作者：郝佳豪 1,2 越云凱 1,3 張家俊 1 楊俊玲 1 李曉瓊 1 宋衍昌 1,2 張振濤 1,3
單位：1. 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)；3. 北京博睿鼎能動(dòng)力科技有限公司
引用：郝佳豪,越云凱,張家俊等.二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(10):3285-3296.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0199
摘 要 二氧化碳儲(chǔ)能(CES)技術(shù)是基于壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)和Brayton發(fā)電循環(huán)的一種新型物理儲(chǔ)能技術(shù)，具有儲(chǔ)能密度大、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)設(shè)備緊湊等優(yōu)勢(shì)，具有較好的發(fā)展和應(yīng)用前景。本文介紹了典型二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理和基本特征，指出了系統(tǒng)循環(huán)效率(RTE)、儲(chǔ)能密度(ESD)的計(jì)算方式和評(píng)價(jià)效果；通過(guò)對(duì)近期相關(guān)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的討論，結(jié)合二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，重點(diǎn)梳理了二氧化碳電熱儲(chǔ)能(TE-CES)、跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能(TC-CES)、超臨界二氧化碳儲(chǔ)能(SC-CES)、液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能(LCES)和耦合其他能源系統(tǒng)的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究進(jìn)展，指出了不同系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、不足及適應(yīng)性應(yīng)用場(chǎng)景；總結(jié)了二氧化碳儲(chǔ)能的研究方向、關(guān)鍵技術(shù)和主要挑戰(zhàn)，最后分析了二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)在技術(shù)研發(fā)和面向多場(chǎng)景應(yīng)用兩個(gè)層面上的發(fā)展前景。綜合分析表明，目前二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)研究方興未艾，且較多為理論研究，還需要進(jìn)一步朝著系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方向發(fā)展，二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)有望在未來(lái)電力儲(chǔ)能市場(chǎng)中獲得較大發(fā)展空間。
關(guān)鍵詞 大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能；二氧化碳儲(chǔ)能；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展前景
隨著生態(tài)環(huán)境破壞與資源約束的矛盾日益突出，大力開(kāi)發(fā)可再生能源已成為解決我國(guó)能源安全和環(huán)境污染問(wèn)題的主要手段。截至2021年底，我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到10.63億千瓦，占總發(fā)電裝機(jī)容量的44.8%。其中，風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)分別達(dá)到3.28 億千瓦和3.06 億千瓦。相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2050年，可再生能源在我國(guó)能源體系中占比有望達(dá)到78.0%。但可再生能源特別是風(fēng)電和光伏發(fā)電具有明顯的波動(dòng)性、周期性和不確定性等不利因素，其大規(guī)模并網(wǎng)不僅給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)，也造成了巨大的能量浪費(fèi)。因此，開(kāi)發(fā)規(guī)?；咝?chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成為學(xué)界和社會(huì)的重要共識(shí)。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以周期性儲(chǔ)存多余電量，并在用電高峰時(shí)進(jìn)行釋能發(fā)電，不但是實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電規(guī)?；尤?、平滑持續(xù)電力輸出、調(diào)峰調(diào)頻的重要手段，而且可以提高電網(wǎng)輸配電側(cè)的整體效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性。
