作者：耿曉倩1,2, 徐玉杰1,2, 黃景堅(jiān)1,2, 凌浩恕1,2, 張雪輝1,2, 孫爽1, 陳海生1,2
單位：1. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所；2. 中國科學(xué)院大學(xué)
引用： 耿曉倩,徐玉杰,黃景堅(jiān)等.先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期能耗及二氧化碳排放[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(09):2971-2979.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0129
摘 要 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)其展開全生命周期能耗及二氧化碳排放研究，對(duì)促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展和政策制定有指導(dǎo)意義。本工作以10 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期模型，基于實(shí)際機(jī)組、國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)等對(duì)生命周期各階段進(jìn)行清單分析，獲得了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期能耗、能效及二氧化碳排放，并進(jìn)行了敏感性分析。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)全生命周期度電能耗和度電二氧化碳排放量分別為5.653 MJ和36.73 g，凈能量效率為63.68%；運(yùn)行階段的能耗和二氧化碳排放占比最大，分別為99.16%和90.49%；系統(tǒng)運(yùn)行效率、系統(tǒng)壽命及發(fā)電時(shí)間都是全生命周期二氧化碳排放的重要影響因素，而全生命周期能耗對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率的敏感性較大。
關(guān)鍵詞 壓縮空氣儲(chǔ)能；全生命周期；能耗；碳排放
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的主要途徑。波動(dòng)性和不可預(yù)測(cè)性是風(fēng)電、光伏等可再生能源規(guī)模利用的關(guān)鍵難題，而儲(chǔ)能技術(shù)是解決這一難題的有效途徑；因此，在以新能源為主的新型電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能至關(guān)重要。壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長、成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊發(fā)展前景，已被國內(nèi)外廣泛研究和開發(fā)。
國際上已建成兩座傳統(tǒng)CAES商業(yè)電站(1978年建成的德國290 MW Huntorf電站，1991年建成的美國110 MW McIntosh電站)，但存在依賴化石燃料、效率較低等問題，其推廣應(yīng)用受到了一定限制。而新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)因其擺脫對(duì)化石能源的依賴及效率更高的優(yōu)勢(shì)被廣泛地開發(fā)應(yīng)用，加拿大Hydrostor公司研發(fā)并建成了1.75 MW絕熱CAES電站，并規(guī)劃在美國加利福尼亞州建造400 MW電站；英國Highview公司研發(fā)并已建成2 MWh液態(tài)空氣儲(chǔ)能電站，正在建設(shè)50 MW液態(tài)空氣儲(chǔ)能電站；美國研發(fā)并建成了1.5 MW等溫CAES電站；中國科學(xué)院工程熱物理研究所已研發(fā)并建成國際首套10 MW和100 MW先進(jìn)CAES商業(yè)示范電站。新型CAES技術(shù)正在快速發(fā)展，逐步向產(chǎn)業(yè)化推廣邁進(jìn)。
