构建一种新型的闭环高效路径，以实现多功能二氧化碳（CO?）在聚光太阳能发电系统中的利用

《Energy Conversion and Management》：Constructing a novel closed-loop and efficient pathway for multi-functional CO 2 utilization in concentrated solar power systems

基于热化学-电化学耦合的CO?多用途利用系统研究，提出通过整合CaL热化学储热与RSOC电化学储能构建闭环路径，实现CO?压缩能耗消除与高附加值利用。系统综合热电化学循环效率达52.28%，较传统热化学系统提升9.54%，经济性分析显示度电成本降低40.42%。

　　

杨宇|张志鹏|聂斌健|何楠|陈启成|王志辉|姚亮

东北电力大学能源与动力工程学院，吉林132012，中国

摘要

在集中式太阳能热化学循环中，二氧化碳（CO₂）的利用可以实现能量的储存和释放。然而，二氧化碳压缩过程中高能耗的限制了太阳能发电的整体性能。本文提出了一种结合热化学循环和电化学循环的能量储存系统。该系统构建了一个“热储存-电能储存-电能释放-热释放”的闭环路径，以实现二氧化碳的多功能利用，从而实现高效且低成本的绿色电力生产。能量分析表明，热电循环的结合使热化学子系统的往返效率达到了37.78%，相比传统热化学系统提高了9.54%。此外，电化学子系统的最高往返效率为74.70%。整个混合系统的最高往返效率达到了52.28%。熵分析显示，热化学子系统的熵效率为41.55%，而混合系统的熵效率达到了53.47%，相对提高了28.69%。经济分析表明，该混合系统的平准化成本为94.55美元/兆瓦时（MWh），相比传统热化学储存系统降低了40.42%。因此，这种混合系统在二氧化碳的多功能利用方面具有巨大潜力。

引言

近年来，集中式太阳能（CSP）与钙循环（CaL）的结合显著提高了太阳能发电的稳定性，展示了其在应用方面的巨大潜力[1],[2],[3],[4],[5]。然而，传统的二氧化碳“热储存-释放”闭环路径无法避免热化学循环中的气体压缩阶段。二氧化碳压缩过程中的高能耗严重限制了CSP-CaL系统的整体性能[6]。因此，开发能够高效且多功能利用二氧化碳的新闭环路径已成为推动该领域发展的关键研究方向。

二氧化碳的利用途径包括发电、能量储存、高价值转化等[7]。在CSP-CaL系统中，二氧化碳既作为超临界工作流体用于高效发电，也参与热化学循环，显示出良好的能量储存效率[8],[9],[10]。但在热化学循环中，二氧化碳在储存前必须进行压缩，这增加了能耗并限制了系统的整体性能。为了解决这个问题，人们通常将热化学循环与二氧化碳转化过程相结合，以实现二氧化碳的多功能利用。这种方法不仅消除了对二氧化碳压缩的需求，还促进了其向高附加值化学品的定向转化[11],[12],[13]，最终实现了降低能耗和增加二氧化碳资源利用的双重目标。

多项研究探索了在CSP系统中将二氧化碳的利用与能量储存和转化相结合的方法，旨在提高系统效率并减少碳排放。例如，陈等人[14]将甲烷重整集成到CSP-CaL配置中，并报告称在去除用于压缩二氧化碳的压缩机后，发电效率提高了4%。王等人[15]开发了一种混合热电储能系统，将CSP-CaL与双甲烷重整相结合，使发电效率提高了11.68%。特雷甘比等人[16]提出了一种创新系统，将CaL与CSP、光伏（PV）和甲烷化相结合，实现了二氧化碳的捕获和利用。在该系统中，从烟气中捕获的二氧化碳与通过光伏发电水电解产生的氢气反应生成甲烷，在特定条件下，二氧化碳的捕获效率最高可达84%。张等人[17]进一步利用捕获的二氧化碳生产合成气，在基于CaL的过程中提高了氢气产量，使二氧化碳排放量减少了73.5%，二氧化碳利用效率提高了135%。尽管这些集成系统提高了能源性能和碳利用效率，但大多数仍采用开环二氧化碳利用模式，未能实现完全的碳闭合，仍有残留碳排放。为了符合碳中和目标，向闭环二氧化碳利用路径过渡至关重要[18]。

