新型储能产业环境影响及能源消费分析

陈庆文

（广州汇锦能效科技有限公司，广东广州 510080）

1 新型储能发展现状

随着“双碳”目标的提出，我国能源绿色转型加速，到2030年，我国非化石能源消费比重将达到25%，到2060年将达到80%。在新能源高速发展的驱动下，新型储能产业不仅是可再生能源发展的重要组成部分，也成为电力系统关键环节之一，迎来了快速发展的机遇[1]。新型储能产业利用新型材料、新型技术、新型设备储存和释放能源，包括压缩空气的机械储能、以锂离子电池为代表的电化学储能、化学储能、超级电容器类的电磁储能。截至2022年，中国已投运电力储能项目累计装机规模达59.8 GW，占全球市场总规模的25%，年增长率达38%。作为传统储能产业的抽水蓄能累计装机占比首次低于80%，与2021年同期相比下降8.3个百分点；相比之下，新型储能继续高速发展，累计装机规模首次突破10 GW，达到13.1 GW/27.1 GW·h，功率规模年增长率达128%，能量规模年增长率达141%。图1展示了各主要省份在“十四五”期间的累计新型储能装机目标。从各省已投运新型储能装机情况看，江苏省装机量最大，已超过100万kW，其次是广东省和山东省，其他有较大装机量的省份包括青海、内蒙古、湖南、安徽等。

图1 “十四五”主要省份累计新型储能装机目标

目前，研究者主要关注新型储能技术的生命周期能耗、环境影响、可持续性等方面的问题[2]，研究方法主要包括生命周期评价，能源储存系统的环境影响评估、环境风险评估等。研究表明，新型储能技术相比传统化石能源碳排放和能源消耗更低[3]，但在生产和回收过程中仍然存在一定的环境影响和能源消耗。要想实现新型储能长期可持续发展，了解不同新型储能产业环境影响和能源消费至关重要，这有助于促进新型储能技术的发展和应用，推动可再生能源的普及。

本文重点介绍不同新型储能技术的发展现状和优缺点，并分析了电池领域内相关储能产业全生命周期过程，包括上游、中游和下游储能产业，并以磷酸铁锂（LFP）电池为典型项目探索了其在全生命周期阶段中的环境影响和能源消费，以期对未来中国新型储能行业的可持续发展有所启示。

2 新型储能技术分类

目前，新型储能技术可分为多个类别，包括机械储能（如压缩空气储能和飞轮储能）、电化学储能（以电池形式存在）、热储能（蓄热/蓄冷）、化学储能（利用氢或合成天然气）以及电磁储能技术（超导和超级电容器）[4]，这些技术各有其独特的优势和应用场景。下面详细介绍它们的效率、优缺点以及应用领域，具体信息如表1所示。

表1 新型储能技术对比

2.1 机械储能

1）压缩空气储能：压缩空气储能是一种将电能转化为压缩空气的储能技术。在电网负荷低谷期，电能被用于将空气压缩至高压，密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中；当电网负荷高峰期到来时，释放压缩空气推动汽轮机发电，以实现能量的转换和利用。压缩空气储能技术具有较高的灵活性和可调度性，可根据电网需求进行灵活调节。

2）飞轮储能：飞轮储能系统是一种利用高速旋转的飞轮储存电能的储能技术。电动机带动飞轮高速旋转，在真空环境中储存动能；当需要电能时，再利用飞轮带动发电机发电。

2.2 电化学储能

电化学储能技术主要采用电池形式来储存能量，包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池以及液流电池等多种类型。这些电池是通过化学反应将电能转化为化学能，从而实现能量的储存。

2.3 热储能：蓄热/蓄冷

在热储能系统中，热能被储存在隔热容器的媒质中，在需要时可被转化回电能，也可作为热源/冷源直接利用而不再转化回电能。一般来说包括蓄热/冷式太阳能发电系统和相对较新的熔盐储热技术。

2.4 化学储能

化学类储能主要是指利用氢或合成天然气作为二次能源的载体，利用化学反应将能量储存于化学物质中的能源储存方式。其中，氢和合成天然气是常用的二次能源载体。化学类储能通过将电能或其他形式的能量输入到化学反应中，将氢或合成天然气转化为化学能，从而实现能量的储存，并可在需要时将化学能转化为电能或其他形式的能量。

2.5 电磁储能

1）超导：超导储能系统是采用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。

2）超级电容器：超级电容器储能则是通过电极/溶液界面上的电子或离子定向排列形成电荷对峙来实现储能。相比传统电池，超级电容器储能具有充电速度快、寿命长、效率高、可在高频率下进行充放电等优点，适用于需要瞬间大功率输出的场合，如电动汽车等。

3 新型储能产业分析

储能商业模式具有多样性，涉及电源侧、电网侧和用户侧等多种储能方式。随着新能源发展进程加快，新型储能技术成为提高新能源安全高效利用水平的解决方案。在国内市场中，锂电池市场规模优势明显，成为市场发展的重要推动力。根据国际能源署（IEA）的预测，到2026年，我国电化学储能总装机量将达到全球首位，占有率达22%，几乎与欧洲的总装机量持平，并比美国高出7%[5]。