由于儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)方案的全生命周期分析尚處于起步階段，為探究儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)產(chǎn)業(yè)布局和生態(tài)環(huán)境的長期影響，急需對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行深入研究。同時(shí)，有利于探索其有益于碳中和的發(fā)展方向，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”進(jìn)程中的政策決策有很強(qiáng)的參考價(jià)值。目前，已有部分學(xué)者對(duì)一些儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。Raugei等對(duì)100 MW光伏配套60 MW鋰電池系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)，結(jié)果表明配有鋰電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)火電在能源的清潔性方面優(yōu)勢(shì)依然明顯。Sternberg等提出了對(duì)比不同儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期表現(xiàn)的新方法，對(duì)物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能等多種儲(chǔ)能方式進(jìn)行全生命周期環(huán)境評(píng)價(jià)，結(jié)果表明包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等在內(nèi)的儲(chǔ)電系統(tǒng)的二氧化碳減排成本最低。Stougie等對(duì)包括壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)的多種儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)比計(jì)算了全生命周期環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)性及總體?損失，在這三方面表現(xiàn)最好的儲(chǔ)能系統(tǒng)分別為抽水蓄能、濃度梯度流電池、鋰離子電池。AlShafi等對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能、全礬液流電池、熔融鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)，得到壓縮空氣儲(chǔ)能的全球氣候變暖潛勢(shì)居中。Kapila等分析傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能、先進(jìn)絕熱壓縮空氣及抽水蓄能系統(tǒng)的全生命周期能量回報(bào)率和溫室氣體排放，發(fā)現(xiàn)全生命周期排放主要受運(yùn)行階段影響。但由于早期缺少實(shí)際建造且商業(yè)運(yùn)行的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，目前對(duì)CAES系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)研究多數(shù)基于傳統(tǒng)補(bǔ)燃式CAES系統(tǒng)，少量針對(duì)先進(jìn)CAES系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)研究的文獻(xiàn)中，運(yùn)行參數(shù)常常參考傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)，清單分析的數(shù)據(jù)來源主要是基于燃?xì)廨啓C(jī)、光熱電站、化工壓縮機(jī)組等其他同類型設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性處理，準(zhǔn)確性較差。
本工作以實(shí)際建造的某10 MW先進(jìn)CAES電站為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，從材料及部件生產(chǎn)、建造、運(yùn)行及維護(hù)、拆除及廢棄處置四個(gè)階段進(jìn)行全生命周期清單分析，得到先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期能耗及二氧化碳排放量，并對(duì)其關(guān)鍵影響因素進(jìn)行敏感性分析，本工作研究成果將對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)布局和CAES系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
1 研究方法
1.1 研究方法
生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)，是指對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)。生命周期評(píng)價(jià)是一種重要的環(huán)境管理工具，可用于評(píng)估產(chǎn)品或系統(tǒng)整個(gè)生命周期階段的環(huán)境影響。本工作使用生命周期評(píng)價(jià)的方法，分析壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的生命周期能耗及二氧化碳排放量。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14040，生命周期評(píng)價(jià)方法包括目的及范圍確定、清單分析、影響評(píng)估和解釋說明4個(gè)階段。本工作在生命周期評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，建立研究方法模型，具體研究方法及過程如圖1所示。
