尼泊尔废旧电动汽车电池支持剩余水能发电的储能潜力研究

尼泊尔以水电为主的电网在丰水季面对明显的季节性电能过剩问题，因为储能基础设备有限，导致被迫弃电。与此同时，电动汽车（EVs）的快速遍及估计将在未来数年产生大量初次退役的电动汽车电池（EVBs）。本研讨量化评价了尼泊尔在全国范围内运用二次寿数电动汽车电池——要点针对磷酸铁锂（LFP）、锰酸锂（LMO）和镍锰钴（NMC）三种化学体系——作为固定式储能体系来消纳和存储过剩水电的潜力。本研讨选用依据情形的建模办法，经过整合依据典型运用形式和锂离子化学特性的电池退化模型，预算了初次运用寿数（成果显现为3.3至7年）及再运用时的剩下容量。针对尼泊尔国家自主奉献（NDC）与全面电气化方针，构建了多种电动汽车市场增加情形，猜测到2043年二手电动汽车电池累计可用容量将到达145吉瓦时至184吉瓦时。这些猜测成果与发电-需求曲线衍生的水电过剩情形相结合，评价了旱季可存储的剩下水电份额。研讨成果标明，在基准年2040年，经过改造的电动汽车电池在特定情形下可贮存旱季日均剩下水电的明显部分（67%至94%以上）。本研讨初次量化了以水电为主导的电网体系中二手电动汽车电池(second-life EVB)储能的潜力，要点揭示了其在缓解可再生动力限电和供给可观可用储能容量(最高达184吉瓦时)方面的效果——这在旱季尤为关键。研讨证明二手电池储能可作为提高尼泊尔电网灵活性、最大化可再生动力运用率及增强动力安全的战略处理计划，为该国清洁动力转型中的循环经济形式开辟了路途。后续研讨将聚焦于详细的体系级建模，包含技能经济剖析和试点项目开发，以进一步验证二手EVB储能在尼泊尔电网中实际运用与长期运转的功能体现。

引言

交通运送部分是全球温室气体（GHG）排放的首要来源[1]，约占全球二氧化碳（CO₂）排放量的24%[2]，总量达70亿吨二氧化碳当量[3]。为应对火急的减排需求，路途运送大规划电气化估计将在未来几十年对下降这些排放发挥关键效果[4]。电池作为能量存储体系，是电动汽车的核心部件。电动汽车电池（EVB）会因内部老化机制随时刻发生功能阑珊[5]。当电动汽车电池(EVB)容量衰减至初始值的80%时，即被认为不适用于车辆推进[6]。尽管EVB通常被视为清洁动力处理计划，但其出产和处理进程中伴随的排放与环境影响不容忽视[7]。为处理这些问题，在电池初次生命周期结束后将其改造用于二次运用，成为减轻这些环境影响的可行战略[8]。跟着电动汽车(EV)市场继续扩张，未来将有大量退役EVB可用于二次寿数运用[9]，这将进一步促进动力范畴的资源功率和可继续性展开。
电动汽车的可继续性不只取决于其运转功率，更关乎电池全生命周期的办理。电动汽车电池（EVBs）的寿数周期受荷电状态（SoC）、充放电循环、温度以及随时刻改变的放电深度（DoD）等多重因素影响[10][11]。图1阐释了EVBs的生命周期进程。经过存储运用中的电池再运用来延伸EVBs运用寿数，相较于新电池出产，可明显减少原资料挖掘需求、下降能耗并减少碳排放[12]。此外，研讨标明，将梯次运用电池作为储能体系可使年碳排放量减少2.8%至18.5%，具体减排效果取决于其运用场景[13]。关于一个完善的供应链而言，在收回前将退役动力电池（EVBs）优先运用于二次寿数场景至关重要[14]。比较之下，传统收回工艺会依据有价资料收回的可行性，直接将废旧电池送往矿藏提取环节或填埋处置[15]。尽管提取的矿藏可从头用于新电池出产，但不可收回资料将转化为填埋废物，这不只增加了本钱，还在电池全生命周期中继续引发环境问题[16]。莱斯特大学资料科学家Dana Thompson警告称，电池填埋处置或许导致重金属等有毒物质走漏，而收回进程自身也存在严重安全与环境风险[17]。在尼泊尔的布景下，国内锂矿资源的匮乏使得该国依赖进口电池，导致其经济露出于外部供应链的脆弱性之中[18]。此外，因为缺乏满足的收回与矿藏提取设备，废旧电池或许被直接弃置于废物填埋场（如图1所示），然后加重了环境风险。
