深冷卡诺电池储能系统用于液化天然气冷能利用：优化、热力学与经济性分析

2026-06-04 20:15:33

卡诺电池是一种高效储能技能，可完成电能与热能的双向转换。经过与冷能存储体系集成，低温卡诺电池（CCB）可以提供电力、供热和制冷等多能源输出。现有研讨首要聚焦于优化CCB体系热端以进步电-电转换功率，而冷端的效果——尤其是当液化天然气（LNG）冷能作为冷源时——仍未得到充沛研讨。液化天然气再气化进程在宽温域范围内开释很多冷能，但体系性分配战略的缺失限制了冷-电联供体系功能的提高。本研讨构建了一种耦合LNG冷能贮存的冷-电联供体系构型，经过优化66种典型储冷工况来评价储温挑选对体系功能的影响。剖析结果确立了低温运转的规划边界，并揭示了冷端办理在推动高效多联供储能体系中的要害效果。研讨结果表明，在50吨/小时的液化天然气（LNG）供给条件下，该体系可完成107.55%的最大电-电功率、2.50兆瓦的净输出功率，以及0.273美元/千瓦时的平准化储能本钱。此外，研讨还展开了全面的火用剖析与技能经济评价。这些成果凸显了冷端规划关于减少火用损、拓宽多能源输出潜力以及提高CCB-LNG耦合体系经济可行性的要害效果。

