《Energy Nexus》：Enhancing solar farm viability through power-to-ice for cold chain logistics: techno-economic comparison against battery energy storage for curtailment reduction
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研究人员提出了一种电转冰（power-to-ice, P2I）系统，将弃光电力转化为用于冷链物流的冰浆（ice slurry）。在最佳情景下，该系统可将光伏弃电率削减至5%，并将投资回收期缩短至4.0年。在应对光伏弃电方面，电转冰系统在经济性上优于电池储能系统
研究人员提出了一种电转冰（power-to-ice, P2I）系统，将弃光电力转化为用于冷链物流的冰浆（ice slurry）。在最佳情景下，该系统可将光伏弃电率削减至5%，并将投资回收期缩短至4.0年。在应对光伏弃电方面，电转冰系统在经济性上优于电池储能系统（battery energy storage system, BESS）。当冰浆需求超过0.25 Mt/年时，采用电转冰系统的光伏电站在经济性上与原始光伏电站相当。
光伏（photovoltaic, PV）与风电装机容量持续快速增长，但其间歇性和波动性以及发电高峰与负荷高峰错配，导致弃光、弃风问题日益严重。例如，西藏2024年弃光率高达31.4%。弃电不仅浪费清洁能源，也显著降低电站投资回报。传统解决方案是电池储能系统（battery energy storage system, BESS），但BESS初始投资高、回收期长，且高度依赖补贴政策，经济可行性不佳。电制氢（power-to-hydrogen, P2H）和电制海水淡化（power-to-seawater desalination, P2SD）虽能消纳弃电，但全链条成本高昂，难以商业化。电制热/冷虽可在建筑部门替代BESS，但未涉及冷链物流。为此，研究人员提出了电转冰（power-to-ice, P2I）系统，将弃光电力转化为冰浆用于冷链物流，以提升光伏电站经济性并促进可持续冷链服务。
研究人员以中国海南省乐东黎族自治县一个510 MW地面光伏电站为案例，该电站因电网接入限制和缺乏储能，年弃光率高达21%。研究设计了Case 1（仅光伏）、Case 2（光伏+BESS）和Case 3（光伏+BESS+P2I），并在Case 3下设置冰浆需求情景：Case 3-0.1（0.1 Mt/年）、Case 3-0.91（0.91 Mt/年）、Case 3-1.82（1.82 Mt/年）和Case 3-Max（3.0 Mt/年，即全部利用弃光），目标均为将弃光率降至5%。通过参数扫描和以最短投资回收期（payback period, PBP）为准则，确定各情景的最优配置。结果表明，Case 1的PBP为12.7年，但弃光率高达21%；Case 2为达到5%弃光率需配置180 MW/648 MWh的BESS，PBP延长至14.8年，净现值（net present value, NPV）仅111.3百万美元，投资缺乏吸引力。相比之下，Case 3-0.91、Case 3-1.82和Case 3-Max的PBP分别缩短至8.6、5.9和4.0年，投资回报率（return on investment, ROI）分别达99.1%、181.6%和303.5%，NPV最高达1109.6百万美元。这证明在高冰浆需求且冷链市场邻近的场景下，将弃光转化为冷能比单纯用BESS储存后并网更具经济优势。该研究为高弃光率、沿海且有冷链需求的地区提供了可扩展的解决方案，并对联合国可持续发展目标SDG 7和SDG 13作出贡献。
