报告类型： 技术综述与产业发展研究报告报告日期： 2026年2月20日字数： 约20,000字

摘要

本报告系统阐述了热力电池（卡诺电池）技术的原理、分类、技术进展、应用案例及未来发展趋势。卡诺电池作为一种新型大规模长时储能技术，通过热泵循环与热机循环实现电能与热能之间的高效双向转换，具有不受地理条件限制、储能密度高、容量成本低、寿命长等特点，在构建以新能源为主体的新型电力系统中具有重要战略价值。报告深入分析了布雷顿循环与朗肯循环两类主要技术路线的原理与特点，系统梳理了国内外最新技术进展，包括中国国家电投集团发布的全球首套超高温热泵储能技术“储诺”、基于CO₂的卡诺电池系统优化、废弃矿井集成应用、火电灵活性改造以及多品位冷热电联供系统等典型案例。报告还探讨了卡诺电池在新能源大基地、煤电灵活性改造、工业余热利用、分布式能源系统等场景的应用前景，分析了当前面临的技术成熟度、效率与成本平衡、材料耐久性等挑战，并对未来技术发展方向进行了展望。

关键词： 卡诺电池；热泵储能；长时储能；热力循环；灵活性改造；多能互补

第一章 引言

1.1 研究背景

在全球应对气候变化的背景下，能源系统的低碳化转型已成为国际社会的共识。根据联合国最新气候报告，将全球升温限制在《巴黎协定》目标范围内正变得日益困难，本世纪全球气温可能上升高达3.1°C-3。为缓解这一影响，通过可再生能源电气化加速脱碳进程至关重要。

中国明确提出2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的战略目标。这一目标的实现，需要大规模发展风电、光伏等可再生能源。然而，可再生能源的间歇性和波动性给电力系统的安全稳定运行带来了巨大挑战-1。风电和光伏发电具有明显的日内和季节性波动特征，导致发电侧与用电侧之间存在显著的时间域失衡-3。这种失衡使得电力系统面临频率波动、电压不稳、弃风弃光等问题，严重制约了可再生能源的进一步发展和消纳。

1.2 长时储能的战略意义

在此背景下，储能技术已成为能源结构的重要组成部分-1-3。随着新能源渗透率的不断提高，储能已从能源绿色转型的“可选项”变为“必选项”。《“十四五”能源领域科技创新规划》明确，针对电网削峰填谷、集中式可再生能源并网等储能应用场景，开展大容量长时储能器件与系统集成研究-4。

长时储能（Long-duration Energy Storage, LDES）通常指能够持续放电4小时以上的储能系统，对于应对新能源的日内波动、季节性不平衡以及极端天气事件具有重要意义。与短时储能相比，长时储能能够提供更长时间的电力支撑，保障电力系统在新能源出力不足时期的安全稳定运行。特别是针对季节性供需不平衡，如夏季太阳能过剩而冬季需求高峰的错配，长时储能具有显著的应用潜力-3。

1.3 卡诺电池的定位与优势

在众多储能技术中，热力电池，又称卡诺电池（Carnot Battery, CB），因其独特的优势而受到广泛关注。卡诺电池是一种将电能转化为热能存储，并在需要时再将热能转化为电能的技术-1-3。其名称来源于热力学中的“卡诺循环”，体现了其工作过程遵循的热机与热泵原理。

与其他大规模储能技术相比，卡诺电池具有以下显著优势：

1. 不受地理条件限制：与抽水蓄能需要特定地形、压缩空气储能需要大型盐穴或地下洞穴不同，卡诺电池可灵活布置于任何地点，包括工业园区、城市周边、新能源电站附近等-1-4。

2. 储能密度高：卡诺电池采用热泵技术实现电-热转换，其储能密度远高于传统储热技术，同等空间下储能容量大幅提升-4。

3. 容量成本低：与锂离子电池相比，卡诺电池在储能时长超过10小时的场景下已具有成本优势，并在未来成本情景下保持竞争力-3-5。储能系统的功率部分（热泵和热机）与容量部分（储热介质）可独立扩展，有利于降低长时储能的边际成本。

4. 寿命长：卡诺电池主要采用热力机械设备与储热材料，不存在电化学储能的循环寿命衰减问题，设计寿命可达20-30年。

5. 冷热电联供能力：卡诺电池可同时提供电力、供热和制冷服务，实现多能互补输出，提高整体能源利用效率-1-4。

6. 环保性好：卡诺电池采用水、导热油、熔盐、岩石等环境友好型材料作为储热介质，不存在电池回收和重金属污染问题。

1.4 报告研究范围与结构

本报告旨在全面系统地介绍卡诺电池技术的原理、分类、最新进展、典型应用案例以及未来发展趋势。报告共分为八章：第一章引言介绍研究背景和卡诺电池的战略意义；第二章详细阐述卡诺电池的基本原理与系统构成；第三章对卡诺电池的技术分类进行比较分析；第四章系统梳理国内外技术进展；第五章深入分析典型应用案例；第六章探讨关键技术与核心设备；第七章展望未来发展方向；第八章总结并提出发展建议。

第二章 卡诺电池基本原理

2.1 热力学基础

卡诺电池的名称源于法国物理学家尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot）于1824年提出的卡诺循环。卡诺循环是热力学中最理想的循环，描述了热机在高温热源和低温热源之间工作的最大可能效率。

