通过将热能存储技术整合到核电站中以实现负荷平衡，提升可再生能源带来的电网稳定性

《Energy》：Enhancing Grid Stability with Renewable Energy Sources by Integrating Thermal Energy Storage into Nuclear Power Plants for Load Balancing

　　

Piotr Jó?wiak|Hanna S?dej|?ukasz Topolnicki|?ukasz Szab?owski|Krzysztof Badyda

波兰华沙技术大学热能工程研究所，华沙，波兰

摘要

本研究探讨了将基于蒸汽蓄能器的热能存储系统整合到核电站二次回路中的可行性，以此实现日内电网稳定，同时解决可再生能源的间歇性问题。以波兰2040年的能源系统为典型案例，所提出的系统能够在72小时的分析时间内避免3.1 GWh的可再生能源被削减，同时保持核反应堆的热功率稳定，无需对现有蒸汽涡轮机进行昂贵改造。在测试配置中，热能存储系统可使核反应堆的电力输出降低40%以上，或提升至额定功率的约5%。研究结果表明，热能存储系统在技术上可作为电池存储的替代方案来稳定反应堆负荷，且在60年的电站使用期内更具成本优势。该解决方案通过无碳方式提升电网灵活性，有助于实现脱碳目标，为核能与可再生能源混合系统提供了可借鉴的模式。

引言

全球范围内向低碳电力系统的转型，得益于间歇性可再生能源的快速整合，这一举措旨在减少温室气体排放并确保能源独立。然而，这种全球性转变也带来了电网稳定性问题和可再生能源的削减问题，尤其是在那些依赖或计划依赖基荷发电装置（如核电站）的系统中。为说明这一普遍挑战，并展示基于蒸汽热能存储的电网稳定方法的可行性，波兰正在快速转型的能源格局被作为典型研究案例。

目前波兰能源领域面临的一个关键挑战是可再生能源比例的不断上升，截至2024年底，可再生能源已占其装机容量的33.1 GW（46.9%）。尽管这一发展有助于实现气候目标，但它也引发了电网稳定性问题，以及在需求较低或电网传输能力不足时不得不削减可再生能源的情况。例如，仅在2024年，就有731.4 GWh的可再生电力被削减——这一数字是上一年的十倍——其中太阳能光伏导致了525 GWh的电力损失，占比73%[1]。为应对这些挑战，需要采取系统性解决方案，包括投资于灵活的发电技术和储能系统。考虑到到2040年，太阳能和风能（陆上及海上）的装机容量预计将分别比2024年增加25.4 GW（121%）和33.4 GW（332%）[2]，这样的投资更为必要。根据PSE发布的2025-2034年电力需求规划，到2034年，太阳能和风能（陆上及海上）的装机容量预计将分别比2024年底增加14.8 GW（70.2%）和17.7 GW（174.6%）[3]。

目前，波兰依靠燃煤机组来维持电网稳定，2024年，硬煤和褐煤电厂分别产生了69.1 TWh和35.8 TWh的电力，满足了全国62.9%的电力需求[1]。这些机组能够以每分钟其装机容量的2-4%的速度调整输出功率，这对于平衡间歇性的可再生能源发电至关重要。然而，由于燃煤机组预计将在2049年前逐步淘汰（到2030年已有29.7%的机组停止运行）[4]，且其碳排放率较高——2023年，不包括热电联产设施的情况下，平均碳排放率为约1005 g CO₂/kWh[5]——因此亟需寻找更清洁的替代方案。波兰计划引入总装机容量为6.2 GW的第三代加核电站，其中第一座核电站预计将于2036年开始投入运营[4]。但由于高昂的投资成本以及频繁的功率变化可能带来的长期磨损问题，这些核电站在电网稳定中的作用仍然有限。根据aKPEiK对2040年能源系统的预测，当可再生能源的发电量不足时，将通过储能装置（抽水蓄能和电池——共12.9 GW）、燃气调峰电源（燃烧天然气、生物气及氢气——0.8 GW），尤其是远远超过预期平均电网需求的可再生能源装机容量（分别为90 GW和35 GW）来弥补缺口[6]。虽然这种方法能在恶劣天气条件下保证电网有足够的电力供应，但也会导致可再生能源的装机容量无法得到充分利用，进而不可避免地增加可再生能源的削减规模。

