生命周期內(nèi)蓄電池儲能和飛輪儲能碳足跡分析

生命周期內(nèi)蓄電池儲能和飛輪儲能碳足跡分析第209號白皮書版本0作者WendyTorell靜態(tài)UPS的飛輪儲能通常被認為是一種比蓄電池儲能“更綠色”的技術。本文進行全生命周期內(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)運行能耗比等同的VRLA蓄電池解決方案要多，且這些能耗所對應的碳排放遠超其原材料或所需制冷系統(tǒng)所能減少的碳排放。施耐德提供的權衡工具可以幫助計算并比較相對應的碳排放量。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，然而這兩個術語并不相同?“飛輪”UPS是一種靜態(tài)第92號白皮書《靜態(tài)式UPS和旋轉(zhuǎn)式UPS的比較》詳細解釋了這兩者的區(qū)別。為常見的蓄電池儲能產(chǎn)生了越來越大的興趣。將飛輪作為替代方式的原因有很多，第65號白皮書《數(shù)據(jù)中心蓄電池、飛輪和超級電容器不同儲能方式比較》分別對不同儲能方式做了詳細的描述并分析了各自的優(yōu)缺點。表1總結(jié)了鉛酸蓄電池和飛輪儲能方式的主要區(qū)別。屬性屬性鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池飛輪耗本白皮書深入比較了靜態(tài)UPS儲能選擇的飛輪與VRLA蓄電池的碳足跡，并提供了明確的比較飛輪通常被認為是一種比蓄電池“更綠色”的替代方案，主要緣于以下三個因素：?飛輪與蓄電池所用材料的不同?較高的耐溫性，因此無需對飛輪提供額外制冷?預期更長的壽命相反，鉛酸蓄電池因其有害物質(zhì)及鉛的使用量，通常被認為對環(huán)境有害。人們總是設想蓄電池垃圾填埋場以及其對環(huán)境所造成的相關危害。但事實上VRLA蓄電池中的大多數(shù)鉛可以回收。根據(jù)美國國際電池理事會（BCI）的數(shù)據(jù)，實際上超過98%的蓄電池鉛被回收1。本文分析并展示出整個數(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、服務更換壽命和所需的制冷消耗并不能推動“更綠色”。數(shù)據(jù)中心生命周期內(nèi)的運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（目的為確定一種更環(huán)?；蚋咝У姆绞剑?，儲能方式和UPS拓撲結(jié)構有時會被混淆。如果選擇一種帶有效率低下的UPS的高效儲能方法，并將其與帶有更高效UPS的低效儲能方法對比，則很難區(qū)分出儲能系統(tǒng)的實際差異。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。在比較備選儲能方式的碳足跡時，考慮全生命周期內(nèi)的碳排放是非常重要的。本文在分析時考慮到“從搖籃到墳墓”的總體碳排放（圖1），有時又稱“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、運輸、系統(tǒng)運行能耗、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階段，對VRLA蓄電池和飛輪進行建模。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)對整體碳足跡的影響很小，或者對兩種儲能方式的影響相同或非常相1.原材料：通過多種產(chǎn)品規(guī)格書確定VRLA蓄電池和飛輪的典型化學成分，從而得出原材料的組成百分比。受麻省理工大學支持、由英國巴斯大學完成的一份報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度相似，對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.運輸：系統(tǒng)與目的端的距離越遠，對總體碳足跡的影響越大。我們默認距離為322千米（200英里），但在后續(xù)提供的權衡工具是可調(diào)節(jié)為任意預期距離。滿載19958千克（44000磅）貨運卡車的標準燃燒效率為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)用來計算運輸過程產(chǎn)生的碳排放3?？紤]運輸不同重量的結(jié)果，采用單位千克運輸產(chǎn)生的碳排放乘以所對應的重量。假設在生產(chǎn)制造工廠和數(shù)據(jù)中心之間的距離上運輸方面不存在技術上的優(yōu)勢。4.安裝：考慮現(xiàn)場安裝的人工時和所涉及的安裝設備，假定電池和飛輪現(xiàn)場安裝所產(chǎn)生的碳排放相似。因此，分析中不考慮這一環(huán)節(jié)。2英國巴斯大學,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.運行能耗：運行期間的能耗是影響總體碳足跡最大的因素。對于使用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行時維持飛輪旋轉(zhuǎn)所需的能量。保持飛輪旋轉(zhuǎn)的損耗，供應商并不能提供好的資料，但與蓄電池相比測量數(shù)據(jù)則驗證了其所產(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UPS系統(tǒng)在兩種存儲方式時性能相同（具有相同的UPS損耗），在分析中不考慮該因素。“運行能耗比較”章節(jié)提供了一個運行在英國、且具有20年數(shù)據(jù)中心壽命的1MW儲能系統(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，各個國家或地區(qū)的能源類型或結(jié)構是不相同的。在模型中采用的是包括全球各個國家或地區(qū)各自的平均碳排放率。