卡诺电池的工作原理基于逆卡诺循环（热泵循环）和正卡诺循环（热机循环）的结合。在充电过程中，系统作为热泵运行，利用电能将热量从低温热源“泵送”到高温热源，从而在高温侧存储热能；在放电过程中，系统作为热机运行，利用高温热源和低温热源之间的温差驱动热机做功发电-1-3。

2.2 核心工作流程

卡诺电池的完整工作流程包括充电、储能和放电三个环节：

2.2.1 充电过程（电能→热能/冷能）

充电过程中，系统利用低谷电或过剩的可再生能源电力驱动热泵运行。热泵从低温热源吸收热量，向高温热源释放热量，从而实现热量的“泵送”提升。产生的热量被存储在高温蓄热介质中，冷量则存储在低温蓄冷介质中-1。

热泵的能效比（Coefficient of Performance, COP）定义为供热量与输入电功之比：

$CO{P}_{HP}=\frac{Q_{high}}{W_{in}}=\frac{T_{high}}{T_{high}-T_{low}}\cdot {\eta }_{ex}$

其中，T_high和T_low分别为高温热源和低温热源的温度（热力学温标），η_ex为热泵的㶲效率。从公式可以看出，热泵效率与高低温热源的温差成反比，温差越大，效率越低。

2.2.2 储能过程

在储能阶段，高温热量和低温冷量以显热、潜热或热化学能的形式存储在储罐中。存储时间可以根据系统设计从数小时到数月不等。与电化学储能不同，卡诺电池的热能存储不存在自放电问题，只要储罐保温良好，热量可以长期保存-9。

储热介质的选择对系统性能至关重要。常用的高温储热介质包括导热油（如Therminol VP-1，工作温度可达400°C）、熔盐（如太阳盐，工作温度可达560°C）、固体材料（如岩石、混凝土、陶瓷等）-1。低温储冷介质可采用冰水混合物、相变材料等。

2.2.3 放电过程（热能→电能）

当需要用电时，释放高温储热介质中的热量，驱动热机循环膨胀做功，带动发电机发电-1-3。放电完成后，热量回归低温热源，完成一个完整的充放电循环。

热机的热效率定义为输出功与吸热量之比：

${\eta }_{HE}=\frac{W_{out}}{Q_{high}}=1-\frac{T_{low}}{T_{high}}\cdot {\eta }_{ex}$

2.3 能量转换与效率分析

卡诺电池的往返效率（Round-Trip Efficiency, RTE）定义为放电输出电量与充电输入电量之比：

$RTE=\frac{W_{discharge}}{W_{charge}}=CO{P}_{HP}\cdot {\eta }_{HE}$

从热力学角度看，卡诺电池的往返效率受热泵效率和热机效率的乘积限制。根据卡诺定理，理论上最高往返效率为：

$RT{E}_{max}=\frac{T_{high}-T_{low}}{T_{high}}\cdot \frac{T_{high}}{T_{high}-T_{low}}=1$

然而，实际系统中存在各种不可逆损失，包括压缩机和膨胀机的等熵效率、换热器的温差传热损失、管道压降损失、辅助设备功耗等，导致实际效率远低于理论值。

值得注意的是，往返效率并非评价卡诺电池的唯一指标。由于卡诺电池具有冷热电联供能力，在提供电力的同时还可以供应热能和冷能，因此㶲效率或综合能源利用率是更全面的评价指标-3-5。在热电联供模式下，系统的一次能源利用率可大幅提高。

2.4 热泵与热机的协同机制

卡诺电池的核心创新在于将热泵循环与热机循环有机结合，实现电能与热能的灵活转换。这种协同机制体现在以下方面：

1. 设备共用：在可逆构型中，热泵和热机可共享压缩机/膨胀机、换热器等核心设备，降低系统投资成本-3-5。

2. 热源共享：充电过程中的低温热源与放电过程中的低温热沉可以是同一热源（如环境空气、水体或地下土壤），实现热量的循环利用。

3. 温区匹配：系统设计时需要精确匹配热泵的供热温度与热机的热源温度，以及热泵的吸热温度与热机的排热温度，以优化整体效率-1。

第三章 卡诺电池技术分类与比较

根据热力循环方式的不同，卡诺电池主要分为布雷顿（Brayton）循环卡诺电池和朗肯（Rankine）循环卡诺电池两大类-1-3。两类技术在工质、工作温度、应用场景等方面存在显著差异。

3.1 布雷顿循环卡诺电池3.1.1 工作原理

布雷顿循环卡诺电池采用气体工质（如氩气、空气、氦气或超临界CO₂）在闭式或开式循环中工作。充电过程中，气体工质在压缩机中被压缩升温，通过换热器将热量传递给储热介质；放电过程中，储热介质加热气体工质，高温高压气体在膨胀机中膨胀做功，驱动发电机发电-1。

3.1.2 技术特点

工作温度：布雷顿循环卡诺电池通常工作在高温区（>300°C），部分系统设计温度可达800°C以上-1。高温运行有利于提高热机效率，但对材料和设备提出了更高要求。

工质特性：

• 氩气：惰性气体，化学性质稳定，适用于超高温系统。英国Isentropic公司开发的逆布雷顿热泵系统理论上可实现500°C（773.15 K）的工作温度-1。

• 空气：成本低廉，但含有氧气，高温下可能导致氧化问题。

• 氦气：热导率高，适用于紧凑式换热器设计。

• 超临界CO₂：具有密度高、粘度低、压缩因子接近1等优良特性，可实现紧凑设备设计和高循环效率-1。

关键设备：布雷顿循环卡诺电池的核心设备包括高温压缩机、高温膨胀机、紧凑式换热器（如印刷电路板换热器PCHE）等。目前，高温压缩机和膨胀机的设计和制造成本是制约技术商业化的主要因素，技术成熟度（TRL）相对较低-1。

