新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響及環(huán)境效益探討

摘要：隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，新能源在電力能源供應(yīng)中占比提高。儲(chǔ)能配套設(shè)施對(duì)于提高可再生資源的消納發(fā)揮著重要作用。分析新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)端各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的工藝和產(chǎn)污特點(diǎn)，以新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)端的大氣污染物排放情況和儲(chǔ)能電站對(duì)電力系統(tǒng)的污染減排情況為切入點(diǎn)，探討新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的環(huán)境影響和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：新型儲(chǔ)能；電力系統(tǒng)；大氣污染物；污染減排

中圖分類(lèi)號(hào)：F42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）08-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.046

Research on the Environmental Impact and Environmental Benefits of the New Energy Storage Industry

HUANG Hewen， WANG Richao， HAUNG Huifeng， ZHAO Zimiao， LI Dawei

（Zhuhai Ecological and Environment Technology Center， Zhuhai 519000， China）

Abstract： “Dual carbon” goals involve the increasing proportion of renewable energy in the power system. Energy storage system plays a crucial role in enhancing the integration of renewable energy. This article analyzes the pollution-generating characteristics in the production process of the new energy storage industry. The environmental impact and environmental benefits of the new energy storage industry are explored by analyzing the atmospheric pollutant emissions arising from the production of the new energy storage industry and the reduction benefit of energy storage power plants in the power system.

Keywords： energy storage; power system; air pollutants; reduction benefit

隨著我國(guó)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和目標(biāo)的提出，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源替代勢(shì)在必行[1]。在新能源急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)下，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)作為可增加電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)的重要配套，已成為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是發(fā)展新型儲(chǔ)能的重要方向。目前，國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要包括鋰離子電池、鉛蓄電池和液流電池。其中，鋰離子電池是發(fā)展最快的新型儲(chǔ)能技術(shù)，具有響應(yīng)速度快、儲(chǔ)能密度高以及充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)，裝機(jī)規(guī)模達(dá)90%以上[2]。許多學(xué)者研究了“雙碳”目標(biāo)下儲(chǔ)能電站和鋰離子電池發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境效益，一般從碳減排角度展開(kāi)分析[3]。在節(jié)能降碳的同時(shí)，傳統(tǒng)電力行業(yè)的典型污染物排放得到了顯著減少。因此，研究以鋰離子電池為例，探討儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)端的主要工藝產(chǎn)污特征和污染防治關(guān)注要點(diǎn)，以新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)端的大氣污染物排放情況和儲(chǔ)能電站對(duì)電力系統(tǒng)的污染減排情況為切入點(diǎn)，探討儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境影響和環(huán)境效益。

1 儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)制造的產(chǎn)污特點(diǎn)

以鋰離子電池制造為例，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)上游材料制造主要包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液的生產(chǎn)，電池制造則包括電芯制造和電池模組。

1.1 上游材料制造

1.1.1 正極材料

正極材料制造包括前驅(qū)體制造和鋰鹽制造，還包括以前驅(qū)體、鋰鹽為原料進(jìn)行三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等的制造。正極材料制造過(guò)程中主要關(guān)注酸堿廢氣、燒結(jié)廢氣和含重金屬?gòu)U氣排放。配液混合過(guò)程中，根據(jù)原料的不同，涉及氨、硫酸霧、磷酸霧等酸堿廢氣排放，應(yīng)配備吸收、洗滌裝置。以鋰輝石、鋰云母、鋰渣等為原料焙燒生產(chǎn)鋰鹽及其他中間產(chǎn)品時(shí)，焙燒煙氣通常為含重金屬的廢氣，廢氣中還可能涉及氟化物。凈化裝置應(yīng)具備去除氟化物、重金屬等污染物的功能，而硫酸酸化焙燒等工序還應(yīng)配備酸霧吸收裝置。

