传统煤电能否转型为大规模、高效“电池”？-【浩博电池】 -

依托低阶煤电站的提质储热卡诺电池及其性能分析

邵明轩，孙杨，张祥，许诚，李栋，吴瑞鹏，王德昌

（青岛大学；华北电力大学；国网浙江省电力有限公司）

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.223261

1 研究背景

发展新能源电力是实现“双碳”目标的必由之路。风电、光伏等技术具有间歇性、反调峰性，需要配置大规模电力存储技术来维持电力系统极端工况的供求平衡。探索高效率、低扩容成本、不依赖地质条件、适应较长储能周期的大规模储能技术，是增强电网韧性、保障新能源电力持续高速发展的重要课题。

将热能作为储电媒介的卡诺电池，具有扩容成本低、不受地理条件约束的特点，有望成为大规模、长周期电力存储的技术选项。不过，作为大功率储能技术，两类典型的卡诺电池（布雷顿型、朗肯型）分别面临着关键设备技术成熟度低、能效低等问题。对于朗肯型卡诺电池图1(a)），是否可以在保留技术成熟度优势的同时，让热泵的产热以更高能级释放、从而适应更高效的放电循环、进而提高储能效率，是值得研究的问题。

图1 常规朗肯型卡诺电池(a)与依托低阶煤电站的提质储热卡诺电池(b)的能量转化模式对比

低阶煤（褐煤、次烟煤等）的预干燥是近年受到广泛关注的大型电站节能途径：利用大型电站的余热或低品位热去除一部分低阶煤的水分，可以显著降低锅炉的排烟热损失，从而实现节能。事实上，低阶煤的预干燥可将100~300℃温区的热能，转化为1800℃左右的燃烧热，进而转化为500~600℃的主蒸汽热能，这一过程实现了低品位热能的提质。而干燥低阶煤的短期存储也可以实现储能的目标。基于这一思路，本研究提出一种卡诺电池的新模式，即依托低阶煤电站布置的、具有“提质储热”特征的卡诺电池（图1(b)），有望打破储热温度对储能效率的制约；同时，卡诺电池与电站的耦合集成，有望改善电站的调峰能力与碳排放水平。

2 系统描述：依托低阶煤电站的提质储热卡诺电池

本研究提出了低阶煤电站与朗肯型卡诺电池的耦合互补系统（图2）。这一复合能量系统由三个核心单元构成：

（1）充电单元：主要包括热泵循环（与常规低温卡诺电池的充电单元相同）和干燥机。充电单元的性能可以借助电站抽汽提升。

（2）储能单元：主要包括干燥煤冷却器与储仓。充电单元产生的干燥煤，首先需满足此时的电站用煤需求，剩余的将储存在干燥煤储仓中。

（3）放电单元：直接使用低阶煤电站作为卡诺电池的放电单元。

图2 依托低阶煤电站的提质储热卡诺电池的核心流程示意图

3 案例分析与性能评价　

结合典型300 MW低阶煤发电机组构建了案例系统（图3），按照“24小时内干燥煤供求平衡”的原则设计了运行案例，进而深入地剖析了充、放电过程的能量转化特性（图4）与运行特性（图5）。结果表明：

（1）在深度调峰阶段，卡诺电池的充电功率可达到21.27 MW，电站最小技术出力小幅降低2%，二者将共同提升电站的深度调峰能力（以充电为主导）。若通过“一拖二”等方式拓展干燥煤需求，充电功率、电站的深度调峰能力有望进一步提升。24小时内，相较于传统燃煤电站，耦合系统可多消纳新能源电力165.5 MWh，日均储能密度约64.3 kWh/t。

（2）日均储能效率可达73.87%。若考虑电站抽汽的能量成本，总体储能效率仍可达到66.47%，显著高于利用相同抽汽的常规朗肯型卡诺电池（44.54%）。低阶煤的提质效应使卡诺电池可以利用蒸汽朗肯循环替代效率较低的有机朗肯循环，这是储能效率显著提高的主要原因。

（3）相较于常规电站，耦合系统单日可实现碳减排3.56%（134.52吨），主要原因在于夜间弃电对日间发电需求的高效替代。