典型性能：研究表明，采用氩气工质的布雷顿卡诺电池系统，通过多目标优化，往返效率可达85%，体积能量密度达55 kWh/m3-1。德国enolcon公司设计的氩气逆布雷顿热泵最高工作温度可达507°C（780.15 K）-1。美国Echogen Power Systems公司开发的CO₂基系统工作温度可达600°C（873.15 K）-1。

3.2 朗肯循环卡诺电池3.2.1 工作原理

朗肯循环卡诺电池采用相变工质（如有机工质、CO₂或水）在亚临界或跨临界条件下工作。充电过程中，工质在蒸发器中吸热蒸发，在压缩机中被压缩升温，在冷凝器中放热冷凝；放电过程中，工质在蒸发器中吸热蒸发，在膨胀机中膨胀做功，在冷凝器中冷凝-3。

3.2.2 技术特点

工作温度：朗肯循环卡诺电池通常工作在较低温度区（<200°C），适合回收低品位余热和与工业热用户集成-3-5。较低的工作温度降低了对材料和设备的要求，有利于降低系统成本。

工质特性：

• 有机工质：如R1233zd(E)、R1366mzz(E)等低全球变暖潜能值（GWP）工质，适用于中低温应用-1。Theologou等人对10 kWe/4 h的朗肯卡诺电池进行了实验研究，采用相变材料储热，最大往返效率达37%-1。

• CO₂：跨临界CO₂循环可实现较好的温度匹配，减少㶲损失。Mercangöz等人对50 MWe的CO₂朗肯卡诺电池进行了数值研究，采用水基储热和储冷，模拟结果表明最大往返效率可达65%-1。

• 水蒸汽：适用于高温应用，但需要考虑冰点问题和相变潜热较大带来的设备尺寸问题。

关键设备：朗肯循环卡诺电池的设备成熟度较高，压缩机和膨胀机可采用螺杆机、离心机或透平机。由于工作温度较低，材料选择范围广，设备成本相对较低-3。

典型性能：在采用热集成的情况下，基于R1233zd(E)非共沸混合工质的朗肯卡诺电池系统峰值往返效率可达81%-1。Girelli等人设计的50 MWe/10 h朗肯卡诺电池，采用固体显热储热和相变储冷，往返效率超过60%-1。

3.3 其他分类方式

除按循环类型分类外，卡诺电池还可按以下方式分类：

3.3.1 按构型分类

可逆构型：热泵和热机共用压缩机/膨胀机、换热器等核心设备，通过阀门切换实现充放电模式的转换。这种构型设备利用率高，投资成本低，但控制复杂，且难以同时优化两种模式下的性能-3-5。

独立构型：热泵和热机采用独立的设备，分别针对充放电工况优化设计。这种构型性能较好，但设备投资较高。

3.3.2 按储热方式分类

显热储热：利用储热介质的温度变化存储热量，如导热油、熔盐、固体材料等。技术成熟，成本较低，但储能密度相对较低-1。

潜热储热：利用相变材料的相变潜热存储热量，可实现恒温储热，提高换热效率。但相变材料存在导热系数低、相分离、过冷等问题-1。

热化学储热：利用可逆化学反应存储热量，储能密度高，可实现无热损长期存储。但技术复杂，反应条件苛刻，尚处于实验室研究阶段-9。

3.4 技术路线对比分析

为了更直观地比较两类主要技术路线，下表汇总了其关键参数和特点：

从表中可以看出，两类技术各有优势，适用于不同应用场景。布雷顿循环卡诺电池适用于大规模、高参数应用场景，如与火电站耦合进行深度调峰；朗肯循环卡诺电池则适用于中低温应用场景，如工业园区余热回收、分布式能源系统等。两类技术路线并非相互替代关系，而是互补关系，共同构成卡诺电池技术谱系。

第四章 技术发展现状与最新进展

4.1 全球技术发展历程

卡诺电池的概念最早可追溯到20世纪70年代，但受限于热泵和热机技术水平，长期停留在理论研究和实验室阶段。进入21世纪，随着可再生能源的快速发展和储能需求的增长，卡诺电池重新引起学术界和工业界的关注。

近年来，卡诺电池技术取得了显著进展。从技术成熟度（TRL）来看，目前大多数卡诺电池系统仍处于TRL 4-5（实验室验证到小规模示范阶段），全球建成的示范项目不足10个-3-5。但多个团队正在推进更大规模的示范项目，预计未来3-5年内将有多个TRL 6-7（中等规模示范）的项目投运。

4.2 国内技术突破：全球首套超高温热泵储能技术“储诺”

2025年12月25日，国家电投集团中央研究院正式发布了全球首套超高温热泵储能技术——“储诺”-4。这是中国在储能自主创新领域的重要里程碑，标志着热泵长时储能技术正式向产业化发展迈出了关键一步。

4.2.1 技术参数

“储诺”技术在国家电投集团中央研究院建设的中试系统上完成验证。该系统为兆瓦级规模（1 MW/4 MWh），已顺利完成7次完整充放电测试-4。经过西安热工院的第三方性能测试，系统各项核心参数均达到或优于设计值：

