中國儲能網(wǎng)訊：第4章 熱儲能
4.1、簡介
根據(jù)研究機構(gòu)在2017年發(fā)布的一份調(diào)查報告，全球約75%的電力供應(yīng)是由熱力來源產(chǎn)生的，也就是燃燒燃料以加熱蒸汽、空氣或驅(qū)動渦輪機其他流體的發(fā)電廠。隨著電力部門致力脫碳，用于火力發(fā)電的熱源將從化石燃料轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ責(zé)崮?、氫燃料、太陽能熱能、生物質(zhì)能、核裂變和可能的核聚變等資源的更大依賴。其中一些發(fā)電設(shè)施需要應(yīng)對可再生能源發(fā)電可用性的變化；對于這些類型的發(fā)電設(shè)施，熱儲能(TES)設(shè)施可以提供靈活性。一些集中式太陽能發(fā)電設(shè)施的部署程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于太陽能發(fā)電設(shè)施，它們已經(jīng)使用帶有熱油或熔鹽的TES設(shè)施將電力從峰值日照時間轉(zhuǎn)移到滿足用戶需求的時間。研究人員提到了用于核電站的TES設(shè)施，以將儲能系統(tǒng)與核電相結(jié)合，以便可以同時提供基本負(fù)荷和峰值容量。在這些角色中，TES設(shè)施可以提高效率、滿足熱電聯(lián)產(chǎn)需求，并提供其他服務(wù)?？傊@些機會為未來脫碳電網(wǎng)中的TES設(shè)施技術(shù)提供了更多的機會。
本章重點介紹電力與熱能之間的存儲，這對TES來說是一個重要但范圍較窄的機會。TES的開發(fā)潛力集中在使用成本極低的儲能材料（如碎石）的能力上。為了利用這種低成本的儲能介質(zhì)，需要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是轉(zhuǎn)換的低效率和高資本成本將熱能轉(zhuǎn)為電能。
高功率和低能源成本的結(jié)合表明，TES是一種比較特別的長時儲能技術(shù)。其部署受到地理限制可能是一個主要因素，主要是提供數(shù)吉瓦時儲能容量所需的數(shù)千噸存儲材料的的大規(guī)模設(shè)施。TES設(shè)施的占地面積與火力發(fā)電廠相似，通常需要在相對平坦的土地上建設(shè)占地數(shù)十公頃到數(shù)百公頃的設(shè)施。其冷卻用水量取決于系統(tǒng)設(shè)計。規(guī)模經(jīng)濟(jì)通常利于在小規(guī)模應(yīng)用中使用TES設(shè)施，例如用戶側(cè)儲能系統(tǒng)。
根據(jù)對商業(yè)開發(fā)商和研究人員提出的TES系統(tǒng)的回顧，提出了克服熱電效率和電力成本等關(guān)鍵挑戰(zhàn)的三種主要策略。在所有策略中，TES系統(tǒng)都使用低成本的儲能材料。在第一個策略中，TES系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有的火力發(fā)電廠中（特別是燃煤發(fā)電廠），以替代燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，并重新利用現(xiàn)有的發(fā)電設(shè)備，從而降低電力成本。第二種策略考慮更有效的功率循環(huán)，峰值溫度略高于目前使用的儲熱技術(shù)的范圍。第三種策略依賴于更高溫度的儲能來提高效率，并且在一些實施例中，需要對更新的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)。這些策略為TES支持脫碳電網(wǎng)提供了多種途徑。
