新型儲能產業環境影響及能源消費分析

陳慶文

（廣州匯錦能效科技有限公司，廣東廣州 510080）

1 新型儲能發展現狀

隨著“雙碳”目標的提出，我國能源綠色轉型加速，到2030年，我國非化石能源消費比重將達到25%，到2060年將達到80%。在新能源高速發展的驅動下，新型儲能產業不僅是可再生能源發展的重要組成部分，也成為電力系統關鍵環節之一，迎來了快速發展的機遇[1]。新型儲能產業利用新型材料、新型技術、新型設備儲存和釋放能源，包括壓縮空氣的機械儲能、以鋰離子電池為代表的電化學儲能、化學儲能、超級電容器類的電磁儲能。截至2022年，中國已投運電力儲能項目累計裝機規模達59.8 GW，占全球市場總規模的25%，年增長率達38%。作為傳統儲能產業的抽水蓄能累計裝機占比首次低于80%，與2021年同期相比下降8.3個百分點；相比之下，新型儲能繼續高速發展，累計裝機規模首次突破10 GW，達到13.1 GW/27.1 GW·h，功率規模年增長率達128%，能量規模年增長率達141%。圖1展示了各主要省份在“十四五”期間的累計新型儲能裝機目標。從各省已投運新型儲能裝機情況看，江蘇省裝機量最大，已超過100萬kW，其次是廣東省和山東省，其他有較大裝機量的省份包括青海、內蒙古、湖南、安徽等。

圖1 “十四五”主要省份累計新型儲能裝機目標

目前，研究者主要關注新型儲能技術的生命周期能耗、環境影響、可持續性等方面的問題[2]，研究方法主要包括生命周期評價，能源儲存系統的環境影響評估、環境風險評估等。研究表明，新型儲能技術相比傳統化石能源碳排放和能源消耗更低[3]，但在生產和回收過程中仍然存在一定的環境影響和能源消耗。要想實現新型儲能長期可持續發展，了解不同新型儲能產業環境影響和能源消費至關重要，這有助于促進新型儲能技術的發展和應用，推動可再生能源的普及。

本文重點介紹不同新型儲能技術的發展現狀和優缺點，并分析了電池領域內相關儲能產業全生命周期過程，包括上游、中游和下游儲能產業，并以磷酸鐵鋰（LFP）電池為典型項目探索了其在全生命周期階段中的環境影響和能源消費，以期對未來中國新型儲能行業的可持續發展有所啟示。

2 新型儲能技術分類

目前，新型儲能技術可分為多個類別，包括機械儲能（如壓縮空氣儲能和飛輪儲能）、電化學儲能（以電池形式存在）、熱儲能（蓄熱/蓄冷）、化學儲能（利用氫或合成天然氣）以及電磁儲能技術（超導和超級電容器）[4]，這些技術各有其獨特的優勢和應用場景。下面詳細介紹它們的效率、優缺點以及應用領域，具體信息如表1所示。

表1 新型儲能技術對比

2.1 機械儲能

1）壓縮空氣儲能：壓縮空氣儲能是一種將電能轉化為壓縮空氣的儲能技術。在電網負荷低谷期，電能被用于將空氣壓縮至高壓，密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中；當電網負荷高峰期到來時，釋放壓縮空氣推動汽輪機發電，以實現能量的轉換和利用。壓縮空氣儲能技術具有較高的靈活性和可調度性，可根據電網需求進行靈活調節。

2）飛輪儲能：飛輪儲能系統是一種利用高速旋轉的飛輪儲存電能的儲能技術。電動機帶動飛輪高速旋轉，在真空環境中儲存動能；當需要電能時，再利用飛輪帶動發電機發電。

2.2 電化學儲能

電化學儲能技術主要采用電池形式來儲存能量，包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池以及液流電池等多種類型。這些電池是通過化學反應將電能轉化為化學能，從而實現能量的儲存。

