储能是否如我们所想的清洁？

自本世纪初以来，可再生能源的生产已在全球范围内激增。根据2018年《 BP世界能源统计评论》，2000年全球可再生能源产量为218太瓦小时（TWh）。到2018年，这一数字已达到2480 TWh，过去十年的平均年增长率为16％。

可再生能源的快速增长受到成本曲线下降的推动，并受到旨在减少二氧化碳等空气排放的立法的辅助。但是它也需要公用事业来适应这种间歇性可再生能源的涌入。

蓄电

由于诸如风能和太阳能之类的可再生资源可以在很少发出警告的情况下突然改变输出，因此存储间歇性电能的能力变得越来越重要。从历史上看，抽水蓄能（PHES）一直是电网规模储能的主要类型。PHES包括将水向上泵送到水库，然后根据需要让水通过涡轮向下流回。

PHES仍占所有网格规模存储的约95％，但是随着电池存储解决方案变得更加经济，近年来这一数字一直在下降。

2017年12月，迄今为止最大的电池存储系统已连接到南澳大利亚州的电网。特斯拉托（Teslato）建造了100兆瓦（MW）的洪斯代尔电力储备（Hornsdale Power Reserve），以支持相邻的315兆瓦的霍恩斯代尔风力发电场。

那仅是世界上最大的PHES设施容量的约1/30。但是，美国能源信息署（EIA）最近报告说，过去四年中，电池存储容量增长了三倍。预计A409兆瓦太阳能电池存储项目将于2021年在佛罗里达启动。

电池存储的碳排放足迹

随着电池存储应用的增长，人们对与这些应用相关的碳排放越来越感兴趣。常规的电力生产排放已经被表征为多种动力源，但是很少有研究来表征与存储应用中的电池使用相关的排放。

为此，我们可以考虑Hornsdale电力储备为例。它由锂离子电池供电。为了对此项目的二氧化碳排放量进行生命周期评估（LCA），我们需要考虑1）。与组装电池有关的排放； 2）。正常运行期间与电池充电和放电相关的排放；和3）。与电池回收或处理相关的排放。

当然，与设施正常运行相关的排放将取决于为电池充电的能量类型。就霍恩斯代尔而言，那就是风能，它是所有电源中碳排放足迹最低的之一。

IVL瑞典环境研究所在2019年发表的一篇论文回顾了锂离子电池的可用碳排放数据。这项研究着眼于常用的NMC电池组（电池中镍含量约30％，锰含量约30％，钴含量约30％）。

该研究考察了电池制造的三个步骤：

-采矿与提炼

-电池材料生产

-电池生产和电池组组装

作者发现，上游电池材料的生产通常占排放的最大份额，他们确定为每千瓦时（kWh）电池容量59千克（kg）的二氧化碳当量（eq）。电池生产和电池组组件消耗的电能更多，因此此过程高度依赖于所用电能的类型。对于此过程，作者估计电池范围为0-60千克CO2-eq / kWh，该范围被认为是100％可再生能源，主要是化石燃料产生的能源。

因此，这些步骤的组合导致电池的总碳排放范围为59-119 kg CO2-eq / kWh，中点为89 kg CO2-eq / kWh。这是从摇篮到大门的电话号码。

使用寿命终止时，应回收电池，这会增加另一个温室气体负担。作者指出，由于锂，钴和镍等电池材料存在供应风险，“对于大多数国家来说，回收已成为当今和未来继续采用锂离子电池所必需的东西。”

尽管此研究的先前版本确实研究了回收步骤，但本次研究并未考虑使用寿命终止回收。研究的合著者之一Erik Emilsson解释了这次他们选择不包括回收的原因：

“用于计算回收率的方法存在很大差异，这给估算增加了不必要的不​​确定性。主要问题是如何将来自回收材料的信用额度添加（有时偶然两次）或完全不包含在生产模型中。除了建模方面的差异外，由于缺乏可用的报废汽车电池，汽车电池的回收仍处于早期阶段。”

在2017年的论文中，作者评估了几种当前技术，并在预测了锂离子电池回收行业的最终用途之后，确定了15千克CO2-eq / kWh电池回收步骤的温室气体足迹。

作者还指出，欧盟已经采用了产品环境足迹类别规则（PEFCR）。PEFCR电池研究报告说，锂离子电池寿命中12％的温室气体排放发生在使用寿命结束时。在之前的89千克二氧化碳当量/千瓦时的中点处，12％的人将再增加11千克二氧化碳，总计100千克二氧化碳当量/千瓦时。