本章首先簡要描述了熱儲能的工作原理，然后概述了按功能分組的TES技術(shù)：充電、存儲和放電。在此基礎(chǔ)上，描述了利用這三種方法中的每一種的系統(tǒng)克服TES的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)的策略。最后提供了成本估算用于2050年的兩個說明性系統(tǒng)。
4.2、什么是熱儲能？
TES系統(tǒng)使用電力加熱材料；然后對加熱的材料進(jìn)行隔熱，直到需要能量，最后通過功率轉(zhuǎn)換裝置將熱量轉(zhuǎn)換回電能。圖4.1說明了具有47%往返效率的通用TES系統(tǒng)中與每一步相關(guān)的典型能量損失（其中“往返效率”定義為輸送回電網(wǎng)的電力與從電網(wǎng)中提取的電力的比例）。
圖4.1 熱儲能系統(tǒng)中的能量損失
該圖顯示了TES的主要挑戰(zhàn)之一：熱電轉(zhuǎn)換步驟的效率是往返效率的限制因素。相比之下，第一步（將電能轉(zhuǎn)化為熱能）能夠以最小的損失完成；如果有足夠的隔熱，在儲熱（第二步）期間對周圍環(huán)境的損失也可以限制在可接受的水平。
4.3、熱儲能技術(shù)
TES熱電轉(zhuǎn)換的三個主要步驟是將電能轉(zhuǎn)化為熱能、儲存熱能以及將熱能轉(zhuǎn)化回電能。雖然這一基本描述適用于其自身介質(zhì)中的儲能技術(shù)，但在討論熱儲能系統(tǒng)之前，需要在每個步驟中了解不同的技術(shù)選項。這些選項之間的某些協(xié)同作用與整體系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)。
4.3.1 充電：電加熱
由于這項研究的范圍僅限于將電能作為輸入和輸出的TES系統(tǒng)，因此忽略了其他潛在的熱源，盡管這些熱源可以在實際系統(tǒng)中使用，并且可以提高系統(tǒng)性能。這些其他潛在來源包括廢熱、核能、地?zé)?、太陽熱能?
為TES系統(tǒng)充電（將電能轉(zhuǎn)化為熱能）的技術(shù)選項包括電阻加熱器、感應(yīng)加熱器或熱泵。熱泵將熱量從低溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境，因此它們通常被描述為“反向運行的冰箱”。將電能轉(zhuǎn)化為熱能的品質(zhì)因數(shù)稱為性能系數(shù)(COP)，以區(qū)別于熱效率。熱效率是從一定量的熱量中產(chǎn)生多少電能，當(dāng)然不會超過100%，而且通常要低得多。但COP可以大于100%，這意味著在不違反熱力學(xué)定律的情況下，傳遞的熱量多于使用的電力。作為參考，住宅熱泵的COP約為2到4，具體取決于環(huán)境和所需溫度。對于相對較小的溫差，COP可能會很高，但隨著溫差的增加，COP會下降，如圖4.2所示。該圖顯示了一個標(biāo)準(zhǔn)情況，其中低溫?zé)崃坑?5℃的環(huán)境空氣提供。熱泵設(shè)計的改變可以略微提高COP，并調(diào)整高低溫?zé)崮艿谋壤?。與電阻和感應(yīng)加熱器相比，較高的資本和運營成本是熱泵的缺點。其確切值未知，因為高溫?zé)岜蒙形磳崿F(xiàn)商業(yè)化。
圖4.2充電性能系數(shù)（COP）