2.3 熱儲能：蓄熱/蓄冷

在熱儲能系統中，熱能被儲存在隔熱容器的媒質中，在需要時可被轉化回電能，也可作為熱源/冷源直接利用而不再轉化回電能。一般來說包括蓄熱/冷式太陽能發電系統和相對較新的熔鹽儲熱技術。

2.4 化學儲能

化學類儲能主要是指利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體，利用化學反應將能量儲存于化學物質中的能源儲存方式。其中，氫和合成天然氣是常用的二次能源載體?；瘜W類儲能通過將電能或其他形式的能量輸入到化學反應中，將氫或合成天然氣轉化為化學能，從而實現能量的儲存，并可在需要時將化學能轉化為電能或其他形式的能量。

2.5 電磁儲能

1）超導：超導儲能系統是采用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其他負載的一種電力設施。

2）超級電容器：超級電容器儲能則是通過電極/溶液界面上的電子或離子定向排列形成電荷對峙來實現儲能。相比傳統電池，超級電容器儲能具有充電速度快、壽命長、效率高、可在高頻率下進行充放電等優點，適用于需要瞬間大功率輸出的場合，如電動汽車等。

3 新型儲能產業分析

儲能商業模式具有多樣性，涉及電源側、電網側和用戶側等多種儲能方式。隨著新能源發展進程加快，新型儲能技術成為提高新能源安全高效利用水平的解決方案。在國內市場中，鋰電池市場規模優勢明顯，成為市場發展的重要推動力。根據國際能源署（IEA）的預測，到2026年，我國電化學儲能總裝機量將達到全球首位，占有率達22%，幾乎與歐洲的總裝機量持平，并比美國高出7%[5]。

因此，目前新型儲能產業主要集中在電池領域。該領域包括上游原材料及零部件供應商，中游的電池、變流器、管理系統、其他設備和系統集成，以及下游的發電側、電網側和用電側的各種應用場景。圖2展示了關于電化學儲能的新型儲能產業鏈。對我國的儲能企業而言，儲能企業的資源輸入渠道、生命周期內環境影響以及對能源消耗成本的掌控是其可持續發展的關鍵因素。

圖2 新型儲能產業鏈分布圖

3.1 上游分析

1）正極材料。近年來，正極材料市場呈現快速增長態勢，出貨量持續攀升。據2022年數據顯示，中國動力電池出貨量同比增長112%，推動了鐵鋰和三元正極材料的出貨量增加；全球新能源汽車銷量預計將達到1 200萬輛，進一步提升了我國三元材料的出口水平；中國儲能鋰電池整年出貨量達到130 GW·h，刺激了磷酸鐵鋰的出貨量提升，從而使正極材料的出貨量大幅上升。2022年，中國正極材料市場的出貨量達到190萬t，同比增長68%。具體而言，磷酸鐵鋰正極材料在2022年的出貨量達到111萬t，同比增長132%，市場占比為58.4%；而三元正極材料的出貨量為64萬t，同比增長47%，市場占比為33.7%。相比之下，鈷酸鋰和錳酸鋰的出貨量分別為7.7萬t和6.9萬t，與上年相比均明顯下降，市場占比分別為4.1%和3.6%。

2）負極材料。新能源汽車銷量的大幅增長推動了動力電池出貨量的翻倍增長，同時鋰電池儲能市場同比增長1.7倍，進一步促使鋰電池負極材料的出貨量增加。2022年，中國鋰電負極市場的出貨量達到137萬t，同比增長90%。

3）電解液。據2022年數據顯示，中國新能源汽車市場銷量達到688.7萬輛，同比增長93.4%，推動國內動力電池市場的出貨量增至480 GW·h，同比增長超過1倍，進而帶動了國內動力電解液的出貨需求提升。2022年，中國電解液的出貨量達到84萬t，同比增長接近70%。