• 规模化电电转化效率：稳定在65%以上

• 储热温度：高达560°C

• 储冷温度：低至-60°C

• 储能密度：80-120 kWh/m3

• 同等空间储能容量：较常规压缩空气储能提升10倍以上

4.2.2 技术创新

“储诺”技术的核心创新在于采用气体超高温热泵体系，攻克了系统构型、核心设备、系统控制等关键技术，建立了具备完全自主知识产权的热泵储能技术体系-4。

1. 系统构型创新：创新设计了可实现高品质冷热电联供的系统结构，仅使用一套系统即能较灵活地实现包括充电、供电、供热及供冷的多项功能。

2. 核心设备突破：攻克了高温压缩机、高温膨胀机等核心设备的设计与制造难题，实现了在560°C高温下的稳定运行。

3. 系统控制优化：开发了先进的控制策略，实现了充放电过程的平稳切换和高效运行。

4.2.3 应用前景

“储诺”技术具有布置灵活、储能密度高、容量成本低、储能效率高等优势，可实现高品质冷热电联供，耦合新能源大基地、煤电、核电、高耗能等产业，提升绿电消纳，满足运行灵活性及节能减排需求-4。

4.3 国际研究前沿4.3.1 基于CO₂的卡诺电池系统优化

CO₂因其优良的热物理性质成为国际研究热点。CO₂具有低热容比和低表面张力，可降低气蚀风险，实现在饱和线附近运行；其高系统压力可实现紧凑设备设计，适合规模化部署-1。

近期，一项发表于《Journal of Energy Storage》的研究提出了一种基于高温跨临界CO₂热泵的分布式卡诺电池系统架构-1。该系统集成了超临界CO₂动力循环与跨临界CO₂热泵循环，采用导热油VP-1储热和冰水混合物储冷，旨在实现多能联供，提供电力、供热和制冷服务。

研究通过分析热泵压缩机吸气温度和排气压力的影响，确定了最佳稳定运行条件。在非热集成条件下，系统往返效率可达50%-1。研究还系统分析了单罐储热配置下储罐热惯性对整个系统动态响应的影响。结果表明，在充放电末期，准稳态性能的最大衰减可达7%，这为后续系统优化和控制策略设计提供了重要指导-1。

4.3.2 废弃矿井集成应用

针对欧洲上万个废弃矿井的再利用问题，研究人员设计了一种可逆朗肯基卡诺电池，用于与废弃矿井集成-3-5。该系统是正在建设中的同类型最大机组，有望将技术成熟度提升至TRL 6-7。

该研究建立了基于物理的模型，并利用制造商数据进行验证，以评估实际约束下的性能。研究重点关注辅助设备和温度滑移控制的作用-3-5。主要发现包括：

1. 自适应控制的价值：通过主动调节二次回路泵转速，有机朗肯循环（ORC）模式的效率可比恒定滑移策略提高36%，热泵（HP）模式的相对效率提高20%-3-5。这表明没有单一的温度滑移设置适用于整个运行范围，需要采用自适应控制。

2. 辅助设备的关键作用：忽略辅助设备可能导致往返效率的相对误差高达24%，导致不切实际的性能值和可行性评估-3-5。在考虑辅助设备和约束条件的情况下，模型的充放电往返效率为22.8%至34.7%。

3. 性能评价指标：研究指出，由于卡诺电池还可以供应工业热、向区域供热网络供热和/或提供制冷，往返效率并不是评价该技术的完整指标-3-5。

4.3.3 热集成与性能优化

Morandin等人引入了基于夹点分析的设计框架，采用4 K夹点温差，比较了几种采用相同储能单元的循环架构，发现在采用回热且压降可忽略的情况下，往返效率可达64%-1。

Ayachi等人研究了一种开放式循环概念，用地热单元代替加压水箱作为储热单元。他们的稳态模拟考虑了回热器压损，结果表明，在充电模式下采用两相膨胀机、放电模式下采用双级膨胀，可实现55%的往返效率-1。

Kim等人从理论上提出了一种创新的近等温CO₂压缩和膨胀过程，采用基于活塞的液体喷雾机械来减少不可逆损失，预测往返效率可达65%-1。

4.4 专利布局与技术趋势

专利分析是了解技术发展态势的重要途径。根据西班牙专利商标局发布的专利警报，卡诺电池相关专利申请呈现快速增长态势-7。

值得关注的是，中国企业在CO₂卡诺电池领域积极布局。中科富海科技股份有限公司与西安交通大学联合申请了一项名为“一种二氧化碳卡诺电池设计方法、系统、设备及存储介质”的专利-10。该专利提出了一种创新的设计方法：确定多种待选择的CO₂卡诺电池构型，建立稳态热力学模型，通过变化系统运行参数进行热力学仿真，获得不同运行参数下的系统电电效率。以高温储热罐温度为横坐标、系统压力比为纵坐标，将仿真结果绘制成图谱，依据高温储热罐温度将坐标平面划分为不同温域区间，并在不同温域区间中标注推荐的CO₂卡诺电池构型-10。这种方法为CO₂卡诺电池的系统选型和设计提供了重要指导。

