《Journal of Energy Storage》：A comprehensive review of battery and hydrogen storage systems across technical, economic, and environmental dimensions
电力系统通过高比例可变可再生能源（Variable Renewable Energy, VRE）集成实现脱碳，关键依赖于电网级储能，以缓解间歇性并提升可靠性。该综述基于技术性能、通过平准化储能成本（Levelized Cost of Storage, LCOS）评估的经济可行性，以及通过生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）衡量的环境影响，对两类主导储能技术——电池储能系统（Battery Energy Storage Systems, BESS）与基于水电解并经后续燃料电池（Fuel Cell, FC）回转发电的氢储能系统（Hydrogen Storage Systems, HSS）——进行了系统性、定量化比较分析。研究方法包括对近年来同行评议文献及权威基准资料的系统综述。为确保在边界条件、成本基准年份、放电时长、运行假设及地理情境存在差异的异质性研究之间具备可比性，研究人员在适用情况下采用通货膨胀校正统一货币数值；将LCOS作为首要统一经济指标进行优先分析或情境化解释，并纳入对放电时长与循环寿命等关键参数的敏感性；同时在解释LCA结果时注重功能单位一致性（主要按单位交付电量kWh计），并突出敏感性分析因素，如回收率与电网碳强度。该分析的研究范围限定于支撑VRE并网的电网级应用，重点关注具有代表性的锂离子BESS化学体系与绿色HSS路径。关键结论表明，两者之间呈现互补而非竞争关系：BESS在高往返效率（85–95%）、毫秒级响应时间、高循环寿命以及中短时储能竞争力方面表现突出，因此适用于调频、套利与日循环运行。相较之下，HSS具有更高的质量比能量密度（120–142 MJ/kg）、在长时间尺度上近乎为零的自放电特性，以及在长时与季节性储能中的优势，尽管其整体链式效率较低（通常为35–50%）。环境维度揭示出权衡关系：BESS面临关键材料开采带来的显著前端环境负荷，例如锂、钴、镍，可通过提升回收水平部分缓解；而绿色HSS在运行阶段排放较低，但涉及基础设施相关负担。该研究的新颖性在于其多维度、并列式定量分析框架：整合了最新基准、标准化LCOS与LCA指标，并通过显式假设协调提升可比性；同时明确提出基于不完全替代动态的互补性视角，超越既有综述中常见的定性描述或特定应用比较。
1. Introduction
1.1. Importance of energy storage
论文首先从全球能源转型背景切入，指出太阳能、风能、水电与地热等可再生能源正在加速扩张，其驱动力来自气候变化缓解、化石能源依赖降低以及可持续发展需求。随着光伏与风电成本持续下降，可再生能源已由边缘补充能源转变为电力系统中的核心组成部分。然而，太阳能与风能具有显著波动性和间歇性，导致供需错配、弃能风险、电网稳定性下降以及价格波动加剧。因此，储能系统（Energy Storage Systems, ESS）成为高比例可再生能源（VRE）并网的关键支撑技术。文中强调，储能通过在高发电时段吸纳富余电能、在低发电或高负荷时段释放能量，实现时空解耦，从而提升供电可靠性与系统灵活性。作者还指出，除储能技术本体外，智能电网、传感监测、先进通信与需求响应机制同样是实现可再生能源高效消纳的重要支撑。
1.2. Battery energy storage systems (BESS) and hydrogen storage systems (HSS)
在储能技术谱系中，文章将BESS与HSS界定为当前应对可再生能源间歇性的两类核心路径。BESS通过可充电电池将电能转化为化学能并在需要时逆变回电能，其中锂离子电池（Lithium-ion Batteries, LIBs）因高能量密度、快速响应和高效率而得到广泛应用，覆盖户用到电网级多种场景。HSS则主要通过电解水制氢，将富余可再生电力转化为氢，再以储氢罐或地下洞穴等形式长期存储，并在需要时经燃料电池（FC）或燃烧方式回转供能。文中指出，BESS更适合短时快速响应应用，而HSS更适合长时、大规模与跨部门耦合应用。作者通过文献趋势分析说明，储能系统研究在近年持续增长，表明学界与产业界正同步强化对其系统价值的认识。
1.3. Knowledge gap
