陳慶文
(廣州匯錦能效科技有限公司,廣東廣州 510080)
隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,我國(guó)能源綠色轉(zhuǎn)型加速,到2030年,我國(guó)非化石能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%,到2060年將達(dá)到80%。在新能源高速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下,新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)不僅是可再生能源發(fā)展的重要組成部分,也成為電力系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇[1]。新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)利用新型材料、新型技術(shù)、新型設(shè)備儲(chǔ)存和釋放能源,包括壓縮空氣的機(jī)械儲(chǔ)能、以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器類的電磁儲(chǔ)能。截至2022年,中國(guó)已投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)59.8 GW,占全球市場(chǎng)總規(guī)模的25%,年增長(zhǎng)率達(dá)38%。作為傳統(tǒng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)占比首次低于80%,與2021年同期相比下降8.3個(gè)百分點(diǎn);相比之下,新型儲(chǔ)能繼續(xù)高速發(fā)展,累計(jì)裝機(jī)規(guī)模首次突破10 GW,達(dá)到13.1 GW/27.1 GW·h,功率規(guī)模年增長(zhǎng)率達(dá)128%,能量規(guī)模年增長(zhǎng)率達(dá)141%。圖1展示了各主要省份在“十四五”期間的累計(jì)新型儲(chǔ)能裝機(jī)目標(biāo)。從各省已投運(yùn)新型儲(chǔ)能裝機(jī)情況看,江蘇省裝機(jī)量最大,已超過100萬kW,其次是廣東省和山東省,其他有較大裝機(jī)量的省份包括青海、內(nèi)蒙古、湖南、安徽等。
圖1 “十四五”主要省份累計(jì)新型儲(chǔ)能裝機(jī)目標(biāo)
目前,研究者主要關(guān)注新型儲(chǔ)能技術(shù)的生命周期能耗、環(huán)境影響、可持續(xù)性等方面的問題[2],研究方法主要包括生命周期評(píng)價(jià),能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的環(huán)境影響評(píng)估、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。研究表明,新型儲(chǔ)能技術(shù)相比傳統(tǒng)化石能源碳排放和能源消耗更低[3],但在生產(chǎn)和回收過程中仍然存在一定的環(huán)境影響和能源消耗。要想實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展,了解不同新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響和能源消費(fèi)至關(guān)重要,這有助于促進(jìn)新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,推動(dòng)可再生能源的普及。
本文重點(diǎn)介紹不同新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn),并分析了電池領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)全生命周期過程,包括上游、中游和下游儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè),并以磷酸鐵鋰(LFP)電池為典型項(xiàng)目探索了其在全生命周期階段中的環(huán)境影響和能源消費(fèi),以期對(duì)未來中國(guó)新型儲(chǔ)能行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有所啟示。
目前,新型儲(chǔ)能技術(shù)可分為多個(gè)類別,包括機(jī)械儲(chǔ)能(如壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能)、電化學(xué)儲(chǔ)能(以電池形式存在)、熱儲(chǔ)能(蓄熱/蓄冷)、化學(xué)儲(chǔ)能(利用氫或合成天然氣)以及電磁儲(chǔ)能技術(shù)(超導(dǎo)和超級(jí)電容器)[4],這些技術(shù)各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。下面詳細(xì)介紹它們的效率、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域,具體信息如表1所示。
表1 新型儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比
