第一作者：王世龙
通讯作者：齐建荟
通讯单位：山东大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120169
近日，山东大学核科学与能源动力学院齐建荟副教授研究团队在超临界CO2(sCO2)动力循环构型领域取得了创新性的研究成果。研究团队提出了一个包含发电、储能和调峰功能的新型能源集成系统，并实现了“光-热-电-氢-碳”的闭环转化。系统的能量输入为太阳能和其他需要消纳的可再生能源电力（例如光伏、风力），该系统利用太阳能的热量，提供给sCO2循环系统进行发电。利用CO2和H2反应生产甲醇作为储能手段，燃气-蒸汽循环（GTCC）以甲醇作为燃料进行发电用于调峰，产生的烟气进行烟气处理系统进行碳捕集，捕获的CO2用作合成甲醇的原料。电解水设备以弃风弃光的电能作为能量输入，电解水得到氢气(H2)和氧气(O2)，H2用作甲醇合成的原料，而O2可以作为副产品出售。综合能源利用系统的设计满负荷容量为15 MW，经过热力学和经济性分析，集成系统在发电模式和发电+储能模式下，能量利用效率分别为26.3%和37.9%，㶲效率分别为34.8%和49.5%，经济性分析表明该系统的投资回收期为15.8年。本研究证明了该系统具有零碳排放、绿色清洁的优点，具备良好的发展前景，能够为未来能源领域内的新型系统建设提供指导建议。相关成果以“Thermodynamics and economic analysis of integrated energy system for power generation, energy storage, and peak regulation”为题，于2025年7月发表于《能源转换与管理》（Energy Conversion and Management）杂志。
能源短缺和环境污染正成为日益严重的全球性问题，传统化石燃料的广泛使用不仅增加了温室气体（尤其是CO2）排放，也加剧了气候变化。统计数据显示，2023年全球CO2排放量达到创纪录的378亿吨。因此，降低CO2排放已成为当今社会的关键问题。减少碳排放的策略包括以下几种： 1. 利用太阳能、风能和核能等清洁能源作为替代品；2. 通过升级和改造现有的能源生产、转换技术和利用设备来提高能源效率；3. 发展高效的碳捕集、利用与封存(CCUS)技术。尽管可再生能源具有潜力，但其间歇性和高初始成本意味着大多数发电仍然严重依赖化石燃料。解决这个问题的一个有效方法是将储能与混合动力系统集成。这种组合可以更好地管理能源波动，并使多余的能源能够在需求高峰期流入电网，此外，氢气可以作为可再生能源的载体，并通过与CO2反应促进化学产品的合成用于储能。
在CO2的利用方面，超临界二氧化碳(supercritical CO2, sCO2)循环作为一种新型的技术，逐渐进入到大众的视野。sCO2循环是以超临界状态的CO2作为工质，CO2工质热物性稳定，临界点参数为7.38 MPa和31.1 ℃，易达到超临界状态。CO2在临界点附近密度大，压缩增压耗功小，使用sCO2作为动力循环工质不仅可以提高能量转换效率、降低系统复杂度、减小系统尺寸，而且运行灵活、能够采用空冷，与熔融盐换热匹配性也十分良好。因此采用sCO2动力循环替代蒸汽朗肯循环是一个不错的选择，意味着我们不需要用水，而是直接用我们生活中常见的CO2进行加热就可以推动汽轮机进行发电。
对于以上的能源系统，分体化配置不仅难以监测和管理，还降低了能量利用效率。综合能源系统（Integrated Energy System, IES）不仅满足了这一要求，还实现了能量的梯级利用。虽然IES建设初期可能需要一定投资，但长期运行下，能量利用效率的提升和多种能源互补带来的节能效益，能降低能源总成本，可以推动能源产业升级和创新，创造新的经济增长点。因此如何使用IES的方案将发电、储能、调峰有机地结合到一起，形成一个新的综合能源利用系统，并将碳减排的方式贯穿其中，这是一个需要解决的问题。
(1) 提出了一种用于发电、储能和调峰的集成能源系统；
(2) 该系统实现了“光-热-电-氢-碳”的闭环转换；
(3) 增加储能模式后，系统的能效提高了11.6%；
(4)该系统具有清洁、灵活、零碳排放和低耗水的优点。
1、系统组成及工作流程图
图1 集成系统工艺流程图
研究团队设计的集成系统包括太阳能熔盐储热单元、sCO2循环发电单元、甲醇合成单元、GTCC单元、烟气处理单元以及电解水设备。
在这个综合能源系统中，太阳能熔盐储热系统是将太阳能的热量传递给熔盐储存下来，多余热量一部分传递给sCO2循环系统，加热CO2工质，使其推动CO2透平，并带动发电机产生电能，另一部分热量传递给甲醇合成系统和烟气处理系统。甲醇合成系统中，使用CO2加氢合成甲醇。燃气-蒸汽联合循环使用甲醇与空气混合燃烧产生高温的燃气，推动燃气轮机发电，余热推动蒸汽透平发电。GTCC产生的烟气，主要成分是N2、H2O和CO2，进入到烟气处理系统中将碳捕集下来，冷凝下来的凝结水供给到电解水设备。电解水设备使用弃风弃光的电能，电解产生H2和O2，H2供给甲醇合成系统，O2用于出售。