LCA的最后一部分涉及电池的正常运行。产生电能，用于为电池充电，然后随着电能的消耗使电池放电。该计算包括两个部分：电池的充电/放电效率和电源。

PEFCR研究表明，锂离子电池的能源效率为96％。因此，随着电池的充电和放电，损耗大约为4％。

请记住，此GHG足迹是电池的一次性充电。因此，风电场的总碳足迹将取决于电池实现的循环次数。（我多次与Hornsdale和Tesla接触，以获取有关电池化学和预期循环次数的指导，但未得到任何回应）。

估算足迹

PEFCR研究规定，锂离子电池可望具有约400个循环。这意味着在电池容量下降到不可接受的水平（定义为60％）之前，可以对电池进行400次完全充电和放电。由于该容量会随着时间的推移而下降，因此PEFCR研究表明：“可以将整个生命周期内提供的最小能量计算为每个循环平均容量的400倍（初始能量的80％）。”

（在进行此计算的最初尝试之后，我收到了很多反馈，认为假定的循环数应远高于此。因此，我们可能认为这是对周期数的较低估计。如果我们假设周期数高得多，那么我将继续讨论影响－我现在认为这是更现实的）。

PEFCR研究为我们估算锂离子电池的碳足迹贡献提供了基础。Hornsdale电池存储系统的总发电容量为100兆瓦，能量存储为129兆瓦时（MWh）。以初始能量的80％进行的400多个充电和放电循环，总计41.3吉瓦时（GWh）。电池效率为96％时，这意味着必须产生43 GWh的风力，电池才能提供这么多的能量。

国家可再生能源实验室（NREL）估计了与电力生产相关的生命周期温室气体排放。对于像霍恩斯代尔风电场这样的陆上风电，估计有30 g CO2-eq / kWh的温室气体排放量。一千兆瓦比一千瓦大一百万倍，因此对于43 GWh，在电池寿命的400个循环中，仅用于风力发电，这就是130万公斤二氧化碳。

电池增加了此空间。对于129 MWh的电池存储量（即129,000 KWh）和100千克CO2-eq / kWh的电池总碳足迹，这将使风电场的碳足迹再增加1,290万千克二氧化碳。

换句话说，基于400个循环，与利用电池存储到该风电场中的电力相关的总碳足迹为130万加1290万= 1420万千克二氧化碳除以43吉瓦时电力或330克二氧化碳当量eq / kWh的温室气体排放量。这相当于不存储时风力发电的碳足迹的11倍，但仍远低于与燃煤发电有关的970 g CO2-eq / kWh的温室气体排放量。

因此，使用PEFCR假设，电池本身在其整个生命周期内都有300 g CO2-eq / kWh的温室气体排放量。

更多周期的影响

但是，正如我指出的那样，许多人挑战了我仅使用400个周期的情况。现实情况是我们只是没有足够的长期数据来获得可靠的估计。在霍恩斯代尔和特斯拉未能回复我的询问后，我联系了另一位消息来源。

加利福尼亚的锂离子电池供应商OneCharget在一封电子邮件中告诉我，他们的电池至少可持续3,000个完整循环，这是其保修的基础。他们还指出，他们使用的电池化学成分不包含任何钴，这将影响与采矿原料相关的计算出的排放量。

在任何情况下，我们都可以使用3,000个周期来重做计算以确定影响。在3,000个充电和放电周期（即初始能量的80％）下，总计310吉瓦时（GWh）。电池效率为96％时，这意味着必须产生322.5 GWh的风力，电池才能提供如此多的能量。

对于风能产生的322.5 GWh，在3,000个电池寿命中，这相当于970万千克二氧化碳-同样，仅在风能方面。

电池本身的占用空间与示例中的400个循环相同，即1290万千克二氧化碳。然后，总数变为970万加1290万= 2260万千克二氧化碳，除以322.5 GWh电力，即70 g CO2-eq / kWh温室气体排放量。即使不进行存储，那仍是风力发电的碳足迹的两倍多，但在大多数其他可再生能源的范围内，这些能源的二氧化碳排放量小于100克二氧化碳当量/千瓦时。

当然，如果最终电池循环数甚至更高，或者未来的电池化学性质得到改善，从而需要某些高能耗的金属，那么最终的碳足迹将更低。

在任何情况下，使用锂离子电池和陆上风力发电的公用事业规模的电池储量似乎都将具有70 g CO2-eq / kWh至300 g CO2-eq / kWh的温室气体排放量（使用最坏情况的PEFCR准则）。根据我收到的反馈，更好的估算值可能更接近该范围的下限。

罗伯特·拉皮尔（Robert Rapier）