目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的兆瓦級(jí)、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)主要有抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能。其中，抽水蓄能(pumped hydro storage，PHS)已裝機(jī)比例最大，應(yīng)用較為成熟，但存在著選址困難、建設(shè)周期長(zhǎng)、初期投資大、破壞生態(tài)環(huán)境等客觀問(wèn)題。壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)具有規(guī)模大、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，一般循環(huán)效率在40%～70%之間，被認(rèn)為具有較大的發(fā)展?jié)摿?。傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)需要外加燃?xì)庋a(bǔ)熱裝置，且一般借助地下洞穴、鹽穴、巖層等特殊的地理環(huán)境儲(chǔ)存，系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)存要求較高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(AA-CAES)、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(SC-CAES)、液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(LAES)等第二代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，一定條件下擯棄了地理?xiàng)l件限制，減少了化石燃料的使用，對(duì)環(huán)境更為友好。但是，AA-CAES系統(tǒng)依賴高壓容器或地下儲(chǔ)氣庫(kù)，導(dǎo)致其儲(chǔ)能密度相對(duì)較低(一般為1.5～10 kWh/m3)、主要設(shè)備體型較大；SC-CAES系統(tǒng)和LAES系統(tǒng)存在超臨界空氣蓄冷液化過(guò)程，且空氣液化溫度一般為-196 ℃，導(dǎo)致系統(tǒng)冷?損耗較大，從而影響其整體性能的進(jìn)一步提升。
為了進(jìn)一步提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率與能量密度，相關(guān)學(xué)者提出了以CO2為工質(zhì)的二氧化碳儲(chǔ)能(carbon dioxide energy storage，CES)系統(tǒng)，由于CO2臨界點(diǎn)(7.39 MPa和31.4 ℃)相對(duì)空氣(3.77 MPa和-140.5 ℃)容易達(dá)到，無(wú)毒、不易燃、安全等級(jí)為A1，且超臨界二氧化碳(S-CO2)具有優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)：黏度小、密度大、導(dǎo)熱性能好，系統(tǒng)寄生能耗也相對(duì)較低。基于常規(guī)儲(chǔ)能設(shè)計(jì)參數(shù)，表1展示了不同壓力和對(duì)應(yīng)溫度下空氣和CO2的密度大小，可以看出，相同狀態(tài)和壓力下CO2儲(chǔ)存密度均大于空氣，其中液態(tài)儲(chǔ)存時(shí)最高，從而使得CES系統(tǒng)具有較高的儲(chǔ)能潛力。
本文首先介紹了CES系統(tǒng)的工作原理及主要特點(diǎn)，指出了CES系統(tǒng)的主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后基于CES系統(tǒng)的發(fā)展歷程，分析了不同CES系統(tǒng)方案的技術(shù)特征和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了CES技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)、主要方向和技術(shù)挑戰(zhàn)，最后展望了CES技術(shù)的發(fā)展前景。
1 二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)概述
1.1 工作原理
二氧化碳儲(chǔ)能是在壓縮空氣儲(chǔ)能和Brayton循環(huán)的基礎(chǔ)上提出的，以CO2作為儲(chǔ)能系統(tǒng)工作介質(zhì)，通過(guò)多級(jí)絕熱壓縮、等壓加熱、多級(jí)絕熱膨脹和等壓冷卻等過(guò)程實(shí)現(xiàn)，但由于CO2工質(zhì)特殊性，系統(tǒng)為封閉式循環(huán)，系統(tǒng)設(shè)備和參數(shù)設(shè)置也和壓縮空氣儲(chǔ)能有較大差異。
圖1展示了二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)主要由高、低壓儲(chǔ)罐，壓縮機(jī)，透平和蓄熱蓄冷單元組成；蓄熱蓄冷單元主要包括再冷器、再熱器、蓄熱罐和蓄冷罐。其工作原理可分為儲(chǔ)能階段和釋能階段兩個(gè)過(guò)程。儲(chǔ)能時(shí)，低壓儲(chǔ)罐中的低壓液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)蓄冷換熱器吸熱氣化，再經(jīng)過(guò)(多級(jí))壓縮機(jī)壓縮至超臨界狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)再冷器吸收壓縮熱并通過(guò)蓄熱介質(zhì)將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱罐中，最后將超臨界狀態(tài)CO2儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)罐中，即將電能以熱能和勢(shì)能形式儲(chǔ)存；釋能時(shí)，高壓儲(chǔ)罐中的超臨界CO2經(jīng)過(guò)再熱器升溫，再進(jìn)入透平中推動(dòng)透平發(fā)電，同時(shí)再將再熱器出口的低溫蓄熱介質(zhì)冷量?jī)?chǔ)存在蓄冷罐中，末級(jí)透平出口的CO2再經(jīng)過(guò)冷卻器和蓄冷換熱器冷卻至液化狀態(tài)，最后儲(chǔ)存在低壓儲(chǔ)罐，即將熱能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能輸出。
