评估热能储存作为一种方法在电网能源需求波动的情况下提高核电站利用率的潜力

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Assessing the potential of thermal energy storage as a method for achieving increased utilization time of a nuclear power plant in volatile demand for energy in the electrical grid

　　皮奥特·约兹维亚克（Piotr Jó?wiak）|卢卡什·托波尔尼克（?ukasz Topolnicki）|汉娜·索德伊（Hanna S?dej）|卢卡什·萨布沃夫斯基（?ukasz Szab?owski）|克日什托夫·巴迪达（Krzysztof Badyda）
波兰华沙工业大学热能工程研究所

**摘要**
随着可再生能源渗透率的增加，需要灵活的电网平衡解决方案。然而，核电站通常作为基荷发电单元运行。本研究评估了一个假设：将蒸汽蓄能器以低侵入式方式集成到核电站的二次回路中，可以在满足电网需求变化的同时保持反应堆热输出稳定，从而提供电力输出的灵活性。通过使用热力学平衡模型进行分析，确定了蒸汽蓄积和释放的最大操作限制，将现有二次回路管道的改动减少到仅四个连接点。研究结果揭示了一个功能不对称性：在热能储存过程中，系统允许电网功率偏移805.7兆瓦，而释放功率受到低压涡轮机结构限制，仅限于86.8兆瓦。此外，荷电状态分析表明，为了保持最大的功率削减能力，操作阈值应低于69%，实现了79.5%的往返效率。通过避免在预期60年的使用寿命内进行周期性更换，累计资本成本仅约为同等电池系统的55%，这表明这种最小化集成是一种成本效益高的短期能量储存和日内负荷平衡方法。

**引言**
间歇性可再生能源（RES）渗透率的增加给全球电网带来了显著的波动性。虽然RES对全球脱碳至关重要，但其不稳定的特性导致了能源供需之间的不匹配，需要灵活的电网平衡解决方案。然而，大规模的基荷发电单元，特别是核电站（NPPs），传统上是为稳态运行设计的。波兰是一个非常相关的案例研究，因为它体现了不灵活的基荷发电与高度动态的能源市场之间的冲突。到2025年10月底，RES在波兰能源结构中的份额增长到了36.6吉瓦（约占总装机容量的51%），比2024年底增加了3.5吉瓦[1]。虽然这种扩张符合欧盟“Fit for 55”计划的更广泛气候目标（即到2030年将温室气体排放量比1990年水平减少55%[2]），但也导致了电网稳定性问题。在需求低或输电能力受限期间，可再生能源的削减更为频繁——2024年削减了731.4吉瓦的可再生能源，而2023年为74.4吉瓦，2022年为8.4吉瓦。这一趋势进一步加剧，到2025年11月底，削减的可再生能源总量达到了1347吉瓦[1]。这导致了已安装的RES容量的浪费、盈利能力下降以及电网电力平均二氧化碳排放量的增加，同时也迫使原本为基荷运行设计的煤和褐煤发电厂充当电网稳定单元，进一步降低了它们的效率并增加了碳足迹。预计到2040年，依赖天气的发电能力将增加58.8吉瓦（178%[3]）。

2024年，波兰使用燃煤和燃气发电单元来稳定电网。燃煤和褐煤发电厂产生了105太瓦时的电力，约占全国电力需求的63%[4]。燃煤发电单元的调节速率可达其装机容量的2-4%每分钟，但它们也有技术上的最小负荷要求（40-50%的装机容量）和长达5小时的启动时间，这限制了它们平衡间歇性RES发电的能力。预计燃煤发电单元将在2049年前退役（其中约30%将在2030年前淘汰[4]），因此正在寻找更清洁的替代方案，如联合循环燃气轮机（CCGT）和核电站（NPPs）。同时，也在考虑各种能量储存解决方案，以便在可再生能源产生之外的时间使用它们。抽水蓄能具有较大的储存容量，但受到地理条件的严格限制。氢能发电的往返效率较低，而显热或潜热储存（例如使用熔盐）需要昂贵的中间热交换器和复杂的工厂重新设计。电池储能系统（BESS）可以快速响应，但由于日历老化和循环老化，其操作寿命有限。采用直接蒸汽蓄能方法的优势在于其低侵入性和工作流体的兼容性，因为它使用的是核电站二次回路中已有的介质，无需构建中间热传递回路。

现代核电站与燃煤单元类似，也被归类为热能发电厂。它们在朗肯循环中使用蒸汽作为工作介质进行发电，提供的调节速率通常为其功率容量的2.5-5%每分钟（取决于特定时间的功率输出和燃料循环的进展）。它们的技术最小负荷可达其装机容量的20%（负荷循环运行在额定功率的50%到100%之间），但达到满功率所需的时间取决于它们关闭的方式以及关闭前的运行情况（与反应堆中毒有关[5]。核电站被认为是低排放能源，其生命周期排放因子中值为12克二氧化碳当量/千瓦时，与陆上风力涡轮机（11克二氧化碳当量/千瓦时）相当，低于公用事业规模的光伏（PV）装置（48克二氧化碳当量/千瓦时）[6]。根据波兰的能源系统预测，到2040年将引入第三代+核电站，总装机容量为6.2吉瓦[4]。由于高资本成本和对频繁负荷调整可能导致组件加速降解的担忧，预计核电站将主要作为基荷运行，电网稳定作用有限。通过三种主要措施应对可再生能源（RES）发电的周期性不足：12.9吉瓦的储能系统、0.8吉瓦的燃气调峰发电厂，以及相对于预测平均需求（35吉瓦）的90吉瓦的RES过剩容量[7]。