電阻加熱器可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能，COP超過90%，但其COP不能超過100%。電阻加熱器可以直接放置在儲能材料中，內(nèi)置在管道中，或放置在容器或管道附近進(jìn)行間接加熱。感應(yīng)加熱使用振蕩磁場在儲能材料或中間傳熱流體內(nèi)產(chǎn)生熱量。感應(yīng)加熱相比間接電阻加熱可以克服一些傳熱阻力；然而，感應(yīng)加熱設(shè)備更昂貴，并且不適用于所有材料。
最高儲存溫度將是選擇加熱器的一個因素。當(dāng)前的熱泵設(shè)計在550℃左右，并具有實際限制，這是由于可用于渦輪機械的材料的特性。與此同時，感應(yīng)加熱器可以將材料加熱到3,000℃，但環(huán)境條件和密封材料可能會設(shè)定一個下限。由金屬材料制成的電阻加熱器在氧化環(huán)境中可達(dá)到1,400℃，而由陶瓷或其他材料制成的加熱器可超過2,000℃，具體取決于環(huán)境。而更高溫度的加熱器往往成本更昂貴。
正如研究報告所討論的，在可變的可再生能源發(fā)電份額較高的電力系統(tǒng)中，預(yù)計電價在一年中的許多時間都將處于低位。因此，在較高的COP與較低的充電功率成本之間進(jìn)行權(quán)衡可能是有利的。即便如此，與其他參數(shù)相比，充電效率和成本仍然是次要的。
較低的充電效率意味著更多的電力將用于存儲相同數(shù)量的熱量。這對滿足目標(biāo)放電曲線所需的存儲容量沒有影響，目標(biāo)放電曲線由放電效率和自放電率決定。電阻加熱器很可能是用于TES系統(tǒng)的最常見類型的加熱元件，因為它們單位成本較低。
4.3.2、蓄熱
正如本章介紹中所提到的，與大多數(shù)其他形式的儲能技術(shù)相比，熱儲能的優(yōu)勢在于能夠使用低成本的儲能材料。TES系統(tǒng)適用的長時儲能應(yīng)用以低于20美元/kWh的資本成本為目標(biāo)。
為了幫助理解材料選擇過程，可以將以電力為單位表示的蓄熱成本(美元/kWh)分為排放效率損失和蓄熱成本(美元/kWh)。如果假設(shè)熱電效率為50%，則儲能成本應(yīng)低于10美元/kWh。其效率在大約40%到60%的范圍內(nèi)。無論確切的效率如何，其成本顯著地限制了可以使用的材料。一些材料的成本就會超過預(yù)算，甚至在考慮到與能源容量相關(guān)的遏制、絕緣和建筑成本之前。
正如本文討論的那樣，重點是TES中的放電步驟，較高的蓄熱溫度可以提高熱效率（將存儲的熱量轉(zhuǎn)換回電能）。
盡管這一步驟的效率很大程度上取決于所使用的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，但熱效率低下會影響能源的資本成本。因此需要采用高溫材料，因為它們可以實現(xiàn)更高的效率。然而，遏制和隔熱的成本也隨著溫度的提高而上漲。不同的系統(tǒng)在能源成本、電力成本和熱電效率是TES的主要設(shè)計挑戰(zhàn)之一。
溫度-效率關(guān)系通常排除一些溫度不能超過400℃的材料。這些材料可能仍可用于發(fā)電以外的應(yīng)用。因此，基于材料的能源成本的考慮可以快速過濾掉不相容的選擇。每單位熱能的材料成本可以通過幾個變量來估計。對于顯熱，變量是單位質(zhì)量成本、比熱容和溫度變化。對于儲存潛熱，其變量是單位質(zhì)量成本和熔化潛熱；熔化潛熱是與固體和液體之間的相變相關(guān)的能量。