CES系統(tǒng)一般采用壓縮熱回收利用代替?zhèn)鹘y(tǒng)CAES系統(tǒng)中的燃料補(bǔ)燃，避免了對(duì)化石能源的依賴；同時(shí)設(shè)置壓縮機(jī)與透平分布，從而能夠靈活控制系統(tǒng)儲(chǔ)能、調(diào)節(jié)釋能工況，減少機(jī)組啟停切換時(shí)間；CES系統(tǒng)中多采用多級(jí)壓縮和多級(jí)膨脹，最大儲(chǔ)能壓力可達(dá)20～25 MPa，同時(shí)通過(guò)中間冷卻和中間再熱使壓縮機(jī)和透平近等溫運(yùn)行，提高了系統(tǒng)循環(huán)效率；CES系統(tǒng)可根據(jù)可再生能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、用戶側(cè)削峰填谷等應(yīng)用場(chǎng)景，滿足數(shù)小時(shí)甚至數(shù)十天的儲(chǔ)能周期需求，且具有較長(zhǎng)運(yùn)行壽命。
1.2 主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
對(duì)于壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)，最能反映系統(tǒng)儲(chǔ)能特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有系統(tǒng)循環(huán)效率(round trip efficiency,RTE)和儲(chǔ)能密度(energy storage density，ESD)。
RTE反映了儲(chǔ)能系統(tǒng)同一周期內(nèi)儲(chǔ)能和釋能過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化與平衡關(guān)系。如式(1)所示，RTE為儲(chǔ)能時(shí)系統(tǒng)輸入電能和釋能時(shí)系統(tǒng)輸出電能之比，與壓縮機(jī)、透平功率和儲(chǔ)釋能時(shí)間相關(guān)。如果系統(tǒng)設(shè)置補(bǔ)燃設(shè)備，還需要考慮消耗熱能的輸入，一般按燃?xì)獍凑酆舷到y(tǒng)0.39考慮。
2 二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.1 二氧化碳電熱儲(chǔ)能(TE-CES)系統(tǒng)
將CO2作為工質(zhì)并應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)最早是2012年由瑞士洛桑埃爾科爾理工大學(xué)的Morandin教授提出，他設(shè)計(jì)了一種基于熱水蓄熱、冰漿蓄冷的二氧化碳電熱儲(chǔ)能(thermo-electrical carbon dioxide energy storage，TE-CES)系統(tǒng)，并基于換熱器網(wǎng)絡(luò)編寫(xiě)了系統(tǒng)優(yōu)化算法。如圖2所示，該系統(tǒng)的工作原理是：在儲(chǔ)能過(guò)程中，電能驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)將CO2壓縮至超臨界態(tài)，并將CO2內(nèi)能通過(guò)蓄熱罐進(jìn)行儲(chǔ)存，即將電能以熱能形式儲(chǔ)存；在釋能過(guò)程中，CO2吸收蓄熱器熱能，再進(jìn)入膨脹機(jī)做功，即將熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出。
圖2 二氧化碳電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖
二氧化碳電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)在蓄熱端進(jìn)行顯熱交換，CO2處于單相區(qū)；在蓄冷端進(jìn)行潛熱交換，CO2處于兩相區(qū)。因此，系統(tǒng)換熱過(guò)程具有較好的熱匹配性。由于液態(tài)水的高熱容、高流動(dòng)性特性，且成本極低，相比于其他常見(jiàn)蓄熱介質(zhì)(表2)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄換熱過(guò)程中被廣泛使用。
基于上述系統(tǒng)，韓國(guó)學(xué)者Kim等分析了壓縮機(jī)、膨脹機(jī)效率、壓力比、冷熱罐流量等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，發(fā)現(xiàn)熱罐中水的質(zhì)量和溫度越高，等溫TES系統(tǒng)的循環(huán)效率越高，系統(tǒng)最大循環(huán)效率可達(dá)74.5%；等溫膨脹的壓力比可以在最高循環(huán)溫度下充分提高，且內(nèi)部耗散造成的?損失低于等熵情況。瑞士蘇黎世Ewz公司于2013年建設(shè)了Auwiesen熱電儲(chǔ)能電站。該電站基于已有Auwiesen(220 kV/150 kV)和 Aubrugg(150 kV/22 kV)兩座變電站，提供電力并網(wǎng)和生物質(zhì)廢熱，同時(shí)可通過(guò)熱力管線供熱。Auwiesen熱電儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能容量1 MW，儲(chǔ)能時(shí)間6 h，釋能時(shí)間3 h，最大循環(huán)效率40%～45%，二氧化碳循環(huán)壓力在3～14 MPa，儲(chǔ)熱溫度最高120 ℃，儲(chǔ)熱罐總?cè)萘窟_(dá)上千立方米。