已经探索了利用核反应堆功率输出变化为斯洛文尼亚电网供电的可行性——结果显示其在补偿日常太阳能波动方面具有潜力，但也突出了控制挑战，如管理硼浓度和控制棒移动，这些可能影响反应堆稳定性和废物产生[8]。另一项针对美国西南部电网的收入导向分析表明，灵活的核电站运行可以更好地整合风能和太阳能资源，并提供频率调节，从而提高核电站的盈利能力[9]。将热能储存（TES）与核电站集成可以提高运营灵活性，以应对电网需求波动或RES过剩，同时保持反应堆输出稳定并避免过度的负荷变化[10]。这种方法通过二次蒸汽回路的热储存来稳定热输出，将电力生成与直接反应堆操作分离，使核电站成为可调度的电源。

文献表明，多种热能储存技术适用于核电站集成，包括不同的储存介质、系统配置和操作参数[11]。已经提出了系统驱动的设计方法，以确定灵活核电站的成本最优配置，例如将储存系统与专用的TES结合，使用辅助蒸汽朗肯循环，而不是修改现有的涡轮机设置[12]。多项研究评估了TES与核电站集成的各种操作维度，如经济可行性[13]、容量系数和热效率变化[14]。还评估了集成额外低压涡轮机以实现快速TES释放及其对核电站功率输出的影响[15]。类似的概念也进行了分析，指出没有一种单一的TES-NPP配置是普遍最优的，因为选择强烈取决于所选的操作参数以及优先考虑的技术效率、经济可行性或可实现的充放电功率[10]。另一项研究考虑了对AP1000现有二次回路的涡轮机进行重新设计，以适应TES峰值放电时蒸汽流量增加20%和50%[16]。蒸汽蓄能器也在传统发电厂中进行了测试，这些发电厂使用的是干式过热蒸汽。一个650兆瓦的褐煤发电厂使用TES补充低压涡轮机的泄压蒸汽用于低压冷凝水加热[17]，以及一个燃煤发电厂，其中TES与高压预热管线集成[18]，在TES释放期间净电力增加了4%以上。还进行了核集成液态空气储能系统的技术经济性能分析，评估了将其与核蒸汽循环结合如何提高运营灵活性和整体经济可行性[19]。

文献来源表明，使用热储存可以积极影响核反应堆的稳定运行，可能延长其寿命，并加速成本密集型核电站的回报时间。此外，在整个系统中实施TES而不是BESS可能有助于缓解平衡国家能源系统所需的锂资源问题。

提到的研究重点关注核电站，分析了显热和潜热储存方法，这些方法需要在TES中包含额外的热储存材料，以及将TES中的冷凝蒸汽转移到冷凝水箱的系统。这与该领域最近的一篇综合评论文章一致[20]，该文章强调了系统兼容性、集成复杂性以及采用TES在核设施中的主要障碍，如需要大规模的工厂重新设计。关于低侵入式、直接蒸汽储存概念的研究存在明显空白，这些概念避免了复杂的涡轮机重新设计或中间热交换器。

在这项工作中，热量直接储存在核电站二次回路的蒸汽中，就像在蒸汽蓄能器中一样，消除了对额外热交换器或TES内集成热储存材料的需求。这种方法减少了工厂设计所需的修改程度，并降低了资本成本，尽管仍需要一个单独的冷凝水箱来容纳增加的二次回路水量。此外，本研究中提出的基于蒸汽的热能储存方法考虑了TES充放电功率的可变性，这取决于其荷电状态（SoC）。因此，本研究的假设是：一种最小侵入式的基于蒸汽蓄能器的TES可以在满足电网需求变化的同时，保持核反应堆的稳态热输出。为了验证这一假设，进行了热力学边界分析，以评估能量储存和功率传输的最大操作限制。

**材料与方法**
本节概述了参考核电站参数、提出的蒸汽蓄能器集成概念以及建模框架。

**结果与讨论**
本节展示了模拟结果，详细介绍了NPP-TES的操作边界、SoC动态以及与电池储存方案的经济比较。

**结论**
本研究提出了将基于蒸汽蓄能器的热能储存集成到核电站二次回路中的概念。将储能系统、核电站和可再生能源集成到能源系统中，反映了实现可持续性的平衡方法，同时解决了电网可靠性和最大化RES及核单元装机容量利用的问题。

**关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备本工作时，作者使用了Google Gemini工具来改进语言、语法和整体可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

**作者贡献声明**
皮奥特·约兹维亚克（Piotr Jó?wiak）：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、资源管理、方法论、调查、形式分析、概念化。
卢卡什·托波尔尼克（?ukasz Topolnicki）：写作——撰写初稿、可视化、方法论、调查、形式分析、数据管理。
汉娜·索德伊（Hanna S?dej）：写作——撰写初稿、可视化、调查、形式分析、数据管理。
卢卡什·萨布沃夫斯基（?ukasz Szab?owski）：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金支持。

**利益冲突声明**
作者声明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**
本研究由华沙工业大学在“卓越计划：研究型大学（IDUB）”项目下资助。