一种新型混合储能系统的生命周期评估：基于实验数据的环境热点问题及可持续性解决方案

《Journal of Energy Chemistry》：Life cycle assessment of a novel hybrid energy storage system: Environmental hotspots and sustainability options based on experimental insights

混合储能系统（VRFB+超级电容器）全生命周期评估显示，V?O?电解质生产和充放电电力损失为环境主要热点。实验室开发的新电解质回收工艺可使GWP降低至0.91 kg CO?-eq/kg，建议采用回收V?O?和可再生能源充电以实现可持续发展。

　　### 本研究的背景与意义

随着全球对可持续发展的重视，欧洲绿色协议推动了能源系统的脱碳进程，目标是构建一个主要依赖可再生能源的电力部门。这一能源转型对电网提出了新的挑战，尤其是在应对可再生能源波动性方面。因此，对固定式电力存储系统的需求日益增长。在这一背景下，混合储能系统（HESS）因其同时具备高能量和高功率存储能力而显得尤为重要。HESS通常结合了钒液流电池（VRFB）和超级电容器（SC）的优势，能够满足电网在不同场景下的需求，如削峰填谷和平衡可再生能源供应。

VRFB因其使用非易燃的水基电解液和单一金属元素（钒）作为活性成分，被认为在安全性方面具有优势。此外，VRFB的模块化设计使其在规模上具有更高的灵活性，且其寿命通常长于锂离子电池（LIB）。然而，LIB在能量密度和功率密度方面表现出色，且在消费电子和电动汽车领域广泛应用。尽管如此，由于安全问题、原材料短缺等因素，LIB在未来大规模固定式储能应用中的可行性仍存疑。

SC虽然在能量密度上不如VRFB，但其具有更高的功率密度和更快的充放电速度，同时表现出优异的存储效率。然而，SC目前尚未受到欧盟电池法规的约束，未来可能会有类似的环保要求。因此，将SC与VRFB结合的HESS在可持续性方面具有巨大的潜力，尤其在应对未来储能需求的同时，确保其整个生命周期的环境友好性。

本研究聚焦于一种新型HESS，其在工业层面得到了实际应用，并通过生命周期评估（LCA）分析了其在不同生命周期阶段的环境影响。该系统由VRFB和SC组成，能够满足工业领域对削峰填谷的需要。通过LCA，研究不仅识别了HESS生命周期中的关键环境热点，还为该技术的可持续部署提供了建议。

### 研究方法与数据来源

本研究采用了生命周期评估（LCA）方法，按照ISO 14040/14044标准进行。LCA包括定义目标与范围、生命周期清单（LCI）编制、生命周期影响评估（LCIA）以及结果的解释与讨论。为了提高数据的可靠性，研究者们在LCA中使用了来自制造商的原始数据，并结合了现有的文献数据。此外，还开发了新的LCI数据集，特别是在SC和DC-DC转换器的生产方面。

在LCI数据收集过程中，研究者们特别关注了关键成分钒的五氧化二钒（V?O?）的环境影响。V?O?是VRFB电解液的主要活性成分，对整个系统的环境足迹有显著影响。由于现有的LCI数据集在V?O?的生产方面存在较大的差异，研究者们对这些数据进行了详细评估，选择了最合适的来源。此外，研究还开发了一个实验室规模的V?O?回收流程，并将其作为LCA的输入。

为了分析HESS的环境影响，研究者们在多个场景中进行了评估，这些场景涵盖了V?O?的来源（包括初级和次级来源）以及充电所使用的电力类型（传统电网混合、风能和光伏发电）。通过这种方式，研究能够全面了解HESS在整个生命周期中的环境表现，并探索优化路径，以减少其环境影响。

### 实验室测试与回收流程

为了评估HESS的环境影响，研究者们首先在实验室中开发并演示了一种V?O?的回收流程。这一流程旨在从废弃的VRFB电解液中提取高纯度的V?O?，以减少对环境的影响。通过实验室测试，研究者们发现，使用二乙基己基磷酸（DEHPA）作为提取剂，能够在有机溶剂中有效提取V(IV)。这一过程通过分步提取和后处理，能够将V(IV)浓度提升至1.6 mol/l，同时减少其他金属杂质的含量。

实验室测试显示，DEHPA对V(IV)的提取效果较好，但对铜（Cu(II)）的提取效率较低，这意味着在回收过程中需要特别注意铜的去除。铁（Fe(III)）的提取效果则与V(IV)相似。通过调整pH值和多次提取，研究者们能够获得高质量的回收电解液，其V?O?浓度足以直接用于VRFB。此外，研究还探讨了回收过程中可能产生的环境影响，如废水中其他金属的处理。

为了进一步验证这一回收流程的可行性，研究者们开发了一个实验室规模的电解液回收流程。该流程包括预处理、提取和后处理三个阶段。在预处理阶段，V?O?被氧化至V(IV)，以确保其能够被有效提取。提取阶段使用DEHPA和有机溶剂，以分离V(IV)和杂质。后处理阶段则通过电解或其他化学方法调整V?O?的价态，使其适合用于VRFB。

通过这一流程，研究者们实现了77%的回收效率（按质量计算）和81.6%的V?O?回收率。这一结果表明，实验室规模的回收流程是可行的，并且能够显著减少V?O?的环境影响。此外，回收电解液的全球变暖潜力（GWP）为0.91 kg CO?-eq/kg，远低于传统V?O?的生产方法。这表明，回收流程在减少环境足迹方面具有巨大潜力。

### 生命周期影响评估（LCIA）与场景分析

在LCIA分析中，研究者们采用了ReCiPe 2016 q(H) v1.1方法，将LCI数据转化为18种中点影响类别指标。LCIA结果显示，V?O?和充电/放电过程中的电力损失是HESS生命周期中的主要环境热点。这些热点的识别对于优化系统设计和减少环境影响至关重要。