2.2 跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能(TC-CES)和超臨界二氧化碳(SC-CES)儲(chǔ)能系統(tǒng)
基于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所楊科等提出了以CO2為工質(zhì)的壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)透平出口壓力，可具體分為跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能(transcritical carbon dioxide energy storage，TC-CES)和超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide energy storage systems，SC-CES)儲(chǔ)能系統(tǒng)，若透平出口壓力低于臨界壓力稱為TC-CES系統(tǒng)，若高于臨界壓力則稱為SC-CES系統(tǒng)。目前，關(guān)于這兩種系統(tǒng)的研究相對(duì)較多，主要研究機(jī)構(gòu)包括中科院工程熱物理所、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等，但主要還停留在系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)和性能分析階段。
北京大學(xué)Zhang等研究了基于熱水蓄熱的跨臨界和超臨界壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)。如圖3所示，這兩種系統(tǒng)本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，TC-CES系統(tǒng)相較于SC-CES系統(tǒng)另外設(shè)計(jì)了壓縮前預(yù)熱器，目的是使低壓儲(chǔ)罐中的液態(tài)CO2在進(jìn)入壓縮機(jī)前完全氣化，而SC-CES系統(tǒng)低壓儲(chǔ)罐中CO2本身就處于超臨界態(tài)，可直接進(jìn)入壓縮機(jī)。研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)以1 MW釋能功率輸出時(shí)，跨臨界運(yùn)行CO2工質(zhì)流量為38.52 kg/s，循環(huán)效率為60%，儲(chǔ)能密度為2.6 kWh/m3；超臨界運(yùn)行CO2工質(zhì)流量為6.89 kg/s，循環(huán)效率為71%，?效率為71.38%，儲(chǔ)能密度為23 kWh/m3。結(jié)合文獻(xiàn)[21-22]的研究結(jié)果，圖4對(duì)比了傳統(tǒng)CAES、AA-CAES、TC-CES和SC-CES系統(tǒng)在釋能功率均為1 MW工況下的循環(huán)效率和能量密度數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)，TC-CES的循環(huán)效率高于傳統(tǒng)CAES，但略低于AA-CAES，其儲(chǔ)能密度均高于傳統(tǒng)CAES和AA-CAES；而SC-CES的循環(huán)效率最大，且其儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)高于其他三種系統(tǒng)。因此，雖然SC-CES比CAES系統(tǒng)額外增加了低壓儲(chǔ)存設(shè)備用于釋能過(guò)程中透平存儲(chǔ)出口CO2(對(duì)于SC-CES系統(tǒng)此時(shí)CO2仍處于超臨界態(tài))，但由于其工質(zhì)整體儲(chǔ)存容積需求較低，所以仍具有較高的儲(chǔ)能密度。
圖3 TC-CES系統(tǒng)和SC-CES系統(tǒng)原理圖
由于二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)高壓側(cè)壓力較大(一般為10～25MPa)，因此對(duì)于高壓側(cè)儲(chǔ)存容器提出了較嚴(yán)苛的要求，一般性鋼制壓力容器往往不能滿足安全要求，并且為了滿足系統(tǒng)釋能工況穩(wěn)定，壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)容積需要有相當(dāng)部分的富裕量，這樣就造成了較大的材料成本投入，影響二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益。因此，有學(xué)者提出結(jié)合二氧化碳封存技術(shù)，采用地下儲(chǔ)庫(kù)(硬巖穴、鹽穴、廢棄煤礦井、咸水層、海下等)儲(chǔ)存高低壓二氧化碳。
