盐合物热化学储能结合朗肯-卡诺SSB蓄电池系统的热经济学评估

2026-06-26 19:44:00

卡诺电池是可再生动力浸透率提高的要害技能，因其能够完成适合长时间贮存的能量存储。高功率的成就是决定卡诺电池可持续性的重要因素。根据此，本文提出一种新型朗肯循环 卡诺电池其选用根据水合盐热化学储能的提热才能设计。研讨建立了根底卡诺电池及回热器建立了两种卡诺电池体系——根底型卡诺电池与选用回热器的卡诺电池，其储能容量均为10 MW/5h。研讨定量评价了卡诺电池体系的热经济功能及若干要害参数的影响效应。成果标明：得益于回热器的热量回收功能，装备回热器的卡诺电池在综合功能方面表现更优。根底型卡诺电池与回热器型卡诺电池体系的电-电功率、㶲功率及平准化储能本钱别离为48.48%、38.48%、0.2502 $/kWh与64.1%、48.94%、0.别离为1922美元/千瓦时。在卡诺电池体系中，换热器处产生的火用损最大，而引入回热器的卡诺电池节流阀火用损下降了70%。压缩机和涡轮机占有最大本钱比例——根底型卡诺电池平别离占比26.5%和24.8%，回热器型卡诺电池平别离提高至28.2%和27.2%；两种体系中节流阀的本钱占比均近乎可忽略不计（0.3%）。提高热源温度与反响物水合温度、下降环境温度，有助于提高电能-电能转换功率并下降储能平准化本钱。压缩机与涡轮机的等熵功率（尤其是后者）对热经济功能具有显著影响。当日充电时长延长至7小时，选用回热器的卡诺电池储能平准化本钱可降至0.1434美元/千瓦时。将反响盐替换为倍半水合碳酸钾（K2CO3·1.5H2O）可进一步优化体系功能。2一氧化碳3·1.5H2O)与四水合硫酸镁(MgSO4·4H2O)联用可将储能平准化本钱降至0.18美元/千瓦时。本研讨成果标明，这种根据热化学储能的卡诺电池在大规划电力存储范畴具有巨大使用潜力。