圖1 全生命周期評(píng)價(jià)過程框圖
1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)
不同系統(tǒng)的環(huán)境影響與其系統(tǒng)規(guī)模及產(chǎn)生的收益有直接影響，為使不同研究對(duì)象的環(huán)境影響具有可比性，需要對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的環(huán)境影響定義一個(gè)合理的功能單位。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中的部件，其產(chǎn)生的效益主要與其發(fā)電量有關(guān)，因此本工作采用1 kWh發(fā)電量作為功能單位。生命周期評(píng)價(jià)方法參考ReCiPe2016中間點(diǎn)法。其中所包含主要評(píng)價(jià)指標(biāo)如下所示。
（1）能源消耗
能源消耗指整個(gè)生命周期過程中的能源消耗總量，由下式進(jìn)行計(jì)算
2 研究對(duì)象及清單分析
2.1 研究目標(biāo)及范圍
2.1.1 研究對(duì)象
本工作以10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)為研究對(duì)象，開展全生命周期的能耗和二氧化碳排放的研究。整個(gè)系統(tǒng)以實(shí)際建設(shè)的某10 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，圖2為系統(tǒng)示意圖，其工作原理為：儲(chǔ)能時(shí)，通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)六級(jí)壓縮機(jī)將空氣進(jìn)行壓縮，高壓空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室中，同時(shí)利用雙罐式亞臨界水儲(chǔ)熱技術(shù)，回收壓縮機(jī)的間冷熱并儲(chǔ)存在熱罐中；釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放并到四級(jí)透平膨脹機(jī)中膨脹做功，同時(shí)利用儲(chǔ)存的壓縮熱加熱各級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)口空氣，膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將壓力能和熱能轉(zhuǎn)換為電能。先進(jìn)CAES系統(tǒng)主要包括壓縮子系統(tǒng)、儲(chǔ)氣子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和膨脹子系統(tǒng)。壓縮子系統(tǒng)是利用電力將空氣壓縮至高壓，實(shí)現(xiàn)電能到空氣內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，其主要部件包括電動(dòng)機(jī)、六級(jí)壓縮機(jī)、滑油站、壓縮機(jī)間冷器和末級(jí)冷卻器等；儲(chǔ)氣子系統(tǒng)是將高壓空氣進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存，本研究儲(chǔ)氣室采用廢棄鹽穴；儲(chǔ)熱子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)間冷熱的存儲(chǔ)，其主要設(shè)備包括冷罐、熱罐、冷卻水塔、熱水泵和冷水泵等；膨脹子系統(tǒng)利用高壓空氣膨脹做功發(fā)電，實(shí)現(xiàn)空氣內(nèi)能到電能的轉(zhuǎn)化，其主要部件包括四級(jí)透平膨脹機(jī)、滑油站(與壓縮機(jī)滑油站公用)、膨脹機(jī)再熱器和發(fā)電機(jī)等。
圖2 先進(jìn)CAES系統(tǒng)示意圖
系統(tǒng)各部件基本參數(shù)的設(shè)定參考實(shí)際系統(tǒng)，具體參數(shù)如表1所示，通過熱力學(xué)計(jì)算得到系統(tǒng)效率為64.2%。
表1 先進(jìn)CAES系統(tǒng)主要參數(shù)
2.1.2 系統(tǒng)邊界的確定