6.制冷運行能耗：飛輪相對蓄電池的一個常被引用的優(yōu)點是其耐溫范圍更廣。通常規(guī)定蓄電池運行于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：VRLA蓄電池的設計壽命通常為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，我們均需計算原材料和運輸?shù)漠a(chǎn)生的碳排放值。為確保蓄電池安全可靠運行，通常還需要進行VRLA蓄電池的半年度維護保養(yǎng)。飛輪的維護要求有所不同，但使用磁軸承的飛輪無需更換軸承，且設計壽命通常為20年。因此，假定飛輪在該生命周期內(nèi)無需更換。飛輪是需要年度維護的，維護任務包括更換真空泵油等。對于蓄電池和飛輪的維護巡修，假定維護人員車輛的燃油效率為12.7千米/升（30英里/加8.報廢：在數(shù)據(jù)中心壽命終結(jié)時，假設處理蓄電池和飛輪所用的人工時相同，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，當蓄電池運行壽命終止時，作為服務的一部分，UPS/蓄電池供應商應更換電池，并提供一份諸如附錄中的文檔，指出廢棄蓄電池會根據(jù)當?shù)睾蛧曳ㄒ?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/運行產(chǎn)生，包括蓄電池或飛輪的運行能耗，以及支撐其運行的制冷系統(tǒng)能耗。以下兩個部分將詳細計算每一環(huán)節(jié)的對應的的碳排放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給出了構成VRLA蓄電池的原材料的隱性碳排放(kgCO2/kg)。計算出的加權平均值為每2%5%飛輪重量主要集中在輪轂上，輪轂主要由高強度鋼材制成。圖3以一個AISI4340合金鋼的化學成分為例來分析構成飛輪的原材料。圖3飛輪中所使用的高強度合金鋼化學成分采樣數(shù)據(jù)表。要素含量(%)假定值(%)隱含碳(kgCO2/kg)計算結(jié)果表明，每單位重量蓄電池比飛輪的碳排放率低。當考慮到蓄電池可高達72%可回收(鉛)時，這個結(jié)果并不出乎意料。當比較蓄電池和飛輪的原材料時（見表4），蓄電池重量確實會高很多，從而導致更高的隱含碳足跡。然而，與運行能耗產(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）相關的典型損耗為0.2%左右。該值記錄于UPS/蓄電池的規(guī)格書中。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）。當用飛輪替代蓄電池時，所測數(shù)據(jù)表明UPS上的額外損耗為1.5%。該值可能因供應商不同而有所不同，預期的最低飛輪損耗為1%。運行損耗差異看起來是很小的比例，但是考慮到數(shù)據(jù)中心的壽命為15-20年，差值其實不小。表5展現(xiàn)了一個位于英國的1MW數(shù)據(jù)中心的運行能耗對比情況。2在此UPS示例中，VRLA蓄電池比飛輪在運行能耗上產(chǎn)生的碳排放少80%。這種以CO2排放量（kg）的絕對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），飛輪無額外制冷能耗（僅考慮制冷系統(tǒng)的PUE為1.0）。這會導致蓄電池在整個生命周期內(nèi)產(chǎn)生約50,000千克的額外碳排放（見表7），但這只占生命周期中運行（運轉(zhuǎn)）飛輪所需的額外能量所產(chǎn)生的碳排放的一部分（見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，但這些因素確實會對數(shù)據(jù)中心整體產(chǎn)?發(fā)電機燃料消耗/廢氣排放–對于風輪而言，發(fā)電機啟動更頻繁，導致產(chǎn)生更多的燃料消耗和廢氣排放。?發(fā)電機噪音–對于風輪而言，頻繁啟動的發(fā)電機意味著更大的噪音。假設條件是所有建模過程的關鍵，鑒于上述分析中使用的具體參數(shù)會影響碳排放的計算結(jié)果，我們開發(fā)了一個權衡工具，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，輸入蓄電池和風輪的損耗，指定制冷損耗，并選擇維護和更換頻率。對結(jié)果影響最大的因素為：?所處位置：根據(jù)發(fā)電所用能源的來源類型不同，不同國家之間（甚至是不同電力公司之間）的碳排放差異巨大。英國排放率的估值為0.475kg/kWh，而法國為0.083kg/kWh，中國為0.83kg/kWh。系統(tǒng)的能源越“清潔”，運行能耗對整個生命周期內(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)，這很有可能是因為風輪的應用較少。當針對一個具體數(shù)據(jù)中心項目比較時，最好要求供應商提供具體的運行功耗數(shù)據(jù)。?蓄電池的功率損耗：蓄電池的損耗通常較容易獲取，一般可在相關文檔查到。跡計算器TradeOffTool權衡工具圖4即顯示了權衡工具16飛輪儲能與電池儲能碳足跡計算器。在默認設置情況下（所處位置為中國，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能時，無論哪種方式都可能比另一種“更綠色”。關鍵在于對“綠色”的定義，以及所做的假設和分析范圍。飛輪通常因其所使用的原材料、較低（或沒有）制冷要求以及預期較長的壽命，降低了對服務的要求而被誤認為是“更綠色”。本文中，我們關注整個生命周期內(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。這是因為飛輪在某些方面所減少的碳排放和蓄電池在整個生命周期內(nèi)減少的運行能耗碳排放相比，數(shù)量級較低。施耐德開發(fā)的