4）隔膜。中國隔膜企業全球供應能力的提升使得鋰電池隔膜的出口量增加，加上儲能市場的帶動，鋰電池隔膜的出貨量顯著增長。2022年，中國鋰電隔膜的出貨量達到124億m2，同比增長59%；此外，還有多個新的鋰電隔膜項目相繼落地，其中15個統計項目總投資額約為633億元。

3.2 中游分析

2022年，儲能鋰電池出貨量延續了上一年強勁增長的勢頭，全年出貨量達到130 GW·h，同比增長170.8%。具體而言，電力儲能電池出貨量最大，達92 GW·h，同比增長216.2%，占比70.8%；其次是戶用儲能電池，出貨量25 GW·h，同比增長354.5%，占比19.2%；通信儲能電池出貨量9 GW·h，同比減少25%，占比6.9%；而便攜式儲能電池出貨量4 GW·h，同比增長207.7%，占比3.1%。這受益于電池成本的持續下降以及政府政策的刺激。我國儲能電池行業自2017年新增裝機量0.3 GW·h起步，2021年已經實現了5.8 GW·h的新增裝機量，這意味著2017—2021年間我國儲能電池新增裝機的年均復合增長率高達109.7%。在國家能源轉型和“雙碳”戰略背景下，儲能電池逐漸成為電力系統改革和新能源電力建設的重要組成部分。據預測，到2023年，我國儲能電池的新增裝機量將達到7.1 GW·h。

在我國動力儲能電池行業中，競爭格局相對集中，頭部效應明顯。寧德時代通過國內外市場的全面布局，在2022年全年儲能鋰電池出貨量方面領先國內同行。比亞迪在儲能領域已經有較長時間的涉足經驗，在海外集中式儲能和戶用儲能市場都建立了強大的銷售渠道和客戶網絡，位居國內第二。瑞浦蘭鈞儲能業務發展迅速，排名第三。其他國內廠商的出貨量也出現了大幅增長，整體競爭格局發生了顯著變化。

3.3 下游分析

下游新興儲能產業涵蓋了發電側、電網側和用電側的廣泛應用場景，這些場景主要以實用性為導向，服務于電力系統參與企業，包括發電集團、電網公司、第三方投資者以及工商業等各方。目前，儲能系統的運營者主要有發電企業、電網、儲能場站投資方、工商業和家庭用戶等不同主體。其中，發電企業、電網和儲能場站投資方對大型儲能系統的需求和建設規模逐漸趨近，可統稱為大型儲能；而小型工商業和家庭用戶所使用的儲能通常被稱為小型儲能，包括小微型儲能系統和戶用儲能。

根據下游的建設和運營方，大型儲能可以進一步分為發電企業配建、電網企業自建和獨立儲能三類。而小型工商業和家庭用戶對儲能系統的基本需求主要是保障穩定供電、實現電力自發自用和有效管理容量費用等方面的需求。家庭用戶儲能直接面向個人消費者，因此消費者更加注重品牌認知度、產品性能和經濟性。戶用儲能類似于家電產品，具有較強的消費屬性。

3.4 環境影響和能源消費分析

從儲能產業鏈的整個生命周期分析來看，該產業鏈可劃分為上游、中游和下游三個階段。上游主要涉及正負極材料、電解液、隔膜等材料的生產；中游則是各類儲能電池產品的制造和銷售；而下游包括儲能方案在不同場景下的應用。此外，隨著儲能電池的廣泛使用，回收再生也成為儲能行業中一個重要的環節。

總體而言，儲能電池的全生命周期可以分為生產制造、直接應用和回收再生三個環節。儲能電池種類繁多，下面以磷酸鐵鋰（LFP）電池為例，大致介紹其全生命周期過程的環境影響和能源消耗比例，具體內容如表2所示。

表2 LFP電池全生命周期內能源消費清單

在生產制造階段，關鍵原材料的開采與加工可能對環境造成一定影響，同時制造過程中的能源消耗也需考慮。直接應用階段則與儲能系統的運營相關，需要考慮能源轉換效率、系統效能以及供需平衡等因素。至于回收再生階段，則對廢棄電池的處理和再利用提出了要求，以減少對環境的負面影響。需要注意的是，在具體應用場景中，不同類型的儲能方案可能具有不同的環境影響和能源消耗比例。