本研究以10 MW AA-CAES系統(tǒng)為對(duì)象，系統(tǒng)的范圍限制于從電能的輸入端到電能的輸出端，設(shè)定系統(tǒng)工作年限為35年，定量計(jì)算其生命周期過程能耗、能效及碳排放。研究范圍包括系統(tǒng)的生產(chǎn)階段(包括原材料的獲取、部件生產(chǎn)及組裝)，建造階段(包括部件及其他原料產(chǎn)地到系統(tǒng)建造地的運(yùn)輸、園區(qū)及廠房的建造及整個(gè)系統(tǒng)的組裝)，運(yùn)行階段和廢棄處置階段四個(gè)主要階段，生命周期系統(tǒng)邊界如圖3所示。
圖3 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期的系統(tǒng)邊界
2.2 清單分析
2.2.1 生產(chǎn)階段
生產(chǎn)階段主要涵蓋范圍為10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)所需壓縮子系統(tǒng)、膨脹子系統(tǒng)、儲(chǔ)熱子系統(tǒng)及管路中各種部件、閥門、管道等的原材料獲取、運(yùn)輸、生產(chǎn)和加工等過程。儲(chǔ)氣部分采用的是鹽穴儲(chǔ)氣，因此這一部分放在建造階段討論?；趯?duì)某10 MW先進(jìn)CAES示范電站、相關(guān)文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫的調(diào)研分析，本研究獲取了10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)的主要組成部分的耗材及耗能，具體如表2所示。
表2 設(shè)備生產(chǎn)階段的材料和能源消耗量
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)所涉及設(shè)備較多，各設(shè)備生產(chǎn)差異大，設(shè)備加工的主要工藝包括鑄造、鍛造、熱處理、焊接、機(jī)加工等。本研究各設(shè)備加工能耗參考GB 50910—2013《機(jī)械工業(yè)工程節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》、JBJ14—1986《機(jī)械工業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和JBJ20—1990《通用機(jī)械節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中各行業(yè)及生產(chǎn)工藝能耗指標(biāo)及文獻(xiàn)。
2.2.2 建造階段
建造階段主要涵蓋原材料及部件的運(yùn)輸、園區(qū)和廠房的建設(shè)、儲(chǔ)氣鹽穴的建造及系統(tǒng)安裝建設(shè)。園區(qū)建筑包括主廠房、輔房和水泵房等，園區(qū)建筑清單包括各建筑物的建筑面積、樓層、占地面積、建筑類型及建筑物建造過程所使用的建筑材料。本系統(tǒng)采用廢棄鹽穴作為儲(chǔ)氣裝置，儲(chǔ)氣鹽穴的建造清單包括采注井筒的建造耗能及耗材，參考10 MW先進(jìn)CAES示范電站建設(shè)中廢舊鹽穴的改造過程，采注井筒采用G55鋼。10 MW系統(tǒng) 建造階段所需材料和耗能參數(shù)如表3所示。
表3 建造階段的材料和能源消耗量
2.2.3 運(yùn)行維護(hù)階段
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命35年，系統(tǒng)效率64.2%，具體運(yùn)行參數(shù)如表4所示。假定運(yùn)行階段消耗的所有電能均來自風(fēng)力發(fā)電，根據(jù)Ecoinvent數(shù)據(jù)庫，風(fēng)電的度電二氧化碳排放量為21.1 g。運(yùn)行階段涵蓋范圍包括儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)過程、系統(tǒng)運(yùn)行過程、系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中所需要的替換件及檢修等部分。由于系統(tǒng)所用的水及潤滑油均為閉路循環(huán)，其損耗忽略不計(jì)。
表4 先進(jìn)CAES運(yùn)行參數(shù)
2.2.4 廢棄處置階段
廢棄處置階段主要涵蓋儲(chǔ)能系統(tǒng)報(bào)廢后的拆除過程及拆除后設(shè)備和材料的處置，如原材料的再利用、焚燒、填埋等。參照火力發(fā)電廠及普通建筑，拆除階段能耗取建造階段的30%，不同材料的回收比例及回收耗能如表5所示，其余材料均以填埋方式處理。
表5 金屬廢料回收數(shù)據(jù)
3 研究結(jié)果
3.1 先進(jìn)CAES系統(tǒng)全生命周期的能耗