1.1.2 負(fù)極材料

人造石墨負(fù)極材料生產(chǎn)以石油焦、石油瀝青、氮?dú)?、石灰石及碳酸鈉等為原料，后續(xù)會(huì)經(jīng)歷破碎、整形、篩分、包覆、碳化、石墨化、混合、篩分和包裝等工序。其中：使用瀝青物料應(yīng)設(shè)置瀝青煙、苯并[a]芘、揮發(fā)性有機(jī)物治理設(shè)施，采用吸附或燃燒等方法處理；包覆、炭化、石墨化等工序應(yīng)配備高效煙氣收集系統(tǒng)及除塵設(shè)施；石墨化工序應(yīng)優(yōu)化爐窯設(shè)備選型，優(yōu)先采用低含硫率的填充物料。此外，負(fù)極材料制造所產(chǎn)生的廢氣主要是粉塵和碳化廢氣，因此制造過(guò)程中應(yīng)關(guān)注苯并[a]芘等特征污染物的累積環(huán)境影響。

1.1.3 隔膜

電池隔膜生產(chǎn)以聚乙烯、液狀石蠟、二氯甲烷、基膜、氧化鋁、聚丙烯酸酯及丙酮等作為生產(chǎn)材料。污染物排放主要為擠出、拉伸、基膜萃取、涂布等環(huán)節(jié)使用有機(jī)溶劑而產(chǎn)生的有機(jī)廢氣和顆粒物，烘干時(shí)燃燒供熱而產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物等燃燒廢氣。需要注意，二氯甲烷屬于有毒有害大氣污染物，應(yīng)做好收集處理工作。

1.1.4 電解液

鋰電池電解液以碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯等溶劑，以及六氟磷酸鋰、碳酸亞乙烯酯等添加劑作為原料，經(jīng)混合添加、攪拌、過(guò)濾、灌裝等工序進(jìn)行加工生產(chǎn)。電解液生產(chǎn)的污染物排放主要為配液、灌裝等過(guò)程中有機(jī)溶劑揮發(fā)損失產(chǎn)生的有機(jī)廢氣。通過(guò)加強(qiáng)收集處理的方式，有效控制有機(jī)廢氣的排放。

1.2 電池制造

1.2.1 電芯制造

以磷酸鐵鋰電池電芯的生產(chǎn)為例，電池電芯的生產(chǎn)以正極材料、負(fù)極材料、隔膜以及電解液為原料。生產(chǎn)工藝主要為混料、涂布、烘烤、輥壓、成型分切、卷繞、電芯熱壓、配對(duì)、焊接、裝配、真空干燥、注液、高溫浸潤(rùn)、負(fù)壓化成以及老化靜置等。N-甲基吡咯烷酮作為正極漿料的溶劑，不參與化學(xué)反應(yīng)，在烘干階段基本全部揮發(fā)，屬于有機(jī)廢氣。鋰離子電池涂布、極片烘烤工序應(yīng)配備N(xiāo)-甲基吡咯烷酮回收裝置，設(shè)置揮發(fā)性有機(jī)物吸附或燃燒等裝置。

1.2.2 電池模組

電池模組是由多個(gè)電芯組裝而成的單元，是電池系統(tǒng)中的一個(gè)組件，通常由若干個(gè)電芯、連接器、電池管理系統(tǒng)和外殼等組成。電池模組生產(chǎn)的主要工藝為配組、打膠、堆疊、等離子清洗、安裝焊接、測(cè)試、電芯極柱清洗、組件安裝、焊接及檢查等。電池模組的生產(chǎn)過(guò)程中污染物產(chǎn)生量相對(duì)較少，主要為打膠產(chǎn)生的少量有機(jī)廢氣。

2 環(huán)境影響與環(huán)境效益分析

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)和竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收數(shù)據(jù)，獲取新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)中各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)生產(chǎn)制造的污染物排放系數(shù)，并據(jù)此統(tǒng)計(jì)“雙碳”目標(biāo)下應(yīng)用于電力系統(tǒng)配套的儲(chǔ)能電站制造端的主要大氣污染物排放情況。計(jì)算采用排放因子法，新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)制造端主要大氣污染物排放情況，具體如表1所示。這里分析的大氣污染物主要包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氟化物、揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）以及二氯甲烷等。

