综述：储能系统：大规模应用的比较、环境影响、选择标准及文献计量分析

本文系统综述了各类储能系统（ESS）在大规模可再生能源（RER）整合中的关键作用。文章详细比较了机械（如抽水蓄能PHS、压缩空气CAES）、热力（TES）、电化学（如锂离子电池、钠离子电池、超级电容器）及化学（如氢能）储能的技术原理、性能参数（如能量密度、效率、循环寿命）、技术就绪度（TRL）及环境影响（如全球变暖潜能GWP）。同时，探讨了结合技术、经济、环境和社会准则的多准则决策（MCDM）选择框架，并通过文献计量学揭示了该领域快速增长的研究趋势（2024年达2522篇出版物）与研究热点（如钠离子电池、热储能）。为可持续能源系统的储能技术选择与未来发展提供了全面指导。

　　

储能系统：赋能可持续能源未来的关键技术

随着化石燃料环境问题日益严峻及其资源的有限性，可再生能源（RERs）被视为理想的解决方案。然而，可再生能源固有的间歇性发电特性，要求配套高效的储能系统（ESSs）来确保能源的稳定供应。这篇综述旨在深入探讨大规模储能系统的各个方面。

1. 引言

可再生能源，如太阳能和风能，虽然清洁且资源丰富，但其发电的不稳定性是主要技术挑战。储能系统通过存储过剩能量并在需求高峰时释放，有效解决了这一问题，从而提高了可再生能源的利用效率和大规模应用可行性。储能系统的选择与可再生能源的选择紧密相连，需进行综合评估。

2. 储能系统概述

储能系统主要分为机械储能、热储能、电化学储能和化学储能等类型。每种技术都有其独特的运作原理、技术参数和应用潜力。

2.1. 机械储能

机械储能将剩余能量以动能、势能或压缩气体等形式储存。

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  抽水蓄能（PHS）： 这是目前主导的大规模储能技术，约占全球储能容量的96%。其原理是利用电力将水从低位水库泵至高位水库（充电），需要时水流下驱动涡轮发电（放电）。PHS具有大规模、长寿命的特点，但受地理条件限制且可能对生态系统造成影响。
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  飞轮储能（FES）： 通过高速旋转的转子存储动能。飞轮储能具有高效率、长循环寿命和快速响应（毫秒级）的优点，但自放电率较高，且资本成本昂贵。
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  压缩空气储能（CAES）： 将电能用于压缩空气并储存于地下洞穴或容器中。需要时释放压缩空气驱动涡轮机发电。其效率可通过利用压缩热得到提升。

2.2. 热储能（TES）

热储能通过储存热量来实现能量的时移，主要分为显热储能、潜热储能和热化学储能。

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  相变材料（PCM）： 是潜热储能的核心介质，在相变过程中吸收或释放大量热量。PCM可分为有机、无机和共晶三类，各有优缺点。例如，有机PCM化学性质稳定、无过冷现象，但导热性差；无机PCM导热性好、成本低，但可能存在过冷和腐蚀性问题。热储能系统环境友好，资本成本相对较低，已广泛应用于建筑供暖/制冷和工业过程。

2.3. 电化学储能

这类系统主要包括电池和超级电容器。

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  电池： 是目前应用最广泛的储能介质，拥有较高的能量密度。从古老的铅酸电池到目前主流的锂离子（Li-ion）电池，以及钠硫（NaS）电池、液流电池（如全钒液流电池VRB）等，技术不断演进，追求更高的能量密度、效率、安全性和环境友好性。
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  超级电容器： 基于静电原理存储能量，具有极高的功率密度和极快的充放电速度（毫秒级），循环寿命极长，但能量密度较低，通常用于短时大功率补偿或与电池配合使用。