在對LFP電池生產制造、直接應用和回收再生過程的環境影響分析中，綜合考慮了淡水富營養化（FEP）、海洋富營養化（MEP）、淡水生態毒性（FETP）、人體致癌毒性（HTPc）、礦產資源耗竭（SOP）、全球變暖潛在影響（GWP）、光化學臭氧形成對人體健康的影響（HOFP）、光化學臭氧形成對生態系統的影響（EOFP）、陸地酸化（AP）、陸地生態毒性（TETP）、人體非致癌毒性（HTPnc）以及化石能源耗竭（FFP）等12類環境影響類型[6]。圖3顯示了這些環境影響類型對LFP電池全生命周期的具體影響結果。

圖3 儲能電池生產—應用—回收的環境影響特征化結果

通過綜合分析，可以更準確地評估LFP電池在不同階段對環境造成的影響，以及各個環境指標的重要性和相互關系，從而得到以下結論：

1）在生產制造階段，主要的環境影響包括淡水富營養化（FEP）、海洋富營養化（MEP）、淡水生態毒性（FETP）、人體致癌毒性（HTPc）和礦產資源耗竭SOP）。這些因素分別貢獻了93.24%、95.01%、91.91%、66.64%和66.90%。

2）在直接應用階段，主要的環境影響包括全球變暖（GWP）、光化學臭氧形成對人體健康的影響HOFP）、光化學臭氧形成對生態系統的影響（EOFP）、陸地酸化（AP）、陸地生態毒性（TETP）、人體非致癌毒性（HTPnc）和化石能源耗竭（FFP）。這些因素分別貢獻了71.14%、76.68%、76.41%、78.50%、68.90%、67.89%和67.30%。

3）在回收再生階段，主要的環境影響包括淡水富營養化（FEP）、海洋富營養化（MEP）、淡水生態毒性（FETP）和礦產資源耗竭（SOP）。然而，由于鋰資源以LiCl的形式被回收，海洋富營養化（MEP）和礦產資源耗竭（SOP）的指標為負值，即產生環境效益，其貢獻率分別為-4.99%和-33.10%。淡水富營養化（FEP）和淡水生態毒性（FETP）的貢獻率為6.76%和6.57%，即仍然帶來一定程度的環境負荷。

綜上所述，在LFP電池的整個生命周期中，如圖4所示，按總環境影響程度排序為應用階段（58.25%）、生產制造階段（41.58%）和回收再生階段（0.17%）。

圖4 LFP電池生產—應用—回收階段對總環境影響的貢獻比例

根據表3所示的能源消費占比數據，可見應用階段在能源消費中占比最高，約為87.77%。其次是生產階段，占比為12.23%。相比之下，回收階段的能耗占比幾乎可以忽略不計。這一發現進一步突顯了生產和應用階段在整體能源消費中的重要性。需要注意的是，隨著廢舊電池回收再利用技術發展與應用，如火法冶金、濕法冶金及直接再生等[7]，回收能源消耗占比將呈上升趨勢。

表3 LFP電池生產—應用—回收各階段能源消費占比

4 結論

本文對比分析了新型儲能典型技術的特點，論述了儲能鋰電池上游、中游和下游產業的發展情況。以磷酸鐵鋰（LFP）電池為典型項目，對儲能產業鏈進行了全生命周期分析，結果表明總體環境影響程度最高的是應用階段，約占58.25%；其次是生產制造階段，占比為41.58%；回收再生階段的占比非常低，僅為0.17%。在能源消費方面，應用階段的能源消耗最高，約占87.77%，其次是生產階段，占比為12.23%，盡管現階段回收能耗占比相對較低，但隨著廢舊電池技術推廣與應用，能源消費占比將呈上升趨勢。