低成本且不受地域限制的GWh级储能技术——卡诺电池
2020年1月16日，德国政府明确表示，政府决定在2030-2040年中后期关闭德国所有燃煤电厂。目前，德国三分之一以上的电力来自燃煤发电，从而产生大量温室气体，导致全球变暖。
为不颠覆火力发电行业的技术，可以保留目前火电站大部分设备和资产，还不会给国家和能源公司造成大量人员短时间失业的社会问题，德国宇航中心（DLR）提出了“卡诺”电池技术。
据德国宇航中心（DLR）丁文进研究员介绍，“卡诺”电池是一种低成本、不受地域限制（相对于目前常见的抽水蓄能）、且能够储存GWh电量的储能技术。鉴于在德国乃至世界范围内，随着能源系统转型的深入，波动的可再生能源在发电中所占的比例越来越大，如何保证电网稳定安全运行的问题也越来越凸显，大规模储能是解决这一问题的核心技术之一。如今和可预见的将来，电池存储太昂贵且其循环寿命太差。在燃气轮机发电厂中用碳中性合成燃料（属于化学储能的一种，储存的能量来源于可再生能源或生物质）发电虽然也是一种路线，它具有所有储能系统中最高的能量密度，但缺点是生产成本高，且它们的生产需要大量的生物质，而现在或不久的将来无法提供足够数量的生物质。
诺贝尔物理学奖获得者、储能领域国际知名专家、斯坦福大学的罗伯特·拉夫林（Robert Laughlin）教授认为，电力-热能-电力存储系统（称为卡诺电池）将成为在碳中和能源系统中存储大量能量的关键技术。
在卡诺电池中，通过使用高温热泵将多余的可再生电能转换为90℃至500℃之间的热量。这些热量廉价地存储在水（90℃）或熔融盐（500℃）中，并在需要时通过热能过程转化为电能和热能。卡诺电池一个附加有价值的好处是，除了储存电能以外，它们还具有提供热量和制冷的能力。提供制冷的可能性对于印度和中国等国家的脱碳尤为重要。目前，熔盐卡诺电池的储电设备成本约在300元每千瓦时（储电效率最高可达70%，热电联供储能效率在95%以上），随着利用熔盐储热的太阳能光热发电产业和技术发展，熔盐卡诺电池的储电设备成本还有很大的下降空间；而且熔盐卡诺电池的储能次数超过10000次，配备熔盐储热的商业化太阳能光热发电站一般使用年限在30-50年。
自2014年以来，DLR和斯图加特大学一直致力于卡诺电池的概念研究，并与卡尔斯鲁厄技术学院（KIT）一起建立了NADINE研究基础设施，这将使卡诺电池得以展示并投入工业使用。最近几年，DLR还通过CHEST等项目，在德国政府的支持下，对一个50MW的燃煤电站改造成卡诺电池电站，建立一个示范项目。
如何将这个现有煤电站改造成一个储能电站？德国宇航中心高级顾问Michael Geyer博士介绍说，就是增加太阳能光热电站中的熔盐储能部分，下图中左侧红色部分为高温熔盐储罐，运行温度约565℃，黄色部分为低温熔盐储罐，运行温度约270℃，通过熔盐/蒸汽发生器系统的预热、蒸发、过热产生高温蒸汽，和煤电站现有的蒸汽混合，进入汽轮机组做功发电。在新增部分中，采用电加热器代替了太阳能光热电站中的镜场，电加热器的电力来源于弃风弃光电力。将熔盐储热装置加入到现有的朗肯循环中，整体效率约40%。
“很多人可能认为40%的效率太低了，浪费了其他60%的电力，这里需要持有一个改变的观点，因为放弃燃烧煤炭，可以大量减少二氧化碳排放，此外，例如中国也存在大量弃风弃光，将这些低成本的电力进行利用，实现减排目的，因此效率数值本身不应成为衡量系统好坏的唯一评判标准。”Michael Geyer这样指出。
但是技术创新不会止步于此，对于电阻加热器部分，可以用热泵来替代，驱动电力仍源于可再生能源多余电力。另外，热熔盐罐将改成“热熔盐罐+高温散热器”，冷熔盐罐将改成“冷熔盐罐+低温热源”。较电阻加热器，热泵充热效率可以达到120%，从而系统整体效率达到50%。目前这种技术还在研发中，属于示范的第二阶段（电-热，热-电）。如果采用热泵进行放热，那后端朗肯循环部分将可以舍弃，运行流程将变为：电-热，储热，热-电。未来DLR将对可逆热泵系统进行试验示范（第三阶段），预计充放电总体效率将达到60%，或接近70%。
据悉，目前Malta正在进行这种“电网级储能”装置的研制工作，将研究变成现实。
与锂电池等储电池相比，这种储热系统的最大优势是储存容量和时间非常长，而且寿命将达到35年。在未来，这将可能是最具成本效益的、最理想的储能系统。Michael Geyer补充道。
（注：文中部分信息综合翻译自：Webinar: Carnot Batteries – facilitating the transition from fossil to renewable generation）（编译：杜凤丽）