图文摘要：

2021年，全球二氧化碳（CO2）排放量2与动力消耗相关的二氧化碳排放量到达33.1吉吨，增幅达4.8%，标志着已康复至疫情前水平[1]。现代文明对化石燃料的过度依靠——其占全球一次动力消费总量的80%以上——对缓解气候变化与环境风险构成严重阻碍[2]。全球人口持续增长及动力消费水平上升，对动力需求攀升形成显著驱动力[3]。为推动动力转型，全球正协同尽力从碳基动力转向风能等可持续可再生动力[4]。这一改变旨在下降对化石燃料的依靠并减少碳排放。然而，可再生动力虽潜力巨大，但其间歇性特征与时空依靠性导致供需失衡，阻碍了大规划使用[5]。
在此布景下，研讨者们正投入很多精力推动电能存储技能的展开。当前大规划储能技能首要包含压缩空气储能(CAES)[6]、抽水蓄能(PHES)[7]、飞轮储能(FWES)[8]以及电化学储能(ECES)如锂离子电池[9]和液流电池(FB)[10]等类型。其间PHES与CAES已完成广泛的商业化推行与使用，但两者均受地舆条件约束。ECES是一项相对成熟的技能，但高昂的本钱和较短的循环寿命约束了其大规划使用[11]。卡诺电池(CB)作为一种选用抽蓄式热电存储(PTES)技能的大规划电能存储计划，已成为要害性立异技能。CB技能具有本钱效益高、寿命长[12]以及选址灵敏[13]等优势。典型的CB体系一般包含热机、储热单元和热泵(HP)。在热泵循环(充电阶段)，电网低谷或过剩电力经过压缩机转化为高温热能并存储于介质中。而在热机循环(放电阶段)，高温热能从头转化为电能。德国相关项目已证明了该技能的工程可行性[14]。PTES体系存在多种形式，其详细装备取决于充放电操作所选用的热力学循环挑选，例如根据不同工质[15]或储热介质[16]的Brayton型PTES，以及选用热集成[17]或有机闪蒸循环[18]的Rankine型PTES。相较于Brayton型PTES，Rankine型PTES可在较低温区（低于200℃）运行并具有更小的热损失[19]。该体系还能利用低品位余热进一步提高电能-电能转换功率（ηP2P），因而近年来获得更多重视。
迄今为止，已有很多科学研讨致力于估算、剖析和优化CB体系的热力学功率与经济功能。加压水一般被用于贮存显热，此外，二氧化碳、氨气及多种有机流体可作为热泵和朗肯循环的作业流体[20]。据文献报导，ηP2P因选用不同工质[21]与构型[22]而异，这源于能量利用方法与功率的多样性[23]。根据基团奉献法，乔等[24]发现选用R272fa的新型CB体系具有最优功能ηP2P在剖析70种工质的基本热物理特性后，得出57.5%的优化成果。Fan等[25]构建了四种根据有机朗肯循环(ORC)的CB体系，并选用遗传算法对运行参数进行优化。研讨发现，当储热温度从90°C升至130°C时，平准化储能本钱(LCOS)从0.42美元/千瓦时逐渐降至0.29美元/千瓦时。Lu等[26]提出选用组分可调的CB以提高体系功能。成果标明，与传统CB比较，ηP2P与火用功率(ηex选用非共沸工质时，基本CB体系的热力学功能与经济功能别离提高了22.4%与16.78%。Niu等[27]经过耦合太阳能，对根底CB体系及带回热器的CB体系进行了热力学与经济性评价。研讨标明，两种CB体系均存在最佳冷罐与热罐温度，该温度条件能完成LCOS同时使η %%P2P类似地，Frate等人[28]评价了年度体系功能。Kursun等人[29]根据不同参数剖析了不同热集成计划下CB体系的热经济功能，成果显示CB体系的电力存储容量在0.85 MW至9.1 MW之间动摇，η %%P2P功率区间为48%至81%，其间最低LCOSCB体系的平准化动力本钱确定为0.278美元/千瓦时。
小规划电力存储CB[30]一般需求提高其财政可行性，因而增强热力学特性（如能效[31]与存储容量[32]）至关重要。为下降㶲损失，Weitzer等人[33]构建了以有机闪蒸循环(OFC)替代有机朗肯循环(ORC)的CB体系，并研讨了存储温度与存储跨度的影响。研讨同时指出，可逆两级OFC基CB等先进构型更有利于——ηP2P然而，Wang等[34]展开的对比剖析标明，根据有机朗肯循环(ORC)的压缩蓄热(CB)体系在热力学和经济性方面均优于根据振动流换热的CB体系，详细表现为ηP2P和LCOS别离为33.55%与0.83美元/千瓦时、68.4%与0.34美元/千瓦时。Ma等[35]对优化工况下的CB体系进行了㶲剖析，在将储热体系最优上下限温度设定为126℃与99℃时，ηP2P和LCOS输出： 到达的数值别离为28.16%和0.36美元/千瓦时，且η %%ex这一数值为61.8%。在最近的研讨[36]中，研讨人员发现配对余热可用于CB回收，从而完成船只减排。经过多方针优化，最高η %%P2P热源温度升高至110%时即可到达。较高的热源温度一般有利于冷能电池（CB）的热力学功能与经济性[37]。Dai等[38]构建了兆瓦级储热容量的CB体系，模拟成果标明当热源温度从60℃升至100℃时，η %%P2P功率从25%提高至78%，并完成0.329美元/千瓦时的优化LCOS本钱。近期，Tafone等[39]选用相变资料（PCM）作为储热介质，对CB体系的动态特性进行了建模。η %%P2P热贮存功率达47.6%，储能密度为6.9千瓦时/立方米3别离得以完成。
从上述总述能够清楚地看出，已发表论文首要聚集于两个方向：1）CB体系的多性向方针优化，以寻求最大值ηP2P与最小值LCOS。2）热集成PTES方法对CB体系的影响及比较研讨。然而，针对CB体系储热密度的剖析研讨存在显著缺乏。选用加压水贮存显热是常见方法，但其储热密度极低，当储能规划到达兆瓦级时将占有巨大空间。相变资料的储热密度高于水的显热，但这一提高作用有限。此外，相变资料的相变温度固定，这约束了CB体系的作业条件。与显热和潜热贮存方法不同，根据水合盐的化学吸附储热作为一种热化学储能（TCES）技能，近期因其理论上的高热密度和极低热损失特性而备受重视。在各类TCES体系中，该技能因其较低的充能温度与高安全性[40]、较高转化功率[41]等特色锋芒毕露，成为更具前景的挑选。该可逆气固反响包含脱水（储热）与水合（释热）进程，其反响式表述为：Salt·(