除了成本之外，還有幾種方法可以對儲熱材料進(jìn)行分類。最廣泛的區(qū)別是將熱能存儲為顯熱或潛熱，如圖4.3所示。當(dāng)儲熱材料被加熱時溫度升高會獲得顯熱，其中“顯熱”一詞是指可以通過溫度變化感知熱量的事實。相比之下，潛熱是在相變過程中在恒定溫度或溫度范圍內(nèi)吸收或釋放的熱量。
圖4.3 儲熱材料的分類
與顯熱存儲相比，潛熱存儲的一個好處是更高的比能量和能量密度。對于潛熱，這些值可能比顯熱大一個數(shù)量級。然而，對于電網(wǎng)規(guī)模的儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)占用的空間并不是主要問題。與其相反，主要關(guān)注的是成本——其前提是儲能技術(shù)能夠滿足特定應(yīng)用的要求。例如住宅供暖，更高的能量密度是有利的。
（1）顯熱蓄熱
用于顯熱儲熱的材料可以根據(jù)它們是固體還是液體來分組。液體可以流動，這有利于有效的熱傳遞，但存在凝固的風(fēng)險，這可能會損壞熱儲能系統(tǒng)。而在聚光太陽能發(fā)電設(shè)施中，通過在管道和冷藏罐中使用電伴熱方法解決了這個問題。這種方法的缺點是增加了資本成本和寄生能量損失。
熔鹽是液體存儲材料的一個例子，它已被用于在集中式太陽能發(fā)電廠中提供13GWh以上的電能。目前用于熱儲能的大多數(shù)熔鹽是硝酸鹽，最高溫度約為550℃，但它們的成本超過了10美元/kWh的目標(biāo)。開發(fā)商致力通過提高碳酸鹽和氯化物熔鹽的溫度限制來降低成本，但腐蝕一直是一個主要挑戰(zhàn)。其他液體如熔融玻璃和硅已被提議作為候選材料。玻璃和硅可以分別達(dá)到1,200℃和2,400℃的溫度，但每一種材料都會帶來新的挑戰(zhàn)。
在傳統(tǒng)應(yīng)用中，液體存儲材料儲存在兩個罐中，熱罐用于儲存熱液體，冷罐用于儲存冷液體。這要求容納體積是存儲材料體積的兩倍。另一種設(shè)計是溫躍層罐，它將冷熱液體存儲在同一個罐中，以減少內(nèi)部傳熱損失。這種方式包括物理障礙和分層。而取消一個儲罐所節(jié)省的成本必須超過從熱區(qū)到冷區(qū)增加熱量損失的運營成本。
一個研究領(lǐng)域涉及采用成本更低的固體填充溫躍層罐，同時使用液體將熱量傳入和傳出儲罐。由于大部分熱容量由固體提供，因此可以更好地將其理解為浸入傳熱流體中的固體存儲形式，而不是液體存儲形式。其他形式的固體存儲在沒有持續(xù)浸泡的情況下運行。
如果使用地球儲量豐富的材料，固體儲存的成本可能低于液體儲存。然后，其挑戰(zhàn)變成了向固體傳遞熱量和從固體傳遞熱量。在較大的存儲體積下，如果該過程僅依賴于通過固體的熱傳導(dǎo)，則傳熱速率和有用熱量都會降低。
為避免這種情況，一種選擇是排列固體材料，使流體可以流過空隙。與碎石等散裝材料相比，耐火磚等成型材料的流動更容易控制。傳熱流體可以直接接觸或在管道中流動以進(jìn)行間接傳熱。與溫躍層罐系統(tǒng)一樣，固體存儲設(shè)計需要考慮由于充電或放電過程中的溫度梯度造成的內(nèi)部損失。此外，由于熱循環(huán)，固體會隨著時間的推移而分解。可以通過控制傳熱速率和材料選擇來管理這種損壞。熱循環(huán)還會導(dǎo)致松散固體沉降到容器底部，從而在容器冷卻時對容器施加應(yīng)力。
另一種固體儲存選擇使用儲存在罐中的顆粒以及與顆粒兼容的熱交換器。與其他形式的固體不同，這些顆?？梢院苋菀椎厮奶幰苿樱瑥倪@使得儲熱部件的設(shè)計與傳熱過程的設(shè)計分離成為可能。如果固體存儲組件不需要同時完成這兩項工作，則熱交換器的尺寸可以獨立于系統(tǒng)的儲能容量，以降低系統(tǒng)總成本。顆?？赏ㄟ^傳送帶或流態(tài)化進(jìn)行移動。流態(tài)化涉及在顆粒下方吹氣并提升這些顆粒，使它們像流體一樣移動。流態(tài)化已經(jīng)在一些燃燒和化學(xué)過程中使用了幾十年。與液體儲存一樣，顆?？梢詢Υ嬖趦蓚€罐或一個罐中。