法国的能源系统就是一个例子，说明核能如何提升电网的灵活性——法国拥有庞大的核能舰队（在总装机容量154.9 GW中，核能占比为61.4 GW）[7]，能够以每分钟额定功率的5%的速度调整输出，从而实现日常负荷调整和频率调节[8]。尽管具有这种灵活性，但核电站的设计并非为了像燃气轮机（尤其是开式循环燃气轮机）或电池储能系统那样实现快速功率调节——后者能够以每分钟其额定功率的10-20%[9]甚至100%[10]的速度响应负荷变化。另一方面，电池储能系统的预期使用寿命仅为15-20年，而核电站的设计寿命则至少为60年，两者并不匹配。

将核电站与热能存储系统结合使用，可以在电网负荷波动或可再生能源发电量过大的情况下提高核电站的运行灵活性，同时避免核反应堆承受过大的负荷变化[8]。这种方法既利用核电站作为可调度的电力来源，又通过二次蒸汽回路中的热存储来稳定反应堆的输出功率。

人们已经分析了多种将热能存储系统与核电站结合使用的方案，研究了其对经济效益的影响[11]，以及核电站容量因子和热效率的变化情况[12]。针对EPR和AP1000两种核电站设计，人们还研究了通过增设专门用于快速释放热能存储系统能量的朗肯循环来提高发电量的可行性及其对电网的影响[13][14]，后一项研究还考虑了修改现有朗肯循环中的涡轮机设计，以便在释放热能存储系统能量时增加蒸汽流量，进一步提升发电量。

与这些研究不同，本文所研究的方案采用的是基于蒸汽蓄能器技术的热能存储系统，该系统无需在热能存储系统中添加额外的吸热材料，也不需要专门的装置将冷凝后的蒸汽导入冷凝罐，而是直接利用二次回路中的蒸汽来储存热量（即蒸汽蓄能器），这样就大大减少了电站设计上的改动和资本支出（不过仍需要单独的冷凝罐来储存多余的二次回路水）。

本研究旨在评估将基于蒸汽蓄能器技术的热能存储系统整合到核电站二次回路中，作为电池存储系统的替代方案，在以可再生能源为主的电网中实现日内稳定的可行性——以2040年的预测能源系统作为测试环境——同时满足以下两个要求：1）保持核反应堆的容量利用率；2）保留现有的蒸汽涡轮机设计。

章节要点

材料与方法

本节介绍了基于历史和预测的电力需求数据所构建的参考电网环境，同时评估了未来的能源系统情景。以波兰作为典型研究案例，该国的可再生能源发展迅速，其能源结构与其他正在向低碳发电转型的欧洲国家类似。本节详细阐述了将热能存储系统整合到核电站中的方案，并明确了该系统的运行参数。

结果与讨论

本节展示了模拟结果，详细说明了热能存储系统所需的规模及其对电网稳定的影响。此外，还从技术经济角度进行了评估，分析了在核电站60年的使用期内，热能存储系统与电池储能系统相比的可行性。

结论

将基于蒸汽蓄能器技术的热能存储系统整合到核电站中，为平衡现代低碳电网提供了一种可行的途径。在本研究中，以2040年波兰的能源系统为测试环境，该系统中含有大量难以控制的可再生能源，以此来评估将此类系统应用于第三代加核电站（如欧洲压水反应堆）的可行性。所提出的方案采用直接存储蒸汽的方式，从而

作者贡献声明

?ukasz Topolnicki：撰写——初稿撰写、软件应用、数据收集、正式分析、数据整理。Krzysztof Badyda：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、资金筹措、概念设计。?ukasz Szab?owski：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、资金筹措、概念设计。Hanna S?dej：撰写——初稿撰写、可视化处理、数据收集、正式分析、数据整理。Piotr Jó?wiak：撰写——审稿与编辑，

关于 manuscript 准备过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

在准备本论文的过程中，作者使用了Google Gemini工具来提升论文的语言表达、语法水平及整体可读性。在使用该工具/服务之后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了华沙技术大学在“卓越计划：研究型大学”（IDUB）项目中的资助。