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德国:将现有煤电站改造为“卡诺电池”储热电站,促进从化石向可再生能源的过渡 ...

2022-1-28 21:34| 发布者: admin| 查看: 246| 评论: 0|来自: 公众号:太阳能光热产业技术创新战略联盟

摘要: 图:从太阳能热发电到卡诺电池2020年1月16日,德国政府明确表示,政府决定在2030-2040年中后期关闭德国所有燃煤电厂。目前,德国三分之一以上的电力来自燃煤发电,从而产生大量温室气体,导致全球变暖。为不颠覆火力 ...

图:从太阳能热发电到卡诺电池

 

2020年1月16日,德国政府明确表示,政府决定在2030-2040年中后期关闭德国所有燃煤电厂。目前,德国三分之一以上的电力来自燃煤发电,从而产生大量温室气体,导致全球变暖。

 

为不颠覆火力发电行业的技术,可以保留目前火电站大部分设备和资产,还不会给国家和能源公司造成大量人员短时间失业的社会问题,德国宇航中心(DLR)提出了“卡诺”电池技术。 

 

据德国宇航中心(DLR)丁文进研究员介绍,“卡诺”电池是一种低成本、不受地域限制(相对于目前常见的抽水蓄能)、且能够储存GWh电量的储能技术于在德国乃至世界范围内,随着能源系统转型的深入,波动的可再生能源在发电中所占的比例越来越大,如何保证电网稳定安全运行的问题也越来越凸显,大规模储能是解决这一问题的核心技术之一。如今和可预见的将来,电池存储太昂贵且其循环寿命太差。在燃气轮机发电厂中用碳中性合成燃料(属于化学储能的一种,储存的能量来源于可再生能源或生物质)发电虽然也是一种路线,它具有所有储能系统中最高的能量密度,但缺点是生产成本高,且它们的生产需要大量的生物质,而现在或不久的将来无法提供足够数量的生物质。

 

图:卡诺电池的应用


诺贝尔物理学奖获得者、储能领域国际知名专家、斯坦福大学的罗伯特·拉夫林(Robert Laughlin)教授认为,电力-热能-电力存储系统(称为卡诺电池)将成为在碳中和能源系统中存储大量能量的关键技术。

 

在卡诺电池中,通过使用高温热泵将多余的可再生电能转换为90℃至500之间的热量。这些热量廉价地存储在水(90)或熔融盐(500)中,并在需要时通过热能过程转化为电能和热能。卡诺电池一个附加有价值的好处是,除了储存电能以外,它们还具有提供热量和制冷的能力。提供制冷的可能性对于印度和中国等国家的脱碳尤为重要。目前,熔盐卡诺电池的储电设备成本约在300元每千瓦时(储电效率最高可达70%,热电联供储能效率在95%以上),随着利用熔盐储热的太阳能光热发电产业和技术发展,熔盐卡诺电池的储电设备成本还有很大的下降空间;而且熔盐卡诺电池的储能次数超过10000次,配备熔盐储热的商业化太阳能光热发电站一般使用年限在30-50年。


自2014年以来,DLR和斯图加特大学一直致力于卡诺电池的概念研究,并与卡尔斯鲁厄技术学院(KIT)一起建立了NADINE研究基础设施,这将使卡诺电池得以展示并投入工业使用。最近几年,DLR还通过CHEST等项目,在德国政府的支持下,对一个50MW的燃煤电站改造成卡诺电池电站,建立一个示范项目。


如何将这个现有煤电站改造成一个储能电站?德国宇航中心高级顾问Michael Geyer博士介绍说,就是增加太阳能光热电站中的熔盐储能部分,下图中左侧红色部分为高温熔盐储罐,运行温度约565℃,黄色部分为低温熔盐储罐,运行温度约270℃,通过熔盐/蒸汽发生器系统的预热、蒸发、过热产生高温蒸汽,和煤电站现有的蒸汽混合,进入汽轮机组做功发电。在新增部分中,采用电加热器代替了太阳能光热电站中的镜场,电加热器的电力来源于弃风弃光电力。将熔盐储热装置加入到现有的朗肯循环中,整体效率约40%。

 

图:将熔盐储热技术集成到现有煤电站

 

“很多人可能认为40%的效率太低了,浪费了其他60%的电力,这里需要持有一个改变的观点,因为放弃燃烧煤炭,可以大量减少二氧化碳排放,此外,例如中国也存在大量弃风弃光,将这些低成本的电力进行利用,实现减排目的,因此效率数值本身不应成为衡量系统好坏的唯一评判标准。”Michael Geyer这样指出。

 

但是技术创新不会止步于此,对于电阻加热器部分,可以用热泵来替代,驱动电力仍源于可再生能源多余电力。另外,热熔盐罐将改成“热熔盐罐+高温散热器”,冷熔盐罐将改成“冷熔盐罐+低温热源”。较电阻加热器,热泵充热效率可以达到120%,从而系统整体效率达到50%。目前这种技术还在研发中,属于示范的第二阶段(电-热,热-电)。如果采用热泵进行放热,那后端朗肯循环部分将可以舍弃,运行流程将变为:电-热,储热,热-电。未来DLR将对可逆热泵系统进行试验示范(第三阶段),预计充放电总体效率将达到60%,或接近70%。

 

图:用热泵替代电阻加热器

图:可逆热泵系统的试点示范

 

据悉,目前Malta正在进行这种“电网级储能”装置的研制工作,将研究变成现实。

 

 


与锂电池等储电池相比,这种储热系统的最大优势是储存容量和时间非常长,而且寿命将达到35年。在未来,这将可能是最具成本效益的、最理想的储能系统。Michael Geyer补充道。

 

(文中部分信息综合翻译自:Webinar: Carnot Batteries – facilitating the transition from fossilto renewable generation)


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