集成系统设计的满负荷发电量为15 MW，其中sCO2循环系统10 MW，GTCC单元5 MW。有两种运行方式，分为方式A和方式B。方式A为发电模式，是集成系统满负荷运行，即在调峰状态下，甲醇合成单元产生的甲醇全部提供给GTCC，GTCC单元的发电量为5 MW。方式B是发电+储能模式，即系统未进行调峰状态，集成系统中GTCC单元在满负荷的30%负荷下运行，发电量1.5 MW，这是为保证燃气轮机的长使用寿命，同时为了系统平稳运行及增加收益，补充CO2及给水与满负荷下一致。此模式下生产的甲醇未完全被GTCC利用，剩余部分进入储罐中进行储能。
2、能量分析
图2 发电模式运行下的系统能量流
图3 发电+储能模式运行下的系统能量流
系统在方式A工况下的总能量输入为57.23 MW，输出为15 MW，系统效率为26.3%，在方式B工况下，系统的总输入能量为54.75 MW，输出为20.78 MW，系统效率为37.9%，增加储能模式后，系统的能量效率提升了11.6%。
3、㶲分析
图4 发电模式下系统㶲流图
图5 发电+储能模式下系统㶲流
在发电模式下，系统输入的总㶲为43.93 MW，输出的㶲包括输出电能、O2的化学㶲，其和为15.38 MW。㶲效率为34.8%。发电+储能模式下输入的总㶲为42.59 MW。输出㶲量包括产生的11.5 MW的电力与9.28 MW的甲醇化学㶲，最终得到㶲效率为49.5%，较发电模式㶲效率增加了14.7%。
图6 两种模式下的㶲损分析
在方式A下，GTCC单元和sCO2循环单元的总损失占总功率损失的56.9%。在发电+储能模式下，sCO2循环系统的㶲损失最高，为36.4%。电解水设备和甲醇合成装置是次要的。
4、灵敏度分析
图7 透平入口的温度和压力对系统效率的影响
图8 主压缩机入口的温度和压力对系统效率的影响
图9 甲醇合成单元中反应温度和压力对甲醇生产量和效率的影响
较高的透平入口温度和压力对提升集成系统效率具有有利的影响。在集成系统设计过程制造过程中，可以使用承压较好的设备，以及运行温度较高的太阳能熔盐工质。压缩机入口状态更靠近CO2近临界点运行，可以提高sCO2循环的效率。随着甲醇反应温度和压力的提高，集成系统效率有一个极大值，在100 bar、230℃的条件下，系统能量效率接近40%。因此为了提升集成系统的运行效率，需要选择合适的温度和压力，但是压力的增加受限于设备材料的承压能力。
5、经济性分析
图10 系统各部分投资成本
集成系统的总假设成本为8.29亿元，该系统的运营和维护成本约占建筑成本的5%，约为4135.9万元。收入来源包括电力、工业级甲醇和工业级氧气，总收入为年总收入9937.1万元，计算得到投资回收期为15.8年。
(1) 在碳减排的需求下，基于sCO2循环构建满足发电、储能和调峰的综合能源利用系统，系统的满载发电能力为15 MW，调峰深度为70%。该系统可以吸收19.9 MW的风能和太阳能等可再生能源产生的电力，将其转化为甲醇形式的化学能进行储存。此外，系统在运行过程中实现了零碳排放。
(2) 综合能源系统在发电模式下的能源利用效率为26.2%，发电+储能模式时为37.9%，㶲效率分别为34.8%和49.5%。㶲损失分析表明，最大的损失发生在sCO2循环和GTCC循环，其次是电解水设备和甲醇合成装置。通过优化系统循环参数，可以提高整体系统效率。
(3) 经济分析显示，该系统需要投资8.29亿元，年回报9937.1万元。计算得到的投资回收期约为15.8年。总体而言，该系统显示出广阔的应用前景，可以为未来的电力建设项目提供指导和建议。
齐建荟，山东大学核科学与能源动力学院副教授/博士生导师，山东省高等学校青创团队带头人、山东大学“青年未来计划”学者。从事先进能源循环、超临界CO2动力循环及部件（透平、压缩机）设计及开发、稠密流体非实际气体性质可压缩流体动力学、舰船动力等方面的研究，并围绕CO2先进能源循环逐渐形成完整的知识产权体系：包括学术专著2部、授权国家发明专利10余项、软件著作权2项、SCI/EI论文近50篇。近5年，获批国家级项目3项、省部级项目5项、企业委托课题近10项。2023年12月，牵头的“核能先进动力循环创新团队”获批山东省高等学校青年教师创新团队。荣获山东省制冷空调科学技术一等奖、陕西高等学校科学技术研究优秀成果二等奖一项。
网站主页：https://faculty.sdu.edu.cn/Jianhui_Qi
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