生命周期內(nèi)蓄電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能碳足跡分析

生命周期內(nèi)蓄電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能碳足跡分析第209號(hào)白皮書(shū)版本0作者WendyTorell靜態(tài)UPS的飛輪儲(chǔ)能通常被認(rèn)為是一種比蓄電池儲(chǔ)能“更綠色”的技術(shù)。本文進(jìn)行全生命周期內(nèi)碳足跡分析后，結(jié)論恰恰相反，主要原因在于飛輪在其生命周期內(nèi)運(yùn)行能耗比等同的VRLA蓄電池解決方案要多，且這些能耗所對(duì)應(yīng)的碳排放遠(yuǎn)超其原材料或所需制冷系統(tǒng)所能減少的碳排放。施耐德提供的權(quán)衡工具可以幫助計(jì)算并比較相對(duì)應(yīng)的碳排放量。表1概要性比較飛輪和旋轉(zhuǎn)式不同飛輪UPS和旋轉(zhuǎn)式UPS經(jīng)常交替使用，然而這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)并不相同?“飛輪”UPS是一種靜態(tài)第92號(hào)白皮書(shū)《靜態(tài)式UPS和旋轉(zhuǎn)式UPS的比較》詳細(xì)解釋了這兩者的區(qū)別。為常見(jiàn)的蓄電池儲(chǔ)能產(chǎn)生了越來(lái)越大的興趣。將飛輪作為替代方式的原因有很多，第65號(hào)白皮書(shū)《數(shù)據(jù)中心蓄電池、飛輪和超級(jí)電容器不同儲(chǔ)能方式比較》分別對(duì)不同儲(chǔ)能方式做了詳細(xì)的描述并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。表1總結(jié)了鉛酸蓄電池和飛輪儲(chǔ)能方式的主要區(qū)別。屬性屬性鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池飛輪耗本白皮書(shū)深入比較了靜態(tài)UPS儲(chǔ)能選擇的飛輪與VRLA蓄電池的碳足跡，并提供了明確的比較飛輪通常被認(rèn)為是一種比蓄電池“更綠色”的替代方案，主要緣于以下三個(gè)因素：?飛輪與蓄電池所用材料的不同?較高的耐溫性，因此無(wú)需對(duì)飛輪提供額外制冷?預(yù)期更長(zhǎng)的壽命相反，鉛酸蓄電池因其有害物質(zhì)及鉛的使用量，通常被認(rèn)為對(duì)環(huán)境有害。人們總是設(shè)想蓄電池垃圾填埋場(chǎng)以及其對(duì)環(huán)境所造成的相關(guān)危害。但事實(shí)上VRLA蓄電池中的大多數(shù)鉛可以回收。根據(jù)美國(guó)國(guó)際電池理事會(huì)（BCI）的數(shù)據(jù)，實(shí)際上超過(guò)98%的蓄電池鉛被回收1。本文分析并展示出整個(gè)數(shù)據(jù)中心生命周期內(nèi)VRLA蓄電池與飛輪的碳足跡。分析顯示，原材料、服務(wù)更換壽命和所需的制冷消耗并不能推動(dòng)“更綠色”。數(shù)據(jù)中心生命周期內(nèi)的運(yùn)行能耗的差異得到的結(jié)論是VRLA蓄電池在生命周期的碳足跡比飛輪儲(chǔ)能更少。1/?page=battery_recycling施耐德電氣-數(shù)據(jù)中心科研中心版本02圖1碳足跡在討論及分析替代方案時(shí)（目的為確定一種更環(huán)?；蚋咝У姆绞剑?，儲(chǔ)能方式和UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)被混淆。如果選擇一種帶有效率低下的UPS的高效儲(chǔ)能方法，并將其與帶有更高效UPS的低效儲(chǔ)能方法對(duì)比，則很難區(qū)分出儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際差異。本文所做的分析并非UPS類型比較，并且假定飛輪和蓄電池具有相同的UPS損耗。在比較備選儲(chǔ)能方式的碳足跡時(shí)，考慮全生命周期內(nèi)的碳排放是非常重要的。本文在分析時(shí)考慮到“從搖籃到墳?zāi)埂钡目傮w碳排放（圖1），有時(shí)又稱“隱性”碳排放。產(chǎn)生碳排放的主要環(huán)節(jié)包括原材料提取、生產(chǎn)流程、運(yùn)輸、系統(tǒng)運(yùn)行能耗、配套系統(tǒng)（UPS情況中的制冷）以及材料制造基于生命周期中的以下各個(gè)階段，對(duì)VRLA蓄電池和飛輪進(jìn)行建模。