钙基热化学储能耦合超临界CO2循环的碳中和系统集成研究

针对可再生能源间歇性与碳捕集需求，研究人员提出了一种基于Ca(OH)2/CaO/CaCO3热化学储能(TCES)的卡诺电池系统，集成超临界CO2(S-CO2)循环与碳捕集技术。通过多级优化，系统实现29.96%能量效率与2.71 kg/kWh CO2捕集率，为长时储能与碳中和提供创新解决方案。

　　

随着全球碳中和目标的推进，可再生能源的大规模应用面临两大核心挑战：一是风能、太阳能的间歇性导致电网稳定性问题，二是传统能源系统的碳排放难以有效控制。当前主流储能技术如锂电池受限于4-6小时的短时储能特性，而压缩空气储能则存在地理条件限制。在碳捕集领域，化学吸收法能耗高，钙循环技术虽具潜力但多局限于单一功能开发。如何实现长时储能与碳捕集的协同优化，成为能源领域亟待突破的科学难题。

中国的研究团队创新性地将钙基热化学储能(TCES)与超临界二氧化碳(S-CO₂)动力循环相结合，构建了多功能集成的卡诺电池系统。该系统以廉价易得的Ca(OH)₂为储能介质，在低负荷时段通过热泵驱动脱水反应(Ca(OH)₂→CaO+H₂O)储存能量并供应居民供热；在用电高峰时，CaO既作为CO₂捕集剂(CaO+CO₂→CaCO₃)，又通过放热反应驱动S-CO₂布雷顿循环发电。生成的CaCO₃可加工为工业用重质碳酸钙，形成完整的物质-能量循环。相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。

研究采用微分进化算法与HEATSEP框架构建多级优化流程，同步优化运行参数与换热网络配置。通过建立0.1-5 MW级TCES实验平台的仿真模型，验证了系统在90 wt% Ca(OH)₂颗粒条件下的性能极限。热力学分析引入_ε-NTU法计算换热器效能，经济性评估则基于中国工业电价与碳酸钙市场价格。

The Carnot battery system based on TCES
系统核心包含两个相互耦合的S-CO₂循环：热泵循环将电能转化为500°C热能使Ca(OH)₂分解，动力循环利用CaO碳化反应释放的600°C热量发电。关键创新在于反应器设计，通过流化床实现Ca基颗粒与S-CO₂工质的高效换热。

BHP validation
以氩气为工质的等温压缩/膨胀过程验证显示，当低温热源为310 K时，系统可实现28%的往返效率，与文献报道的相变储能(PTES)系统相当，证实了热力学模型的可靠性。

Results and discussion
优化后系统能量效率达29.96%，火用效率19.97%，每再生1 kWh电能可捕集2.71 kg CO₂。经济性分析表明，通过销售碳酸钙和碳信用额，系统运营收益达0.557 $/kWh。换热网络设计使冷热物流最小温差控制在10 K以内，减少可用能损失。

Conclusions
该研究首次实现Ca(OH)₂/CaO储能循环与CaCO₃/CaO放热循环的协同运行，突破传统TCES系统单次循环的限制。通过S-CO₂工质匹配不同品位热能，系统兼具29%的电力转化效率与工业级CO₂捕集能力。相比单纯储能或碳捕集系统，这种"储能-碳捕集-材料生产"三位一体模式，为构建负碳排放能源系统提供了新范式。

CRediT authorship contribution statement
研究团队来自中国，Yongqing Zhang完成主要建模与写作，Huawei Liu负责基金支持与实验指导，Jia Lu参与数据分析，Qianghui Xu协助热力学验证。国家自然科学基金(52106219, 52206014)为本研究提供资助。