《Journal of Energy Storage》：Life cycle assessment of a novel CO2-based electrothermal energy and geological storage system
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长时储能对于支撑高比例可变可再生能源电力系统日益关键。CO?基电热与地质储能（CO?-based Electrothermal Energy and Geological Storage, CEEGS）系统是一种新兴的低技术成熟度（TRL）卡诺电池概念，其将跨
长时储能对于支撑高比例可变可再生能源电力系统日益关键。CO?基电热与地质储能（CO?-based Electrothermal Energy and Geological Storage, CEEGS）系统是一种新兴的低技术成熟度（TRL）卡诺电池概念，其将跨临界CO?电热循环与地质CO?封存相结合，以提供长时电力存储。本研究首次对CEEGS概念进行生命周期评价（LCA），重点识别环境热点，并在技术发展的早期阶段分析电厂规模与充电阶段电力供应方式的影响。研究依据ISO 14040/44标准，采用ReCiPe H方法，以交付1 MWh电力为功能单元，开展了从摇篮到闸门的归因型LCA。研究分析了六种情景，涵盖两种电厂容量（5 MW和100 MW）与三种充电阶段电力供应方案的组合。结果表明，当使用电网混合电力时，电力供应主导环境特征；而使用可再生能源电力则显著降低总体影响，并使贡献转向电热设备、地质基础设施与CO?运输。基于过剩可再生电力的情景代表了高可再生能源可获得性条件下的下限估计。增大电厂规模可降低单位交付电力的影响， particularly for CO?运输与电热组件，这归因于基础设施摊销效应。将系统从5 MW扩展至100 MW，可使CO?运输的影响降低超过50%，电热设备影响降低5%–10%，表明更大规模系统能更有效地摊销基础设施。该研究揭示了CEEGS概念环境绩效的关键控制参数，以及基于LCA在低技术成熟度阶段如何实现具有竞争力的环境绩效、环境决策与设计优化。
本研究发表于《储能杂志》（Journal of Energy Storage），旨在为长时储能技术的环境评估提供科学依据。
研究背景与问题提出方面，随着可变可再生能源在电力系统中占比不断提升，大规模储能技术成为保障电网稳定的关键需求。欧盟委员会低碳路线图提出到2050年温室气体排放至少减少80%的目标，这要求储能技术必须同时满足减排与长时存储的双重挑战。目前已有多种储能技术处于不同研发阶段，包括热能存储、锂离子电池、氢储能及抽水蓄能等，成本差异显著。与此同时，碳捕集技术的商业化应用仍需解决CO?利用与封存的可持续性问题。在此背景下，研究人员提出将电热储能（Electrothermal Energy Storage, ETES）与地质CO?封存协同整合的新思路，CEEGS系统应运而生。该系统利用跨临界CO?循环实现可逆能量存储，结合地下地质构造实现CO?的临时与永久封存，兼具电力存储与碳管理功能。然而，由于该技术尚处于早期研发阶段（TRL 2–4），其环境表现无法仅从能量效率指标推断，设备材料密集性、高压高温运行条件、地质工程需求以及充电电力碳强度等因素均对生命周期环境影响产生重要作用。因此，开展系统的LCA研究对于指导技术优化与决策支持具有必要性。
研究采用的关键技术方法主要包括：以西班牙塞维利亚为假设建设地点，依据ISO 14040:2006和ISO 14044:2006标准建立归因型生命周期评价框架；采用ReCiPe 2016方法进行环境影响特征化与损害评估，涵盖18个中点影响类别和3个终点类别；以交付1 MWh电力为功能单元，设定20年系统寿命；构建从摇篮到闸门的系统边界，包含材料提取、组件制造、建设安装、运营及部分报废阶段；将系统划分为四个子系统：热电储能系统（Thermoelectrical Energy Storage, TEES）、地质储层与注入井、电力供应及CO?运输基础设施；基于Ecoinvent v3.1数据库建立生命周期清单，对缺乏直接数据集的关键组件采用基于质量、额定功率和预期寿命的代理工艺进行建模；设计六种分析情景，组合两种电厂规模（5 MW和100 MW）与三种充电电力来源（西班牙电网混合电力、直接可再生电力供应、电网过剩可再生电力）；运用SimaPro? v9.5软件进行建模计算，并对TEES子系统组件贡献进行±20%敏感性分析。
研究结果部分按照以下结构展开：
生命周期影响评价：总体分析。研究对六种情景的18个中点影响类别和3个终点类别进行了量化。结果显示，基于国家电网混合电力的S1和S2情景在所有类别中影响最高，气候变化影响分别达到623 kg CO
2 eq/MWh和605 kg CO
2 eq/MWh。采用直接可再生电力供应的S3和S4情景相比S1在气候变化类别降低约90%，人类毒性降低约46%–50%。基于过剩可再生电力的S5和S6情景实现最低影响值，S6的气候变化影响仅为8.60 kg CO