其中，某些環(huán)節(jié)的碳足跡未被考慮，原因是這些環(huán)節(jié)對(duì)整體碳足跡的影響很小，或者對(duì)兩種儲(chǔ)能方式的影響相同或非常相1.原材料：通過(guò)多種產(chǎn)品規(guī)格書(shū)確定VRLA蓄電池和飛輪的典型化學(xué)成分，從而得出原材料的組成百分比。受麻省理工大學(xué)支持、由英國(guó)巴斯大學(xué)完成的一份報(bào)告收集了各種原材料的隱性碳比例（碳重量（kg）/原材料重量（kg））。材料的碳排放率包括原材料以及根據(jù)原材料的典型回收率計(jì)算而得到的數(shù)據(jù)2。2.制造＆包裝：飛輪和蓄電池在生產(chǎn)和包裝階段的碳排放強(qiáng)度相似，對(duì)整體生命周期碳足跡的影響很小。因此，分析中不考慮這一環(huán)節(jié)。3.運(yùn)輸：系統(tǒng)與目的端的距離越遠(yuǎn)，對(duì)總體碳足跡的影響越大。我們默認(rèn)距離為322千米（200英里），但在后續(xù)提供的權(quán)衡工具是可調(diào)節(jié)為任意預(yù)期距離。滿載19958千克（44000磅）貨運(yùn)卡車的標(biāo)準(zhǔn)燃燒效率為2.6千米/升（6英里/加侖），產(chǎn)生的碳排放率為0.73千克/升（2.77千克/加侖），這些參數(shù)用來(lái)計(jì)算運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的碳排放3?？紤]運(yùn)輸不同重量的結(jié)果，采用單位千克運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放乘以所對(duì)應(yīng)的重量。假設(shè)在生產(chǎn)制造工廠和數(shù)據(jù)中心之間的距離上運(yùn)輸方面不存在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。4.安裝：考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝的人工時(shí)和所涉及的安裝設(shè)備，假定電池和飛輪現(xiàn)場(chǎng)安裝所產(chǎn)生的碳排放相似。因此，分析中不考慮這一環(huán)節(jié)。2英國(guó)巴斯大學(xué),哈蒙德,G.P.和C.I.Jones,InventoryofCarbonEnergy(ICE)Version2.0,/2.813/www/readings/ICEv2.pdf.old3/transportation-resources/how-to-calculate-your-trucking-car-bon-footprint施耐德電氣-數(shù)據(jù)中心科研中心版本035.運(yùn)行能耗：運(yùn)行期間的能耗是影響總體碳足跡最大的因素。對(duì)于使用VRLA蓄電池的UPS而言，功率損耗表示蓄電池涓流充電（包含放電期間或充電器的損耗）所消耗的能量。飛輪功率損耗表示正常運(yùn)行時(shí)維持飛輪旋轉(zhuǎn)所需的能量。保持飛輪旋轉(zhuǎn)的損耗，供應(yīng)商并不能提供好的資料，但與蓄電池相比測(cè)量數(shù)據(jù)則驗(yàn)證了其所產(chǎn)生的損耗。飛輪功率損耗典型值為1-2%左右，由真空泵或磁軸承等組件產(chǎn)生。蓄電池功率損耗的典型值為0.2%。假設(shè)UPS系統(tǒng)在兩種存儲(chǔ)方式時(shí)性能相同（具有相同的UPS損耗），在分析中不考慮該因素?！斑\(yùn)行能耗比較”章節(jié)提供了一個(gè)運(yùn)行在英國(guó)、且具有20年數(shù)據(jù)中心壽命的1MW儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)果。每度電能的產(chǎn)生的碳排放量取決于不同的能源類型，各個(gè)國(guó)家或地區(qū)的能源類型或結(jié)構(gòu)是不相同的。在模型中采用的是包括全球各個(gè)國(guó)家或地區(qū)各自的平均碳排放率。6.制冷運(yùn)行能耗：飛輪相對(duì)蓄電池的一個(gè)常被引用的優(yōu)點(diǎn)是其耐溫范圍更廣。通常規(guī)定蓄電池運(yùn)行于0-25°C(32-77°F)，而飛輪可承受-20-40°C(-4-104°F)。由于耐溫范廣，分析時(shí)飛輪是不需要考慮額外制冷。