电动汽车电池（EVB）的资料收回无法完成其最大经济价值，且本钱昂扬[19]。与直接收回比较，将退役动力电池改造用于固定式储能运用可将其功能寿数延伸至30年，然后推进循环经济展开[20]。依据9R循环经济模型，将梯次运用电池运用于可再生动力储能范畴，不只能提高动力可继续性、下降原资料需求，还能进步电网功率[21]。近期研讨还标明，在8年评价周期内，退役动力电池在环境和技能层面仍具可行性，这为固定式储能运用的中短期部署供给了更强有力的依据[22]。此外，与全新电池比较，将改造后的电动汽车电池(EVB)整合到可再生动力(RE)体系中可提高电力可调度性并下降储能本钱，然后更高效、经济地完成可再生动力并网[23]。尼泊尔长期面对的动力危机已对其经济、社会和政治展开造成严重影响[24]。因而，将废旧EVB改造用于可再生动力储能具有宽广前景。本研讨旨在评价退役电动汽车电池用于储能的未来潜力，及其与尼泊尔水电资源发电体系的整合可行性。
尼泊尔具有经过水力发电产生电力的巨大潜力，其技能经济可行性容量估计为42,000兆瓦[25]。水电在尼泊尔电力部分占据主导地位，占该国总装机容量的95%以上[26]。尽管到2023年12月，当时的水电装机容量约为2639.4兆瓦，但因为多个在建项目，估计未来一年将有明显扩展包[27]。尼泊尔在旱季因水电装机容量高于国内需求而出现动力过剩，而在旱季则因河流流量减少而面对动力缺少。
尼泊尔在旱季向印度和孟加拉国出口剩下电力，并在旱季进口电力以处理这种不平衡[28]。因为尼泊尔仅被授权出售特定数量水电站产生的电力（最大容量为452兆瓦[29]），电力出口仍然有限。因而，为保持体系平衡，其他水电站的过剩电力在旱季会被减少。据尼泊尔独立电力出产商协会（IPPAN）统计，价值1.92亿美元的电力...估计2024/25财年将减少4700万千瓦时的电力，且这一数字在未来几年还将继续增加[30]。尼泊尔近期一项关于水电过剩的研讨[31]猜测，到2028年该国旱季过剩电力将到达38亿千瓦时，年均电力增加率保持在8%。跨境电力买卖（Trade）与提高国内工业用电需求等战略可有用消纳过剩电力。但是仍存在许多挑战，包含印度方面批阅程序的官僚主义延误，以及尼泊尔国内不利于大型工业展开的环境[26]。
尽管水电通常被视为可调度动力，但其可控性在径流式（RoR）体系中受到严重约束——这类体系构成了尼泊尔发电主体[32][33]。RoR电站的蓄水才能可忽略不计，使得发电量直接取决于瞬时河流流量而非运转人员操控[31][34]。因而，即使经过水轮机调速，过剩水量仍须向下流泄洪，导致永久功能量损失[35]。因而，仅调控水流无法处理季节功能量失衡问题，尤其是喜马拉雅区域水电体系特有的季风期盈利与旱季缺少之间的不匹配现象[33]。尽管依据水库或抽水蓄能的水电技能理论上可完成季节性供需平衡，但此类项目具有选址局限性强、本钱密集度高及环境侵入性明显等特色[36][37]。在此布景下，电池储能体系（BESS），特别是电动车退役电池二次运用（second-life EVBs），为水电盈利存储供给了一种散布式、可扩展且环境影响较小的代替计划。