2 eq/MWh，较S1降低99%。扩大规模从5 MW至100 MW在所有配置中均降低绝对影响，S2较S1在金属耗竭类别降低14%，化石资源耗竭降低39%。单一评分终点结果显示，S5和S6分别为4.38 Pt和1.66 Pt，S6较S1–S2降低约95%。
子系统贡献分析：电网电力情景。在S1和S2情景中，电力供应在所有影响类别中贡献占比70%–95%，TEES、地质储层和CO?运输子系统的相对贡献较低且保持相似分布模式，表明高碳强度电力掩盖了规模效应。
子系统贡献分析：可再生电力情景。在S3和S4情景中，TEES子系统、地质储层和CO?运输维持相似趋势，但 relative contributions 因系统总影响差异而变化。TEES子系统从5 MW到100 MW的负荷有所降低，运输子系统的贡献从 Resources 类别的约30%降至5%以下。
子系统贡献分析：过剩电力情景。在S5和S6情景中，影响完全来自TEES、地质储层和CO?运输三个子系统。规模增大导致三个子系统影响均降低，CO?运输的降幅尤为显著。
基础设施与电力的相对重要性。随着电力供应碳强度降低，基础设施贡献在材料相关类别中变得不可忽视，可从S1–S2中的低于10%升至S5–S6中金属耗竭或资源利用的40%–60%，以及土地转型的80%以上。但总体而言，环境表现仍主要由电力消费决定。
讨论部分指出，充电阶段电力来源是CEEGS环境表现的首要决定因素。国家电网混合电力情景下，电力子系统贡献70%–95%，规模效应被掩盖，这与既有研究中电力碳强度决定电热技术影响的结论一致。可再生电力整合使影响降低超80%，贡献结构转向设备与基础设施。过剩电力情景作为概念性下限，适用于高可再生能源渗透条件，但不应直接用于与其他技术的无附加分析比较。两个关键设计参数显著影响结果：系统寿命延长可摊薄制造建设影响；往返效率（本研究取47%）直接影响功能单元能耗需求，提升效率将线性改善能源主导类别表现。规模效应分析显示，100 MW相较于5 MW可降低固定基础设施主导类别足迹达40%，CO?运输影响降幅超50%，TEES影响降低5%–10%，这源于管道材料需求恒定而产出增加，以及地热质基础设施与热工质储罐的环境摊销更有效。TEES子系统在低排放情景中集中于人类毒性、海洋生态毒性、矿物资源稀缺和电离辐射类别，主要源于合金钢与高温合金使用、大换热面积需求、跨临界工况透平机械及高压组件回收性限制。地质储层贡献相对稳定，仅在土地占用和淡水生态毒性类别相对权重上升。CO?运输的影响随运输距离增加而上升，故需最小化捕集厂与CEEGS系统的间距。
CEEGS在能源存储技术谱系中的定位取决于电力来源（如电池）、材料设备密集度（如熔盐）及地质条件依赖性（如抽水蓄能或压缩空气储能）。其适用 niche 为高可再生能源渗透且具备适宜地质构造的能源系统。
研究局限性包括：组件未标准化导致代理工艺使用；报废阶段基于简化假设；CO?捕集过程 excluded from 系统边界；过剩电力情景非边际分析结果；未与其他储能技术直接比较。未来研究方向涵盖：后果分析以评估与高比例可再生电网的交互；多目标优化整合成本、环境影响与效率；井深、设备质量及跨临界循环热工参数的敏感性分析；纳入不同技术路径的完整CO?捕集过程；与替代储能技术的基准比对；以及将LCA模型与电网能源模型耦合以捕捉时间动态与边际效应。
研究结论部分翻译如下：本研究展示了对新型基于CO?的电热与地质储能系统进行的生命周期评价分析。在这一首次探索中，考虑了六种情景以评估该概念的环境影响，这些情景根据系统规模和能量整合来源进行定义。LCA分析依据ISO 14040和ISO 14044标准开展，选择ReCiPe方法，包括中点和终点影响。
结果表明，CEEGS概念具有与可再生能源整合的潜力，如S3和S4情景所示，以及在不计发电影响的情况下利用电网过剩可再生电力，如S5和S6情景所示。S5和S6的单一评分终点总影响分别为4.38和1.66 Pt，最后一情景的影响评分较S1和S2约低95%。S3和S4情景证明CEEGS系统在影响方面是和可行的富余能量存储选项。该系统的影响与光伏或风电场同数量级，不增加实质性额外影响并允许其扩展运行。应指出的是，这些数值主要反映运营期间所用电力的碳强度，而非存储硬件本身固有的环境足迹。
CO?运输距离是定义系统影响的关键参数。对于由放电功率容量定义的规模，较小规模的运输距离应短（小于10 km）。然而，对于较大规模，在100 MW放电功率分析中，运输距离的相对影响大幅降低。从LCA视角，更大的能量存储系统将更具吸引力。然而，这一结论可能与其他视角不同，如所需投资、监管、运营、储层规模和填充时间。应指出的是，所报告的气候变化影响主要反映运营期间所用电力的碳强度，而非存储硬件本身固有的环境足迹。
结果表明，这一新型储能方法具有较低的全局影响值，并有助于将该概念的技术成熟度从2提升至4。从LCA视角，当供应低碳电力并以大规模部署时，该技术展现出与其他低影响储能技术同数量级的环境表现。无论如何，LCA研究受限于专业数据库数量有限，进一步研究将在未来推进。开发专门数据库以完善本模型及类似项目是后续的宝贵任务，将予以进一步探索。提高该技术清单数据的准确性至关重要，以实现随着技术向更成熟阶段演进以及提供建设、维护和退役更详细信息时更具代表性的数值。