4.5 技术成熟度与产业化进程

综合国内外发展情况，卡诺电池技术正处于从实验室走向示范的关键阶段。各技术路线的成熟度评估如下：

值得注意的是，中国“储诺”技术的发布标志着中国在高温热泵储能领域已处于国际领先地位，为后续产业化奠定了基础-4。

第五章 典型应用案例与场景分析

5.1 新能源大基地储能

5.1.1 应用场景描述

新能源大基地是指集中开发的大规模风电、光伏发电基地，通常位于“三北”地区（西北、华北、东北）等资源富集区域。这些基地存在以下特点：

• 装机容量大，通常达到百万千瓦级以上

• 出力波动性强，存在明显的日内和季节性波动

• 远离负荷中心，电力外送通道容量有限

• 弃风弃光问题突出

5.1.2 卡诺电池解决方案

卡诺电池可作为新能源大基地的配套储能设施，实现以下功能：

平滑出力曲线：在风电光伏大发时段，将过剩电力转化为热能存储；在出力不足时段，释放热能发电，平滑整体出力曲线，提高并网友好性。

提升通道利用率：通过储能实现电力外送通道的充分利用，在通道容量允许范围内尽可能多送电，减少弃风弃光。

参与辅助服务：利用储能的快速响应能力，参与电网调频、调峰等辅助服务，获取额外收益。

多能互补输出：除电力外，还可提供热力和冷力，满足基地周边工业、农业、建筑等用热用冷需求，提高综合能源利用效率。

5.1.3 案例研究：风光互补联供系统

青岛科技大学申请的一项专利提出了一种集成卡诺电池的风光互补联供系统及其优化方法-7。该系统包括：

• 合成气制备单元：将太阳能同时转化为电能和热能，进而通过热能辅助甲醇分解，将太阳能转化为存储在合成气中的化学能

• 风力发电系统：将风能转化为电能

• 固体氧化物燃料电池发电单元：将合成气中的化学能转化为电能和热能

• 余热利用单元：回收利用固体氧化物燃料电池产生的高温烟气余热，通过蒸汽循环和跨临界CO₂制冷循环将高温热能转化为电能、热能和冷能

• 卡诺电池储能单元：接收各单元多余的电能转化为热能，并在需要时将热能转换为电能、热能和冷能，调节系统供需平衡并实现多能互补输出

该系统实现了太阳能、风能的多能互补利用，通过卡诺电池实现跨时段能量调度，提高了可再生能源利用效率和系统运行灵活性。

5.2 煤电灵活性改造5.2.1 应用背景

在中国构建新型电力系统的背景下，煤电的角色正从主体电源向调节性支撑电源转变。煤电机组需要深度调峰、快速爬坡、频繁启停，这对传统煤电的运行模式和设备寿命提出了严峻挑战-9。

卡诺电池与燃煤发电耦合，是提升传统煤电灵活性、促进新能源消纳的重要技术方向。通过为燃煤锅炉增加一个“弹性热库”，从根本上改变其运行模式，实现从“以煤定电”到“以需定电”的转变-9。

5.2.2 技术方案

卡诺电池与煤电机组的耦合调峰原理可概括为“填谷”和“顶峰”两个过程-9：

填谷（充电，储热阶段）：

• 场景：电网负荷低谷期（如夜间）、新能源大发导致电力过剩时

• 动作：燃煤机组维持在较高效率的稳定工况，将过剩电能通过热泵循环转化为高温热能，存储于储热介质中

• 效果：电网消纳多余电力，避免弃风弃光；煤电机组避免低负荷运行，保持高效率，降低磨损和煤耗

顶峰（放电，释热发电阶段）：

• 场景：电网负荷高峰期、新能源出力不足时

• 动作：从储热介质中提取高温热能，通过热机循环产生蒸汽，驱动汽轮机额外发电

• 效果：在不增加燃煤消耗的前提下，瞬间提升机组总发电出力，满足尖峰负荷需求

5.2.3 主要耦合方案

根据耦合点的不同，卡诺电池与煤电机组的集成可采用以下几种方案-9：

1. 抽汽耦合方案（最主流、最直接）

这是目前研究最深入、工程可行性最高的方案。

技术路线：

• 充电：从汽轮机中抽取一部分蒸汽，驱动大型吸收式热泵或蒸汽压缩热泵，将低品位热能提升为高品位热能，储存于高温储罐

• 放电：将储存的高温热能用于加热给水或产生蒸汽，注入汽轮机的中低压缸，替代部分锅炉抽汽，从而在燃煤量不变的情况下增加汽轮机做功量

调峰优势：

• 快速响应：储热系统可在几分钟内从储热模式切换为放热发电模式，响应速度快于锅炉本身

• 深度调峰：允许燃煤主机在高峰时段“超发”，在低谷时段“深谷”，综合调峰幅度可扩大30%以上

以600 MW机组为例，纯燃煤工况调峰范围可能是300-600 MW。耦合后，通过在低谷时储热150 MW的电能，在高峰时释热发电增加100 MW出力，系统整体出力范围可变为150-700 MW-9。

