关于在退役燃煤电机组中加装耦合卡诺邱健蓄电池以实现电网储能转换的研究

本研究通过集成卡诺电池，研究将退役燃煤电厂改装为长期储能系统。拟议系统将高温热泵、双罐熔盐热能储存和原有蒸汽轮机结合，形成闭环电-热-电通道，实现现有基础设施的全面再利用。开发了详细的热力学模型，以评估系统在不同工作流体和工作条件下的性能。结果显示，氩在适中的压缩比下实现最高的往返效率（59.67%），而二氧化碳则提供更优越的体积功率密度。电能和灵敏度分析显示，熔盐蒸发器和热泵子系统存在主要不可逆性。为增强在变条件下的适应性，提出了基于MATLAB–EBSILON的闭环控制策略，可将负能损失降低高达16.2%，并提升部分负载效率。技术经济评估显示，套利年利润为7701万美元，回收期为6.39年，储能平稳成本为149.09美元/兆瓦时，显著低于主流电池技术。这些发现证实了该系统在技术和经济上的强大可行性，为燃煤电厂的再利用和推进低碳能源转型提供了可扩展的路径。

简介

在过去十年中，可再生能源技术的全球部署迅速增长。这一加速源于紧迫性应对化石燃料枯竭、减少温室气体排放以及实现碳中和目标[1,2]。根据国际能源署（IEA）的数据，2023年新装机的可再生能源装机容量达到创纪录的560吉瓦，较2022年增长了64%[3]。然而，风能和太阳能固有的间歇性和地理不匹配，给维持电力供需实时平衡带来了重大挑战，从而对电网的可靠性和稳定性构成风险。为此，大规模、长期储能（LDES）系统成为支持可变可再生能源深度整合到现代电力系统的关键解决方案[4,5]。
在现有的低密度能源系统技术中，抽水蓄能和压缩空气储能受地理条件限制 [[6]， [7]， [8]]，而大型电池系统则面临生命周期成本、安全性和回收性等挑战 [[9]， [10]， [11]， [12]， [13]， [14]]。相比之下，热能储存（TES）提供了一种位置无关的替代方案，利用可扩展且经济高效的介质（如熔盐）以热的形式储存能量[[15]， [16]， [17]]。当与高温热泵和热机结合时，TES可以形成卡诺电池（CBs），实现双向能量转换并具备电网尺度灵活性[[18]， [19]， [20]， [21]]。近期研究表明，CBs具有技术和经济潜力。特别是使用熔融盐配合间接气液热交换的配置，可以减少热损失，提高运行压力，并提升往返效率和成本效益[[22]， [23]， [24]]。
与此同时，由于基础设施老化和脱碳需求，全球燃煤电厂（CFPP）正以加速的速度退役。在中国，退役机组已占总装煤装机容量的约52%，而德国这一比例为22.4%[25,26]。尽管排放较高，CFPPs历来在电网灵活性方面发挥了重要作用，尤其是在提供峰值和频率调节服务方面。因此，大规模燃煤装机的突然停机对电力系统的可靠性和运营韧性构成重大风险。
为应对这一挑战，将CB整合进退役的CFPP已被确定为一种成本效益高且实用的改造方案[27]。通过利用现有蒸汽轮机，这种方法可以大幅减少资本投资，同时将退役基础设施转变为灵活的储能系统。此类系统不仅促进可再生能源的整合，还扩展了CFPPs原有的电网支持功能。已有多项研究开始探索这一路径。例如，Yong等人[28]用电加热熔盐储存取代了超临界CFPP中的锅炉，发现消除烟气损失和温度不匹配带来了更高的热效率，满载时往返效率（RTE）达到41.8%。他等人[27]实施了类似的改造，并开发了能源套利模型，揭示了初始充电状态在盈利中起关键作用，改造后的系统在经济上优于电池储能[29]。Blanquiceth 等人[30]将两罐熔盐CB集成到带有热泵的CFPP系统中，实现了50–60%的往返效率。最近，Yong等人[31]提出了一种级联熔盐储存系统，结合CFPP，在20%–100%涡轮耐热率（THA）下实现了53%–56%的RTE。
尽管有这些令人期待的发展，但仍存在若干重要的知识空白。首先，CB积分对退役CFPP热力学特性的适应性尚未得到全面评估。其次，不同热泵工作流体在统一配置下对系统性能的影响仍不明确。第三，部分负载运行下的热不匹配问题，尤其是熔盐储存与热交换器之间的问题，尚未通过验证的控制策略得到彻底调查或解决。最后，大多数技术经济评估未纳入真实的电价结构或实际边界条件。这一缺失限制了此类分析在现实能源市场中的适用性。
为应对这些挑战，本研究开发了基于亚临界单元的卡诺电池燃煤电厂（CB-CFPP）系统。该系统集成了高温热泵、两罐熔盐热储装置和原有蒸汽轮机，形成闭环电-热-电转换循环。主要贡献如下：

• 1)
  对四种工作流体（CO₂、N₂、Ar和空气）对系统效率、能量密度和功率密度的比较分析;
• 2)
  灵敏度和电能分析以识别关键耦合参数和主要不可逆源;
• 3)
  设计负载自适应熔盐流量控制策略，以减少部分负载操作下的热不匹配;
• 4)
  开发一套技术经济评估框架，结合实时电价和生命周期成本，以评估其与主流储能技术的竞争力。