研究表明，每年新增15 GW/30 GW·h電化學(xué)儲(chǔ)能是落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的有效舉措[4]，因此以該新增產(chǎn)量為活動(dòng)水平數(shù)據(jù)，估算新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)制造端各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)主要大氣污染物排放情況，具體如表2所示。這里分析的大氣污染物主要包括二氧化硫、氮氧化物、顆粒物以及VOCs。

根據(jù)估算結(jié)果可見(jiàn)：正極材料和負(fù)極材料的生產(chǎn)是二氧化硫、氮氧化物這一類(lèi)燃燒廢氣污染物排放的主要來(lái)源；隔膜生產(chǎn)會(huì)帶來(lái)較大的VOCs排放，主要來(lái)自有機(jī)溶劑的使用和揮發(fā)。此外，正極材料制造產(chǎn)生的氟化物和重金屬?gòu)U氣、負(fù)極材料產(chǎn)生的苯并[a]芘、隔膜制造產(chǎn)生的二氯甲烷等，雖不是排放量較大的主要污染物，但因其有毒有害等特性應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3 環(huán)境效益

從電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)對(duì)電力系統(tǒng)污染減排潛勢(shì)貢獻(xiàn)的角度出發(fā)，主要研究新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的環(huán)境效益。根據(jù)研究結(jié)果[5]，到2060年，在可再生能源發(fā)電占比73.6%的基線情景下，電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)施消納與調(diào)配、合理的風(fēng)光互補(bǔ)、燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰等多種措施并舉減少棄電，最理想情景下電力系統(tǒng)碳排放的可再生能源發(fā)電占比可達(dá)83.3%，相較基線情景仍可減少6.89億tCO2/a。以此作為活動(dòng)水平數(shù)據(jù)，以文獻(xiàn)[6]研究所得排放績(jī)效值作為排放系數(shù)，估算考慮儲(chǔ)能的電力優(yōu)化情景下每年的主要大氣污染物減排情況，如表3所示。

根據(jù)估算結(jié)果，在考慮儲(chǔ)能合理配置的最理想情景下，到2060年，每年可減少排放二氧化硫29.07萬(wàn)t、氮氧化物47.24萬(wàn)t以及PM2.5 5.45萬(wàn)t，減排比例為48%。整體上，儲(chǔ)能系統(tǒng)配套發(fā)電貢獻(xiàn)的主要污染物減排量遠(yuǎn)超儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)制造端的污染物排放量。

4 結(jié)語(yǔ)

從新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)端的大氣污染物排放情況的角度看，考慮儲(chǔ)能合理配置的最理想情景下，儲(chǔ)能系統(tǒng)配套發(fā)電可貢獻(xiàn)二氧化硫、氧化物以及PM2.5削減量遠(yuǎn)超儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)制造端排放量。從更全面的角度看，還應(yīng)考慮廢水、固體廢物影響，以及全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、電池回收等環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的環(huán)境影響，將是后續(xù)的重點(diǎn)研究方向。

參考文獻(xiàn)

1 張智剛，康重慶.碳中和目標(biāo)下構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2022（8）：2806-2819.

2 鄭 瓊，江麗霞，徐玉杰，等.碳達(dá)峰、碳中和背景下儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展建議[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2022（4）：529-540.

3 于海洋.“雙碳”目標(biāo)下風(fēng)儲(chǔ)電站全生命周期碳排放評(píng)估方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2022：16-18.

4 范師嘉，許光清，趙 慶，等.考慮儲(chǔ)能的電力系統(tǒng)優(yōu)化與中國(guó)碳中和情景分析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2024（5）：2833-2846.

5 屈加豹，王 鵬，伯 鑫，等.超低改造下中國(guó)火電排放清單及分布特征[J].環(huán)境科學(xué)，2020（9）：3969-3975.