在电化学循环中，通过二氧化碳的电解还原和一氧化碳的氧化实现了二氧化碳的闭环利用。可逆固体氧化物电池（RSOC）提供了一种多功能二氧化碳利用的潜在途径，通过实现化学能与电能之间的转换，实现了高往返效率和低成本的双重优势[19]。吴等人[20]将RSOC与二氧化碳捕获和利用相结合，在理想化条件下报告了86%的往返效率——与传统锂离子电池相当。郑等人[21]开发了一种用于固体氧化物电解池（SOEC）的新材料，在不考虑热能输入的情况下，实现了98%的二氧化碳生成电效率。孔等人[22]在一个结合了固体氧化物燃料电池（SOFC）和SOEC的系统中对高炉气体进行处理，实现了99.92%的二氧化碳捕获效率，以及61.1%的SOFC效率。RSOC系统在各种应用场景中也表现出与可再生能源的强兼容性。霍等人[23]提出了一种一维RSOC模型和与风电场相结合的分布式并网系统，形成了一个稳定可靠的电网供电的风电-RSOC混合电力系统。布福等人[24]介绍了一种并网RSOC电站，该站在电价低时优先从专用风电场取电，年效率在55-70%之间。吴等人[25]使用脉冲电流模拟间歇性可再生能源输入，实现了98.2%的能量转换效率。这些研究表明，通过闭环二氧化碳利用，RSOC技术不仅实现了高能源效率，还促进了多余可再生能源的有效整合。

本研究提出了一种新的CSP系统内二氧化碳闭环利用途径，通过集成RSOC进行电能储存，以及CaL进行热能储存。这种集成配置实现了二氧化碳的多功能利用和电力与热能的协同储存。从三个角度对系统进行了全面评估：首先分析了整个系统的往返效率，特别关注在CSP-CaL过程中去除二氧化碳压缩机后的性能；随后进行了熵分析，以量化各个组件的熵损失并确定整体熵效率；最后进行了经济分析，计算了能源的平准化成本（LCOE）并评估了经济可行性。本文提出的二氧化碳多功能利用途径有望提高系统效率并降低电力成本，为未来的可持续能源系统提供了一条有前景的技术路线。

系统描述

该混合系统由两个子系统组成：热化学能量储存子系统和电化学能量储存子系统。质量和能量平衡的概念图如图1所示。

模型验证

埃贝森等人[49]使用RSOC进行二氧化碳电解，获得了用于模型验证的详细操作参数。图10显示了模拟结果与实验数据的对比。在1123 K时，模型的电压-电流密度曲线在0-3000 A/m²范围内与实验结果非常吻合。在5000 A/m²时观察到的最大偏差为3.19%，未超过5%。计算出的平均误差保持在1.47%以下，从而验证了模型的准确性。

结论

本文提出了一种结合热化学循环和电化学循环的新系统，以实现二氧化碳的多功能闭环利用。结论如下：

• 1.
  能量分析表明，在去除热化学能量储存子系统中的二氧化碳压缩过程后，往返效率从34.49%提高到了37.78%。混合能量储存系统的往返效率达到了52.28%。与传统热化学系统相比，

CRediT作者贡献声明

杨宇：撰写——初稿撰写、项目管理、正式分析、数据整理。张志鹏：撰写——初稿撰写、可视化、软件开发、项目管理、方法论设计。聂斌健：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理。何楠：验证、方法论研究、调查。陈启成：方法论研究、调查、资金获取、概念构思。王志辉：方法论研究、正式分析、数据整理。姚亮：可视化、验证，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52222603）的支持。