考虑垃圾发电厂与先进绝热空气压缩储能机的综合能源系统优化调度

把垃圾和空气变成更清洁的能源

现代城市同时面临两大问题：不断增长的垃圾堆和需要减少导致气候变暖的排放。本研究探讨了一种同时应对两者的方法，通过将垃圾发电厂与智能储能装置和燃料合成单元联结起来。该系统不是任由热量和气体从烟囱逸散，而是将它们回收为有用的能量和更清洁的燃料，同时采用一种智能控制方法以实现最低运行成本和最小污染。

能源拼图如何组合

研究的核心是一个需全天候提供电、热和燃气的城市能源网络。作者以焚烧生活垃圾发电和供热的垃圾发电厂为起点，将其与风力涡轮、太阳能面板、燃气热电联产单元和常规燃煤电厂相连接。管道和电缆把这些装置连成一体，使电力、热能和燃料能够被转移到最需要的地方。一个中央调度模型按小时决定每个装置的出力，使居民供暖和照明在总体最低成本下得到保障。

用烟气制造有用的燃料

系统不是简单地净化烟气再排放，而是捕获其中的两个重要成分：二氧化碳和氮气。利用电力和水，电解槽生成氢气。该氢气在反应器中与捕获的二氧化碳反应生成甲烷，这种气体可为高效的热电联产单元提供燃料。与此同时，烟气中的氮与氢在另一个反应器中合成成氨。部分氨与煤一同在发电单元中燃烧，减少煤炭使用和排放；剩余的氨可以作为产品出售，增加收入。在这些化学过程中通常会被浪费的热量由余热锅炉回收并送回供热网络，从而提高整体效率。

把能量储存在高压空气和热罐中

研究还引入了一种先进的空气压缩储能系统。当风光发电充足时，多余的电力驱动空气压缩机。压缩空气会产生大量热量，这些热量被储存在保温罐中，而压缩空气本身则储存在类似洞穴的储层中。后来在电力或热量短缺时，过程反向运行：储存的热量在空气膨胀通过涡轮发电时加热空气，热量也可直接输送到建筑物。通过将能量从富余时段转移到需求时段，该装置可帮助垃圾发电厂与可再生能源在全天内协同运行。

测试不同的建设选择

为了判断哪种技术组合最划算，作者建模了四种情景。最简单的仅包括垃圾发电厂与甲烷生产的联结。随后情景依次加入余热回收、氨生产，最后再加上空气压缩储能系统。最先进的配置给出最佳结果：它利用了所有可用的风能和太阳能，消除了购买外部热源的需要，减少了煤炭使用，并将碳排放相比基础情形降低约七分之一。尽管前期设备投入更高，但燃料采购和碳排放费用的节省，加上氨销售带来的收入，使总运行成本下降约五分之一。

更智能的系统运行方式

协调如此多的设备是一个复杂的数学问题，因此团队改进了一种流行的搜索方法——粒子群优化。通过实时调整其内部参数并加入局部微调步骤，他们的改进算法比标准方法找到更便宜、更稳定的运行方案。他们还证明，提高进入压缩机的空气温度可以增加可供建筑使用的热量和有效储能容量，进一步降低总体成本和排放。

这对日常生活意味着什么

简单来说，研究表明未来的低碳城市可以把垃圾、空气和多余的可再生电力转化为一个灵活的电、热和清洁燃料网络。通过回收余热、合成气和氨，以及在压缩空气和热罐中储能，城市能源系统可以减少燃料开支、抑制温室气体排放，并充分利用可再生电力。借助更智能的调度，这些技术可以作为一个协调的整体协同工作，指向一种更清洁、更高效的城市能源实践路径。

引用: Wang, W., Liu, M., Zhao, H. et al. Optimized scheduling of integrated energy systems considering waste-to-power plants and advanced adiabatic air compression energy storage machines. Sci Rep 16, 8041 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37485-z

关键词: 垃圾发电, 能源储存, 低碳电力, 合成燃料, 综合能源系统