2. 锅炉集成方案

技术路线：将储热/放热系统深度集成到锅炉的水冷壁、过热器、再热器等受热面中

• 充电：将多余电能转化为热能，直接输入锅炉的某个换热环节，替代部分燃煤热量

• 放电：从储热系统提取热量，补充到锅炉的蒸汽生成流程中，使锅炉在相同燃煤量下产生更多、更高参数的蒸汽

调峰优势：

• 提升锅炉灵活性：缓解锅炉在低负荷运行时燃烧不稳定、效率骤降、环保指标恶化等问题

• 改善蒸汽参数：在低负荷时通过储能系统补充热量，维持主蒸汽和再热蒸汽温度，保障机组效率和安全

3. 热化学储能耦合方案

技术路线：利用多余电力驱动钙循环（CaO/CaCO₃）的煅烧反应（储能），在需要时进行碳酸化反应（放热）释放高温热量

耦合点：释放的高温热量可用于生产蒸汽，与主蒸汽系统合并，或直接用于驱动汽轮机

调峰优势：

• 长时储能：热化学储能能量密度高，适合数小时至数天的长时调峰

• 协同减排：碳酸化反应本身是一个碳捕获过程，可实现调峰与减排协同

• 效率维持：研究显示，此类系统可有效降低调峰时的煤耗率，提升整体能源利用效率

5.2.4 性能指标与效益评估

耦合系统的性能可通过以下指标评估-9：

• 调峰幅度增强率：耦合系统最大/最小出力与纯煤电工况的比值。理想情况下，最低出力可降至接近零，最高出力可超发。

• 爬坡速率：单位时间内出力变化的能力。储热系统的快速响应特性可显著提升整体爬坡率。

• 往返效率：当前先进系统的设计效率可达40-50%。虽然低于电池，但其成本低、寿命长、规模大的优势在大规模调峰场景下更具经济性。

• 煤耗率变化：在完成相同调峰任务时，耦合系统相较于纯煤电深度调峰，其平均发电煤耗的降低程度。

• 运行灵活性：包括启停次数减少、低负荷运行时间缩短、负荷跟踪精度提高等。

5.2.5 挑战与展望

煤电耦合卡诺电池技术面临的主要挑战包括-9：

• 系统集成复杂性：需要精确控制热力、电力耦合点的参数，确保安全

• 高温设备与材料：需要耐受550°C以上高温的储热介质、换热器和管道

• 动态控制策略：需要先进的协同控制算法，以最优经济性响应电网调度指令

• 初期投资成本：需要与调峰收益、煤耗节省、碳减排收益进行综合经济性评估

展望未来，该技术被视为传统煤电绿色低碳转型的关键路径之一。随着“储诺”等超高温热泵储能技术的工程化推进，其耦合成本有望持续下降，使煤电平稳过渡为可靠的调节性支撑电源-9。

5.3 工业余热利用与废弃矿井储能5.3.1 应用背景

工业部门消耗了大量能源，同时产生大量余热资源。据统计，工业余热量约占工业能耗的20-50%，回收利用潜力巨大。另一方面，欧洲有超过11000个废弃矿井，这些矿井通常充满水，形成巨大的地下储热空间-3-5。

将卡诺电池与废弃矿井结合，可实现工业余热回收、季节性储热、冷热电联供等多重目标，具有极高的复制推广潜力。

5.3.2 废弃矿井集成方案

WeForming项目正在建设全球最大的热集成朗肯卡诺电池示范项目，旨在将50 kWe的卡诺电池集成到废弃矿井长期储能系统中，将技术成熟度提升至TRL 6-7-3-5。

系统设计：

• 采用可逆朗肯构型，热泵和有机朗肯循环共享核心设备

• 利用废弃矿井水作为低温热源/热沉

• 可同时提供电力、工业热和区域供热

性能特点：

• 在考虑辅助设备和实际约束条件下，充放电往返效率为22.8%至34.7%

• 通过自适应温度滑移控制，ORC模式效率可提高36%，HP模式相对效率可提高20%

• 辅助设备功耗对系统性能有决定性影响

5.3.3 关键技术发现

该研究揭示了卡诺电池系统设计的几个关键发现-3-5：

1. 辅助设备的关键性：对于与低温储热集成的卡诺电池，辅助设备对性能起决定性作用。要实现高效率，需要：

• 具有高部分负荷效率的水泵（包括泵和电机）

• 能够在低净正吸头下高效运行的制冷剂泵

• 部署主动控制策略管理充放电过程

2. 温度滑移控制：没有单一的温度滑移设置适用于整个运行范围，需要采用自适应控制。

3. 性能评价指标：由于卡诺电池还可供应工业热、区域供热和/或制冷，往返效率并非完整评价指标。

5.4 分布式能源系统与建筑供能5.4.1 应用场景

工业园区、商业园区和住宅区等场合对冷热电多品位能源有巨大需求。随着波动性可再生能源的大规模接入和用户多元负荷需求的随机性增强，供需不匹配问题日益突出-2。

5.4.2 北理工多品位冷热电联供系统

北京理工大学研发了一种基于卡诺电池的多品位冷热电灵活供应系统-2。该成果的创新点在于：

• 利用卡诺电池系统从低温侧吸热、向高温侧供热的循环特性

• 创新性地设计可提供多种形式能源和冷热多品位供应与储存的系统结构

• 仅使用一套系统即能较灵活地实现包括充电、供电、供热及供冷的多项功能

市场前景：该成果大幅降低了设备和储能成本，系统规模可根据需要灵活调整，克服了不同应用场景中的地理、气候条件约束，相比现有技术拓展了卡诺电池的用途，具有极高的性能优势和推广价值-2。

5.4.3 零能耗建筑应用

可逆朗肯卡诺电池也适用于零能耗建筑场景-3。通过与建筑光伏系统结合，可在白天光伏大发时储能，夜间或阴雨天放电，同时满足建筑的冷热负荷需求，提高建筑能源自给率。

5.5 其他创新应用5.5.1 船舶与海洋应用

Hyliion公司成功完成了KARNO发电模块针对美国海军代表性负荷曲线的测试-8。该系统成功通过了一个具有挑战性的、任务代表性的海军负荷曲线，展示了系统在高压、实际条件下管理快速负荷变化和维持性能的能力。KARNO系统的安静运行、燃料灵活性和最小维护需求使其非常适合满足军事不断变化的电力需求-8。

