《Journal of Power Sources》：Techno-economic analysis of standalone solar photovoltaic microgrid system integrated with sodium-ion batteries
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钠离子电池与光伏系统在微电网中集成技术经济分析，建立模型评估系统性能、电池退化及发电成本，设计软包电池并计算材料、工艺及overhead成本。研究涵盖1、1.5、2天 autonomy情景，当前电价0.58美元/kWh，未来有望降至0.23美元/kWh，指出电池循环寿命和规模化生产对成本的关键影响。
曼朱纳特·L·尼卢加尔 | 文卡塔赛拉纳坦·拉马德西甘
印度理工学院孟买分校能源科学与工程系，孟买，400076，印度
摘要
钠离子电池是具有巨大潜力的下一代储能技术，尤其在微电网应用中。本研究对集成太阳能光伏系统的钠离子电池进行了技术经济评估，考虑了其当前和未来的性能及成本。开发了一个建模框架来分析系统性能、电池衰减和发电成本。利用电池级参数设计钠离子软包电池并估算所需材料数量。电池总成本为材料成本、工艺成本和间接成本之和。对于没有确定市场价格的材料，使用成本估算模型来估计其成本。本研究评估了六种情况，代表了确保1天、1.5天和2天自主运行的电池系统当前和未来的情景。针对1.5天自主运行的钠离子电池，在当前情景下的发电成本为0.58美元/千瓦时，预计在未来情景下可降至0.23美元/千瓦时。本研究为确定微电网应用中的发电成本提供了关于电池循环寿命和大规模制造的见解。
引言
全球能源需求以每年1%–2%的速度持续增长，这引发了环境问题，并强调了向可持续能源资源转型的必要性[1]。近年来，作为独立能源资源的化石燃料使用量正在减少，以减轻空气污染和温室气体排放等环境危害。另一方面，风能和太阳能等可再生能源清洁且丰富，因此越来越受欢迎。然而，这些资源的间歇性要求实施储能技术以确保持续供电和稳定性。各种储能技术，如机械储能、抽水蓄能、热能和电化学储能，提供了不同的经济需求和解决方案。其中，抽水蓄能技术成熟、应用广泛且经济可行。但它也有局限性，例如需要充足的水资源、地理高度以及建设家庭输电线路。
近年来，电化学储能技术（如锂离子电池（LIBs）由于其稳定性、快速响应时间和效率而受到关注。尽管LIBs的市场趋势预计会增长，但其生产受到原材料（尤其是锂）价格波动和供应链限制的阻碍，这使得它们价格昂贵。从2019年到2022年，电池级Li2CO3的价格上涨了5.6倍，突显了该时间段内的价格波动性[2]。根据Vaalma等人的报告[3]，由于供需限制，将这些电池应用于微电网和电动汽车等大规模行业将具有挑战性。然而，近年来这些电池的成本有所下降[4]。与供应链稳定性和定价相关的挑战仍然存在。因此，开发创新和高效的储能技术对于满足未来需求至关重要。钠离子电池（SIBs）是一种新兴技术，由于拥有丰富的原材料（如Na2CO3、Na2SO4和NaCl）而受到重视[5]。这些电池被认为是现有LIBs的补充，两者具有相似的架构，可以与其现有制造工厂无缝集成[6]。SIBs的主要缺点是氧化还原电位较高、原子质量较大以及离子半径较大。
然而，随着最新进展，SIBs正在开发出更高的能量和功率密度。SIBs的两电极均使用低成本且轻质的铝作为电流收集器，而LIBs的阳极电流收集器使用铜。这些特点使SIBs在经济性和环保性方面具有优势。Faradion、HiNa、CATL、Altris、Natron Energy和Tiamat等公司正在努力将这些电池商业化，用于电网和电动汽车应用。最近关于SIBs的研究集中在开发由丰富、无毒且高度稳定的元素组成的正极材料上。在探索的各种正极结构中，层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物和聚阴离子化合物在成本、稳定性和电化学性能方面各有优缺点。层状过渡金属氧化物通常提供更高的工作电压和能量密度，但受到离子扩散动力学缓慢、循环过程中的结构不稳定以及过渡金属（如钴）成本高或毒性的限制。相比之下，普鲁士蓝类似物结构坚固且成本低廉，因为它们依赖于Fe和Mn等丰富元素，能够实现快速的Na+传输，但通常电压较低且能量密度适中，这限制了它们的整体能量输出。聚阴离子化合物则具有优异的热稳定性和结构稳定性，同时操作相对安全。在本研究中，考虑了Na3V2(PO4)2F3 (NVPF)正极与硬碳（HC）阳极的组合。NVPF/HC配置是一种成熟且具有工业相关性的SIB化学体系，在能量密度、成本和稳定性之间取得了平衡。NVPF提供了稳定的电压平台以及良好的结构可逆性，而HC确保了优异的钠存储能力和长循环寿命。
