邱健蓄电池燃煤电厂钙循环热化学卡诺电池的循环效率与经济性分析

在全球能源转型的背景下，可再生能源占比的持续提升对电网灵活性提出了更高要求。本文针对超临界燃煤电厂的灵活性改造，提出三种基于钙循环热化学卡诺电池的储能模型，分别实现专用电能存储、热电联合存储以及电能或热能稳定输出的功能。基于HEATSEP框架及融合火用信息的改进夹点分析法，本研究开发了多目标遗传算法，用于评估采用不同气体工质的卡诺电池热力学与经济性能。结果表明，在纯电能存储与释放场景中，氩气循环综合表现最优，其电能循环效率达0.44，动态投资回收期为10.54年。该模型可直接消纳可再生能源电力。若仅考虑发电厂改造，采用空气作为工质的电热混合储能模型展现出更强竞争力。该模型效率敏感型（放电）与投资敏感型（放热）构型的循环效率分别为0.44和0.37，动态投资回收期分别为9.0年与8.1年。卡诺电池系统还可扩展至光伏光热一体化电站，其在可再生能源电力整合方面表现出潜在优势，可与现有商业化储能方案进行直观对比。

引言

应对气候变化的能源系统低碳转型已成为全球战略要务（He 等，2022）。国际能源署预测，为实现净零排放目标，到2050年全球近90%的发电量将来自可再生能源（International Energy Agency (IEA)，2021）。然而，风电、光伏等可再生能源固有的间歇性、波动性与随机性特征，导致发电出力与用户需求存在显著的时空错配（Xu 等，2017；Wang 等，2023）。例如，在日内尺度上，午间太阳能发电功率峰值与傍晚电网负荷高峰之间存在约6-8小时的相位差。这种动态失衡会引发电网频率偏差及风光发电限电问题。亟需通过大规模储能技术引入系统灵活性，以平衡电力供需、稳定市场运行并平滑负荷曲线，从而维持电网稳定性（Serban et al., 2017; Oureilidis et al., 2016）。
当前，燃煤发电仍是电力系统的压舱石。中长期内其仍将作为主要的调峰资源（Wang et al., 2020），这对机组灵活性提出了极高要求。火电厂运营商通过降低负荷来提升容量利用率，以消纳并网可再生能源（Eser et al., 2016）。制约燃煤机组深度调峰的核心瓶颈在于锅炉燃烧稳定性。与此同时，快速Load变化下热力系统的非线性特性会加剧热效率衰减（Huang et al., 2025）。为快速、安全、高效适应负荷波动，火电厂亟需通过系统性技术改造提升调峰灵活性，关键Strategy包括锅炉本体改造、蒸汽旁路升级、分阶段省煤器优化及储能解决方案（Stevanovic et al., 2014）。其中，储能技术因其能够通过跨时间尺度能量转移实现发电侧与读档侧的动态匹配而备受关注。将储热系统集成至热力网络以实现锅炉与汽轮机间的热电解耦（Drost等，1989），是提升系统灵活性的重要策略。该方法不仅突破了传统燃煤机组深度调峰能力的上限，还显著降低了燃煤发电系统调峰过程中的㶲损失。
对于燃煤电厂而言，能量不仅可从锅炉侧提取，亦可从汽轮机侧获取（Zhao等，2018）。通过蓄存蒸汽热能，在降低发电机组出力的同时维持锅炉读档稳定性。这种基于抽汽的储热模式突破了传统机组"以热定电"的运行约束，已成为广泛采用的解决方案。早在20世纪末，研究者（Lausterer，1998）便尝试通过改变蒸汽流路快速响应频率波动，实现短期峰值功率输出。然而，由于缺乏独立储能单元，该系统无法实现跨时间尺度的能量转移。Richter等（2019）与Zhang等（2024a）进一步论证了电厂内专用热能存储单元的价值：前者研究表明充电过程可转移7.0%的装机容量，而放电过程可额外贡献4.3%，从而将频率控制供应能力显著提升至±2.8%。