利用本研究的全生命周期分析方法和模型，通過對(duì)本工作中的10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)的全生命周期過程分析計(jì)算可得，10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)全生命周期能源消耗為4654.4 TJ，系統(tǒng)分階段能源消耗如圖4所示。其中，運(yùn)行階段消耗能量4615.4 TJ，占比最大，達(dá)99.16%；生產(chǎn)階段為43.4 TJ，占比0.93%；建造階段為12.1 TJ，占比0.26%；廢棄處置階段為-16.5 TJ，占-0.36%。從計(jì)算結(jié)果可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行階段占據(jù)絕大多數(shù)能量消耗，廢棄階段回收能源為生產(chǎn)與建設(shè)階段能源消耗的1/3。
圖4 能源消耗分階段構(gòu)成
10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)每發(fā)電1 kWh需要消耗能量為5.653 MJ，由此可通過計(jì)算得到該系統(tǒng)的全生命周期凈能量效率為63.68%。其中，運(yùn)行階段輸入的儲(chǔ)能電量5.606 MJ，占總耗能的99.16%；其余部分為系統(tǒng)在生產(chǎn)、建造和廢棄階段的耗能，總計(jì)0.047 MJ，占0.83%。除運(yùn)行階段的耗能外，將系統(tǒng)其他階段的耗能按不同子系統(tǒng)進(jìn)行劃分，結(jié)果如圖5所示。其中，壓縮子系統(tǒng)和膨脹子系統(tǒng)的耗能是最多的，分別為0.016 MJ和0.013 MJ，分別占總耗能的0.29%和0.22%；儲(chǔ)熱子系統(tǒng)和儲(chǔ)氣子系統(tǒng)的耗能分別為0.008 MJ和0.006 MJ，占總耗能的0.14%和0.10%；管路系統(tǒng)及園區(qū)建設(shè)部分的耗能在總能耗中占比較小，總計(jì)0.08%。
圖5 度電能源消耗分部件構(gòu)成
3.2 先進(jìn)CAES系統(tǒng)全生命周期二氧化碳排放
計(jì)算分析可得，該10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)全生命周期的二氧化碳排放總量為30.24 kt，各階段碳排放如圖6所示。運(yùn)行階段的二氧化碳排放總量最多，為27.36 kt，占比達(dá)90.49%；生產(chǎn)階段全生命周期二氧化碳排放量為3.16 kt，占比10.44%；建造階段為0.96 kt，占比3.19%；廢棄處置階段二氧化碳排放為-1.25 kt，占比-4.12%。
圖6 碳排放分階段構(gòu)成
該10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)發(fā)電1 kWh的度電二氧化碳排放量為36.73 g。圖7為系統(tǒng)各階段的度電二氧化碳排放，運(yùn)行階段二氧化碳排放量為33.23 g/kWh，占比達(dá)90.49%；但相比運(yùn)行階段能耗，二氧化碳排放占比減少了8.67%，這是因?yàn)檫\(yùn)行階段能量來源為風(fēng)電，而生產(chǎn)、建造、廢棄處置階段主要消耗的是化石能源。生產(chǎn)、建造和廢棄階段二氧化碳排放總量為3.50 g，占比9.51%，其中壓縮子系統(tǒng)、膨脹子系統(tǒng)和儲(chǔ)熱子系統(tǒng)的二氧化碳排放量占比分別為2.58%、1.99%和2.52%。
圖7 度電二氧化碳排放構(gòu)成
此外，為更全面地探究先進(jìn)CAES系統(tǒng)生命周期碳排放結(jié)果，對(duì)運(yùn)行過程中來自光伏發(fā)電及火力發(fā)電儲(chǔ)存的電能進(jìn)行計(jì)算，10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)儲(chǔ)能來源不同時(shí)的生命周期度電二氧化碳排放如圖8所示。10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)在這兩種情況下的生命周期度電二氧化碳排放分別為125.50 g和1988.37 g，均比采用風(fēng)電作為儲(chǔ)能來源的情況高。這主要因?yàn)轱L(fēng)電、光伏發(fā)電、火力發(fā)電的碳排依次增加，先進(jìn)CAES系統(tǒng)的壽命較長，其生命周期碳排放主要來源于運(yùn)行階段，因此當(dāng)儲(chǔ)存的電能來源發(fā)生變化時(shí)，雖然生產(chǎn)、建造及廢棄處置階段的碳排放不變，系統(tǒng)的生命周期碳排放結(jié)果變化依然很大。同時(shí)可以看出，建造儲(chǔ)能電站本身所帶來的碳排放并不高。
圖8 不同電能來源的先進(jìn)CAES系統(tǒng)生命周期度電二氧化碳排放
4 敏感性分析
敏感性分析是評(píng)估研究中解決不確定性問題的一種系統(tǒng)分析方法。為評(píng)估壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能對(duì)全生命周期能耗及二氧化碳排放的影響，本研究選擇系統(tǒng)運(yùn)行效率、系統(tǒng)壽命、發(fā)電時(shí)間這3個(gè)因素進(jìn)行敏感性分析。
