评估数据中心辅助泵热储能的热工经济性能与二氧化碳减排

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Assessing the thermoeconomic performance and CO 2 emission reduction of data center–assisted pumped thermal electricity storage

　　

• 提出了数据中心（DC）辅助泵送热能储能系统（PTES）的热经济和环境分析。
• 进行了工业废烟道气（WG）辅助与数据中心（DC）辅助 PTES 配置之间的比较。
• 数据中心辅助 PTES 提供的净总电能输出高出 11.7–17.7%。
• 数据中心辅助 PTES 的储能平准化成本（LCOS）介于 0.328 至 0.528 美元/千瓦时之间。
• 数据中心辅助 PTES 实现了 6.6–10.2% 的额外净二氧化碳排放减少量。

**引言**

全球变暖、气候变化以及发电过程中使用化石燃料造成的空气污染，不仅增加了对可再生能源的关注，也使其必须被最高效地利用。然而，高效利用这些资源的主要障碍之一是电力生产与消费时间的不匹配。因此，为了有效利用可再生能源，必须以最小的损耗储存能量 [1], [2]。考虑到这些挑战，已经开发了各种储能技术。在这些技术中，抽水蓄能（PHES）和压缩空气储能（CAES）等机械储能系统受限于地理要求 [2], [3], [4], [5]，而液态空气储能（LAES）[6] 和锂离子电池 [1] 面临效率和成本相关的挑战。因此，泵送热能储能系统（PTES）作为一种有前景的替代方案脱颖而出。由于其地理独立性和操作灵活性，PTES 提供了超过 60% 的竞争性电对电效率 [7], [8]。此外，其整合低品位热能的能力和成本竞争力突显了其在可持续大规模储能应用中的巨大潜力 [7], [8]。

PTES 在充电过程中通过热泵将电能转化为热能进行储存，在冷热储热库之间产生温差。在放电过程中，这一温差驱动热机再生电能并将其供应回电网。文献中报告的研究表明，当在外部热源支持下，根据温度水平和系统配置，PTES 系统的性能可以得到改善 [9]。外部热源向热泵蒸发器提供热能，从而提高热泵的性能系数（COP），进而增强热机向电网输送的电能数量。这些发现引发的最关键问题是：热源的哪些特性能为电对电效率和储能平准化成本（LCOS）提供最大的改善？文献中提出了将废热整合到 PTES 系统中的各种情景。

在各种热整合情景中，工业废烟道气辅助 PTES 系统因其同时提高电对电效率和降低储能平准化成本的强大潜力而受到广泛研究。文献中的研究表明，将不同温度水平的工业废热整合到热整合 PTES 配置中，大幅提高了系统性能，报告的电对电效率根据整合策略和运行条件从约 50% 到超过 100% 不等，而相应的 LCOS 值相比传统的独立 PTES 系统降低至约 0.22–0.47 美元/千瓦时 [10], [11], [12], [13], [14]。

地热能源也被研究作为热整合 PTES 系统的潜在外部热源。关于地热辅助 PTES 配置的研究表明，这种整合显著改善了热经济性能，报告的电对电效率通常在约 66% 到 140% 之间，而相应的 LCOS 值根据地热温度水平和系统配置保持在竞争范围内 [15], [16]。尽管地热资源提供了优势，但获取这些资源固有的地理限制以及寻找具有合适温度水平储层的困难限制了该技术的全球可扩展性 [17]。

太阳能也被视为 PTES 系统的辅助热源，其中平板太阳能集热器、光伏/光热（PV/T）和聚光光伏/光热（CPV/T）系统是最常采用的技术。之前的研究表明，太阳能辅助 PTES 配置提高了电对电效率，并根据太阳辐照条件和系统配置降低了储能平准化成本。报告的结果表明，电对电效率通常在约 41% 到 128% 之间变化，而相应的 LCOS 值在有利运行条件下降低至约 0.227–0.533 美元/千瓦时 [18], [19], [20], [21]。

除了单源整合策略外，几项研究还调查了混合热整合情景，其中不同的热源被结合以补偿单一源的限制并进一步提高系统性能。据报道，混合废热 - 太阳能辅助 PTES 配置显著增强了热经济性能，电对电效率从约 42.5% 增加到 96.1%，而相应的 LCOS 值相比单源整合情景降低了约 10–13% [22], [23]。Hu 等人 [24] 对不同外部热源选项进行了比较评估，以评价其在电对电效率和 LCOS 方面的表现，他们调查了包括工业废热、地热卤水、太阳能和区域供热网络在内的几种热整合情景的影响。他们的分析表明，工业废热辅助 PTES 配置在所考虑的替代方案中提供了最有利 的热经济性能，实现了约 0.23 美元/千瓦时的最低 LCOS。