储能体系（ESS）经过应对间歇性和波动性带来的挑战[38]，在提高可再生动力体系灵活性与可靠性方面发挥关键效果。该体系经过平抑可再生动力发电的波动与不确定性[39]，保证安稳可猜测的动力供应，然后在实际运用中进步本钱效益与体系功能[40]。此外，ESS能下降能量损耗、抑制逆功率流，并增强针对不同负荷类型的峰值功率调度才能，使可再生动力并网更具功率[41]。该体系还可供给关键电网服务，如黑启动、频率调节、可再生动力转移、平滑处理和功率安稳，然后进一步增强动力体系的韧性[42]。尤其是电池储能，经过优化动力调度与功率，明显提高了水能体系的互补功能[43]。其低自放电率（每月0.5-2%）使其十分适用于中长期储能场景，例如季节性水电盈利办理[44]。约旦的一项研讨着重，将弃用可再生动力存储于电池储能电站是进步可再生动力运用率与电网安稳性的经济可行计划[45]。此外，将弃用可再生动力整合至梯次电池运用中，不只增强了可再生动力体系的经济性，还经过延伸电池寿数和减少废弃物进一步扩大了环境效益[46]。可再生动力渗透率的提高进一步下降了电池在整个运用周期内的环境足迹，有助于完成更可继续的动力未来[47]。
图2展示了全球储能体系按兆瓦容量区分的散布状况，突出显现了锂离子电池在电化学储能类别中的主导地位，其装机容量占比达90%[48]。这种广泛运用源于其高能量密度、长循环寿数、高效能以及低自放电率等优势，使其成为储能运用的理想挑选[49]。本研讨选取了三种特定锂离子化学体系——磷酸铁锂(LFP)、锰酸锂(LMO)和镍锰钴三元资料(NMC)，因其老练的功能体现、安全性及可再生动力并网适用性。这些资料的优异特性使其在完成电动汽车初次运用周期后，能够作为固定式储能体系中二次运用的可行候选计划，然后支持可继续展开和循环经济原则。
在全球范围内，经改造的二次运用电动汽车电池（EVBs）在应对可再生动力间歇性与限电问题方面的重要性已获得日益广泛的认可。这类电池为储能供给了一种可继续且经济可行的处理计划，尤其在全球动力转型的更广泛框架下。近期研讨证明晰其在多元化运用场景中的潜力。例如，Turan等人[50]展开了一项详尽的技能经济评价，要点论证了二次运用电池在离网储能体系中的可行性，并凸显其在孤立动力体系中兼具本钱效益与可靠性的优势。无独有偶，Iqbal等人[51]对二次运用电池进行了全面调研，证明晰其在固定式储能体系中的技能与经济可行性，这类体系对提高电网安稳性与运转功率具有明显奉献。
电动汽车动力电池二次运用的技能经济优势在文献中已有充分记载。Hu等[52]的研讨标明，二次运用锂离子电池可使电网级储能本钱下降高达30%，使其成为新建储能体系的有力代替计划。Salek等[53]着重，将二次运用动力电池整合至电动汽车充电站能明显下降体系本钱并增强可再生动力电网的弹性，进一步突显其财务与环境双重效益。与此相照应，Kang等[13]证明二次运用动力电池可使全生命周期碳排放减少高达18.5%，这使其成为向清洁动力体系转型的关键要素。
在尼泊尔，关于运用二次运用的电动汽车电池（EVBs）存储过剩水电的实证研讨仍处于前期阶段。现有研讨首要探讨了将过剩水电用于制氢的计划，没有体系评价依据电池的存储作为季节性调节手段的可行性[31]。因而，本研讨并不试图开发新的电池物理或退化模型，而是经过将符合国家自主奉献（NDC）的电动汽车选用轨道、依据化学特性的锂离子电池退化与退役行为、以及季节性改变的水电过剩量整合到一个一致的尼泊尔标准建模框架中，从运用性的体系层面推进研讨视角。经过严厉调整并整合既有模型与同行评审数据集以适应这一新型规划情境，本研讨就实际可用的二次运用电动汽车电池容量规划及机遇供给了具有决策参考价值的见地，以支持过剩水电消纳。该研讨初次对尼泊尔多种未来情形下消纳过剩水电所需的累积二次运用电动汽车电池容量进行了定量预算，因而奉献了一个面向方针实践的实用性运用，而非基础办法论的突破。表1阐明晰本研讨相关于具有代表性的从前工作的定位——其将老练的电池退化模型与电力体系模型运用于一个全新的国家层面过剩水电消纳情境中。
在此框架下，本研讨的首要奉献包含：

• 1.