相反，分析中蓄電池室則需要輔助制冷，部分PUE(電能使用效率)為1.3。7.維護(hù)：VRLA蓄電池的設(shè)計(jì)壽命通常為5年。這表明，在數(shù)據(jù)中心20年的生命周期內(nèi)，需要更換四次。每次更換時(shí)，我們均需計(jì)算原材料和運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)生的碳排放值。為確保蓄電池安全可靠運(yùn)行，通常還需要進(jìn)行VRLA蓄電池的半年度維護(hù)保養(yǎng)。飛輪的維護(hù)要求有所不同，但使用磁軸承的飛輪無(wú)需更換軸承，且設(shè)計(jì)壽命通常為20年。因此，假定飛輪在該生命周期內(nèi)無(wú)需更換。飛輪是需要年度維護(hù)的，維護(hù)任務(wù)包括更換真空泵油等。對(duì)于蓄電池和飛輪的維護(hù)巡修，假定維護(hù)人員車輛的燃油效率為12.7千米/升（30英里/加8.報(bào)廢：在數(shù)據(jù)中心壽命終結(jié)時(shí)，假設(shè)處理蓄電池和飛輪所用的人工時(shí)相同，因其只占生命周期碳足跡的很小百分比。因此，分析中不考慮這一部分。注意，當(dāng)蓄電池運(yùn)行壽命終止時(shí)，作為服務(wù)的一部分，UPS/蓄電池供應(yīng)商應(yīng)更換電池，并提供一份諸如附錄中的文檔，指出廢棄蓄電池會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)睾蛧?guó)家法規(guī)及建議回收。飛輪和VRLA蓄電池碳排放的最大差異是由原材料和使用/運(yùn)行產(chǎn)生，包括蓄電池或飛輪的運(yùn)行能耗，以及支撐其運(yùn)行的制冷系統(tǒng)能耗。以下兩個(gè)部分將詳細(xì)計(jì)算每一環(huán)節(jié)的對(duì)應(yīng)的的碳排放VRLA蓄電池的主要原料為鉛，其次為硫酸。圖2給出了VRLA蓄電池化學(xué)成分的采樣數(shù)據(jù)表，包括各成分的濃度。數(shù)據(jù)表施耐德電氣-數(shù)據(jù)中心科研中心版本04碳排放圖3原材料。表3表2給出了構(gòu)成VRLA蓄電池的原材料的隱性碳排放(kgCO2/kg)。計(jì)算出的加權(quán)平均值為每2%5%飛輪重量主要集中在輪轂上，輪轂主要由高強(qiáng)度鋼材制成。圖3以一個(gè)AISI4340合金鋼的化學(xué)成分為例來(lái)分析構(gòu)成飛輪的原材料。圖3飛輪中所使用的高強(qiáng)度合金鋼化學(xué)成分采樣數(shù)據(jù)表。要素含量(%)假定值(%)隱含碳(kgCO2/kg)計(jì)算結(jié)果表明，每單位重量蓄電池比飛輪的碳排放率低。當(dāng)考慮到蓄電池可高達(dá)72%可回收(鉛)時(shí)，這個(gè)結(jié)果并不出乎意料。當(dāng)比較蓄電池和飛輪的原材料時(shí)（見(jiàn)表4），蓄電池重量確實(shí)會(huì)高很多，從而導(dǎo)致更高的隱含碳足跡。然而，與運(yùn)行能耗產(chǎn)生的碳排放量相比，其差異幅值并不明顯（在下一部分討論）。施耐德電氣–數(shù)據(jù)中心科研中心表4碳排放碳排放/kgVRLA蓄電池浮充充電（又名涓流充電）相關(guān)的典型損耗為0.2%左右。該值記錄于UPS/蓄電池的規(guī)格書(shū)中。相反，很難在發(fā)表刊物上找到飛輪的損耗數(shù)據(jù)（保持飛輪旋轉(zhuǎn)所需的能量）。當(dāng)用飛輪替代蓄電池時(shí)，所測(cè)數(shù)據(jù)表明UPS上的額外損耗為1.5%。該值可能因供應(yīng)商不同而有所不同，預(yù)期的最低飛輪損耗為1%。運(yùn)行損耗差異看起來(lái)是很小的比例，但是考慮到數(shù)據(jù)中心的壽命為15-20年，差值其實(shí)不小。表5展現(xiàn)了一個(gè)位于英國(guó)的1MW數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行能耗對(duì)比情況。2在此UPS示例中，VRLA蓄電池比飛輪在運(yùn)行能耗上產(chǎn)生的碳排放少80%。這種以CO2排放量（kg）的絕對(duì)差值在不同地方差異很大，原因是不同地區(qū)供電電網(wǎng)的能源類型不同。表6給出了不同能源類型發(fā)電的碳排放差異4。