1)壓縮空氣儲(chǔ)能:壓縮空氣儲(chǔ)能是一種將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的儲(chǔ)能技術(shù)。在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期,電能被用于將空氣壓縮至高壓,密封在報(bào)廢礦井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲(chǔ)氣井中;當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷高峰期到來時(shí),釋放壓縮空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和利用。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有較高的靈活性和可調(diào)度性,可根據(jù)電網(wǎng)需求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。
2)飛輪儲(chǔ)能:飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪儲(chǔ)存電能的儲(chǔ)能技術(shù)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn),在真空環(huán)境中儲(chǔ)存動(dòng)能;當(dāng)需要電能時(shí),再利用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要采用電池形式來儲(chǔ)存能量,包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池以及液流電池等多種類型。這些電池是通過化學(xué)反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,從而實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。
在熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中,熱能被儲(chǔ)存在隔熱容器的媒質(zhì)中,在需要時(shí)可被轉(zhuǎn)化回電能,也可作為熱源/冷源直接利用而不再轉(zhuǎn)化回電能。一般來說包括蓄熱/冷式太陽能發(fā)電系統(tǒng)和相對(duì)較新的熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)。
化學(xué)類儲(chǔ)能主要是指利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體,利用化學(xué)反應(yīng)將能量?jī)?chǔ)存于化學(xué)物質(zhì)中的能源儲(chǔ)存方式。其中,氫和合成天然氣是常用的二次能源載體?;瘜W(xué)類儲(chǔ)能通過將電能或其他形式的能量輸入到化學(xué)反應(yīng)中,將氫或合成天然氣轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,從而實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存,并可在需要時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能或其他形式的能量。
1)超導(dǎo):超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)是采用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來,需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的一種電力設(shè)施。
2)超級(jí)電容器:超級(jí)電容器儲(chǔ)能則是通過電極/溶液界面上的電子或離子定向排列形成電荷對(duì)峙來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。相比傳統(tǒng)電池,超級(jí)電容器儲(chǔ)能具有充電速度快、壽命長(zhǎng)、效率高、可在高頻率下進(jìn)行充放電等優(yōu)點(diǎn),適用于需要瞬間大功率輸出的場(chǎng)合,如電動(dòng)汽車等。
儲(chǔ)能商業(yè)模式具有多樣性,涉及電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)等多種儲(chǔ)能方式。隨著新能源發(fā)展進(jìn)程加快,新型儲(chǔ)能技術(shù)成為提高新能源安全高效利用水平的解決方案。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中,鋰電池市場(chǎng)規(guī)模優(yōu)勢(shì)明顯,成為市場(chǎng)發(fā)展的重要推動(dòng)力。根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)的預(yù)測(cè),到2026年,我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能總裝機(jī)量將達(dá)到全球首位,占有率達(dá)22%,幾乎與歐洲的總裝機(jī)量持平,并比美國(guó)高出7%[5]。