图文摘要

全球能源体系正在经历深刻转型，对化石燃料的依赖度持续下降，可再生能源的布置规模不断扩展[1,2]。传统热力发电体系以可预测的负荷需求为基础运转[3,4]，而风电、光伏等可再生能源发电技能则具有资源依赖性，必定导致出力动摇与间歇性问题[5]。这些特性使可再生能源大规模接入现代电网面临严重挑战[6]。
储能技能关于解决太阳能和风能等可再生能源的间歇性问题及电网不稳定性至关重要[7,8]。过去十年间，研讨者们已探索了多种储能解决计划，包括锂离子电池[9]、紧缩空气储能(CAES)[10]、液化空气储能(LAES)[11]以及氢能贮存[12]，其间部分技能已完成商业化应用。虽然各类储能技能均取得明显进展，但均存在限制其大规模布置的内在挑战。锂离子电池面临高本钱、安全顾虑和资源稀缺性问题；紧缩空气储能（CAES）受限于地舆依赖性和有限功率；液态空气储能（LAES）存在明显低温损耗与体系复杂性；而氢储能仍受制于高昂生产本钱与安全风险[13]。这些长期存在的局限性凸显了对新型储能体系的需求——必须一起完成可扩展性、高效性与经济可行性[14]。卡诺电池（Carnot Battery，简称CB），亦称泵送热能存储体系（Pumped Thermal Energy Storage，PTES）[15]，已成为克服传统储能技能局限性的极具远景的电网级解决计划。该体系经过充电阶段将充裕电能转化为热能、放电阶段再将热能重新转化为电能，具备高功率、大容量存储和地舆适应性等优势。这些特性使其成为可再生能源并网的要害技能，也成为功能提高与本钱下降研讨的首要焦点[16]。
CB体系一般分为基于布雷顿循环和基于朗肯循环的装备。与基于布雷顿循环的体系比较，基于朗肯循环的CB体系可在明显更低的热源温度下运转[17]，这使得它们特别适用于工业废热[18,19]、太阳能[20,21]和地热能[22]等低档次热源。这种集成带来两大优势：（1）经过收回原本浪费的热量进步电-电转换功率；（2）增强运转灵活性，使其可以适应动摇的能源输入和电网需求。Poletto等[23]将CB体系与数据中心集成，使用数据中心的废热驱动有机朗肯循环（ORC），该集成计划使用R1233zd(E)工质完成了43%的电-电功率。Wang等[24]提出了一种工业园区能源体系与PTES体系，本钱下降2.05-4.78%并增强电网支撑能力。此外，Qi等[25]将CO2储能与电制甲醇技能相集成，完成了近80%的功率和超过77%的可再生能源渗透率。Migliari等[26]研讨了与光伏电站耦合的热集成PTES体系，完成了0.72美元/千瓦时的平准化储能本钱(LCOS)和28.2%的功率-功率功率。
优化紧缩空气储能体系（CBs）的研讨作业已从体系装备扩展到结构创新和作业流体挑选等要害范畴。Zhang等[18]提出了一种集成低档次余热收回的紧缩热储能（PTES）体系，经过选用配备预热器和回热器的热泵与有机朗肯循环（ORC），该体系在运转工况下完成了99.3%的电-电功率。Bellos[19]研讨了具有双重余热使用的CB体系，取得36.7%的㶲功率与64kW的电力输出。该体系在160°C的储热温度下展现出最佳功能。Huang等[27]开发了选用ORC与有机闪蒸循环的共沸混合工质热集成PTES体系，其电-电功率分别为57.18%与46.66%，一起储能密度到达4.4kWh/m³。3以及11.487千瓦时/平方米3Weitzer等[28]研讨了有机朗肯循环体系中的两相Expansion，发现选用两相Expansion的有机闪蒸循环比较完全蒸发的ORC体系完成了8.9%的功率-功率功率提高。Han等[29]对冷布局CB体系的作业流体进行了优化，完成了65.49%的功率-功率功率和29.52%的火用功率。
从前的研讨首要集中于蓄热进程中储热技能的改善。比较之下，经过下降冷凝温度来增强放电阶段的能量开释，仍是体系功能提高中研讨相对缺乏的途径[30]。一种可行计划是使用液化天然气（LNG）的冷能——其在约-162°C再气化时可开释高达830 kJ/kg的冷能[31,32]。将LNG冷能作为冷源整合至CB放电循环中，可产生双重协同效益：（1）与传统的空冷或水冷式冷凝器比较，该计划能下降工质的冷凝温度；（2）经过扩展热源与冷凝器之间的温差，然后增加膨胀机的输出功。Wang与Zhang[33]开发了一种耦合环境热与LNG冷能的CB体系，其间LNG冷能被接入NH3选用Rankine循环，在液化天然气流量为2 kg/s时完成139%的电电功率和135 kW的净功率输出。Miao等[17]提出了一种低温CB体系，将LNG冷能集成至ORC作为冷源。该体系使用气化天然气发电，明显提高了电电功率，在储热温度为120°C、LNG压力为7 MPa条件下取得222.47%的最高功率。两项研讨均将LNG冷能作为Rankine循环的冷源，在LNG再气化进程中完成循环工质的冷凝。类似地，Zhang等[34]提出的CB体系结合了液氢冷能，取得159%的电电功率和102%的能效。
将液化天然气冷能整合至联合循环机组虽为提高热功率与功率输出的有用途径，但由于若干要害性未解难题，其全部潜力没有得到充沛开释。首要问题在于液化天然气再气化的广泛温区（从约-162°C至环境温度）与联合循环机组中工质凝结需求的明显热力学失配，导致仅有部分可用冷㶲被有用使用，然后限制了体系理论功率的上限。其次，针对该冷能的最优分配战略仍缺乏清晰定义。关于存储、排弃或直接使用的抱负份额，以及储冷容量与热交换进程中固有不可逆㶲损之间的权衡联系，这些核心问题没有得到解决。最终，体系双向相变进程的机理仍未被充沛阐明。在液化天然气（LNG）充能进程中高效地将热能传递至存储介质，并在释能进程中将该介质的热能转移至作业流体，这一要害技能难题现在没有得到充沛研讨。
本研讨经过提出一种选用分级蓄冷结构的液化天然气(LNG)集成冷能使用(CB)体系，旨在充沛使用LNG气化的全温区冷能，然后填补上述研讨空白。与以往将LNG冷能视为均质冷源的处理方式不同，本作业引入了一种温度分层的蓄冷战略。该方法经过使冷能存储与开释曲线与有机朗肯循环(ORC)的特定冷凝需求相匹配，然后一起提高火用功率与净功率输出。据我们所知，这是首个针对CB体系完整充放循环中LNG气化、工质冷凝与分层蓄冷介质之间耦合双向相变功能进行综合优化的开创性研讨。其首要创新点如下。

• (1)
  A novel CCB framework integrating multi-temperature cold storage is proposed to supply cold-heat-electricity simultaneously by harnessing LNG cold energy. By aligning the cold storage and release process with the condensation requirements of the Rankine cycle working fluid across different temperature ranges, the system achieves a more efficient utilization of LNG cold energy. The effect of temperature-dependent cold storage systems on the CCB's power-to-power efficiency and cold storage capacity is quantified and assessed.
• (2)
  Genetic algorithm (GA) has been adopted to optimize operating conditions and key parameters across various cold storage scenarios, maximizing power-to-power efficiency while balancing trade-offs with cold storage capacity.
• (3)
  A comprehensive economic and exergy analysis was conducted to evaluate each component's performance, providing clear guidelines for system design and operation. Additionally, a sensitivity analysis accounting for both internal and external factors was performed to assess the impact of various parameters on the LCOS.
• (4)
  A comparative study was conducted to evaluate the performance of CCB systems with and without a cold energy storage system, validating the necessity of cold storage for CCB systems coupled with LNG cold energy utilization.