（2）潛熱蓄熱
正如人們已經(jīng)注意到的，潛熱存儲利用相變，因此被稱為“相變材料”（PCM）。大多數(shù)PCM依賴于固液相變。液-氣和固-氣轉(zhuǎn)換是不切實際的，因為體積上的巨大差異會帶來巨大的工程挑戰(zhàn)和成本。而固-固轉(zhuǎn)換或者發(fā)生在低溫下或者具有相對較低的潛熱——這還不到經(jīng)歷固液轉(zhuǎn)變的金屬基PCM潛熱的 25%。
PCM可以在其液相和固相中以顯熱的形式存儲額外的熱量。在最簡單的情況下，金屬合金等單一材料會發(fā)生相變以吸收或釋放熱量。材料的混合物也可用于降低成本或降低廉價材料（如硅）的高熔點。
降低熔化溫度對于低溫系統(tǒng)來說是可取的，因為它降低了與高溫耐受性相關(guān)的成本。在組成材料的特定比例下，混合物是共晶的，這意味著混合物在單一溫度下發(fā)生相變。非共晶混合物在固相和液相共存的溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷相變。
圖 4.4 顯示了PCM的幾個選項，并將它們的熔化溫度與能量密度進(jìn)行了比較。由于PCM在釋放熱量時會固化，因此它們不能像用于顯熱存儲的液體那樣流動。出于這個原因，PCM的傳熱提出了與顯熱存儲中使用的散裝固體類似的挑戰(zhàn)。如今有幾種潛在的工程解決方案。一些設(shè)計將熱交換器嵌入到PCM中，并通過組件泵送傳熱流體。可以將具有高導(dǎo)熱性的填充材料（例如金屬纖維）添加到PCM中以提高傳熱率。
圖4.4 潛熱材料
PCM可以被封裝，這樣傳熱流體可以流過PCM，而不會與其混合或反應(yīng)。封裝的一個有趣變化涉及使用混溶性間隙合金，它將PCM嵌入不同材料的基質(zhì)中。整體封裝過程可能比單獨封裝更便宜。例如，鋁可以嵌入石墨基體中，銅可以嵌入鐵基體中。除了傳熱之外，其他設(shè)計問題還包括循環(huán)壽命、多組分材料的組分分離以及與密封材料的不良反應(yīng)。一些系統(tǒng)中的另一個挑戰(zhàn)是熔化或凝固過程中的體積膨脹。這會引入應(yīng)力，導(dǎo)致安全殼隨著時間的推移而破裂。
圖4.5顯示了幾種顯熱和潛熱儲存方案的成本估算。該估計僅基于直接材料成本以提供一般比較。
圖4.5 材料溫度與儲存成本
除了根據(jù)材料使用的儲熱機制（即顯熱與潛熱）對材料進(jìn)行分組外，材料還可以根據(jù)其熱量和機械性能以及其他特性（例如毒性和與容器材料的反應(yīng)性）進(jìn)行分類。雖然在選擇存儲材料方面具有靈活性，但這種設(shè)計選擇涉及權(quán)衡影響系統(tǒng)其余部分的能力，即實現(xiàn)較低的單位能源成本和可接受的效率和放電功率成本。
（3）密封和隔熱
密封和隔熱是熱儲能系統(tǒng)的組成部分。較高的溫度會通過腐蝕和蠕變等機制增加容器密封失效的可能性?？煽康拿芊馐潜匾模@樣熱儲能系統(tǒng)才能在其整個生命周期內(nèi)持續(xù)數(shù)百次或數(shù)千次循環(huán)。如果沒有可靠的密封措施，存儲材料或傳熱流體的泄漏將導(dǎo)致停機，并且需要對某些設(shè)計進(jìn)行潛在的具有挑戰(zhàn)性的維修。存儲材料和密封材料之間的兼容性可以是儲能系統(tǒng)特定的。
