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一种用于增强岸基电网能源调节的冷热双效卡诺Discover蓄电池系统：配置、评估与优化
岸基电网在为停靠船只供电方面发挥着关键作用，但海事行业日益增长的能源需求带来了新的监管挑战。本研究引入了冷热双效卡诺电池系统，这是一种创新的热能储存解决方案，整合浮动液化天然气基础设施以增强电网稳定性。通过协同利用液化天然气的潜在冷能与传统热能储存，拟议系统实现了充放循环中的高效能量调节。进行了全面的4E分析以评估系统性能，揭示了其在能源利用和可持续性方面的显著优势。此外，系统提升了放电性能，第一级4.4小时输出689千瓦，第二级1.4小时输出119.3千瓦。这些结果强调了创新的双重效应方法，不仅最大化液化天然气的能量回收，还确保了岸基电网监管的更大灵活性和效率。通过在卡诺电池系统中集成冷热和热能储存，本研究确立了可持续海事能源管理的新范式，为下一代船舶电气化和电网稳定提供了变革性解决方案。
图形摘要
航运是全球贸易的基石，2022年促进了全球80%以上的贸易[1,2]。随着全球化的加速，航运业持续扩展。然而，这种增长也加剧了环境问题，尤其是由于污染物排放增加。2020年，仅海运运输就贡献了全球氧化硫（SOx）排放[3]。停靠时，船舶必须持续运行高功率设备，如泵，因此需要持续使用燃料发电机。这种做法显著加重了空气污染[4]。在靠近人类定居点的港口地区，这些排放存在严重的健康风险。为减轻船舶排放的环境影响，岸基电力（SP）系统，也称为冷熨烫（CI），通过从电网向泊位船舶供电，提供了替代方案[5]。通过使船舶能够从船载发电机切换到更清洁的陆基电力，SP系统有效减少了停泊期间产生的排放[6,7]。它们在改善空气质量和促进能源效率方面的作用已有充分文献记载，减排效益总结见补充表1S。因此，SP系统已被广泛应用于港口，作为遏制海洋污染的关键策略。
当停靠的船只减少时，电厂产生的电力未能被充分利用，导致大量能源浪费。相反，当更多船只抵达时，电力供需失衡可能导致部分船只无法接入岸上电网，增加对船载发电机的依赖，并加剧污染。为解决这些问题，将储能系统与岸基电网整合，可以提升整体稳定性和经济效率。拟议方案的运作方式如下：在码头使用率较低期间，电厂产生的多余电力被储存在储能系统中。当停靠船只数量增加导致需求上升时，储存的能量会被释放并供应到岸上电网，确保电力充足。该项目在提高能源效率和减少燃料消耗污染方面取得了有效作用[8,9]。
卡诺电池是一种新兴的中长期储能技术[10]，与岸基电网的运行需求相契合，这些电网需要稳定可靠的电力供应。将卡诺电池整合进这些电网，不仅提升了整体稳定性和可靠性，还拓展了该技术的应用潜力。增加可再生能源在电力系统中的比例，可以有效解决化石燃料消耗带来的环境问题。然而，由于可再生能源的间歇性[11,12]，直接将可再生能源整合进电网可能会严重影响电力系统的稳定性[13]。因此，提升电网灵活性至关重要，而储能技术在实现这一目标中发挥关键作用[14]。当前的大型储能技术包括：抽水蓄能（PHES）、压缩空气储能（CAES）、电化学储能和卡诺电池[15]。如图1所示，卡诺电池的关键部件，表1提供了对各种储能技术的比较分析。尽管卡诺电池有许多优点[16]，但不可否认其往返效率较低，这严重限制了卡诺电池的发展。为提高卡诺电池效率，Burak Kurşun采用集中式光伏热系统和电阻加热器替代热泵模块，最终将往返效率提升至58%。埃万格洛斯·贝洛斯研究了一种带有双废热源开发的新型卡诺电池系统，实现了64%的往返效率[17]。
其中，CAES和PHES已大规模商业部署，但受限于地理条件[18]。电化学能量储存，如LB [19]和FB[20]，相对成熟;然而，其广泛应用受限于短生命周期[21]和高昂成本[22]。卡诺电池能够在充电过程中将电能转化为热能并储存在H-TES中[23]，并在需要电能时通过热力学循环将热能转化为电能。与仍处于示范阶段的液态空气储能（LAES）相比，卡诺电池仍处于开发阶段。本研究探讨了一种基于液化天然气（LNG）的系统，利用燃料的冷能将工作介质冷却至所需工作温度——高于LNG自身温度——而LAES通常需要显著较低的温度。例如，氮液化在环境条件下发生在−196°C，远低于LNG温度。该方法利用液化天然气的热性能提升能源效率，同时最大限度地减少极端冷却需求的挑战。
卡诺电池已成为中长期储能的有前景解决方案，具有显著提升电力系统效率的潜力。然而，大多数研究主要集中在优化压缩机和膨胀器等内部部件，或在充电阶段回收废热。虽然这些进步通过利用高温高于环境温度的热能提高了效率，但高质量冷能在环境温度以下的潜力仍大多被忽视。此外，排放工艺仍未被充分探索，限制了能源转换和利用的进一步进展。这一知识空白限制了卡诺电池的更广泛应用，尤其是在冷能充足但未充分利用的系统中[24]。