因此，目前新型储能产业主要集中在电池领域。该领域包括上游原材料及零部件供应商，中游的电池、变流器、管理系统、其他设备和系统集成，以及下游的发电侧、电网侧和用电侧的各种应用场景。图2展示了关于电化学储能的新型储能产业链。对我国的储能企业而言，储能企业的资源输入渠道、生命周期内环境影响以及对能源消耗成本的掌控是其可持续发展的关键因素。

图2 新型储能产业链分布图

3.1 上游分析

1）正极材料。近年来，正极材料市场呈现快速增长态势，出货量持续攀升。据2022年数据显示，中国动力电池出货量同比增长112%，推动了铁锂和三元正极材料的出货量增加；全球新能源汽车销量预计将达到1 200万辆，进一步提升了我国三元材料的出口水平；中国储能锂电池整年出货量达到130 GW·h，刺激了磷酸铁锂的出货量提升，从而使正极材料的出货量大幅上升。2022年，中国正极材料市场的出货量达到190万t，同比增长68%。具体而言，磷酸铁锂正极材料在2022年的出货量达到111万t，同比增长132%，市场占比为58.4%；而三元正极材料的出货量为64万t，同比增长47%，市场占比为33.7%。相比之下，钴酸锂和锰酸锂的出货量分别为7.7万t和6.9万t，与上年相比均明显下降，市场占比分别为4.1%和3.6%。

2）负极材料。新能源汽车销量的大幅增长推动了动力电池出货量的翻倍增长，同时锂电池储能市场同比增长1.7倍，进一步促使锂电池负极材料的出货量增加。2022年，中国锂电负极市场的出货量达到137万t，同比增长90%。

3）电解液。据2022年数据显示，中国新能源汽车市场销量达到688.7万辆，同比增长93.4%，推动国内动力电池市场的出货量增至480 GW·h，同比增长超过1倍，进而带动了国内动力电解液的出货需求提升。2022年，中国电解液的出货量达到84万t，同比增长接近70%。

4）隔膜。中国隔膜企业全球供应能力的提升使得锂电池隔膜的出口量增加，加上储能市场的带动，锂电池隔膜的出货量显著增长。2022年，中国锂电隔膜的出货量达到124亿m2，同比增长59%；此外，还有多个新的锂电隔膜项目相继落地，其中15个统计项目总投资额约为633亿元。

3.2 中游分析

2022年，储能锂电池出货量延续了上一年强劲增长的势头，全年出货量达到130 GW·h，同比增长170.8%。具体而言，电力储能电池出货量最大，达92 GW·h，同比增长216.2%，占比70.8%；其次是户用储能电池，出货量25 GW·h，同比增长354.5%，占比19.2%；通信储能电池出货量9 GW·h，同比减少25%，占比6.9%；而便携式储能电池出货量4 GW·h，同比增长207.7%，占比3.1%。这受益于电池成本的持续下降以及政府政策的刺激。我国储能电池行业自2017年新增装机量0.3 GW·h起步，2021年已经实现了5.8 GW·h的新增装机量，这意味着2017—2021年间我国储能电池新增装机的年均复合增长率高达109.7%。在国家能源转型和“双碳”战略背景下，储能电池逐渐成为电力系统改革和新能源电力建设的重要组成部分。据预测，到2023年，我国储能电池的新增装机量将达到7.1 GW·h。

在我国动力储能电池行业中，竞争格局相对集中，头部效应明显。宁德时代通过国内外市场的全面布局，在2022年全年储能锂电池出货量方面领先国内同行。比亚迪在储能领域已经有较长时间的涉足经验，在海外集中式储能和户用储能市场都建立了强大的销售渠道和客户网络，位居国内第二。瑞浦兰钧储能业务发展迅速，排名第三。其他国内厂商的出货量也出现了大幅增长，整体竞争格局发生了显著变化。

3.3 下游分析

下游新兴储能产业涵盖了发电侧、电网侧和用电侧的广泛应用场景，这些场景主要以实用性为导向，服务于电力系统参与企业，包括发电集团、电网公司、第三方投资者以及工商业等各方。目前，储能系统的运营者主要有发电企业、电网、储能场站投资方、工商业和家庭用户等不同主体。其中，发电企业、电网和储能场站投资方对大型储能系统的需求和建设规模逐渐趋近，可统称为大型储能；而小型工商业和家庭用户所使用的储能通常被称为小型储能，包括小微型储能系统和户用储能。

根据下游的建设和运营方，大型储能可以进一步分为发电企业配建、电网企业自建和独立储能三类。而小型工商业和家庭用户对储能系统的基本需求主要是保障稳定供电、实现电力自发自用和有效管理容量费用等方面的需求。家庭用户储能直接面向个人消费者，因此消费者更加注重品牌认知度、产品性能和经济性。户用储能类似于家电产品，具有较强的消费属性。