隔熱是設(shè)置自放電率的關(guān)鍵因素。作為參考，目前的熔鹽罐每天損失大約1%的儲存熱量。盡管與其他技術(shù)相比，這種損失似乎很高，但每天1%的恒定熱損失率在兩周后會留下大約85%的總?cè)萘?。除了隔熱之外，另外兩個重要因素是容器的表面積與其體積的比率以及存儲材料的溫度。系統(tǒng)越大，其表面積相對于其熱質(zhì)量越小。這會降低熱泄漏率，并使隔熱更具成本效益。
在顯熱存儲系統(tǒng)中，熱損失減少了存儲的能量和介質(zhì)的溫度。較低的溫度會降低放電效率。在潛熱儲存系統(tǒng)中，能量容量會較低，但如果 PCM 尚未完全固化，溫度將保持恒定。這可能有利于保持放電效率，但與周圍環(huán)境的溫差保持較高的自放電率。在這兩種情況下，假設(shè)系統(tǒng)可以承受更高的溫度，存儲介質(zhì)可以被加熱到設(shè)計的放電溫度以上，以抵消預(yù)測的自放電損失。
高溫隔熱材料的成本可能很昂貴，它有時比玻璃纖維絕緣材料的成本高10或100倍，玻璃纖維隔熱材料通常用于低溫應(yīng)用。因此，高溫隔熱通常僅限于系統(tǒng)最熱的部分。隨著遠(yuǎn)離內(nèi)層的溫度降低，可以使用成本較低的材料，例如硅酸鋁和礦物纖維?？梢允褂枚栊詺怏w（例如氮氣和氬氣）代替隔熱材料中的空氣來減少氧化，從而降低隔熱材料的質(zhì)量。
在高溫系統(tǒng)中，輻射熱損失也將是一個問題。已提出的一種選擇涉及使用金屬薄膜的低發(fā)射率涂層。有人建議將環(huán)境或真空隔熱板作為通過減少對流傳熱來提高隔熱性的手段。雖然此類面板用于建筑物，但可靠性可能對較熱的結(jié)構(gòu)構(gòu)成挑戰(zhàn)。
作為系統(tǒng)成本的一小部分，隔熱成本可能非常重要。盡管成本低，但這會使高溫儲熱材料的吸引力降低。根據(jù)文獻(xiàn)的一些估計，絕緣成本可占熱儲能系統(tǒng)總能量容量成本的一半左右。這表明低成本的生產(chǎn)方法或更便宜的隔熱替代品是未來研究的領(lǐng)域。
4.3.3 放電：熱電轉(zhuǎn)換
在熱電轉(zhuǎn)換步驟中，更高的溫度產(chǎn)生更高的效率，如圖4.6 所示，盡管在非常高的溫度下進(jìn)一步的效率增益會增加（超過1,200℃）。
圖4.6 根據(jù)卡諾效率繪制的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的近似效率
盡管如此，高溫的一個原因是為了實現(xiàn)更高的輻射傳熱率，這對于一些固態(tài)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備來說是至關(guān)重要的。除了效率之外，關(guān)鍵指標(biāo)是成本、靈活性和技術(shù)準(zhǔn)備情況。靈活性包括啟動時間和成本、斜坡率、最小負(fù)載和部分負(fù)載效率。出于這項研究的目的，假設(shè)未來的熱儲能系統(tǒng)（2050 年時間框架）將足夠靈活，保證在建模分析中排除這些考慮因素。靈活性的價值取決于存儲設(shè)備邊界之外的因素。表 4.1 比較了目前占主導(dǎo)地位的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)和處于不同發(fā)展階段的替代方案。
表4.1 熱電轉(zhuǎn)換方法比較
（1）蒸汽朗肯循環(huán)