这些电池的实际可行性可以通过与电极活性材料的化学组成、电池组设计、循环寿命和安全性直接相关的经济分析来评估。Battery Performance and Cost模型（BatPaC）是一种广泛用于计算电池组制造成本的工具，特别是在电动汽车和电网储能等应用中[7]。Schneider等人[8]使用BatPaC框架比较了SIBs和LIBs的成本、比能量和环境影响。该研究得出结论，目前可用于SIBs的电极材料不如LIBs的材料。Vaalma等人[3]也进行了类似的观察，并对SIBs进行了成本和资源分析。根据Zuo等人的研究[9]，随着对SIBs的持续研究和开发，SIBs和LIBs之间的成本差距已经缩小。他们的研究表明，SIBs已成为LIBs的补充，并可能在大型行业中具有潜在应用。Baumann等人[10]筛选了各种SIBs正极活性材料，并将其与LIBs进行了对比，表明电池的能量密度对于确定成本和材料重要性至关重要。文献表明，关于先进SIBs的各种研究表明，这些电池作为下一代储能技术在经济可行性和可靠性方面具有优势。优化电极材料的电化学性能可以提高SIBs的竞争力和吸引力。此外，在实际应用（如微电网）中部署这些电池时，需要进行分析以评估其可行性并最大化其从可再生能源中获得的收益。
然而，SIBs在运行过程中会因过充和快速的充放电循环而遭受容量损失。这些电池中会发生多种退化机制，例如不可控的固体电解质界面（SEI）层形成、颗粒裂纹、钠沉积、枝晶形成和结构紊乱。本研究将SEI层形成视为主要的退化机制。SEI层是一层薄的钝化层，具有离子导电性和电子绝缘性，是由于硬碳-电解质界面处的电解质还原而形成的[11]。随着时间的推移，SEI层消耗了可循环利用的钠，导致不可逆的容量损失。通常使用基于物理的退化模型来研究这些退化机制，以估计SIBs的循环寿命。
可再生能源收集技术是减少温室气体排放的最有前景的方法之一。仅太阳能光伏（PV）系统就占全球可再生能源总量的75%，由于太阳能辐射丰富，它已成为主导技术[12]。为了实现2050年的净零排放目标，PV部署必须扩大规模，同时它也是印度偏远地区和小型村庄的理想电力来源[13]。然而，在孤岛式微电网中，由于季节性波动和负载需求的变化，太阳能PV系统产生的电力可能不足。一种可行的解决方案是安装电池储能系统（BESS）与PV系统结合使用[14]。Nilugal和Ramadesigan[15]在印度马哈拉施特拉邦的Wardha地区将SIB作为BESS，以促进其与太阳能PV系统的集成。他们的研究表明，电池系统有效管理了负载需求，没有出现任何负载损失情况。材料成本、循环寿命和工作潜力主要影响电池组成本。然而，从文献中可以看出，现有的成本分析仅限于比较LIBs，并未考虑未来的电极材料。
本研究对微电网应用的太阳能PV-SIB系统进行了技术经济分析，从当前和未来的市场角度评估了其经济可行性。使用基于物理的模型模拟了电化学和退化机制，以估算SIB的循环寿命。实施了功率控制策略以避免过充和过量发电。利用电池级参数和BatPaC模型设计钠离子软包电池并计算制造电池所需的材料数量。电池成本为工艺成本、间接成本和材料成本之和。本文的目标可以总结如下：
•实施了一个技术经济分析框架，将SIB与太阳能PV发电厂集成，以计算年化生命周期和发电成本。
•使用电池级参数设计钠离子软包电池。SIB电池组的成本为工艺成本、间接成本和材料成本之和。
•通过定性评估SIB的大规模制造、电池性能改进以及PV-SIB系统成本的影响，对当前和未来的能源成本进行了比较分析。
方法论与经济分析
本节解释了用于技术经济分析的太阳能PV-SIB系统的建模和仿真，包括电池设计、功率控制策略框架、SIB中的退化机制和经济因素，如图1所示。本研究的初始阶段侧重于钠离子电池设计，包括电池尺寸和估算电池组成本所需的材料数量。随后的仿真部分将太阳能PV系统与SIB集成
结果与讨论
本节展示了PV-SIB系统的数值仿真和经济结果。仿真使用了为期一年的实际负载数据。分析考虑了具有不同容量、退化率和PV-SIB系统成本的电池系统不同情景。
图4(a)和(b)显示了Wardha（印度中部）地区的每小时负载馈线数据和一年的PV系统输出。夏季由于冷却需求高，负载需求最大
结论
由于电动汽车和微电网等大规模项目的普及，对电池存储的需求一直在增加。对PV-SIB微电网系统进行了技术经济分析，考虑了其当前和未来的性能和市场趋势。实施了一种高效且节能的功率控制算法来管理负载需求并防止电池过充。P2D模型与EC模型结合使用，以捕捉SIB的内部动力学
CRediT作者贡献声明
曼朱纳特·L·尼卢加尔：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。文卡塔赛拉纳坦·拉马德西甘：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢印度科学技术部（DST，授权号DST/TMD/MES/2K18/188）和印度理工学院孟买分校工业研究咨询中心（IRCC）提供的财务支持。