2.4. 化学储能系统

此方式将电能转化为化学能进行储存，最具代表性的是氢能。

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  氢能： 利用可再生能源电力通过电解水生产“绿氢”，氢可以作为燃料直接利用，也可作为能源载体储存和运输。氢的储存方式包括高压气态储氢、液氢、金属氢化物储氢等。氢能被广泛认为是未来可持续能源系统的关键组成部分。

3. 技术就绪度与政策框架

不同储能技术的成熟度差异显著，技术就绪水平（TRL）是衡量标准。例如，PHS和锂离子电池已达到较高TRL（9级），适合大规模部署；而一些新兴技术如某些类型的超级电容器TRL相对较低。

政策框架对储能发展至关重要。许多国家通过激励措施、补贴、研发资助和强制性目标来推动储能技术发展和应用，例如美国的税收优惠、德国的国家储能战略、韩国的公共建筑储能强制政策等。有效的政策和市场机制是克服储能部署经济和技术障碍的关键。

4. 储能系统的环境影响

选择储能系统时，环境影响是必须评估的核心维度。生命周期评价（LCA）是常用工具，用于评估系统从材料获取、制造、运行到报废的全过程环境影响，包括全球变暖潜能（GWP，以kg-CO₂-eq衡量）、资源消耗、人类健康、生态系统影响等。

研究表明，不同技术环境影响各异。例如，抽水蓄能（PHS）在GWP方面表现较好，但可能涉及较大的土地利用和生态干扰；电池技术（如铅酸电池）可能在重金属毒性、资源消耗方面影响较大。因此，需要结合具体的可再生能源类型和当地条件进行综合环境评估，而非孤立看待储能系统本身的影响。

5. 储能系统的选择标准

为特定应用选择合适的储能系统是一个复杂的多准则决策（MCDM）过程，通常涉及四类标准：

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  技术标准： 包括效率、能量密度、功率密度、响应时间、循环寿命、安全性和技术成熟度（TRL）等。
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  经济标准： 包括初始投资成本（/kW）、运营维护成本（/kWh）、生命周期成本等。
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  环境标准： 包括排放、废弃物处理、土地利用、水资源消耗等。
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  社会标准： 包括就业创造、社会接受度、对公共健康的影響、能源安全等。
  通过为不同标准分配权重，并利用多准则决策方法（如AHP, TOPSIS, VIKOR等）对备选储能技术进行评分和排序，可以辅助决策者找到最适合的方案。研究显示，没有一种技术在所有指标上都最优，选择高度依赖于具体应用场景和优先级。

6. 文献计量分析

通过对 Scopus 数据库相关文献的分析，可以洞察大规模储能领域的研究趋势：

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  增长趋势： 该领域研究增长显著，尤其在近十年，2024年出版物达到2522篇，年均增长率高达26.01%。
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  研究热点： 关键词分析显示，“可再生能源”是最常出现的关键词。在具体储能技术中，“钠离子电池”、“热储能（TES）”和“超级电容器”是出现频率最高的关键词之一，“水性锌离子电池”等新兴技术增长迅速。
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  主题聚类： 研究主题可聚类为几个主要方向，包括电池材料（如电极、电解质）、电化学储能系统、可再生能源整合与能源管理、以及氢能和可持续性等。
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  国家贡献： 中国在该领域的科学产出遥遥领先（约占54%），其次是美国、德国、英国等。国际合作频繁，尤其以中国与美国、澳大利亚等国的合作为主。
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  资助与机构： 中国的国家自然科学基金是最大的资助方，中国的教育部和中国科学院是主要的研究机构。

7. 结论

储能系统是实现高比例可再生能源接入电网、构建可持续能源体系的关键。各类储能技术各有优劣，适用于不同场景。成功的部署需要综合考虑技术性能、经济成本、环境影响和社会效益，并借助多准则决策方法进行科学选择。持续的技术创新、完善的政策支持以及深入的全生命周期环境影响评估，将是推动储能技术大规模应用、加速能源转型的重要动力。未来研究应关注混合储能系统、更全面的环境社会指标评估以及针对新兴市场的政策设计。