5.5.2 核电耦合

卡诺电池也可与核电站耦合，利用核电站的稳定热源和低谷电力进行储能，提高核电站的运行灵活性和负荷跟踪能力-4。

5.5.3 高耗能产业节能

对于钢铁、化工、建材等高耗能产业，卡诺电池可回收工艺余热，并在需要时提供电力和热力，降低综合能耗和碳排放-4。

第六章 关键技术与核心设备

6.1 高温热泵技术

高温热泵是卡诺电池充电过程的核心设备，其性能直接影响系统的整体效率。目前高温热泵技术的发展现状如下：

6.1.1 技术瓶颈

• 压缩机限制：传统商用高温热泵长期受限于压缩机设计，实际供热温度通常在150°C（423.15 K）左右被认为是当前部署的上限-1。

• 制冷剂热稳定性：有机工质在高温下可能分解，限制系统最高工作温度。

• 润滑油问题：高温下润滑油可能变质，影响压缩机寿命和可靠性。

6.1.2 最新进展

• 超高温热泵突破：中国“储诺”技术实现了560°C的超高温供热，标志着高温热泵技术的重大突破-4。

• 跨临界CO₂循环：新型跨临界/超临界CO₂循环和大型级联系统正在证明在更高供热温度下的可靠运行-1。

• 逆布雷顿热泵：英国Isentropic公司开发的空气逆布雷顿热泵理论上可实现500°C工作温度；德国enolcon公司的氩气逆布雷顿热泵最高工作温度达507°C；美国Echogen公司的CO₂基系统工作温度可达600°C-1。

6.2 高温储能材料

储热材料是卡诺电池的核心，其性能直接影响系统的储能密度、成本和寿命。

6.2.1 材料类型与性能

6.2.2 研究热点

• 复合储热材料：将高热导率材料（如石墨、金属泡沫）与相变材料复合，提高储/放热速率。

• 封装技术：对相变材料进行微胶囊封装，解决泄漏和腐蚀问题。

• 热化学储热反应器：开发高效反应器，实现快速充放热和长期稳定循环。

6.3 高效换热设备

换热设备对卡诺电池的整体效率有重要影响。主要类型包括：

• 紧凑式换热器：印刷电路板换热器（PCHE）具有体积小、效率高、耐高压等优点，适用于超临界CO₂系统。

• 回热器：回收排气热量，提高循环效率。

• 储热换热一体化：将储热材料与换热结构一体化设计，减少热阻和压降。

6.4 系统集成与控制技术

系统集成与控制是卡诺电池实现高效运行的关键。

6.4.1 动态特性与控制

研究表明，采用单罐配置的分布式卡诺电池系统，由于储罐热惯性，充放电末期准稳态性能最大衰减可达7%-1。这需要采用先进控制策略进行补偿。

6.4.2 温度滑移控制

通过主动调节二次回路泵转速，可显著提高系统效率。对于废弃矿井集成的可逆朗肯卡诺电池，ORC模式效率可比恒定滑移策略提高36%，HP模式相对效率提高20%-3-5。