4.1 系統(tǒng)運(yùn)行效率
隨著先進(jìn)CAES系統(tǒng)運(yùn)行效率的提高，系統(tǒng)的度電能耗及運(yùn)行過程中的度電損耗勢(shì)必減少，且運(yùn)行效率主要影響的是儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行階段，而由前文分析可知運(yùn)行階段貢獻(xiàn)了主要的能耗和二氧化碳碳排放。圖9為系統(tǒng)效率對(duì)先進(jìn)CAES系統(tǒng)全生命周期能耗及二氧化碳排放的影響，當(dāng)其他因素不變時(shí)，系統(tǒng)效率每提高1%，全生命周期度電能耗降低0.0919 MJ，全生命周期度電二氧化碳排放減少0.57 g。可見，系統(tǒng)運(yùn)行效率是影響系統(tǒng)能耗和二氧化碳排放的關(guān)鍵因素。
圖9 系統(tǒng)效率對(duì)全生命周期性能的影響
4.2 系統(tǒng)壽命
對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)來說，提高系統(tǒng)壽命對(duì)于發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)意義重大，而系統(tǒng)工作壽命也是影響全生命周期能耗及二氧化碳排放的關(guān)鍵因素。為了定量研究其對(duì)能耗和二氧化碳排放的影響，保持其他因素不變，僅改變機(jī)組的工作壽命，敏感性分析結(jié)果如圖10所示。系統(tǒng)壽命每增加1年，度電能耗減少0.001 MJ，度電二氧化碳排放減少約0.089 g。由此可見，系統(tǒng)壽命是影響系統(tǒng)二氧化碳排放的關(guān)鍵因素。
圖10 系統(tǒng)壽命對(duì)全生命周期性能的影響
4.3 發(fā)電時(shí)間
發(fā)電時(shí)間主要影響系統(tǒng)的生命周期總耗電量和發(fā)電量，從而對(duì)能耗和二氧化碳排放產(chǎn)生影響。圖11為系統(tǒng)的日運(yùn)行發(fā)電時(shí)間對(duì)全生命周期性能的影響，當(dāng)其他因素不變情況下，系統(tǒng)日運(yùn)行發(fā)電時(shí)間每增加1 h，其度電能耗增加0.012 MJ，度電二氧化碳排放增加0.85 g，可見，發(fā)電時(shí)間對(duì)系統(tǒng)生命周期能耗的影響很小，而對(duì)生命周期二氧化碳排放影響較大。
圖11 發(fā)電時(shí)間對(duì)全生命周期性能的影響
通過上述敏感性分析可知，系統(tǒng)運(yùn)行效率、系統(tǒng)壽命和發(fā)電時(shí)間都是影響先進(jìn)CAES系統(tǒng)二氧化碳排放的關(guān)鍵因素，而系統(tǒng)能耗主要受系統(tǒng)運(yùn)行效率影響。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造過程中，在考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際應(yīng)用的前提下，合理地提高系統(tǒng)效率、提高工作壽命和加長系統(tǒng)發(fā)電時(shí)間，對(duì)降低先進(jìn)CAES系統(tǒng)的全生命二氧化碳排放具有重要意義。
5 結(jié)論
本工作基于實(shí)際先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能電站相關(guān)數(shù)據(jù)，開展了全生命周期清單分析，并進(jìn)行了全生命周期評(píng)價(jià)及敏感性分析，得到如下主要結(jié)論：
（1）10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)的全生命周期總能耗為4654.4 TJ，全生命周期度電能耗為5.653 MJ，全生命周期凈能量效率為63.68%。先進(jìn)CAES系統(tǒng)的工作壽命長，在全生命周期范圍內(nèi)，運(yùn)行階段能耗占總能耗的99.16%，而生產(chǎn)階段能耗占比極小，因此提高CAES系統(tǒng)運(yùn)行效率是降低能耗的最有效途徑。
（2）10 MW先進(jìn)CAES系統(tǒng)的全生命周期總二氧化碳排放量為30.24 kt，系統(tǒng)全生命周期的度電二氧化碳排放量為36.73 g。運(yùn)行階段排放二氧化碳占總量的90.49%，生產(chǎn)階段排放二氧化碳占總量的10.44%，廢棄階段負(fù)排放二氧化碳占總量的4.12%，因此運(yùn)行階段采用清潔能源可有效降低二氧化碳排放。
（3）敏感性分析結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行效率是先進(jìn)CAES系統(tǒng)全生命周期能耗的主要影響因素，系統(tǒng)效率每提高1%，全生命周期度電能耗降低0.092 MJ；系統(tǒng)效率、系統(tǒng)壽命和儲(chǔ)氣時(shí)間對(duì)先進(jìn)CAES的二氧化碳排放均有明顯的影響。
