面向循环能源系统的二次寿命锂离子电池：实现经济型并网可再生储能的技术经济与环境路径

《GLOBAL CHALLENGES》：Second-Life Lithium-Ion Batteries for Circular Energy Systems: A Techno-Economic and Environmental Pathway to Affordable Grid-Connected Renewable Storage

　　

交通运输的快速电气化正在产生越来越多的退役电动汽车电池，给电池废弃物管理以及为可再生能源并网提供经济实惠的储能带来了挑战。将这些电池重新用于固定式应用提供了一种循环经济解决方案，可同时解决这两个问题。研究人员评估了将集装箱式二次寿命锂离子电池（SLBs）集成到马来西亚吉隆坡一个住宅社区的并网混合可再生能源系统（HRES）中的技术经济与环境可行性。利用HOMER Pro软件，比较了四种分别采用新电池或二次寿命电池的配置。结果表明，HRES-4配置将电网依赖度降低了54%以上，使系统转变为净能源出口者（>820 MWh/年），并实现了最佳经济性能，其净现值成本（NPC）为23.96万美元，储能平准化成本（LCOS）为0.072美元/kWh。尽管退化率较高，SLBs的能量吞吐量和循环性能仍可与新电池媲美，每年超过207 MWh和230次等效满循环。SLB集成还避免了约1161吨CO₂/年的排放，碳回收期为7.13年。这些发现表明，集装箱式SLBs为循环能源系统提供了一条经济高效且可扩展的路径，对循环经济政策和新兴电网具有现实意义。

**研究背景与目标**

全球能源需求持续增长，可再生能源（RE）在电力部门脱碳中发挥核心作用，但并网和偏远社区仍面临供电可靠性和成本问题。与此同时，电动汽车（EV）快速普及导致退役锂离子电池（LIBs）数量激增，预计2025–2030年间每年退役汽车电池规模达100–200 GWh。退役电池虽容量衰减至初始值的70%–80%，仍具备残余容量，可应用于固定式储能，即二次寿命电池（SLBs）。然而，现有研究多孤立地分析技术性能或经济可行性，缺乏综合环境评估；许多基于HOMER的评估未设置无储能光伏参考案例，无法区分光伏和电池各自的贡献；同时缺乏针对集装箱式SLB系统在真实并网条件下的标准化评估框架。为此，研究人员在马来西亚吉隆坡某住宅社区开展研究，评估将集装箱式二次寿命锂离子电池集成至并网混合可再生能源系统（HRES）的技术经济与环境可行性。

**研究方法概述**

研究采用HOMER Pro软件建立仿真模型，以小时为时间分辨率，项目寿命25年。系统包括光伏（PV）阵列、电力转换器和储能容器（700个LiFePO₄电池，额定容量896 kWh，可用容量538 kWh）。设置了两个参考案例（纯电网及无储能的电网–光伏G-PV）和四种配置（含新电池或二次寿命电池，有/无PV），以最小化净现值成本（NPC）和度电成本（LCOE）为目标。数据来源为NASA数据库的太阳辐射和环境温度。二次寿命电池模型假设初始健康状态（SoH）为80%，采用聚合的电池组SOC模型，并计算储能平准化成本（LCOS）。环境评估基于电网排放因子和成本等效累计火用消耗（CExC）估算碳排放。

**研究结果**

**3.1 系统电气性能**：仿真显示，无储能的G-PV配置优化后PV容量仅为602.09 MWh/年，可再生能源占比（RF）63.2%；而含储能配置（HRES-3/4）PV容量达1000 kW，年发电1337.99 MWh，电网购电减少54%以上，并成为净能源出口者（>820 MWh/年）。这表明储能通过吸收盈余光伏发电提升了系统可再生能源利用率。

**3.2 储能系统**：电池SOC分析显示，HRES-3/4中电池频繁充放电，年吞吐量超过205 MWh，等效满循环（EFCs）超过230次/年。HRES-4中二次寿命电池年输出207.65 MWh，EFC约237次/年，预期寿命11.8年（低于新电池的14.6年），但年度性能相当，表明SLB在光伏耦合系统中具有技术可行性。

**3.3 技术经济性能**：经济分析表明，HRES-4净现值成本（NPC）最低（约239.6K美元），LCOE为0.00762美元/kWh，运行成本为负（-12825美元/年），投资回报率（ROI）13.4%，回收期6.75年。与G-PV相比，二次寿命电池使NPC额外降低39%，而新电池配置（HRES-3）的累计成本与G-PV持平，说明只有低成本SLB才能带来经济效益。

**3.4 环境影响**：环境评估表明，HRES-4年减排1161.38吨CO₂，碳回收期7.13年，可再生份额80.9%。与G-PV相比，SLB使年减排量从522.6吨提高至1161.38吨，碳回收期从26.03年缩短至7.13年。但该评估为运营层面，未包含电池制造、翻新等隐含碳排放。

**3.5 敏感性分析**：太阳辐射增加可降低NPC和LCOE，负荷需求和电网电价上升则恶化经济性；SLB吞吐量从3000增至6000 kWh时，储能磨损成本和LCOS分别下降约0.00255美元/kWh和0.05美元/kWh，但影响相对较小。

**3.6 讨论**：讨论指出，SLB在适度放电深度和低倍率条件下性能稳定，退化轨迹较车载应用平缓；吞吐量与退化之间存在权衡，需采用健康感知调度策略。SLB延长电池寿命并推迟回收，减少年化环境负担，但依赖较长的第二寿命时长。电池异质性是大规模部署的主要障碍，需通过健康分选、先进BMS和热管理解决。SLB的经济优势主要来自约50%的资本成本降低，适用于低至中等循环强度的场景。SLB还促进循环经济和EV产业价值链，政策上需建立健康状态认证和回收义务框架。

**3.7 与近期代表性研究的比较**：引入无储能G-PV参考案例是本研究的核心贡献，能够将PV和储能的贡献分离；对比Katche等和Ozcan等的研究，本工作定量证明了二次寿命电池通过消除吸收限制提高PV渗透率。

**3.8 局限性与未来方向**：局限性包括均匀SoH假设和环境评估的运营边界。未来需基于实测退役电池分布开展随机分析，并采用从摇篮到坟墓的全生命周期评估。

**结论**

本研究对集装箱式二次寿命锂离子电池集成并网HRES进行了全面的技术经济与环境评估。基于HOMER Pro的优化框架在真实运行条件下比较了多种配置。结果表明，光伏集成SLB配置（HRES-4）在关键指标上优于其他配置：其NPC和LCOE分别约为239.6K美元和0.00762美元/kWh，体现了二次寿命电池的成本优势。尽管SLB退化率较高、寿命较短，但其能量吞吐量和循环性能与新电池相当，年吞吐量超过207 MWh，等效满循环超过230次。从能源系统角度看，PV和SLB集成使电网依赖度降低54%以上，并实现超过820 MWh/年的能源出口，使系统成为净能源生产者。无可再生能源集成的纯储能配置经济性不佳。环境方面，SLB显著减少CO₂排放并支持循环经济。碳回收期约7.13年。敏感性分析表明太阳辐射和负荷需求是主要影响因素。研究验证了集装箱式SLB系统是增强并网应用中可再生能源集成的经济高效且可持续的解决方案，但大规模部署仍取决于解决健康状态差异、标准化分选方案和先进电池管理策略等挑战。