文章指出，现有综述多聚焦单一技术，或仅开展定性比较，缺乏统一的分析框架。尤其在技术、经济与环境三个维度上，多数研究彼此分离，且缺少标准化指标，使跨技术横向比较难以服务实际决策。为弥补这一缺口，本文提出统一的多维评价框架，将效率、能量密度、响应时间等技术指标，与LCOS经济指标及LCA环境指标整合于同一体系；同时以应用导向区分短时与长时场景，增强决策相关性；并通过统一数值口径提高比较鲁棒性。作者强调，本研究的创新性不仅在于比较BESS与HSS，更在于通过定量化、结构化和面向应用的方式完成比较。
1.4. Purpose of the paper
基于上述研究空白，论文目标是构建一个系统化、数据驱动的BESS与HSS比较框架，用于评估二者在可再生能源集成中的性能特征、适用领域与功能定位。文章明确提出：BESS适合高效率、短时、高频储能任务，如电网稳定、EV与日内能量平衡；HSS适合长时、大规模与季节性储能，以及工业和重载交通脱碳。作者同时将LCOS与生命周期环境影响纳入统一分析，力图为未来多层级储能系统配置提供理论支撑。
2. Energy storage systems (ESS) overview
2.1. Overview and classification of ESS
正文随后对储能系统总体进行分类，指出ESS可按储能机理分为机械、化学、电学、电化学与热储能五大类。抽水蓄能与压缩空气储能适于大规模储能，但受制于地理条件；飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage Systems, FESS）具备高功率密度与快速响应特征，但机械部件带来效率损失、维护需求与稳定性问题。通过对功率密度、能量密度、储能容量与放电时长的综合比较，文章说明不同储能技术在电力系统中的应用定位存在显著差异，这为后续聚焦BESS与HSS奠定了技术背景。
2.2. BESS
在BESS部分，作者系统概述了铅酸、锂离子、镍氢、液流电池等类型的技术特征。其中，LIBs因高能量密度、质量轻和高效率而成为代表性方案；液流电池则凭借优异的可扩展性和长循环寿命，适用于电网级储能。文章还引入技术成熟度等级（Technology Readiness Level, TRL）视角，指出铅酸与锂离子已达TRL 9，具备完全商业化基础，而锂硫、锌离子、混合离子等新型技术仍处于示范或早期商业化阶段。与此同时，文中讨论了BESS与光伏系统的AC耦合与DC耦合拓扑，指出前者扩展灵活但安装更复杂，后者效率更高但扩展性受限。此外，作者提到不同电池体系在恒流放电下荷电状态（State of Charge, SoC）与能量状态（State of Energy, SoE）的偏差行为，显示精细化运行管理对实际储能性能评估的重要性。
2.3. Barriers, enablers, and key stakeholders in ESS deployment
在部署层面，文章总结了ESS推广的驱动因素与障碍。驱动因素包括电网韧性提升、峰谷价差套利、可再生能源消纳、脱碳政策、技术进步、能源可及性提升以及电动汽车普及等。障碍则涵盖高前期投资、融资难、政策不确定性、制度协调不足、公众接受度、土地与基础设施约束，以及生态与社会经济影响。作者强调，材料开采、制造与报废处置过程中的可持续性问题，也构成储能部署必须正视的约束条件。
3. HSS overview
3.1. Understanding HS: definition, significance, and role
在氢储能总论中，文章将氢界定为一种二次能源载体，其价值在于连接可再生能源生产与终端利用，从而承担储能、调峰与脱碳功能。作者指出，氢可通过水电解、蒸汽甲烷重整（Steam Methane Reforming, SMR）或生物质气化制备，其中绿色氢因来源于可再生电力而具有低碳优势。氢储能生命周期主要包括生产、储存与能量回收三阶段，回收方式可为燃料电池发电、燃烧供热或其他转换路径。文中强调，氢不仅服务电力系统，还可拓展至交通与工业等难减排领域，因此在跨部门耦合中具有独特战略价值。
3.2. Types of HS
文章将储氢方式概括为物理储氢与材料基储氢两大类。物理储氢包括高压气态储氢、低温液态储氢与低温高压耦合储氢；材料基储氢则包括金属氢化物与液态有机储氢载体（Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHCs）。文中指出，不同路径在体积储能密度、质量储能密度、系统效率与基础设施复杂度方面各有优劣。
3.2.1. Compressed HS
高压气态储氢通常在350–700 bar下运行，具有技术成熟、基础设施适配性较强等特点。其储存效率约为85%–88%，适合交通与工业应用。作者指出，新型无内衬V型压力容器可通过树脂增韧与阻氢优化提升结构性能并减轻重量，但高强度容器制造成本与氢脆问题仍是主要挑战。
3.2.2. Liquid HS