華北電力大學(xué)劉輝、何青等 、郝銀萍分別對(duì)使用地下雙儲(chǔ)氣室的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了研究。其中，文獻(xiàn)[25]提出了一種基于地下儲(chǔ)氣室的跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖5、6所示，系統(tǒng)分別以1700 m深和100 m深的地下咸水層作為高低壓儲(chǔ)氣室，同時(shí)使用熱泵系統(tǒng)儲(chǔ)熱，提高了儲(chǔ)熱溫度。研究結(jié)果顯示，RTE、儲(chǔ)能效率及儲(chǔ)熱效率分別為66.00%、58.41%和46.11%，此外，探討了壓縮機(jī)和透平絕熱效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，研究還驗(yàn)證了以水為蓄熱介質(zhì)時(shí)系統(tǒng)性能最佳。
2.3 液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能(LCES)系統(tǒng)
針對(duì)跨臨界、超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)需要耐高壓儲(chǔ)存設(shè)備且儲(chǔ)能密度相對(duì)較低的問(wèn)題，有學(xué)者提出一種液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能(liquid carbon dioxide energy storage，LCES)系統(tǒng)，即將高壓側(cè)和低壓側(cè)CO2均以低壓液態(tài)(0.5～1.0 MPa，-56～-40 ℃)形式儲(chǔ)存，密度大于1 000 kg/m3，極大地降低了存儲(chǔ)壓力，且不受地理?xiàng)l件限制，還可以顯著降低壓力容器加工制造成本，提高了二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)在空曠的荒漠、高原等可再生能源聚集地區(qū)的運(yùn)行安全性。此外，關(guān)于液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究也證實(shí)了液態(tài)工質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。
西安交通大學(xué)Wang等提出了一種結(jié)合ORC的液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)。如圖7所示，該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、透平、蓄熱器、蓄冷器、儲(chǔ)罐和液體泵組成。儲(chǔ)能時(shí)：罐2中的液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓閥和蓄冷器吸熱氣化，進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，然后通過(guò)蓄熱器儲(chǔ)存壓縮熱，再經(jīng)過(guò)水冷液化儲(chǔ)存到罐1中。釋能時(shí)：罐1中的液態(tài)CO2通過(guò)液體泵增壓，再進(jìn)入蓄熱器和透平吸熱做功，然后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器和蓄冷器冷卻液化，回到罐1儲(chǔ)存，溫度可達(dá)-56 ℃，高于LAES系統(tǒng)液化溫度，降低了系統(tǒng)冷損。研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的循環(huán)效率可達(dá)到56.64%左右，儲(chǔ)能密度為36.12 kWh/m3，高于AA-CAES系統(tǒng)和其他二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)。
LCES系統(tǒng)在壓縮后也可以采用節(jié)流閥或液體膨脹機(jī)通過(guò)節(jié)流效應(yīng)進(jìn)行液化，但由于節(jié)流過(guò)程仍有部分CO2不能液化，所以需要配置氣液分離器并將氣態(tài)CO2返回壓縮機(jī)繼續(xù)壓縮液化，這種系統(tǒng)可以避免外設(shè)低溫冷卻系統(tǒng)。吳毅等設(shè)計(jì)的一種采用液態(tài)膨脹機(jī)的液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖8所示，該系統(tǒng)在高壓側(cè)的儲(chǔ)能過(guò)程和釋能過(guò)程分別采用液體膨脹機(jī)和低溫泵控制儲(chǔ)能壓力和釋能壓力。通過(guò)熱力學(xué)分析和多目標(biāo)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)最佳釋能壓力為18.3 MPa，最佳儲(chǔ)能壓力為11.7 MPa，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率為50.4%，儲(chǔ)能密度為21.7 kWh/m3。但由于存在膨脹機(jī)功損失，意味著這個(gè)系統(tǒng)還有很大的改進(jìn)潛力。
應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然LCES系統(tǒng)解決了壓力容器的加工制作和運(yùn)行安全問(wèn)題，提升了系統(tǒng)整體儲(chǔ)能密度，但由于其一般需要將CO2冷卻液化的換熱量通過(guò)蓄熱系統(tǒng)回收并用于膨脹過(guò)程中CO2的加熱氣化，所以引入了另一套較復(fù)雜的蓄熱蓄冷系統(tǒng)；此外，低溫液體泵功耗和低溫CO2耗散也成為制約LCES系統(tǒng)循環(huán)效率的重要問(wèn)題，因此LCES系統(tǒng)的循環(huán)效率一般略低于其他CES系統(tǒng)。
2.4 耦合其他能源系統(tǒng)的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)
