一种由小型模块化反应堆驱动的sCO2再压缩循环系统供电的孤立微电网的运营策略，该系统结合了质子交换膜电解技术和固体氧化物燃料电池

《Energy》：Operational strategy for an isolated microgrid powered by a small modular reactor-driven sCO2 recompression cycle integrating proton exchange membrane electrolysis and solid oxide fuel cells

　　王海梅|张汉志|杜亚东
北京工业大学机械工程学院，北京，100081，中国

**摘要**
小型模块化反应堆驱动的超临界二氧化碳（sCO2）循环在孤立微电网（包括偏远和海上环境）中具有显著的应用潜力，但不安全的压缩机运行限制了其负载范围，因此需要集成能量存储能力。本研究结合了质子交换膜电解池（PEMEC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）以实现电力吸收和补充。通过自开发的模型确定了sCO2再压缩循环的固有负载范围后，研究了电池运行参数对充放电性能的影响，并评估了整个充放电循环中的系统能量效率。结果表明，低负载和过载需求使压缩机接近其喘振和阻塞边界，将负载范围限制在4.72-14.35 MW之间。引入PEMEC-SOFC后，这一范围扩大到1.42-15.31 MW。调整氢气生产/消耗率对充放电功率的影响大于调节运行温度，而前者受到固定氢气储罐容量的限制。在不同充放电持续时间下的运行策略中，短充放电模式的能量效率最低（33.73%），而长放电模式则实现了更高的能量效率，并优化了充电时间以最大化整体系统性能。针对孤立微电网的案例研究展示了系统的存储控制放电特性，并证实了其理论可行性。这些发现为提高sCO2循环驱动的孤立微电网的运行灵活性提供了技术上的可行途径。

**引言**
近几十年来，人类对化石燃料的过度依赖导致碳排放不断增加，引发了严重的环境退化和日益严重的能源危机[1]。提高热能的利用效率（热能是自然界中最丰富的能源形式）是实现能源转型的关键挑战。在这种迫切需求的推动下，使用超临界二氧化碳（sCO2）作为工作流体的布雷顿循环的潜力得到了逐步探索[2]，使其成为传统蒸汽朗肯循环最有价值的替代方案之一[3]。闭环sCO2循环具有高效率、紧凑性和布局灵活性的固有优势，能够与核能[4]、太阳能[5]和地热能[6]等清洁能源集成。在sCO2循环的最初概念中，核能是唯一的热源[7]，而第四代技术的进步使该循环的研究轨迹从高峰到低谷再回到高峰[8]。在这些潜在应用中，与小型模块化反应堆耦合的sCO2循环具有巨大潜力，能够满足岛屿、海上地区和沙漠等偏远地区的独立电网供应需求，这些地方的传统基础设施面临极端挑战[9]。

sCO2循环的简单性和布局灵活性允许多种配置，广泛的设计研究证实了再压缩布局的热经济优势[10][11][12]。然而，电网波动要求热能到电能转换系统进行可变负载运行，以匹配用户侧的电力需求。在岛屿和沙漠等偏远地区的部署对sCO2循环驱动的独立电网提出了额外要求，需要高效的运行策略来确保电力供应的可调节性和连续性，因此研究sCO2循环的可变负载性能变得非常必要。以sCO2再压缩循环为例，理论上可行的负载控制策略通常针对六个运行参数：冷源流量、分流比、循环流量、涡轮流量、涡轮入口温度和涡轮入口压力。冷源流量的变化通过改变主压缩机的入口温度来影响系统性能[13]，而分流比的调整通过重新分配主压缩机和再压缩机之间的流量来调节系统功率[14]。包括Wan等人[15]、Du等人[16]、Lock和Bone[17]以及Correa等人[18]在内的研究人员研究了在冷源流量和分流比变化下的系统非设计性能，发现系统负载始终保持在50%以上。这一结果表明，主要依赖这两个参数的控制策略在非高峰时段可能会造成电力浪费。相比之下，调节循环流量、涡轮流量、涡轮入口温度和涡轮入口压力可以将系统负载降低到50%以下。这些调整分别通过库存控制、涡轮旁路控制、中间热交换器旁路控制和节流控制来实现[19]。然而，在库存或节流控制下负载下降会导致系统流量下降，使压缩机接近喘振边界[20][21]。同样，在涡轮或中间热交换器旁路模式下，系统压力比降低会促使压缩机接近阻塞条件[22][23]。这些限制解释了为什么大多数关于sCO2循环部分负载性能的研究都将最小负载设定在30%以上[24][25][26]。在这个运行范围内，通过在压缩机出口使用回流和节流分别防止了压缩机的接近喘振和接近阻塞的操作[21][22]。尽管如此，在这种安全的压缩机运行策略下将系统负载降低到30%以下的可行性仍不确定，因为不确定显著的节流或回流是否会引起额外的运行问题。在由sCO2循环驱动的独立电网中，用户侧夜间电力需求极低，迫切需要新的控制策略来实现电网的可靠低负载运行。此外，无论采用何种负载控制策略，sCO2循环的过载运行都可能导致压缩机接近阻塞状态[27]，这意味着电网高峰时段可能需要电力补充。