液态储氢或低温高压储氢具有更高体积储能密度，但液化过程本身能耗较高，通常消耗氢总能量的20%–30%，使储存效率降至约60%。此外，热侵入导致的蒸发损失（boil-off losses）是长期储运中的关键问题，因此需要高性能绝热材料与蒸发气回收系统。作者认为，若液化过程由可再生能源驱动，其可持续性可得到一定改善。
3.2.3. Metal hydrides and chemical storage
金属氢化物与LOHC通过化学键合方式储氢，具有低压、安全性高、适于固定式应用等优势。金属氢化物的质量储氢密度通常较低，但体积储氢密度可观；LOHC则可在常温常压下运行，并具有较高储氢容量。文章指出，这类技术的关键改进方向在于降低材料成本、提升释氢动力学与整体能效。
3.3. Barriers and opportunities of HSS
作者总结认为，HSS的主要优势在于高质量比能量密度、长周期储能能力以及与可再生能源的兼容性，这使其成为季节性储能与深度脱碳的重要候选技术。但其发展仍面临制氢、储氢、运输与基础设施高成本，多级能量转换损失，安全性与标准体系不完善等问题。为推动其发展，文章提出需加强技术进步、建立长期补贴机制、简化监管审批、建设示范项目并加大安全与基础设施投资。
4. Comparative analysis of BESS and HSS
4.1. Energy density
在能量密度方面，LIBs典型值约为150–250 Wh/kg，而氢的质量能量密度可达33.3 kWh/kg，显著高于任何商用电池体系。作者据此指出，电池适合对体积与响应要求较高的紧凑场景，而氢更适合大规模、长时储能需求。
4.2. Efficiency
效率比较是全文核心之一。BESS尤其是锂离子系统的往返效率可达90%–95%，因此在高频率充放电和日内循环中具有显著优势。相比之下，HSS需经历电解、压缩或液化、储存以及燃料电池回转发电等多个环节，各环节损失累积后，系统往返效率通常仅为30%–52%。因此，氢不适合高频短周期应用，但在长时储能中仍具系统价值。
4.3. Response time
在响应时间方面，BESS可实现毫秒级输出，非常适用于调频、不间断电源与动态功率平衡。HSS由于涉及多阶段能量转换，其响应通常慢于BESS，更适用于日尺度以上的储能平衡、备用供能与工业耦合场景。
4.4. Scalability
作者指出，BESS已实现从户用到电网级的广泛部署，但大规模扩展面临锂、钴、镍等关键材料的资源与供应链约束，同时长时储能时成本上升明显。HSS则可借助大型储罐或地下盐穴实现超大容量与长周期储能，在季节性调节和跨部门应用方面更具扩展潜力。
4.5. Applications and use cases
应用层面，BESS适用于调频、套利、电动汽车充电和日内可再生能源平滑等高频、高效率场景；HSS则适合季节性储能、工业原料供给、燃料电池交通以及大规模电网后备。全文在此明确提出二者应依据时间尺度进行功能分工，而非相互替代。
5. Cost analysis
5.1. BESS costs
成本分析显示，LIB成本在2010–2020年间已大幅下降，并预计持续下行。尽管初始投资显著改善，但BESS全生命周期成本仍受衰减、维护、更换与关键材料价格波动影响。文章指出，公用事业级锂离子电池寿命通常为10–15年，相对于30年以上的可再生能源项目寿命，可能需要至少一次更换，这对长期经济性构成重要影响。
5.2. HSS costs
HSS方面，绿色制氢成本目前仍高于灰氢，电解槽、压缩/液化设备、储运设施及燃料电池共同构成主要成本来源。作者指出，随着可再生电价下降与规模化部署推进，绿色氢成本有望进一步下降，但在短期内其整体成本仍高于成熟BESS。
5.3. Techno-economic comparison of BESS, HSS, and hybrid storage
在统一高比例可再生能源电网情景下，文章采用LCOS对BESS、HSS及混合方案进行比较。结果表明，在1–8 h短时储能中，锂离子BESS的LCOS约为150–200美元/MWh，明显优于HSS的400–700美元/MWh；而在多日到季节尺度储能中，BESS的LCOS可能升至800–2000+美元/MWh，HSS则约为60–150美元/MWh，显示后者在长时储能中的成本优势。更重要的是，混合BESS–HSS架构可利用BESS承担日内平衡、HSS承担季节缓冲，实现系统级LCOS较单一方案降低约15%–30%。这一结论进一步强化了“互补而非竞争”的核心观点。
6. Efficiency and environmental impact
6.1. BESS efficiency and environmental considerations