二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅具備CAES系統(tǒng)的功能特性，可將風(fēng)電、光電等間歇能源“拼接”起來(lái)，保障新能源的持續(xù)電力輸出；還可以和CCS、液化天然氣(LNG)等多種能源系統(tǒng)耦合，實(shí)現(xiàn)二氧化碳儲(chǔ)能的多場(chǎng)景應(yīng)用和效率提升。
文獻(xiàn)[33]提出了一種利用太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)補(bǔ)熱的LCES系統(tǒng)，如圖9所示，該系統(tǒng)在透平入口前引入額外的光熱熱源，在透平出口設(shè)置回?zé)崞骰厥?00 ℃二氧化碳的余熱，從而提高了透平進(jìn)口溫度。與常規(guī)LAES系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有較高的循環(huán)效率和?效率。但需要注意的是，該系統(tǒng)需要控制太陽(yáng)熱量的波動(dòng)以減小對(duì)LCES系統(tǒng)透平進(jìn)口溫度穩(wěn)定性的影響。
基于CCS技術(shù)的快速發(fā)展，如何合理應(yīng)用地下封存的CO2、降低CCS整體經(jīng)濟(jì)成本受到相關(guān)學(xué)者關(guān)注。文獻(xiàn)[34]提出了一種結(jié)合廢舊礦床存儲(chǔ)二氧化碳的二氧化碳儲(chǔ)能(CES-CCS)系統(tǒng)。如圖10所示，該系統(tǒng)的工作原理是將電廠捕獲的CO2經(jīng)過(guò)多級(jí)壓縮機(jī)壓縮，當(dāng)達(dá)到儲(chǔ)能壓力時(shí)，CO2存儲(chǔ)過(guò)程停止，多余的CO2通過(guò)注入井進(jìn)行地下封存或驅(qū)油，釋能時(shí)CO2再進(jìn)入多級(jí)透平做功發(fā)電，出口CO2通過(guò)廢棄洞穴暫存。通過(guò)熱力學(xué)分析和參數(shù)分析，該系統(tǒng)在儲(chǔ)能壓力為21.9 MPa時(shí)，最高RTE為53.75%，且在碳排放稅不超過(guò)47美元/噸時(shí)具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。但是，該系統(tǒng)將CO2遷移當(dāng)做理想滲流過(guò)程，在工程應(yīng)用時(shí)需要更深入細(xì)致的地質(zhì)勘探和模擬分析，所需要的應(yīng)用場(chǎng)景也較難吻合。
此外，液化天然氣(LNG)冷能利用也為L(zhǎng)CES提供了一個(gè)較好的發(fā)展方向。由于LNG必須氣化升溫后才能供用戶使用，LNG從-162 ℃升至常溫能夠釋放約830 kJ/kg的冷能，然而目前LNG冷能浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，Zhao等提出了一種耦合LNG的LCES系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)在常規(guī)LCES系統(tǒng)外加入LNG冷能利用子系統(tǒng)和燃燒子系統(tǒng)，采用LNG液化低壓CO2，加熱后的LNG一部分供給用戶，一部分進(jìn)入燃燒室中燃燒，以提高透平進(jìn)口溫度。結(jié)果表明，該系統(tǒng)充電時(shí)間為2.02 h，恒壓和變壓放電時(shí)間為3.64 h和2.88 h，恒壓模式下的循環(huán)效率為64.96%，而變壓模式下的循環(huán)效率可達(dá)67.37%。該系統(tǒng)為解決我國(guó)東南沿海LNG冷能利用問(wèn)題提供了有效方案，但由于過(guò)程中需要燃燒化石燃料，所以需要對(duì)系統(tǒng)整體凈碳排放效果進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。
3 二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
作為一種較前沿的物理儲(chǔ)能技術(shù)，二氧化碳儲(chǔ)能在熱力學(xué)循環(huán)構(gòu)建理論、CO2臨界轉(zhuǎn)換特性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行控制策略、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和高性能材料選擇等方面需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)還有許多，也面臨著諸如設(shè)備加工制造、系統(tǒng)應(yīng)用等技術(shù)挑戰(zhàn)，如表3所示。
4 二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展前景
我國(guó)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究雖然起步較晚，但隨著國(guó)家政策支持和相關(guān)成果落地，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)追趕到技術(shù)領(lǐng)先的重大轉(zhuǎn)變。同時(shí)，二氧化碳儲(chǔ)能作為一種新型壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)，憑借其儲(chǔ)能工質(zhì)物性優(yōu)良、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、流程設(shè)備緊湊等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究熱點(diǎn)，具有較好的發(fā)展前景。
