。本研究不仅定量评估了AZIB储存的减排潜力，还通过分析其排放结构特征，为未来电网规模储能的低碳发展提供了明确的方向。