3.4 环境影响和能源消费分析

从储能产业链的整个生命周期分析来看，该产业链可划分为上游、中游和下游三个阶段。上游主要涉及正负极材料、电解液、隔膜等材料的生产；中游则是各类储能电池产品的制造和销售；而下游包括储能方案在不同场景下的应用。此外，随着储能电池的广泛使用，回收再生也成为储能行业中一个重要的环节。

总体而言，储能电池的全生命周期可以分为生产制造、直接应用和回收再生三个环节。储能电池种类繁多，下面以磷酸铁锂（LFP）电池为例，大致介绍其全生命周期过程的环境影响和能源消耗比例，具体内容如表2所示。

表2 LFP电池全生命周期内能源消费清单

在生产制造阶段，关键原材料的开采与加工可能对环境造成一定影响，同时制造过程中的能源消耗也需考虑。直接应用阶段则与储能系统的运营相关，需要考虑能源转换效率、系统效能以及供需平衡等因素。至于回收再生阶段，则对废弃电池的处理和再利用提出了要求，以减少对环境的负面影响。需要注意的是，在具体应用场景中，不同类型的储能方案可能具有不同的环境影响和能源消耗比例。

在对LFP电池生产制造、直接应用和回收再生过程的环境影响分析中，综合考虑了淡水富营养化（FEP）、海洋富营养化（MEP）、淡水生态毒性（FETP）、人体致癌毒性（HTPc）、矿产资源耗竭（SOP）、全球变暖潜在影响（GWP）、光化学臭氧形成对人体健康的影响（HOFP）、光化学臭氧形成对生态系统的影响（EOFP）、陆地酸化（AP）、陆地生态毒性（TETP）、人体非致癌毒性（HTPnc）以及化石能源耗竭（FFP）等12类环境影响类型[6]。图3显示了这些环境影响类型对LFP电池全生命周期的具体影响结果。

图3 储能电池生产—应用—回收的环境影响特征化结果

通过综合分析，可以更准确地评估LFP电池在不同阶段对环境造成的影响，以及各个环境指标的重要性和相互关系，从而得到以下结论：

1）在生产制造阶段，主要的环境影响包括淡水富营养化（FEP）、海洋富营养化（MEP）、淡水生态毒性（FETP）、人体致癌毒性（HTPc）和矿产资源耗竭SOP）。这些因素分别贡献了93.24%、95.01%、91.91%、66.64%和66.90%。

2）在直接应用阶段，主要的环境影响包括全球变暖（GWP）、光化学臭氧形成对人体健康的影响HOFP）、光化学臭氧形成对生态系统的影响（EOFP）、陆地酸化（AP）、陆地生态毒性（TETP）、人体非致癌毒性（HTPnc）和化石能源耗竭（FFP）。这些因素分别贡献了71.14%、76.68%、76.41%、78.50%、68.90%、67.89%和67.30%。

3）在回收再生阶段，主要的环境影响包括淡水富营养化（FEP）、海洋富营养化（MEP）、淡水生态毒性（FETP）和矿产资源耗竭（SOP）。然而，由于锂资源以LiCl的形式被回收，海洋富营养化（MEP）和矿产资源耗竭（SOP）的指标为负值，即产生环境效益，其贡献率分别为-4.99%和-33.10%。淡水富营养化（FEP）和淡水生态毒性（FETP）的贡献率为6.76%和6.57%，即仍然带来一定程度的环境负荷。

综上所述，在LFP电池的整个生命周期中，如图4所示，按总环境影响程度排序为应用阶段（58.25%）、生产制造阶段（41.58%）和回收再生阶段（0.17%）。

图4 LFP电池生产—应用—回收阶段对总环境影响的贡献比例

根据表3所示的能源消费占比数据，可见应用阶段在能源消费中占比最高，约为87.77%。其次是生产阶段，占比为12.23%。相比之下，回收阶段的能耗占比几乎可以忽略不计。这一发现进一步突显了生产和应用阶段在整体能源消费中的重要性。需要注意的是，随着废旧电池回收再利用技术发展与应用，如火法冶金、湿法冶金及直接再生等[7]，回收能源消耗占比将呈上升趋势。

表3 LFP电池生产—应用—回收各阶段能源消费占比

4 结论

本文对比分析了新型储能典型技术的特点，论述了储能锂电池上游、中游和下游产业的发展情况。以磷酸铁锂（LFP）电池为典型项目，对储能产业链进行了全生命周期分析，结果表明总体环境影响程度最高的是应用阶段，约占58.25%；其次是生产制造阶段，占比为41.58%；回收再生阶段的占比非常低，仅为0.17%。在能源消费方面，应用阶段的能源消耗最高，约占87.77%，其次是生产阶段，占比为12.23%，尽管现阶段回收能耗占比相对较低，但随着废旧电池技术推广与应用，能源消费占比将呈上升趋势。