二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將以解決高壓儲(chǔ)存設(shè)備依賴、關(guān)鍵渦輪機(jī)械設(shè)備開(kāi)發(fā)和“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”多場(chǎng)景應(yīng)用為導(dǎo)向，結(jié)合CCUS和CO2工質(zhì)化利用技術(shù)進(jìn)步，逐步實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)，到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再到工程示范，最后實(shí)現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用推廣。因此，結(jié)合高溫?zé)崮軆?chǔ)存利用的TE-CES系統(tǒng)、地質(zhì)封存儲(chǔ)庫(kù)的TC-CES系統(tǒng)以及LCES系統(tǒng)將成為二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方向。在技術(shù)研發(fā)上，將主要集中在電動(dòng)、氣動(dòng)、熱動(dòng)等系統(tǒng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程設(shè)計(jì)和機(jī)制研究、高參數(shù)旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)以及系統(tǒng)集成控制等方面。在面向多場(chǎng)景應(yīng)用方面，一是“新能源+儲(chǔ)能”模式，根據(jù)可再生能源出力稟賦實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)匹配及持續(xù)、穩(wěn)定清潔電力輸出；二是大型電網(wǎng)輔助模式，參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)備用、多能聯(lián)供等場(chǎng)景，維護(hù)地區(qū)供電穩(wěn)定，提高電網(wǎng)魯棒性；三是用戶側(cè)微型電站模式，對(duì)于高電耗和高排放工業(yè)用戶，建設(shè)微型CES系統(tǒng)，通過(guò)峰谷電價(jià)增加經(jīng)濟(jì)效益；四是能源互聯(lián)網(wǎng)模式，充分發(fā)揮CES系統(tǒng)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷特性，通過(guò)建立分布式能源站將化石能源、可再生能源、電能用戶、冷熱能用戶等多品位能量單元統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)區(qū)域多能互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行，促進(jìn)新型能源利用體系發(fā)展。
5 結(jié)論
面對(duì)全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型壓力和大規(guī)模清潔物理儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的緊迫需求，二氧化碳儲(chǔ)能(CES)技術(shù)是一種具備長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定、高效儲(chǔ)能特性且行業(yè)吸引性高的新型清潔物理儲(chǔ)能技術(shù)。本文介紹了典型CES系統(tǒng)的工作原理和主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，梳理了不同形式CES系統(tǒng)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，探明了CES技術(shù)后期研究和應(yīng)用面臨的重點(diǎn)研究方向、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景。
總體來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的研究還處于理論設(shè)計(jì)和初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。后續(xù)還需要進(jìn)一步完善二氧化碳儲(chǔ)能的基礎(chǔ)研究，強(qiáng)化理論論證，積累系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和試驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)一步明晰系統(tǒng)全局優(yōu)化方法和動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)制，為二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的工程示范和產(chǎn)業(yè)化推廣奠定基礎(chǔ)。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不斷研究與創(chuàng)新，二氧化碳儲(chǔ)能必將朝著高性能、低成本、規(guī)?；?、多應(yīng)用場(chǎng)景的方向發(fā)展，從而為未來(lái)以可再生能源為主的能源體系和多能源協(xié)同互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)提供重要解決方案。