4/wiki/Life-cycle_greenhouse-gas_emissions_of_energy_sources施耐德電氣–數(shù)據(jù)中心科研中心版本0表6發(fā)電所產(chǎn)生的碳排放量(gCO2/kWh)由于蓄電池的耐溫范圍通常較窄，人們經(jīng)常據(jù)此判斷飛輪的碳足跡更小，因此分析假定蓄電池的額外制冷能耗為30%（僅考慮制冷系統(tǒng)的PUE為1.3），飛輪無(wú)額外制冷能耗（僅考慮制冷系統(tǒng)的PUE為1.0）。這會(huì)導(dǎo)致蓄電池在整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生約50,000千克的額外碳排放（見(jiàn)表7），但這只占生命周期中運(yùn)行（運(yùn)轉(zhuǎn)）飛輪所需的額外能量所產(chǎn)生的碳排放的一部分（見(jiàn)表飛輪閥控密封式蓄電池年均的制冷能耗（kW-hr）此外，上述比較分析中未考慮其他的一些“綠色”因素，但這些因素確實(shí)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心整體產(chǎn)?發(fā)電機(jī)燃料消耗/廢氣排放–對(duì)于風(fēng)輪而言，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)更頻繁，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的燃料消耗和廢氣排放。?發(fā)電機(jī)噪音–對(duì)于風(fēng)輪而言，頻繁啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)意味著更大的噪音。假設(shè)條件是所有建模過(guò)程的關(guān)鍵，鑒于上述分析中使用的具體參數(shù)會(huì)影響碳排放的計(jì)算結(jié)果，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)權(quán)衡工具，允許數(shù)據(jù)中心決策人員根據(jù)自己數(shù)據(jù)中心的情況調(diào)節(jié)這些輸入?yún)?shù)，從而確定這些參數(shù)的影響。用戶可選擇數(shù)據(jù)中心所處位置，輸入蓄電池和風(fēng)輪的損耗，指定制冷損耗，并選擇維護(hù)和更換頻率。對(duì)結(jié)果影響最大的因素為：?所處位置：根據(jù)發(fā)電所用能源的來(lái)源類型不同，不同國(guó)家之間（甚至是不同電力公司之間）的碳排放差異巨大。英國(guó)排放率的估值為0.475kg/kWh，而法國(guó)為0.083kg/kWh，中國(guó)為0.83kg/kWh。系統(tǒng)的能源越“清潔”，運(yùn)行能耗對(duì)整個(gè)生命周期內(nèi)碳足跡的影響越小。施耐德電氣-數(shù)據(jù)中心科研中心版本07?飛輪的功率損耗：很難在已發(fā)表刊物中找到飛輪的損耗數(shù)據(jù)，這很有可能是因?yàn)轱L(fēng)輪的應(yīng)用較少。當(dāng)針對(duì)一個(gè)具體數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目比較時(shí)，最好要求供應(yīng)商提供具體的運(yùn)行功耗數(shù)據(jù)。?蓄電池的功率損耗：蓄電池的損耗通常較容易獲取，一般可在相關(guān)文檔查到。跡計(jì)算器TradeOffTool權(quán)衡工具圖4即顯示了權(quán)衡工具16飛輪儲(chǔ)能與電池儲(chǔ)能碳足跡計(jì)算器。在默認(rèn)設(shè)置情況下（所處位置為中國(guó)，飛輪損耗=1%，VRLA損耗=0.2%），蓄電池的生在分析飛輪和蓄電池儲(chǔ)能時(shí)，無(wú)論哪種方式都可能比另一種“更綠色”。關(guān)鍵在于對(duì)“綠色”的定義，以及所做的假設(shè)和分析范圍。飛輪通常因其所使用的原材料、較低（或沒(méi)有）制冷要求以及預(yù)期較長(zhǎng)的壽命，降低了對(duì)服務(wù)的要求而被誤認(rèn)為是“更綠色”。本文中，我們關(guān)注整個(gè)生命周期內(nèi)系統(tǒng)的碳足跡，分析表明，盡管飛輪在原材料、制冷和維護(hù)中所產(chǎn)生的碳排放較少，但VRLA蓄電池在全球絕大多數(shù)地區(qū)的總體碳足跡更低。這是因?yàn)轱w輪在某些方面所減少的碳排放和蓄電池在整個(gè)生命周期內(nèi)減少的運(yùn)行能耗碳排放相比，數(shù)量級(jí)較低。施耐德開(kāi)發(fā)的