技术方法主要包括：建立光伏发电模型，利用逐时太阳辐射和环境温度计算发电功率；建立冰浆系统（ice slurry system, ISS）模型，采用单级蒸气压缩制冷循环，以3.5%盐度海水为原料，经超声结晶器促进冰核生成，冰浆储存于海底柔性袋中，并假设总冷损失10%；建立BESS模型，考虑充放电功率约束、荷电状态（state of charge, SOC）限制0.1–0.9以及循环寿命。经济评估采用平准化年成本、PBP、NPV和ROI等指标。通过网格搜索（参数扫描）在给定范围内枚举满足5%弃光率目标的{P
ISS, P
BESS, E
BESS}组合，以最小PBP筛选最终设计。案例数据来源为海南省2024年国民经济统计（水产1.82 Mt、蔬菜6.47 Mt、水果6.18 Mt），用于估算冰浆总需求。ISS模型经与Fu et al.的水冷式冷水机组实验数据验证，误差在±5%以内，确认模型可靠。
结果部分包括三个小节。3.1 Model validation（模型验证）：将ISS模型与文献实验数据对比，压缩机功率、制冷功率、换热器面积和流量均吻合，验证了模型的准确性。3.2 Results of case study（案例研究结果）：参数扫描显示，在Case 3部分需求情景中，ISS功率与BESS能量容量近似线性负相关，最小PBP随ISS功率增加而明显下降。经济比较表明，Case 1无储能成本但弃光严重；Case 2需高功率高容量BESS，成本增加且收入提升有限；P2I情形下，随冰浆需求增加，ISS容量增大、BESS容量减小，平准化年成本从Case 3-0.1的46.3百万美元降至Case 3-Max的41.2百万美元，而平准化年收入从58.0百万美元增至138.0百万美元。ISS收入占比从5%升至66%，显著缩短PBP。最低需求情景Case 3-0.1的NPV为133.8百万美元，虽高于Case 2但低于Case 1，经济性不佳。进一步计算表明，若使PBP与Case 1持平，冰浆需求需达约0.25 Mt/年，对应ISS功率5.8 MW、BESS功率151 MW和能量容量604 MWh。3.3 Sensitivity analysis（敏感性分析）：折现率从6%升至12%时，Case 1、Case 2和Case 3-0.1的PBP显著延长，超过8%后无法在寿命期内回收投资；高冰浆需求情景的PBP仍稳定在项目寿命期内。冰浆售价在3–23 $/t区间变化时，低需求情景始终不如Case 1，而高需求情景即使在最低售价下仍优于Case 1。BESS资本成本系数从0.6增至1.4时，依赖大容量BESS的Case 2和Case 3-0.1受冲击最明显；ISS资本成本系数变化对P2I各情景影响很小，说明P2I经济性对ISS成本不敏感。
讨论部分指出，与P2H（氢平准化成本约6 �/kg）和P2SD（淡水成本超过1.6 $/m
3）相比，P2I在足够冰浆需求下PBP可低至4年，且冰浆作为可销售的高价值冷产品带来直接收入；与建筑级电转冷（PBP 2.87年，但光伏容量仅千瓦级）相比，本研究在510 MW级电站实现4年PBP更具规模挑战和实际意义。结论部分翻译如下：研究人员提出并评估了电转冰（P2I）系统作为缓解光伏电站弃电的新方案。主要发现：（1）仅光伏电站PBP为12.7年，但弃电率21%；集成BESS后PBP延长至14.8年且NPV更低，投资不具吸引力。（2）P2I系统利用弃电生产冰浆，在冰浆需求充足情景下，PBP缩短至8.6、5.9和4.0年，NPV显著增加，ROI超过90%；低需求情景（0.1 Mt/年）经济性不如原始光伏电站，说明高冷能需求下将弃能转化为冷能供给邻近市场比单纯储存后并网更有利。（3）实现与Case 1相当的经济性需要至少约0.25 Mt/年的冰浆需求。（4）敏感性分析确认折现率对长PBP案例影响较大，中高需求情景在最低冰浆售价下仍保持优势。总之，P2I系统为特定高弃光、沿海且有冷链需求的地区提供了技术可行且经济吸引力的路径；对于内陆或无邻近冷需求的地区可能不适用。冰堵塞仍是实际工程挑战，未来需研究防堵策略、全生命周期碳评估及分时电价优化运行。