蒸汽朗肯循環(huán)通過泵送和加熱水，然后在渦輪葉片上膨脹熱的加壓蒸汽來工作。這會轉(zhuǎn)動連接到發(fā)電機的軸。然后在重復(fù)循環(huán)之前將蒸汽冷凝。基本蒸汽朗肯循環(huán)的改進(jìn)，例如過熱、再熱和再生，通常用于提高效率。此外，工廠可以設(shè)計為使用亞臨界、超臨界或超超臨界蒸汽運行。更高的壓力和溫度需要更昂貴的材料。蒸汽溫度可高達(dá)620℃，目前正在研究達(dá)到700℃的系統(tǒng)。作為參考，目前用于聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的硝酸鹽熔鹽的最高工作溫度約為550℃。
如果發(fā)電廠已經(jīng)關(guān)閉了一段時間，使得組件已經(jīng)冷卻，發(fā)電組件在發(fā)電前會在幾個小時內(nèi)逐漸加熱。這減少了熱應(yīng)力，從而縮短了組件的壽命。電伴熱加熱器和其他措施可以減少啟動時間。一旦運行，蒸汽發(fā)電廠可以更快地調(diào)整功率輸出，速度約為每分鐘銘牌容量的2%。
總體而言，蒸汽朗肯循環(huán)使用成熟的技術(shù)，可以實現(xiàn)30%～45%的熱電轉(zhuǎn)換效率。
（2）開放式布雷頓循環(huán)
在開放式布雷頓循環(huán)中，氣體從大氣中抽出、壓縮、加熱（通過燃燒）至通常在 1,000℃ 至 1,500℃范圍內(nèi)的溫度，并在排放回大氣之前膨脹。由于稱為工作流體的氣體是從大氣中抽出并排放到大氣中的，因此唯一實用的工作流體是空氣。盡管各種開放式布雷頓循環(huán)設(shè)計都是可能的，但最常見的設(shè)計涉及軸向壓縮機和膨脹機。在這種情況下，來自膨脹機的動力用于旋轉(zhuǎn)壓縮機和發(fā)電機。
布雷頓循環(huán)是幾十年來發(fā)電的燃?xì)廨啓C的基礎(chǔ)。盡管可以使用石油和其他燃料，但如今大多數(shù)燃?xì)廨啓C直接在工作流體中燃燒天然氣以提供熱量。而不太常見的是間接燃燒的開放式布雷頓渦輪機，它使用熱交換器從煤炭、生物質(zhì)或其他燃料中提供熱量含有高灰分的燃料，否則會損壞設(shè)備。在核能和聚光太陽能社區(qū)的興趣的推動下，正在努力使渦輪機適應(yīng)非燃燒應(yīng)用。
與蒸汽輪機相比，開放式布雷頓渦輪機的啟動和響應(yīng)時間要快得多，因為它們的熱慣性較低；有些可以在不到10分鐘的時間內(nèi)啟動，并且每分鐘的升溫速率約為10%。
材料和葉片冷卻的改進(jìn)使得燃?xì)廨啓C的峰值溫度更高，從而提高了效率。熱儲能系統(tǒng)的局限性在于構(gòu)建能夠承受高壓和高溫以提供所需效率的熱交換器。演示被限制在1,000℃左右。
來自一臺渦輪機或多臺渦輪機的廢氣可以熱到足以在朗肯循環(huán)中加熱蒸汽；這種配置稱為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。與效率約為30%～40%的獨立天然氣渦輪機相比，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的效率可達(dá)到50%～62%。
然而，由于蒸汽朗肯循環(huán)的限制，聯(lián)合循環(huán)電廠的啟動時間和整體靈活性比獨立渦輪機差。
（3）替代技術(shù)
一些替代技術(shù)不一定是新的，但它們迄今為止的較低性能或它們的早期開發(fā)階段限制了它們在發(fā)電中的廣泛應(yīng)用。通過額外的研究、開發(fā)和部署，他們可能擁有有可能變得比當(dāng)今的技術(shù)更具成本效益或與當(dāng)今的技術(shù)一起使用。
（4）封閉式布雷頓循環(huán)