除了上述讨论的热源情景外，最近的研究表明，数据中心（DC）废热也可以作为 PTES 系统的替代热支持源，这是由于其持续可用性以及全球部署的增加。尽管数据中心废热通常被归类为低品位热能源，但数据中心芯片的运行温度范围提供了足够的热潜力来支持热泵循环 [25]。这表明数据中心废热可以有效整合到 PTES 系统中，并可能有助于改善其热经济性能。支持数据中心与 PTES 系统整合的另一个因素是它们潜在的地理共址可能性。最近的一项研究表明，为了增强可持续性，数据中心优选安装在太阳能和风能潜力较高的地区 [26]。由于 PTES 系统也非常适合部署在可再生能源丰富的此类地区，它们的整合将允许两个系统从共同的优化安装位置中受益。尽管有这些优势，但文献中关于数据中心废热支持的 PTES 系统研究仍然很少。

在直接调查 PTES 系统与数据中心整合的有限数量研究中，Laterre 等人 [27] 在不同气候条件下对集成到真实数据中心中的电动助推器辅助卡诺电池进行了技术经济优化。他们的分析表明，最佳充电策略强烈依赖于可用的废热温度，在较高源温度（约 60°C）下，基于热泵的运行更具吸引力，而在较低温度（< 25°C）下，电动助推器更受青睐。Poletto 等人 [28] 调查了将基于可逆热泵/有机朗肯循环（HP/ORC）的卡诺电池集成到光伏供电的数据中心中，以回收低品位废热并改善现场能量管理的热经济可行性。他们的热力学分析报告了约 43% 的电对电效率，而热泵与数据中心废热的整合改善了冷却系统性能并减少了电力消耗。经济评估进一步表明，在典型运行条件下，所提出的整合可以实现约 10 年的简单投资回收期。Zhang 等人 [29] 调查了将卡诺电池模块集成到数据中心的多模式液体冷却系统中的可行性，以利用废热并在峰谷电价条件下降低电费。他们的分析表明，集成系统提高了卡诺电池的电对电效率，并实现了约 5.7 至 12.4 年的简单投资回收期，具体取决于冷却配置和气候条件。Zhao 等人 [30] 提出了一种亚环境温度协同卡诺电池，将数据中心冷却需求与外部废热回收和热能储存相结合，以利用峰谷电价差异。他们的热力学分析表明，最佳工质对可实现约 58.78% 的最大电对电效率，而集成配置相比传统冷却策略显著降低了每日运营成本。然而，在这种配置中，数据中心主要作为冷却负荷，而不是作为 PTES 系统的主要热支持源。

尽管之前的研究已经证明了将数据中心废热整合到泵送热能储能（PTES）系统中的可行性，但由于数据中心废热生成具有时间变异性和依赖于工作负载的特性，系统设计修改和运行调整对 PTES 系统热经济性能的影响尚未得到全面调查。此外，现有文献中在等效运行条件下对数据中心辅助 PTES 配置与其他废热辅助 PTES 系统进行比较评估仍然有限。解决这些研究空白对于提供更全面地了解将数据中心废热整合到 PTES 系统中的热经济潜力和实际可行性至关重要。因此，本研究的创新性和主要贡献可以总结如下：

(i) 调查了辅助热能储存系统（旨在补偿数据中心废热的随时间变化性和依赖于工作负载的波动性）对数据中心辅助泵送热能储能（PTES）系统热经济性能的影响。

(ii) 对提出的数据中心辅助 PTES 系统和文献中报告的工业废热辅助 PTES 配置进行了比较评估，以实现最低的储能平准化成本（LCOS）之一。两个系统在等效运行条件下进行评估，并在储能容量、电能生成、电对电效率、?效率和 LCOS 方面进行了比较。

(iii) 通过考虑关键运行参数（包括热泵蒸发器温度、数据中心芯片温度、废热容量、折现率、电价和充电时间）的影响，确定了数据中心辅助 PTES 和工业废热辅助 PTES 系统各自对应的最小储能平准化成本（LCOS）的最佳运行条件。随后在各自的最小 LCOS 条件下对两个系统进行了比较。据作者所知，此类比较框架以前未在 PTES 文献中报告过。

