中國(guó)粉體網(wǎng)訊 發(fā)展新能源電力是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路。不過風(fēng)電、光伏等技術(shù)具有間歇性、反調(diào)峰性，需要配置大規(guī)模電力存儲(chǔ)技術(shù)來維持電力系統(tǒng)極端工況的供求平衡。目前廣受關(guān)注的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能等。其中抽水蓄能規(guī)模大、存儲(chǔ)周期長(zhǎng)，但選址、運(yùn)行受自然水資源、地質(zhì)條件的約束；壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)能功率大、效率較高，但大規(guī)模儲(chǔ)能往往需要依托自然巖穴；電池儲(chǔ)能效率高，但受制于關(guān)鍵材料稀缺、預(yù)期壽命短、單位容量成本高等因素，更適用于中小時(shí)間尺度的場(chǎng)景（如調(diào)頻）。因此，進(jìn)一步探索高效率、低擴(kuò)容成本、不依賴地質(zhì)條件、適應(yīng)較長(zhǎng)儲(chǔ)能周期的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，是增強(qiáng)電網(wǎng)韌性、保障新能源電力持續(xù)高速發(fā)展的重要課題。
卡諾電池背景：傳統(tǒng)煤電轉(zhuǎn)型
在第七屆中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)論壇上，中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)綜合系統(tǒng)專委會(huì)主任許洪華提到，我國(guó)煤電在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間還是保證能源安全的壓艙石，煤電機(jī)組存量資產(chǎn)約4萬(wàn)億。我國(guó)能源中短期以煤炭為主不會(huì)改變，到2030年累計(jì)新增消費(fèi)約為350億噸煤，能源消費(fèi)中占比約為45%，2060年累計(jì)新增消費(fèi)約950億噸，中短期內(nèi)煤炭還無法替代。許洪華表示，在新能源消納方面，如果上述煤電資產(chǎn)棄而不用，將會(huì)造成巨大的浪費(fèi)。
其實(shí)在今年全國(guó)兩會(huì)期間，包括劉漢元在內(nèi)的多位來自新能源領(lǐng)域的代表、委員建議，我國(guó)新能源發(fā)展，要多學(xué)習(xí)借鑒電網(wǎng)設(shè)施相對(duì)老舊、但新能源消納卻非常成功的德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)。
2020年1月16日，德國(guó)政府明確表示，政府決定在2030-2040年中后期關(guān)閉德國(guó)所有燃煤電廠。目前，德國(guó)三分之一以上的電力來自燃煤發(fā)電，從而產(chǎn)生大量溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖。為不顛覆火力發(fā)電行業(yè)的技術(shù)，可以保留目前火電站大部分設(shè)備和資產(chǎn)，還不會(huì)給國(guó)家和能源公司造成大量人員短時(shí)間失業(yè)的社會(huì)問題，德國(guó)宇航中心（DLR）提出了“卡諾電池”技術(shù)。
卡諾電池簡(jiǎn)介
卡諾電池的概念于2018年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上出現(xiàn)在公眾面前，其原理是抽熱儲(chǔ)能技術(shù)。在這種技術(shù)中，電能以熱能的形式存儲(chǔ)，然后再利用熱能發(fā)電，實(shí)現(xiàn)電-熱-電的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化。
諾電池原理（來源：DLR）
一個(gè)卡諾電池系統(tǒng)由三部分組成：電能轉(zhuǎn)熱（P2T），熱能儲(chǔ)存（TES）和熱能發(fā)電（T2P）。
卡諾電池基本概念簡(jiǎn)化示意圖（來源：趕碳號(hào)）
電轉(zhuǎn)熱有許多方法。例如：電阻加熱、熱泵、或是其它熱力學(xué)或熱化學(xué)反應(yīng)。
熱儲(chǔ)能的技術(shù)會(huì)依據(jù)溫度和應(yīng)用而有所不同。常見的儲(chǔ)存材料有：熱水、熔鹽、巖石、液態(tài)空氣等。
熱轉(zhuǎn)電可以通過：熱機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)等。