**实际解决方案**
为防止电网侧电力浪费，一种实际解决方案是在用户侧需求较低时部署能量存储。与地理受限的压缩空气能量存储相比，基于水电解的氢存储具有灵活的部署优势，并因其高能量密度和频繁充放电循环下的容量衰减减少而受到广泛关注，使其成为未来脱碳能源系统的有希望的解决方案[28]。此外，质子交换膜电解池（PEMEC）具有快速启动、快速负载响应和高纯度氢气输出等独特优势[29]，使其成为电网调节的理想组件。为了解决可再生能源显著波动导致的电力系统稳定性不足问题，Yang等人[30][31]提出了一种结合PEMEC的自适应滚动优化运行策略和功率共享方法，从而实现最佳功率分配并提高氢气生产效率。Soyturk等人[32]设计了一个结合光伏-热板、超临界CO2朗肯循环和PEMEC的联合电力-氢生产系统，实现了2.6 kW的电力和1.6 g/h的氢气输出。Toker等人[33]开发了一个多联产系统，通过太阳能碟形集热器、sCO2再压缩循环、PEMEC、喷射冷却器和热水单元产生冷却、加热、电力和氢气，输出分别为0.2237 kg/h的氢气、74.86 kW的电力、120.6 kW的冷却能力和48.85 kW的加热能力，以及43.2%的能量效率。在非高峰时段储存的氢气需要在高峰时段使用，而固体氧化物燃料电池（SOFC）具有高热效率，适合分布式发电以解决电网短缺问题。Zheng等人[34]提出了一种结合PEMEC-SOFC、压缩能量存储和热能存储的联合冷却、加热和发电系统。结论是适当提高PEMEC的运行压力可以提高系统的熵效率，最佳PEMEC条件为5 bar和67°C。他们还提出了一种基于PEMEC-SOFC的电-氢-电闭环能量存储系统，用于太阳能驱动的零碳集成能源系统，在电力短缺时利用多余的太阳能和SOFC电力供应[35][36]。Forootan和Ahmadi[37]将PEMEC-SOFC与太阳能耦合的燃气轮机系统结合，实现了电力、氧气、氢气和淡水的同时生产。优化结果表明，系统的能量效率、燃料效率和氢气生产率分别为49.48%、47.21%和201.6 kg/h。为了解决可再生能源的间歇性问题，Zhao等人[38]利用PEMEC存储与SOFC驱动的sCO2-ORC联合循环，实现了54.29%的热效率和50.34%的熵效率，确定了PEMEC氢气生产率和SOFC运行温度是关键性能参数，并指出提高PEMEC压力可以显著提高能量存储密度。虽然基于PEMEC-SOFC的能量存储在电网负载平衡方面具有巨大潜力，但目前的研究仍集中在系统设计上，需要专门的非设计性能研究。

**基于上述文献**
当sCO2循环独立驱动孤立微电网（如偏远和海上环境）时，压缩机在低负载条件下的接近喘振操作和过载条件下的接近阻塞操作分别限制了电网侧电力的最小和最大值，从而在用户侧电力需求低和高的时段导致电网侧电力浪费和短缺。PEMEC可以在电力需求较低时提供有效的解决方案，而SOFC可以在高峰需求时段补充电力。这种协同方法增强了电网侧的可调节性和灵活性。鉴于基于PEMEC-SOFC的能量存储系统仍处于概念设计阶段，其与sCO2循环的协调是一个未解决的研究领域，需要深入探索。因此，本研究将PEMEC-SOFC技术与sCO2再压缩循环结合，以在有限的时间内实现小规模源-电网-负载-存储的电力调节。主要贡献如下：
(1) 通过采用基于PEMEC-SOFC的充放电模式来调节sCO2再压缩循环驱动的孤立微电网，可以避免sCO2压缩机在低负载和过载条件下的接近喘振和接近阻塞操作，从而适应用户侧的可变电力需求，同时实现电网侧的大范围负载运行。
(2) 本研究首次研究了集成PEMEC-SOFC和sCO2再压缩循环系统的非设计性能。它评估了PEMEC和SOFC在sCO2循环驱动的孤立微电网中支持低负载和过载运行模式的能力，并研究了两种电池的运行参数对电网调节的影响。

**剩余内容安排**：
第2节详细介绍了系统的原理和建模。第3节通过三个小节展示了结果和讨论。首先，确定了sCO2再压缩循环的部分负载和过载运行的安全边界。随后，对PEMEC和SOFC独立和联合运行下的系统充放电性能进行了全面评估。最后，通过针对孤立微电网的案例研究确认了所提出系统的理论可行性。第4节总结了关键结论。

**操作原理**
图1展示了与钠冷快堆驱动的sCO2再压缩循环集成的PEMEC–SOFC示意图。当sCO2循环单独满足用户侧电力需求时，系统不启动充电或放电功能。通过库存控制实现sCO2循环的可变负载运行，通过调节循环质量流量来维持高热效率。该策略使用了CO2储罐。

**结果和讨论**
本节首先分析了sCO2再压缩循环的可变负载性能，以确定需要充电和放电的负载条件。然后阐明了关键参数对基于PEMEC和SOFC的系统的充放电性能的影响。最后，全面评估了整个充放电循环中的系统运行性能，并结合案例研究详细阐述了其理论可行性。

**结论**
本研究解决了在偏远地区（如岛屿和沙漠）发电过程中由于压缩机运行不安全而导致的负载范围受限问题，利用小型模块化反应堆驱动的sCO2再压缩循环。通过集成PEMC和SOFC分别吸收和补充电网侧电力，扩展了系统的可调负载范围。研究了关键运行参数对两种电池充放电性能的影响。

**作者贡献声明**
王海梅：撰写——原始草稿、验证、软件、调查、正式分析、数据整理。
杜亚东：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、方法论、概念化。
张汉志：撰写——审阅与编辑、可视化、项目管理、资金获取、正式分析。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52276028）的支持。