在此背景下，本研究旨在提供将数据中心废热整合到 PTES 系统中的热经济潜力的全面评估，并阐明其相对于最广泛报道的低成本替代方案之一（即工业废热辅助 PTES 配置）的性能。通过调查关键运行参数的影响并确定两个系统各自的最小 LCOS 运行条件，本研究建立了一个比较框架，使其性能评估保持一致和严谨。预计研究结果将有助于更好地理解数据中心废热作为下一代大规模储能系统热支持源的可行性。

**章节片段**

**不同废热情景下的 PTES**

在本研究中，调查了两个具有不同热支持情景的 PTES 系统。在第一种情景中，利用了工业废烟道气热量（WG + PTES），而在第二种情景中，使用了数据中心的废热（DC + PTES）（图 1）。废烟道气（WG）热量通过换热器（HX）传递给水，而数据中心（DC）废热通过机架冷却回路传递给水。在两种情景中，废热被转化...

**热力学模型**

在废热辅助 PTES 系统的热力学建模中，假设系统在稳态条件下运行，忽略了除储水罐外所有系统组件的热损失，并忽略了换热器和管道中的压降。与热泵（HP）、有机朗肯循环（ORC）和数据中心相关的关键假设见附录 A 中的表 A1。表 A1 中展示的 PTES 运行参数对于 WG + PTES 和... 两者是相同的。

**经济模型**

使用文献中广泛使用的储能平准化成本（LCOS）来评估 PTES 系统的经济性能。LCOS 使用以下方程计算 [24]。

LCOS = [TIC + ∑(i=1 到 SLT) Can / (1+r)^i] / [∑(i=1 到 SLT) ?NET,an / (1+r)^i]

其中 TIC 是总投资成本，SLT 是系统寿命（25 年 [24]），Can 是年成本，r 是折现率（5% [24]），?NET,an 是输送到电网的净年电能，i 代表年份索引。

**二氧化碳排放评估方法**

为了评估所提出的 PTES 系统的环境性能，应该确定净二氧化碳排放减少量，这需要同时考虑系统寿命期间产生的二氧化碳排放以及放电过程中通过发电避免的二氧化碳排放。

通常，净二氧化碳减排量（CO2,avoided）是通过减去与充电电力（CO2,charging）、组件制造（CO2,embodied）相关的排放来计算的。PTES 模拟验证：为验证图 1 所示 PTES 系统的模拟结果，采用参考文献 [24] 中研究的 PTES 配置作为参考。对热泵（HP）和有机朗肯循环（ORC）系统状态点的焓、温度、压力和质量流量值，以及系统输入 - 输出参数（包括电力到电力效率、压缩机功率和净输出功率）进行了比较。比较结果之间的最大偏差为 3.4%，表明该。热电经济分析过程：附录 B 中的图 B1 展示了用于热力学和经济分析的 EES 代码中实现的计算过程。在指定表 A1 中列出的输入参数后，生成了压缩机排气压力（PCOMP）和涡轮进口压力（PTUR）的初始估计值。随后，利用附录 B 中表 B1 总结的所有系统组件的能量平衡方程求解了热力学模型，同时计算了?损失。结果与讨论：在本节中，展示了针对 WG 辅助和 DC 辅助 PTES 系统进行的热经济和环境分析结果。影响系统性能和经济可行性的关键参数被确定为热泵蒸发器温度、数据中心芯片温度、废热容量、充电时间、折现率和电价。下文展示了通过变化这些关键参数获得的发现。结论：本研究调查了两种废热辅助泵蓄热储能（PTES）配置的热经济和环境影响，分别由工业废气（WG + PTES）和数据中心废热（DC + PTES）支持。系统地评估了热泵蒸发器温度、数据中心芯片温度、废热容量、充电时间、折现率和电价对系统性能的影响。主要结论总结如下：•该 CRediT 作者贡献声明：Burak Kur?un：写作 - 审查与编辑，可视化，验证，软件，方法论。Korhan ?kten：写作 - 审查与编辑，方法论，调查。Ahmet H?d?r：可视化，调查。利益冲突声明：作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文所述工作的个人关系。Burak Kur?un|Korhan ?kten|Ahmet H?d?r