在环境层面，BESS虽然效率高，但其制造阶段具有较高环境负担，主要源于锂、钴、镍等关键矿产开采及电池生产过程。文中指出，单位电池生产对应的碳排放可达25–50 kg CO
2-eq./kWh，且当前锂电回收率仍然有限。作者结合多项文献说明，通过回收、梯次利用与优化调度可降低环境负荷，但资源密集型特征仍是BESS面临的重要可持续性挑战。
6.2. HSS efficiency and environmental impact
HSS的环境绩效高度依赖于氢的生产路径。若采用绿色氢，其运行阶段接近零碳排放，并适合长期储能；但若依赖化石路径制氢，则其减排优势会显著削弱。文章同时指出，氢储运基础设施建设、材料使用、泄漏控制及液化压缩能耗同样构成环境负担。因此，HSS并非天然“零环境成本”方案，而是一种对上游能源结构与系统设计高度敏感的技术路径。
6.3. Efficiency and environmental summary
综合来看，BESS在技术效率上占优，但环境代价主要集中于前端材料链；HSS在效率上处于劣势，却在绿色制氢条件下具备更强的长周期低碳潜力。作者据此提出，未来储能体系更可能采用混合方案，通过BESS与HSS协同兼顾效率、容量与环境可持续性。
7. Real-world BESS and HSS projects
7.1. BESS projects
论文列举了多个实际BESS项目，展示其在全球范围内的快速落地，包括美国加州大型锂电储能电站、英国Minety项目、中国火电耦合BESS项目、南非Matjhabeng项目、哥斯达黎加Colorado BESS与德国M5BAT示范项目等。这些案例表明，BESS已在削峰填谷、缓解“鸭子曲线”、辅助调频及区域电网稳定方面形成成熟应用。
7.2. HSS projects
HSS方面，文章介绍了澳大利亚HyP SA、日本燃料电池汽车基础设施、德国Energy Park Mainz、HYDRIDE4MOBILITY、HySnow以及LOHC加氢站等项目。这些案例覆盖天然气掺氢、交通燃料、可再生电制氢、金属氢化物储氢和液态有机载体储氢等多条路径，说明HSS虽整体成熟度不及BESS，但已在多场景中进入工程示范和早期商业化阶段。
8. Challenges and future developments
8.1. BESS challenges
作者总结BESS的关键挑战包括容量衰减、热失控风险、关键材料稀缺、供应链波动、回收体系不完善与制造复杂性。不同电池技术各有瓶颈，但总体上都需要在安全性、寿命、成本与资源可持续性之间取得平衡。
8.2. HSS challenges
HSS主要面临高生产成本、基础设施不足、安全管理复杂、储运效率偏低及材料与工艺限制等问题。尤其在高压、低温或化学储氢条件下，系统复杂性和资本投入较高，限制了其大规模普及速度。
8.3. Future outlook for BESS and HSS
未来展望部分指出，BESS的发展方向包括固态电池、锂硫电池、钠离子电池、硅基负极、闭环回收与人工智能电池管理系统（Battery Management System, BMS）；HSS则聚焦绿色制氢规模化、先进金属氢化物、氨（NH
3）与LOHC等化学载体、新型储罐材料以及高效电解槽。文章强调，两类技术并非替代关系，而是将在多时间尺度储能体系中协同演进。
9. Conclusion and future perspectives
9.1. Key outcomes of this study
结论部分明确指出，BESS与HSS构成未来低碳电力系统中功能互补的双支柱储能架构：BESS负责秒级到小时级的快速调节与高通量循环，HSS负责天级到季节级的大容量能量转移与跨部门耦合。研究最重要的贡献在于提出了基于时间尺度分工的角色界定框架。
9.2. Limitations of this study
作者也说明了研究局限，包括文献数据异质性、LCOS与LCA边界简化、缺乏实时电网动态仿真、技术成熟度差异，以及地理与政策因素未被充分显式建模。这些限制意味着文中比较结果更适合作为决策参考框架，而非固定的工程设计结论。
9.3. Future research directions
在未来研究方向上，文章提出了较为明确的量化目标：BESS方面包括降低LCOS、提升回收率、延长循环寿命与提高运行安全性；HSS方面包括将往返效率提升至60%以上、降低电解槽资本支出、实现低成本绿色制氢、减少泄漏与蒸发损失，并提高体积储能密度；在混合储能方面，则需开发具备亚秒级决策能力的能源管理系统（Energy Management Systems, EMS），建立多时长协同控制架构，并通过市场与政策机制对快响应服务和长时储能容量进行显式价值补偿。总体而言，论文认为，未来高比例可再生能源系统的可靠运行，不依赖单一储能技术，而依赖BESS与HSS在统一框架下的协同优化。