该结果证实了动态性能、循环效率以及平准化度电成本（LCOE）的可行性。Song等人（2023）研究了不同蒸汽接口在储热释热过程中的优劣，通过采用高温与低温熔盐复合系统，克服了单一系统与蒸汽换热配置产生的夹点温度效应。他们提出了一种低压缸零出力接口结构，显著提升了燃煤发电机组的调峰性能。Liu等人(2019)建议采用热泵与蓄热罐联合改造热电联产机组以增强灵活性。与电锅炉和低压缸协同改造方案相比，该方法在机组效率、读档转移能力和最大能效方面表现更为均衡。(Liu和Trieb，2022)重点研究了配置蓄热系统的电厂经济性评估。蓄热系统与电加热器配合可存储可再生能源发电量。尽管该方案相较常规电厂需增加建设成本，但仍是一种经济性优异的灵活性提升手段。Adibhatla等人(Adibhatla和Kaushik，2017)将储热技术同步应用于太阳能热聚光场与热力发电厂，在仅边际提升平准化能源成本(LCOE)与投资回收期的同时，显著提高了能源利用效率与电网稳定性。
传统储热技术如熔融盐显热存储面临诸多技术挑战，包括能量存储密度低、高温存储过程中热损失大以及显著的安全风险。其高昂的单位成本也阻碍了大规模应用（Breidenbach等，2016；Xie等，2024）。相比之下，钙循环（CaL）热化学储热技术（Ca(OH)₂/CaO）兼具经济性优势和高达244千瓦时/立方米的能量存储密度³具有适宜孔隙率（@ porosity 0.5）和最佳反应温度范围（400-600°C）的热化学储能技术已成为研究热点，并提供了一种可行替代方案（Zhang等，2023；Yan和Zhao，2016）。该技术通过可逆化学反应存储热能，实现无热损失的长周期、大容量储能。基于此框架开发的卡诺电池系统包含三个核心子模块：电热转换、热能存储与热力发电（Howes，2012；Desrues等，2010）。该系统以多模态配置运行，可同步存储热能与电能并实现双能释放，既能在能源充裕（或价格低廉）时储能，又能在需求时段稳定输出。该技术适配多种应用场景，包括燃煤电厂灵活性改造、太阳能光热存储及风光电力的直接存储。
目前，关于钙循环热化学卡诺电池在燃煤电厂灵活性改造及新能源电力存储中的应用研究非常有限，且大部分领域仍属空白。现有研究通常基于单一、特定的系统结构，采用固定能量输入与狭窄运行参数，未能系统评估系统可行性或在不同可再生能源场景下的可扩展性（Tian等，2026年）。热力学性能评估方法仍存在关键缺陷：研究者常混淆热能与电能，未能实现明确的热电解耦。先前研究频繁采用特定（通常为低品位）热负荷的热电联产模型，导致系统效率指标模糊化。这阻碍了与压缩空气储能、液压储能等主流纯电存储技术进行公平、标准化的性能对比。此外，当前的优化目标（Objective）往往缺乏经济约束，导致设计虽在理论上高效却不符合商业现实。
为填补这些知识空白，本文针对燃煤电厂与CaL热化学卡诺电池耦合系统提出三种创新配置方案：适配集成化充放电的电气储释能型；侧重直接发电的电热混合储能型；以及兼顾供热与发电的电热联供型。这些配置方案不仅适用于电厂灵活性改造，还可直接存储弃风弃光等可再生能源电力。与先前研究方法不同，本研究建立了多性向优化框架，通过引入㶲问题表改进了HEATSEP概念。该方法通过为所有物流分配温位等级，实现了热质参数的精确匹配。核心创新在于引入纯电循环效率指标，该指标将所有热能回溯至电力来源（以公用工程净发电量变化衡量），从而严格隔离并量化电能存储与转换效率。