冲绳岛电网长期热能发电削减：基于风险感知的多目标优化与循环评估的二次电池应用研究
发布时间：2026-05-27 17:14:09 点击： 次
日本冲绳是一个电网高度依赖进口液化天然气(LNG)、石油和煤炭的岛屿。这使得该地区易受全球燃料费价格波动影响，并面临较高的温室气体排放风险。与此同时，日本电动汽车的快速普及带来了退役电池处理的相关挑战。本研究探讨了二次利用电池(SLB)在降低火电依赖和改善冲绳电网风险感知规划方面的潜力。本研究采用基于非支配排序遗传算法III的多性向目标优化框架，旨在最小化总成本强度(TCOI)、运行排放强度(OEI)以及95%置信水平下的条件风险价值(CVaR）。研究对电池衰减与更换行为进行了限制级建模，并通过后优化循环性评估量化了材料质量流量、回收潜力，以及由电池二次利用和更换动态产生的原生材料需求规避量。分析了四种情景，包括以热力为主的系统，以及采用二次电池或全新电池搭配光伏、风电与电池储能的混合配置。基于二次电池的最优配置方案实现了184.21美元/兆瓦时的总拥有成本指数（TCOI）及0.44吨二氧化碳当量/兆瓦时的运营排放指数（OEI）。0.952/MWh，以及CVaR该情景实现了85.29美元/兆瓦时的燃料费成本，相较于新电池情景获得高出7个百分点的多性向得分，并较基线情景减少17%热负荷。研究结果表明，二次电池为岛屿电力系统提供了一条经济高效且符合循环无性向目标的路径，可有效降低对热能的依赖。所提出的框架在结构上具有可移植性，具体实施时需根据当地参数进行重新校准。0.95
全球范围内为减少温室气体排放（GHG）所做出的努力、实现气候目标（如2050年净零排放）的压力以及能源安全问题，都加剧了对低碳、可靠且以循环经济为导向的能源系统的需求[1]。化石燃料能源是导致温室气体排放增加的主要因素。尽管存在环境影响，煤炭和石油仍是大多数岛屿电网和离网系统的支柱能源[2]。日本冲绳就是此类系统的典型代表，其约60%的电力供应源自热力发电。到2030年，冲绳电力公司（OPEC）的目标是将排放量较2005年水平降低30%，这凸显了将可再生能源与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数量日益增长的退役电池，这些电池在车辆使用寿命终止时的健康状态(SOH)约为70%至80%[4]。它们具备在固定式储能系统中实现二次利用的潜力，例如应用于微电网，从而缓解可再生能源发电的波动性并降低对化石燃料的依赖[5]。对退役电动汽车电池的再利用不仅支持日本实现循环经济目标，还能减少新电池生产对原始材料的需求，同时为经济高效的电池储能部署提供了替代路径[6]。
多项研究已探讨了梯次利用电池（SLB）在电网中的应用。研究表明，在一定条件下，SLB可支持削峰填谷、实现电压稳定并降低运行成本[7]。技术经济评估进一步指出，SLB的可行性取决于其工作循环周期、退役模组的初始健康状态以及再利用成本[8]。相关模型还纳入了衰减因素以反映SLB的生命周期限制[9]。针对日历老化、循环老化及健康状态演变的仿真研究表明，衰减建模对于延长电池寿命和成本估算同样至关重要[10]。然而，现有研究多在确定性调度假设或有限运行场景下评估SLB性能[11]。
共享锂电池（SLB）的利用日益受到关注，一系列基于优化的研究已探讨其在并网及混合可再生能源系统中的部署。现有工作主要集中于通过优化SLB调度与分配来最小化运行成本及老化相关损耗[9]，同时提升混合能源系统的可靠性并优化容量配置的权衡[12]。部分研究采用混合整数优化框架解决光伏-SLB配置中的自消纳提升与运行成本降低问题[13]，而多性向优化模型则被用于探索成本、电池退化与二氧化碳排放之间的权衡。2光伏-梯次电池电网优化中的排放问题[14]。现有研究采用元启发式方法探索了频率调节、寿命延长等控制导向目标[15]，并利用数据驱动方法改进梯次电池寿命预测及需求成本最小化[16]。
表1通过所提出框架的六个关键维度，系统比较了本研究与最密切相关的前期工作。
如表1所示，尽管大量研究已证明SLB利用的可行性，现有文献仍存在若干空白。首先，多数研究未将SLB纳入长期多性向目标规划框架，该框架需同时执行技术经济评估、环境影响分析及岛屿电网风险评估。其次，SLB的循环性（包括材料再利用、生命周期一致性及因电池需求避免的原生材料使用）在技术经济评估中鲜少被纳入考量。第三，现有研究很少将退化感知模型与采用蒙特卡洛模拟等随机方法的不确定性量化相结合。这些限制阻碍了评估SLB在高化石燃料依赖及可再生能源波动性的现实岛屿电网中完整价值的交易能力。
为填补这些研究空白，本研究提出一种多性向目标、风险感知的规划框架，该框架限制级整合了冲绳岛电网中二次寿命电池退化、不确定性与循环性考量因素。该框架在以下方面推动了技术前沿：
引言
日本电动汽车(EV)的快速普及正在产生数量日益增长的退役电池，这些电池在车辆使用寿命终止时的健康状态(SOH)约为70%至80%[4]。它们具备在固定式储能系统中实现二次利用的潜力，例如应用于微电网，从而缓解可再生能源发电的波动性并降低对化石燃料的依赖[5]。对退役电动汽车电池的再利用不仅支持日本实现循环经济目标，还能减少新电池生产对原始材料的需求，同时为经济高效的电池储能部署提供了替代路径[6]。