  跨部分国家标准耦合模型：整合了与国家自主奉献（NDC）相和谐的电动汽车遍及轨道、化学特异性降解/退役行为（LFP/LMO/NMC）以及经过同行评审的过剩水电猜测数据，用以预算全国范围内可二次运用的退役电池存量演变趋势。
• 2.
  尼泊尔水电盈利运用案例的首个定量依据：将二次电池可用性转化为可解释的规划指标（即S-1/S-2情形下2040年可消纳的日均丰水期盈利能量占比）。
• 3.
  关于技能组合效应新见地：量化剖析电池化学资料挑选怎么改变退役周期，从而调控近期（2040年）梯次运用可行性（例如，磷酸铁锂占比提高或许推迟退役时刻，导致规划期内可用梯次运用容量下降）。
• 4.
  新式水电体系的可转移挑选办法：供给了一套可仿制的工作流程，其他水电主导的展开中国家可运用该办法，经过其自身的电动汽车展开轨道和剩下可再生动力猜测，来量化并确定二次寿数储能的规划与机遇。

该办法填补了现有文献的严重空白，并为未来储能处理计划（尤其是面对相似可再生动力挑战的展开中国家）供给了可操作性见地。本研讨将废旧电动汽车电池从头用于充裕水电储能，这一战略有望下降电力行业的温室气体排放，同时经过减少动力浪费推进循环动力经济的展开。经过完成限电动力的存储，该举措不只能减少温室气体排放，还能保证存储动力的高效运用——这关于当时面对高本钱与清洁动力获取受限问题的动力密集型产业尤为重要。
Joshi等人的研讨着重了将可再生动力（RES）与电动汽车整合的重要性[54]，该研讨发现电动汽车全生命周期温室气体排放量比内燃机汽车（ICEVs）低40%。这种减排首要得益于电力结构中可再生动力占比更高，以尼泊尔为例，该国简直完全依赖可再生动力发电，可再生动力占全国发电量的近100%[55]。这些发现凸显了优化剩下可再生动力存储及改造电动汽车退役电池二次运用对提高可继续性的重要意义。
因而，本文的首要方针是评价电动汽车退役电池在二次运用中贮存过剩水电动力的潜力。此外，本研讨旨在倡导相关方针以支持将废旧电动汽车电池用于固定式可再生动力储能体系，并有用运用被减少的动力，然后为缓解尼泊尔动力危机做出奉献。该研讨与可继续展开方针SDG-7（经济适用的清洁动力）[56]高度符合。本研讨着重评价退役电动汽车电池的储能潜力及其在扩展运用范畴的再运用价值。这些电池供给的额外储能容量可支持尼泊尔的过剩水电动力贮存，然后提高动力可及性与可继续性。最终，该研讨不只有助于推进清洁动力SDG-7方针的完成，还能协同促进交通与动力部分的减排工作。