浮式液化天然气（FLNG）技术为解决这一局限提供了独特机遇。FLNG平台负责天然气的提取、液化和储存，运行温度为−162°C。 液化过程产生大量冷能，但在传统能源系统中通常被浪费。将这种低温能量集成到卡诺电池系统中，有望通过实现高效的低温能量储存和回收，彻底革新其运行。此外，通过海洋源或工业废热补充低品位热能，有助于二次排放，提升整体能源利用率和系统灵活性。尽管前景看好，FLNG源自冷能的系统性整合到卡诺电池系统及其在岸基电网调控中的作用在现有文献中仍大多未被充分探讨。由于当前技术限制，冷能传输过程中会发生能量损失，导致利用效率较低。为此，我们建议整合FLNG基础设施，将冷能传输距离缩短至2公里以内，从而显著降低热量损失率。此外，将FLNG的冷能传输到卡诺电池对冷储罐材料的要求很高。这是因为材料在低温条件下可能变得脆化，因此需要使用低温合金或复合材料，从而增加成本。在向卡诺电池引入超低温冷能时，需要高效的热交换器以防止冻结问题。
由于港口船舶停靠间歇性较高（如白天负载高、夜间负载低），冷能需求的波动范围非常大。传统卡诺电池在冷源和热源输入模式间切换时难以快速切换，可能导致“过多的冷能浪费”或“电力供应不足”。本研究采用两阶段排放策略（高功率冷能驱动+低功率废热维持），随后可与智能预测算法结合（提前12小时预测船舶抵达体积），显著缩短系统响应时间，从而提高负载匹配精度。
为应对这些挑战，本文提出了一种创新的热能储存（TES）耦合卡诺电池系统，并与浮式液化天然气（FLNG）基础设施集成。该系统利用液化天然气冷能和低品位热能，提升岸基电网的效率和稳定性。本研究的主要创新如下：
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这项研究首次将卡诺电池技术与陆基电网结合，并将其应用于海洋能源系统。与传统电网管理方法不同，该方法将储能与回收结合FLNG基础设施，实现了在船舶活动频繁的港口环境中有效控制需求波动。
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通过多级膨胀和受控再热优化能量转换，该方法提升了功率输出效率和运行稳定性。在放电过程中保持稳定的温度梯度可以减少能量损失，并确保在各种工作条件下的可靠性能。
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一种新型增压设计利用储热出口流体预热压缩机入口液，减少对额外冷却设备的依赖。这一创新简化了系统配置，降低了整体设备成本，同时保持了高效率。
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热能和冷热能储存的整合使电网调节更加灵活。这种双模运行提升了响应性和稳定性，使陆基电网能够更有效地适应不断变化的能源需求。
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该系统高效利用液化天然气的低温能，将其从FLNG单元传递到电厂，以提升卡诺电池的性能。此外，系统还利用来自海洋和工业源的低品位热能进行二次排放，进一步优化能量回收。
本研究代表了卡诺电池应用的重要进展，尤其是在海事能源系统领域。通过整合FLNG技术、LNG低温能和低品位热能，该系统弥补了卡诺电池研究中的关键空白。其创新架构不仅提升了能源储存和回收效率，还增强了岸基电网的灵活性和韧性。此外，液化天然气冷能与热TES的结合，为电网监管提供了一种经济且环保可持续的解决方案，为未来海事和海上能源系统的发展铺平了道路。与其他基于FLNG的电力解决方案相比，该系统通过增加液化天然气管道和热交换设备改进，从而降低了部署复杂性。该系统可以用温度低于卡诺电池液的其他含冷能流体替代液化天然气。通过适当调整卡诺电池工作介质的流量，这种冷能也能被利用。此外，系统在运行过程中可与可再生能源系统集成，具有高度可扩展性。由于该系统的运行主要涉及物理过程，碳排放低且环保性极高。然而，与其他基于FLNG的电力解决方案相比，我们的设计因增加了部分工作设备而增加了前期投资成本，导致经济效率略低于其他FLNG电力系统。后期工作将重点优化系统的投资成本。
与传统的卡诺电池系统相比，该系统在放电过程中采用两级放电策略，利用双压缩机压缩工质，并结合级间冷却器以提升卡诺电池的性能。它在减少对传统卡诺电池布局的修改的同时，提升了系统性能。