多项研究已探讨了梯次利用电池（SLB）在电网中的应用。研究表明，在一定条件下，SLB可支持削峰填谷、实现电压稳定并降低运行成本[7]。技术经济评估进一步指出，SLB的可行性取决于其工作循环周期、退役模组的初始健康状态以及再利用成本[8]。相关模型还纳入了衰减因素以反映SLB的生命周期限制[9]。针对日历老化、循环老化及健康状态演变的仿真研究表明，衰减建模对于延长电池寿命和成本估算同样至关重要[10]。然而，现有研究多在确定性调度假设或有限运行场景下评估SLB性能[11]。
共享锂电池（SLB）的利用日益受到关注，一系列基于优化的研究已探讨其在并网及混合可再生能源系统中的部署。现有工作主要集中于通过优化SLB调度与分配来最小化运行成本及老化相关损耗[9]，同时提升混合能源系统的可靠性并优化容量配置的权衡[12]。部分研究采用混合整数优化框架解决光伏-SLB配置中的自消纳提升与运行成本降低问题[13]，而多性向优化模型则被用于探索成本、电池退化与二氧化碳排放之间的权衡。2光伏-梯次电池电网优化中的排放问题[14]。现有研究采用元启发式方法探索了频率调节、寿命延长等控制导向目标[15]，并利用数据驱动方法改进梯次电池寿命预测及需求成本最小化[16]。
表1通过所提出框架的六个关键维度，系统比较了本研究与最密切相关的前期工作。
如表1所示，尽管大量研究已证明SLB利用的可行性，现有文献仍存在若干空白。首先，多数研究未将SLB纳入长期多性向目标规划框架，该框架需同时执行技术经济评估、环境影响分析及岛屿电网风险评估。其次，SLB的循环性（包括材料再利用、生命周期一致性及因电池需求避免的原生材料使用）在技术经济评估中鲜少被纳入考量。第三，现有研究很少将退化感知模型与采用蒙特卡洛模拟等随机方法的不确定性量化相结合。这些限制阻碍了评估SLB在高化石燃料依赖及可再生能源波动性的现实岛屿电网中完整价值的交易能力。
为填补这些研究空白，本研究提出一种多性向目标、风险感知的规划框架，该框架限制级整合了冲绳岛电网中二次寿命电池退化、不确定性与循环性考量因素。该框架在以下方面推动了技术前沿：
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面向海岛电网的系统级、退化一致性规划框架该框架通过统一的能量管理系统(EMS)将梯次利用电池与全新电池整合至现有火电与可再生能源资产中，该系统可持续追踪所有技术路线的寿命健康状态、更换事件及实际供能数据。, in which second-life and new batteries are integrated with existing thermal and renewable assets using a unified energy management system (EMS) that tracks lifetime state-of-health, replacement events, and delivered energy consistently across all technologies. - •
针对岛屿能源规划的风险感知多目标优化模型，该模型在可再生能源波动性和需求不确定性的条件下，通过改进的NSGA-III算法结合蒙特卡洛模拟实现，同时最小化总成本强度(TCOI)、运行排放强度(OEI)以及95%置信水平下的条件风险价值(CVaR)。优化后循环性评估方法0.95) under renewable variability and demand uncertainty, implemented using the modified NSGA-III algorithm coupled with Monte Carlo simulation. - •
通过量化物质质量流、回收率潜力、节水量，并基于优化系统配置和实际电池更换行为计算可避免排放与原生材料需求，实现了在不将循环性设为优化目标的情况下进行循环经济评估。post-optimization circularity assessment methodology that quantifies material mass flows, recovery rate potential, water saving, and the avoided emissions and avoided virgin material demand based on optimized system configurations and actual battery replacement behavior, enabling circular economy evaluation without introducing circularity as an optimization objective. - •
针对海岛电网场景中二手电池（SLB）与新电池（NB）的循证对比评估，通过量化分析可再生能源渗透率、电池衰减动态特性及更换频率对技术性能、经济效益、环境影响、风险水平及循环性指标的综合作用机制。, demonstrating how the renewable penetration level, battery degradation dynamics, and frequency of battery replacement jointly influence technical, economic, environmental, risk, and circularity outcomes.