研究者们在多个场景中对HESS进行了LCIA分析，包括使用初级V?O?和回收V?O?，以及充电时使用传统电网混合、风能和光伏发电。结果表明，使用回收V?O?和可再生能源进行充电能够显著降低HESS的环境影响。例如，当使用回收V?O?和风能时，HESS的GWP范围为0.10至0.15 kg CO?-eq/kWh，而使用传统电网混合时，GWP范围为0.20至0.53 kg CO?-eq/kWh。

此外，研究还对不同场景下的总初级能量需求（PED）进行了分析。PED主要来源于电力损失，尤其是在充电和放电过程中。使用可再生能源进行充电可以显著减少非可再生能源的使用，从而降低整体的环境影响。例如，在风能充电的场景中，PED为19.2至38.5 MJ/kWh，而在传统电网混合充电的场景中，PED为6至14 MJ/kWh。

研究者们还进行了敏感性分析，探讨了HESS存储效率变化对其环境影响的影响。结果表明，存储效率的提高能够显著降低HESS的环境足迹，尤其是在使用初级V?O?和传统电网混合充电的场景中。然而，当使用回收V?O?和可再生能源进行充电时，存储效率的提升对环境影响的改善效果较为有限。

### 环境影响与可持续性

研究结果显示，HESS的环境影响主要来源于V?O?的生产过程和充电/放电过程中的电力损失。V?O?的生产过程涉及多个步骤，包括采矿、冶炼、提纯等，这些步骤对环境的影响较大。因此，使用回收V?O?和可再生能源进行充电是减少HESS环境影响的关键。

在使用阶段，电力损失是HESS的主要环境影响因素。研究者们发现，当使用可再生能源进行充电时，HESS的环境影响显著降低。例如，在风能充电的场景中，HESS的GWP为0.10至0.15 kg CO?-eq/kWh，而在传统电网混合充电的场景中，GWP为0.20至0.53 kg CO?-eq/kWh。这一结果表明，可再生能源的使用对于降低HESS的环境影响至关重要。

在生命周期的结束阶段，回收过程对环境影响的贡献较大。通过回收V?O?，可以显著减少对新原材料的需求，从而降低整个系统的环境足迹。然而，由于回收过程的复杂性和数据的不确定性，未来需要进一步优化和验证这一流程。

### 数据质量与不确定性分析

在LCA过程中，数据质量是一个关键因素。研究者们采用了多种方法来评估数据的不确定性，包括场景分析、敏感性分析以及LCI数据的定性评估。这些方法有助于识别数据的可靠性，并为未来研究提供参考。

对于HESS的LCI数据，研究者们使用了来自制造商的原始数据，并结合了文献中的数据。然而，部分数据的可用性有限，尤其是在实验室规模和小规模商业产品方面。因此，研究者们认为，未来需要更多的实测数据来验证这些结果，并进一步优化LCA模型。

在LCIA中，研究者们采用了ReCiPe 2016方法，将其应用于HESS的多个生命周期阶段。通过这种方法，他们能够将LCI数据转化为不同的环境影响指标，从而全面评估HESS的环境足迹。然而，由于数据的不确定性，LCIA结果可能受到一定影响。因此，研究者们强调了在进行LCA时，需要谨慎对待数据的来源和质量。

### 未来展望与研究建议

本研究的结果表明，HESS在使用回收V?O?和可再生能源进行充电时，其环境影响可以显著降低。然而，为了进一步优化HESS的可持续性，未来的研究需要关注几个关键方面：

1. **回收技术的优化**：目前的回收流程虽然在实验室规模上是可行的，但在工业规模上仍需进一步验证和优化。例如，可以通过自动化测试平台来提高回收效率，并减少对环境的影响。

2. **数据质量的提升**：由于现有数据集的局限性，未来需要更多高质量的LCI数据，特别是在V?O?的生产方面。这将有助于更准确地评估HESS的环境影响，并为政策制定提供依据。

3. **环境影响的全面评估**：目前的LCIA主要关注了全球变暖潜力（GWP）和初级能量需求（PED），但其他环境影响类别也需要进一步研究。例如，健康影响（HAP）、土地使用（LOP）和资源消耗（SOP）等指标，对于全面评估HESS的环境影响至关重要。

4. **技术成熟度的提升**：当前的回收流程仍处于较低的技术成熟度（TRL）阶段，未来需要更多的研发投入，以推动其在工业中的应用。这包括对提取和后处理步骤的进一步优化，以及对整个流程的自动化。

5. **政策支持与市场推广**：为了促进HESS的可持续市场部署，需要政策支持，如欧盟电池法规中的相关要求。此外，市场推广也需要考虑经济性，确保回收流程在商业上的可行性。

### 结论

本研究通过LCA分析了新型HESS的环境影响，识别了其生命周期中的关键热点，并提出了可持续部署的建议。研究结果表明，使用回收V?O?和可再生能源进行充电能够显著降低HESS的环境足迹。此外，回收流程的优化和数据质量的提升对于进一步推动HESS的可持续性至关重要。

未来的研究应关注回收技术的优化、数据质量的提升以及政策支持的加强。通过这些努力，HESS有望成为一种环保的储能解决方案，特别是在欧洲市场，以支持可持续的能源转型。同时，研究还强调了在进行LCA时，需要综合考虑多种环境影响类别，并关注数据的可靠性和适用性。

本研究的成果不仅为HESS的可持续性提供了科学依据，也为其他储能技术的环境评估提供了参考。通过进一步的研究和优化，HESS有望在未来的能源系统中发挥重要作用，为实现碳中和目标做出贡献。