盡管當(dāng)今封閉式布雷頓循環(huán)渦輪機并不常見，但在上世紀(jì)50年代，它們最初比開放式循環(huán)燃?xì)廨啓C更受歡迎因為劣質(zhì)燃料的內(nèi)燃會毀壞渦輪機。在封閉的布雷頓循環(huán)中，工作流體被重復(fù)使用，它在膨脹機之后冷卻，然后返回壓縮機。為了提高效率，在提供外部熱量之前，熱量從低壓膨脹機排氣轉(zhuǎn)移到高壓氣體，而這個過程稱為回收，減少了外部加熱需求。封閉式布雷頓循環(huán)允許使用空氣以外的工作流體。這些設(shè)計的另一個優(yōu)點是可以增加背景壓力（即低壓氣體的壓力）以提高氣體密度，從而提高熱儲能系統(tǒng)的功率密度，并降低成本。
早期的設(shè)計使用空氣、氮氣或氦氣作為工作流體。與使用空氣相比，氮氣減少了氧化，從而延長了組件的使用壽命。盡管如此，就像開放式布雷頓循環(huán)一樣，空氣和氮氣需要高溫（高于1,000℃）才能實現(xiàn)高效率。
氦氣因其良好的傳熱特性和與核反應(yīng)堆潛在耦合的惰性而具有吸引力。然而，氦氣系統(tǒng)也存在一些挑戰(zhàn)，例如可能導(dǎo)致?lián)p壞的泄漏和不必要的振動。研究報告描述了氦渦輪機的歷史經(jīng)驗以及有關(guān)該技術(shù)挑戰(zhàn)的更多細(xì)節(jié)。對氦氣的一個擔(dān)憂是長期供應(yīng)充足性：目前的供應(yīng)預(yù)計將持續(xù)約100年，盡管新發(fā)現(xiàn)將擴(kuò)大這一估計。盡管100年的供應(yīng)量將超過這一研究的2050年時間框架，但大多數(shù)氦氣是與天然氣開采共同生產(chǎn)的，預(yù)計天然氣開采量會下降，從而在當(dāng)前估計中引入不確定性。鑒于這種擔(dān)憂，與其他工作流體相比，氦氣的好處可能不會超過其缺點。
目前，超臨界二氧化碳（sCO2）已成為許多研究的焦點。在峰值溫度約為700℃時，有可能實現(xiàn)50%或更高的熱效率，并且正在努力提高溫度。在基于化石燃料的發(fā)電廠中使用sCO2也引起了人們的興趣，其中一些設(shè)計包括集成碳捕獲。sCO2動力循環(huán)的想法自從上世紀(jì)世紀(jì)中葉就已經(jīng)存在。然而，有在開發(fā)能夠承受高溫和高壓的材料和組件方面一直面臨挑戰(zhàn)。還有一個版本，sCO2在動力循環(huán)的壓縮階段變成液體，在這種情況下就是sCO2朗肯循環(huán)。
由于開發(fā)sCO2技術(shù)的工作正在進(jìn)行中，并且商業(yè)運營的熱儲能設(shè)施很少，因此目前的成本估計是不確定的。在其SunShot計劃中，美國能源部(DOE)設(shè)定了900美元/kW的成本目標(biāo)，其中50%的熱發(fā)電40℃時的效率和空氣冷卻。正在建造使用sCO2的項目超出了臺式規(guī)模。一家公司使用稱為Allam-Fetvedt循環(huán)的變體從德克薩斯州的50MW燃燒型sCO2示范工廠向電網(wǎng)供電。另一家公司提供8MW的CO2Rankine系統(tǒng)，專為廢熱回收而設(shè)計；該系統(tǒng)已經(jīng)過工廠測試，一臺裝置計劃于2022年投入使用。盡管sCO2循環(huán)的早期應(yīng)用可能依賴于燃燒，但大部分基礎(chǔ)知識和經(jīng)驗將是可轉(zhuǎn)移到熱儲能系統(tǒng)（TES）和其他非燃燒應(yīng)用。
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