因此,目前新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)主要集中在電池領(lǐng)域。該領(lǐng)域包括上游原材料及零部件供應(yīng)商,中游的電池、變流器、管理系統(tǒng)、其他設(shè)備和系統(tǒng)集成,以及下游的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)的各種應(yīng)用場(chǎng)景。圖2展示了關(guān)于電化學(xué)儲(chǔ)能的新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈。對(duì)我國(guó)的儲(chǔ)能企業(yè)而言,儲(chǔ)能企業(yè)的資源輸入渠道、生命周期內(nèi)環(huán)境影響以及對(duì)能源消耗成本的掌控是其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
圖2 新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈分布圖
1)正極材料。近年來,正極材料市場(chǎng)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),出貨量持續(xù)攀升。據(jù)2022年數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)動(dòng)力電池出貨量同比增長(zhǎng)112%,推動(dòng)了鐵鋰和三元正極材料的出貨量增加;全球新能源汽車銷量預(yù)計(jì)將達(dá)到1 200萬輛,進(jìn)一步提升了我國(guó)三元材料的出口水平;中國(guó)儲(chǔ)能鋰電池整年出貨量達(dá)到130 GW·h,刺激了磷酸鐵鋰的出貨量提升,從而使正極材料的出貨量大幅上升。2022年,中國(guó)正極材料市場(chǎng)的出貨量達(dá)到190萬t,同比增長(zhǎng)68%。具體而言,磷酸鐵鋰正極材料在2022年的出貨量達(dá)到111萬t,同比增長(zhǎng)132%,市場(chǎng)占比為58.4%;而三元正極材料的出貨量為64萬t,同比增長(zhǎng)47%,市場(chǎng)占比為33.7%。相比之下,鈷酸鋰和錳酸鋰的出貨量分別為7.7萬t和6.9萬t,與上年相比均明顯下降,市場(chǎng)占比分別為4.1%和3.6%。
2)負(fù)極材料。新能源汽車銷量的大幅增長(zhǎng)推動(dòng)了動(dòng)力電池出貨量的翻倍增長(zhǎng),同時(shí)鋰電池儲(chǔ)能市場(chǎng)同比增長(zhǎng)1.7倍,進(jìn)一步促使鋰電池負(fù)極材料的出貨量增加。2022年,中國(guó)鋰電負(fù)極市場(chǎng)的出貨量達(dá)到137萬t,同比增長(zhǎng)90%。
3)電解液。據(jù)2022年數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)銷量達(dá)到688.7萬輛,同比增長(zhǎng)93.4%,推動(dòng)國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池市場(chǎng)的出貨量增至480 GW·h,同比增長(zhǎng)超過1倍,進(jìn)而帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)動(dòng)力電解液的出貨需求提升。2022年,中國(guó)電解液的出貨量達(dá)到84萬t,同比增長(zhǎng)接近70%。
4)隔膜。中國(guó)隔膜企業(yè)全球供應(yīng)能力的提升使得鋰電池隔膜的出口量增加,加上儲(chǔ)能市場(chǎng)的帶動(dòng),鋰電池隔膜的出貨量顯著增長(zhǎng)。2022年,中國(guó)鋰電隔膜的出貨量達(dá)到124億m2,同比增長(zhǎng)59%;此外,還有多個(gè)新的鋰電隔膜項(xiàng)目相繼落地,其中15個(gè)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目總投資額約為633億元。
2022年,儲(chǔ)能鋰電池出貨量延續(xù)了上一年強(qiáng)勁增長(zhǎng)的勢(shì)頭,全年出貨量達(dá)到130 GW·h,同比增長(zhǎng)170.8%。具體而言,電力儲(chǔ)能電池出貨量最大,達(dá)92 GW·h,同比增長(zhǎng)216.2%,占比70.8%;其次是戶用儲(chǔ)能電池,出貨量25 GW·h,同比增長(zhǎng)354.5%,占比19.2%;通信儲(chǔ)能電池出貨量9 GW·h,同比減少25%,占比6.9%;而便攜式儲(chǔ)能電池出貨量4 GW·h,同比增長(zhǎng)207.7%,占比3.1%。這受益于電池成本的持續(xù)下降以及政府政策的刺激。我國(guó)儲(chǔ)能電池行業(yè)自2017年新增裝機(jī)量0.3 GW·h起步,2021年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5.8 GW·h的新增裝機(jī)量,這意味著2017—2021年間我國(guó)儲(chǔ)能電池新增裝機(jī)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)109.7%。在國(guó)家能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”戰(zhàn)略背景下,儲(chǔ)能電池逐漸成為電力系統(tǒng)改革和新能源電力建設(shè)的重要組成部分。據(jù)預(yù)測(cè),到2023年,我國(guó)儲(chǔ)能電池的新增裝機(jī)量將達(dá)到7.1 GW·h。