6.4.3 多模式切换控制

卡诺电池需要在充电模式、放电模式、待机模式之间平稳切换。切换过程的动态响应速度和稳定性是控制系统设计的关键。

6.5 辅助设备优化

研究揭示，辅助设备功耗对系统性能有决定性影响-3-5。优化方向包括：

• 开发具有高部分负荷效率的水泵（包括泵和电机）

• 设计能够在低净正吸头下高效运行的制冷剂泵

• 优化辅助设备选型和运行策略

第七章 未来发展展望

7.1 技术发展趋势

7.1.1 高温化

提高工作温度是提升卡诺电池效率的主要途径。高温化发展趋势包括：

• 超高温热泵：突破600°C甚至800°C的温度门槛，与更高参数的热机匹配

• 高温材料：开发耐高温、抗腐蚀、长寿命的储热材料和设备材料

• 高温工质：筛选和开发热稳定性好、环境友好的高温工质

7.1.2 系统集成化

卡诺电池将与其他能源系统深度融合，实现多能互补和协同优化：

• 与可再生能源集成：与风电、光伏场站结合，平滑出力曲线

• 与火/核电机组集成：提升传统电源灵活性

• 与工业过程集成：回收余热，提供高品质热力

• 与建筑供能系统集成：实现冷热电联供，提高能源自给率

7.1.3 智能化控制

智能化是卡诺电池实现高效可靠运行的关键：

• 数字孪生：建立系统数字孪生模型，实现状态监测和性能优化

• 自适应控制：根据运行条件和负荷需求，动态优化控制参数

• 人工智能优化：利用机器学习算法优化系统设计和运行策略

7.1.4 低成本化

成本是决定卡诺电池能否大规模应用的关键因素。低成本化路径包括：

• 设备标准化：推动核心设备的标准化设计和规模化制造

• 材料低成本化：开发低成本储热材料和工质

• 系统简化：优化系统构型，减少设备数量和复杂度

7.2 产业应用前景7.2.1 近中期应用（2025-2030）

• 煤电灵活性改造：利用存量煤电机组进行耦合改造，提升系统调峰能力

• 工业园区多能互补：为工业园区提供冷热电联供服务

• 新能源大基地配套：作为大规模风电、光伏基地的配套储能

• 废弃矿井再利用：利用废弃矿井建设大规模储热系统

7.2.2 中远期应用（2030-2040）

• 独立储能电站：建设独立的大型卡诺电池储能电站，参与电力市场

• 零碳园区/社区：作为零碳能源系统的核心支撑

• 季节性储能：解决太阳能夏季过剩、冬季不足的季节性不平衡问题

• 船舶与海洋应用：为船舶提供清洁电力和冷热供应

7.2.3 远期愿景（2040-2050）

• 能源互联网节点：成为能源互联网的重要节点，实现多能流协同优化

• 碳循环利用枢纽：与碳捕集利用技术结合，实现能源与碳的协同循环

• 太空应用：为月球基地、火星探测等提供能源解决方案

7.3 技术挑战与对策7.3.1 主要技术挑战

1. 技术成熟度偏低：目前多数系统处于TRL 4-6，缺乏长期运行验证-1-3

2. 效率与成本的平衡：高效率系统往往设备投资高，需优化权衡

3. 材料耐久性：高温材料的长期稳定性、抗腐蚀性需要验证

4. 动态控制复杂性：多模式切换、变工况运行控制复杂

5. 标准体系缺失：缺乏统一的设计、测试、评价标准

7.3.2 发展对策建议

1. 加大研发投入：支持基础研究、关键技术攻关和示范项目建设

2. 推动示范应用：在不同场景建设示范项目，积累运行经验和数据

3. 建立标准体系：制定卡诺电池设计、测试、并网等技术标准

4. 完善政策机制：建立适合长时储能的价值回报机制

5. 促进跨界合作：推动能源、化工、材料、控制等多领域协同创新

第八章 结论

8.1 技术总结

卡诺电池作为一种新型大规模长时储能技术，具有不受地理条件限制、储能密度高、容量成本低、寿命长、冷热电联供能力等显著优势，在构建以新能源为主体的新型电力系统中具有重要战略价值。

从技术路线看，布雷顿循环卡诺电池适用于高温、大容量应用场景，具有高效率潜力但设备成熟度较低；朗肯循环卡诺电池适用于中低温应用场景，设备成熟度高但工作温度受限。两类技术各有优势，互补发展。

8.2 进展评估

近年来，卡诺电池技术取得了显著进展。中国国家电投集团发布的全球首套超高温热泵储能技术“储诺”，实现了560°C储热温度、65%以上电电效率，标志着中国在该领域处于国际领先地位-4。国际上，基于CO₂的卡诺电池系统优化、废弃矿井集成应用、热集成与性能优化等研究方向取得重要进展-1-3-5。

在应用层面，卡诺电池已在新能源大基地储能、煤电灵活性改造、工业余热利用、分布式能源系统等场景展现出广阔应用前景-2-4-7。

8.3 前景展望

未来，卡诺电池将向高温化、系统集成化、智能化控制和低成本化方向发展。近中期将在煤电灵活性改造、工业园区多能互补、新能源大基地配套等场景实现规模化应用；中远期将作为独立储能电站、零碳能源系统核心、季节性储能方案发挥更大作用；远期有望成为能源互联网的重要节点，助力实现碳中和目标。

8.4 发展建议

为推动卡诺电池技术健康快速发展，建议：

1. 强化顶层设计：将卡诺电池纳入国家储能技术发展路线图，明确战略定位和发展目标。

2. 加大支持力度：设立专项研发计划，支持关键技术攻关和核心设备研制。

3. 建设示范工程：在不同应用场景建设一批示范项目，积累工程经验和运行数据。

4. 完善标准体系：加快制定卡诺电池设计、测试、并网等技术标准。

5. 创新商业模式：探索适合长时储能的商业模式和价值回报机制。

6. 加强国际合作：积极参与国际技术交流与合作，共享研发资源和经验。

随着技术的不断成熟和成本的持续下降，卡诺电池有望成为大规模长时储能的中坚力量，为构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系提供重要支撑。

参考文献

[1] Energetic investigation on the dynamic operation characteristics of distributed Carnot Batteries with high temperature transcritical CO2 heat pump. Journal of Energy Storage, 147, 120108 (2026). -1

[2] 北京理工大学. 基于卡诺电池的多品位冷热电灵活供应系统. 北京理工大学技术转移中心, 2026-01-26. -2

[3] Cendoya, A., Ransy, F., Guo, B., et al. Design and modelling of a reversible HP/ORC Carnot battery tailored for waste heat integration in flooded mines. Applied Energy, 404, 127127 (2026). -3-5

[4] 国家电投集团. 全球首套超高温热泵储能技术“储诺”发布. 安阳市科技局转载自人民网, 2026-01-04. -4

[5] Cendoya, A., Ransy, F., Guo, B., et al. Design and modelling of a reversible HP/ORC Carnot battery tailored for waste heat integration in flooded mines. ORBi ULiège, Applied Energy, 404, 127127 (2026). -5

[6] 西班牙专利商标局. 技术警报: 卡诺电池相关专利. 2026年2月. -7

[7] 青岛科技大学. 一种集成卡诺电池的风光互补联供系统及其优化方法. 中国专利CN121529759A, 2026-02-13. -7

[8] 刘国华. Carnot battery/卡诺电池储能耦合燃煤发电的灵活调峰技术. 科学网博客, 2026-01-25. -9

[9] 中科富海科技股份有限公司, 西安交通大学. 一种二氧化碳卡诺电池设计方法、系统、设备及存储介质. 中国专利CN121480259A, 2026-02-11.