卡諾電池與抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等技術(shù)相比不需要水庫(kù)、洞穴等地理?xiàng)l件，可以靈活的建造在各處，是一種理想的分布式儲(chǔ)能技術(shù)。雖然卡諾電池的效率（40%~70%）低于抽水蓄能電站（65%~80% 左右），但勝在運(yùn)行過程環(huán)保而且成本低廉，環(huán)境足跡小，預(yù)期壽命長(zhǎng)達(dá)20~30年，而最突出的優(yōu)點(diǎn)是原有的化石燃料發(fā)電廠的部分部件可以用來構(gòu)建電池。
卡諾電池研究應(yīng)用進(jìn)展
去年11月，DLR領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)成功建造并測(cè)試了以硝酸鹽為儲(chǔ)存介質(zhì)的卡諾電池。這種電池裝置可將電能以熱能的形式儲(chǔ)存起來，在需要的時(shí)候再用它來發(fā)電。DLR開發(fā)的潛熱儲(chǔ)存裝置是其卡諾電池系統(tǒng)的核心，里面有大約兩立方米的硝酸鹽。高溫?zé)岜美脙?chǔ)存的電能將鹽加熱到150℃，鹽受熱融化并吸收更多的熱量。第二個(gè)回路則將熱量傳遞到熱機(jī)，熱機(jī)驅(qū)動(dòng)帶有發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)。這樣電力就可根據(jù)需要反饋到電網(wǎng)中。該裝置的特別之處在于它的熱交換器。它們有兩個(gè)通道，一個(gè)用于輸入熱能，另一個(gè)用于排出儲(chǔ)存的熱。這使得系統(tǒng)能夠使用不同的制冷劑進(jìn)行操作，以便耦合存儲(chǔ)系統(tǒng)的不同部分。為了在蒸汽回路和鹽之間進(jìn)行有效的能量傳遞，熱交換器具有類似于雪花狀的橫截面，這可以使鹽的接觸表面最大化。
卡諾電池的尺寸、容量和能量管理可以定制，以滿足特定需求。它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)提供電力和熱量。儲(chǔ)存的熱量可直接用于許多工業(yè)過程。研究人員目前正在測(cè)試不同的負(fù)載場(chǎng)景、熱流和溫度曲線，以提高其整體效率。
研究人員表示，卡諾電池具有在可持續(xù)能源經(jīng)濟(jì)中廣泛使用的潛力。他們預(yù)計(jì)工業(yè)系統(tǒng)將在大約十年內(nèi)投放市場(chǎng)，以后這些設(shè)計(jì)將可用于更長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間和幾兆瓦的輸出。
卡諾電池應(yīng)用（來源：太陽(yáng)能光熱聯(lián)盟）
因?yàn)榈聡?guó)的帶動(dòng)，全球范圍內(nèi)已經(jīng)漸漸掀起一股卡諾電池?zé)帷?/p>
捷克技術(shù)大學(xué)節(jié)能建筑大學(xué)中心與熱泵馬赫公司合作，成功完成了通過卡諾電池中石塵中儲(chǔ)存的熱量來儲(chǔ)存電力的概念的測(cè)試；智利考慮將30座燃煤電廠改裝成卡諾電池，并開始與德國(guó)展開合作，智利決定，所有燃煤電廠將在2040年之前停止運(yùn)營(yíng)。
我國(guó)的華能集團(tuán)有限公司也在研究“煤電+熔鹽”儲(chǔ)熱技術(shù)，構(gòu)建基于煤電機(jī)組的儲(chǔ)能系統(tǒng)，即卡諾電池，實(shí)現(xiàn)跨周、跨月儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。這種季節(jié)性調(diào)節(jié)類似于抽水蓄能，把熱儲(chǔ)存一段時(shí)間后再利用。我國(guó)煤電廠數(shù)量眾多，利用這一技術(shù)，可發(fā)揮現(xiàn)有煤電廠的能力，盤活煤電資產(chǎn)，是符合我國(guó)國(guó)情的有效途徑。
參考資料：
1、邵明軒等，《依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池及其性能分析》
2、科技日?qǐng)?bào)，《德研發(fā)卡諾電池存儲(chǔ)可再生能源》
3、趕碳號(hào)，《這位專家語(yǔ)出驚人：光伏＋電化學(xué)儲(chǔ)能，可能讓我們誤入歧途》
4、太陽(yáng)能光熱聯(lián)盟，《德國(guó)：將現(xiàn)有煤電站改造為“卡諾電池”儲(chǔ)熱電站，促進(jìn)從化石向可再生能源過渡》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）
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