在我國(guó)動(dòng)力儲(chǔ)能電池行業(yè)中,競(jìng)爭(zhēng)格局相對(duì)集中,頭部效應(yīng)明顯。寧德時(shí)代通過國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的全面布局,在2022年全年儲(chǔ)能鋰電池出貨量方面領(lǐng)先國(guó)內(nèi)同行。比亞迪在儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)有較長(zhǎng)時(shí)間的涉足經(jīng)驗(yàn),在海外集中式儲(chǔ)能和戶用儲(chǔ)能市場(chǎng)都建立了強(qiáng)大的銷售渠道和客戶網(wǎng)絡(luò),位居國(guó)內(nèi)第二。瑞浦蘭鈞儲(chǔ)能業(yè)務(wù)發(fā)展迅速,排名第三。其他國(guó)內(nèi)廠商的出貨量也出現(xiàn)了大幅增長(zhǎng),整體競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生了顯著變化。
下游新興儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)涵蓋了發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景,這些場(chǎng)景主要以實(shí)用性為導(dǎo)向,服務(wù)于電力系統(tǒng)參與企業(yè),包括發(fā)電集團(tuán)、電網(wǎng)公司、第三方投資者以及工商業(yè)等各方。目前,儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)者主要有發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)、儲(chǔ)能場(chǎng)站投資方、工商業(yè)和家庭用戶等不同主體。其中,發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)和儲(chǔ)能場(chǎng)站投資方對(duì)大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求和建設(shè)規(guī)模逐漸趨近,可統(tǒng)稱為大型儲(chǔ)能;而小型工商業(yè)和家庭用戶所使用的儲(chǔ)能通常被稱為小型儲(chǔ)能,包括小微型儲(chǔ)能系統(tǒng)和戶用儲(chǔ)能。
根據(jù)下游的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)方,大型儲(chǔ)能可以進(jìn)一步分為發(fā)電企業(yè)配建、電網(wǎng)企業(yè)自建和獨(dú)立儲(chǔ)能三類。而小型工商業(yè)和家庭用戶對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本需求主要是保障穩(wěn)定供電、實(shí)現(xiàn)電力自發(fā)自用和有效管理容量費(fèi)用等方面的需求。家庭用戶儲(chǔ)能直接面向個(gè)人消費(fèi)者,因此消費(fèi)者更加注重品牌認(rèn)知度、產(chǎn)品性能和經(jīng)濟(jì)性。戶用儲(chǔ)能類似于家電產(chǎn)品,具有較強(qiáng)的消費(fèi)屬性。
從儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈的整個(gè)生命周期分析來看,該產(chǎn)業(yè)鏈可劃分為上游、中游和下游三個(gè)階段。上游主要涉及正負(fù)極材料、電解液、隔膜等材料的生產(chǎn);中游則是各類儲(chǔ)能電池產(chǎn)品的制造和銷售;而下游包括儲(chǔ)能方案在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用。此外,隨著儲(chǔ)能電池的廣泛使用,回收再生也成為儲(chǔ)能行業(yè)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。
總體而言,儲(chǔ)能電池的全生命周期可以分為生產(chǎn)制造、直接應(yīng)用和回收再生三個(gè)環(huán)節(jié)。儲(chǔ)能電池種類繁多,下面以磷酸鐵鋰(LFP)電池為例,大致介紹其全生命周期過程的環(huán)境影響和能源消耗比例,具體內(nèi)容如表2所示。
表2 LFP電池全生命周期內(nèi)能源消費(fèi)清單
在生產(chǎn)制造階段,關(guān)鍵原材料的開采與加工可能對(duì)環(huán)境造成一定影響,同時(shí)制造過程中的能源消耗也需考慮。直接應(yīng)用階段則與儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)相關(guān),需要考慮能源轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)效能以及供需平衡等因素。至于回收再生階段,則對(duì)廢棄電池的處理和再利用提出了要求,以減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。需要注意的是,在具體應(yīng)用場(chǎng)景中,不同類型的儲(chǔ)能方案可能具有不同的環(huán)境影響和能源消耗比例。
在對(duì)LFP電池生產(chǎn)制造、直接應(yīng)用和回收再生過程的環(huán)境影響分析中,綜合考慮了淡水富營(yíng)養(yǎng)化(FEP)、海洋富營(yíng)養(yǎng)化(MEP)、淡水生態(tài)毒性(FETP)、人體致癌毒性(HTPc)、礦產(chǎn)資源耗竭(SOP)、全球變暖潛在影響(GWP)、光化學(xué)臭氧形成對(duì)人體健康的影響(HOFP)、光化學(xué)臭氧形成對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響(EOFP)、陸地酸化(AP)、陸地生態(tài)毒性(TETP)、人體非致癌毒性(HTPnc)以及化石能源耗竭(FFP)等12類環(huán)境影響類型[6]。圖3顯示了這些環(huán)境影響類型對(duì)LFP電池全生命周期的具體影響結(jié)果。
圖3 儲(chǔ)能電池生產(chǎn)—應(yīng)用—回收的環(huán)境影響特征化結(jié)果
通過綜合分析,可以更準(zhǔn)確地評(píng)估LFP電池在不同階段對(duì)環(huán)境造成的影響,以及各個(gè)環(huán)境指標(biāo)的重要性和相互關(guān)系,從而得到以下結(jié)論:
1)在生產(chǎn)制造階段,主要的環(huán)境影響包括淡水富營(yíng)養(yǎng)化(FEP)、海洋富營(yíng)養(yǎng)化(MEP)、淡水生態(tài)毒性(FETP)、人體致癌毒性(HTPc)和礦產(chǎn)資源耗竭SOP)。這些因素分別貢獻(xiàn)了93.24%、95.01%、91.91%、66.64%和66.90%。
2)在直接應(yīng)用階段,主要的環(huán)境影響包括全球變暖(GWP)、光化學(xué)臭氧形成對(duì)人體健康的影響HOFP)、光化學(xué)臭氧形成對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響(EOFP)、陸地酸化(AP)、陸地生態(tài)毒性(TETP)、人體非致癌毒性(HTPnc)和化石能源耗竭(FFP)。這些因素分別貢獻(xiàn)了71.14%、76.68%、76.41%、78.50%、68.90%、67.89%和67.30%。
3)在回收再生階段,主要的環(huán)境影響包括淡水富營(yíng)養(yǎng)化(FEP)、海洋富營(yíng)養(yǎng)化(MEP)、淡水生態(tài)毒性(FETP)和礦產(chǎn)資源耗竭(SOP)。然而,由于鋰資源以LiCl的形式被回收,海洋富營(yíng)養(yǎng)化(MEP)和礦產(chǎn)資源耗竭(SOP)的指標(biāo)為負(fù)值,即產(chǎn)生環(huán)境效益,其貢獻(xiàn)率分別為-4.99%和-33.10%。淡水富營(yíng)養(yǎng)化(FEP)和淡水生態(tài)毒性(FETP)的貢獻(xiàn)率為6.76%和6.57%,即仍然帶來一定程度的環(huán)境負(fù)荷。
綜上所述,在LFP電池的整個(gè)生命周期中,如圖4所示,按總環(huán)境影響程度排序?yàn)閼?yīng)用階段(58.25%)、生產(chǎn)制造階段(41.58%)和回收再生階段(0.17%)。
圖4 LFP電池生產(chǎn)—應(yīng)用—回收階段對(duì)總環(huán)境影響的貢獻(xiàn)比例
根據(jù)表3所示的能源消費(fèi)占比數(shù)據(jù),可見應(yīng)用階段在能源消費(fèi)中占比最高,約為87.77%。其次是生產(chǎn)階段,占比為12.23%。相比之下,回收階段的能耗占比幾乎可以忽略不計(jì)。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步突顯了生產(chǎn)和應(yīng)用階段在整體能源消費(fèi)中的重要性。需要注意的是,隨著廢舊電池回收再利用技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,如火法冶金、濕法冶金及直接再生等[7],回收能源消耗占比將呈上升趨勢(shì)。
表3 LFP電池生產(chǎn)—應(yīng)用—回收各階段能源消費(fèi)占比
本文對(duì)比分析了新型儲(chǔ)能典型技術(shù)的特點(diǎn),論述了儲(chǔ)能鋰電池上游、中游和下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況。以磷酸鐵鋰(LFP)電池為典型項(xiàng)目,對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了全生命周期分析,結(jié)果表明總體環(huán)境影響程度最高的是應(yīng)用階段,約占58.25%;其次是生產(chǎn)制造階段,占比為41.58%;回收再生階段的占比非常低,僅為0.17%。在能源消費(fèi)方面,應(yīng)用階段的能源消耗最高,約占87.77%,其次是生產(chǎn)階段,占比為12.23%,盡管現(xiàn)階段回收能耗占比相對(duì)較低,但隨著廢舊電池技術(shù)推廣與應(yīng)用,能源消費(fèi)占比將呈上升趨勢(shì)。