中國儲能網(wǎng)訊：為了解決壓縮空氣儲能儲氣室容積大、成本高的問題，液態(tài)空氣儲能和液態(tài)CO?儲能得到了國內外廣泛關注及研究。針對這兩大儲能系統(tǒng)，借助ASPEN PLUS軟件搭建了熱力學物理模型，并借助分析對兩大儲能系統(tǒng)進行熱力學和關鍵參數(shù)敏感性研究分析。
研究表明：液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)損失主要發(fā)生在壓縮機及蓄熱蓄冷裝置上，分別占比45.02%、37.61%。液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)損失主要發(fā)生在低溫膨脹機、壓縮機及蓄冷蓄熱裝置上，分別占比26.99%、23.88%、30.41%。
從電-電轉化效率方面：在絕熱條件下，兩大儲能系統(tǒng)由于在充放電過程能量消耗大，電-電轉化效率都低于55%，相比液態(tài)空氣儲能，液態(tài)CO?儲能效率高。從系統(tǒng)成熟度方面：液態(tài)空氣儲能已得到工程應用，而液態(tài)CO?儲能還處于研究階段，未得到工程化應用。從投資成本方面;液態(tài)CO?儲能單位千瓦投資成本高于液態(tài)空氣儲能約40%。
可再生能源普遍具有間歇性和波動性的特點，導致可再生能源發(fā)電難以直接并網(wǎng)，對電網(wǎng)電能質量和安全性造成威脅，因此出現(xiàn)了大量的“棄風，棄光”現(xiàn)象，新能源的應用潛力被大大削弱，配置大規(guī)模先進儲能系統(tǒng)是解決此問題的最有效途徑之一。
壓縮空氣儲能是目前能實現(xiàn)大規(guī)模儲能的有效技術之一，對于壓縮空氣儲能技術，常規(guī)壓縮空氣儲能技術已經(jīng)比較成熟，但存在對大型儲氣室、化石燃料依賴等問題，必須在地形條件和供氣有保障的情況下才可能得到大規(guī)模應用。為減少儲能介質的存儲體積，提高儲能密度，液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)及液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)得到了眾多學者的關注及研究。
何青等研究了液化空氣儲能系統(tǒng)的熱力特性，在液化過程增加液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)冷源并且結合有機朗肯循環(huán)和布雷頓循環(huán)利用蓄熱裝置內導熱油做功，系統(tǒng)循環(huán)效率達到70.12%。Xu等研究了跨臨界液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)的熱力特性，提出依靠太陽能光熱提升系統(tǒng)能量，儲能效率可達到67.2%。Liu等比較分析了以空氣和CO?作為循環(huán)介質的壓縮氣體儲能系統(tǒng)和液化氣體儲能系統(tǒng)的性能，除非絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)外，使用CO?可以達到與使用空氣相同甚至更高的往返效率。
綜上可知，目前液態(tài)空氣儲能主要研究與外界冷源耦合或有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)耦合的應用場景對儲能效率等關鍵參數(shù)的影響，液態(tài)CO?儲能耦合工業(yè)廢熱熱源或太陽能熱源，對系統(tǒng)儲能參數(shù)的影響。而還未發(fā)現(xiàn)在絕熱條件下，液態(tài)空氣儲能與液態(tài)CO?儲能性能對比的相關研究，現(xiàn)以液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)及液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)為研究對象，一方面對比分析兩者工藝系統(tǒng)及循環(huán)工質物性參數(shù)的差異，另一方面借助分析，對系統(tǒng)主要設備進行損失計算，同時分析系統(tǒng)設備的等熵效率和蓄熱蓄冷裝置能量利用效率兩個敏感性參數(shù)對兩大儲能系統(tǒng)電-電轉化效率和儲能密度的影響，并對投資成本及占地大小進行對比說明。
1 工藝系統(tǒng)介紹
液態(tài)空氣儲能技術已趨于成熟并且已得到兆瓦級工程示范。具體流程見圖1。
圖1 液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)
儲能過程:空氣采用多級壓縮，級間冷卻，將壓縮產生的熱量通過導熱油介質儲存在蓄熱裝置內，壓縮后的空氣為常溫、高壓狀態(tài)，進入低溫膨脹機內膨脹降溫降壓，將常溫高壓氣體轉為低溫低壓，再通過蓄冷裝置內深度冷卻，將空氣冷卻到純液態(tài)，儲存在液態(tài)儲裝置中。
釋能過程:液態(tài)空氣經(jīng)過液態(tài)升壓泵升壓，轉為低溫高壓狀態(tài)，再通過蓄冷裝置及電加熱器吸收熱量，將液態(tài)空氣轉為常溫高壓氣態(tài)空氣，常溫高壓氣態(tài)空氣吸收蓄熱裝置內的高品質熱量，提高氣體空氣溫度，轉為高溫高壓氣態(tài)空氣送入一級膨脹機內做功發(fā)電，一級膨脹機排氣再經(jīng)過蓄熱裝置內的熱量加熱升溫，送入二級膨脹機做功發(fā)電，二級膨脹機排氣再利用蓄熱裝置內的熱量升溫，送入末級膨脹機做功發(fā)電，末級膨脹機排氣直接排入大氣。
液態(tài)CO?儲能技術目前還處于研究階段，還未進行兆瓦級工程示范。具體工藝流程如圖2所示。
圖2 液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)
儲能系統(tǒng):#1液態(tài)CO?儲罐經(jīng)過節(jié)流閥降壓膨脹及裝置內熱量加熱轉為常溫氣態(tài)CO?送入一級壓縮機內壓縮，一級壓縮機排氣經(jīng)過冷卻送入二級壓縮機內壓縮，二級壓縮機出口冷卻后送入低溫膨脹機內膨脹做功，排氣經(jīng)過節(jié)流閥進一步降壓達到液態(tài)狀態(tài)，儲存于#2液態(tài)CO?儲罐內。
釋能階段:#2液態(tài)CO?儲罐內的液態(tài)CO?經(jīng)過液泵升壓及吸收換熱器內熱量，達到常溫高壓狀態(tài)，再利用蓄熱裝置內高品質熱源加熱升溫，送入一級膨脹機內做功，一級膨脹機排氣再利用蓄熱罐內熱量加熱升溫，送入二級膨脹機內做功發(fā)電，二級膨脹機排氣經(jīng)過散熱器降溫，轉為液態(tài)存儲于#1液態(tài)CO?儲罐內。
2 數(shù)學模型
2.1 壓縮機數(shù)學模式
壓縮機計算涉及的數(shù)學公式如下。
壓縮機出口壓力為
壓縮機出口溫度為
壓縮機進、出口溫差為
每一級壓縮機消耗功率為
壓縮機組總消耗電功率為
式中:Pin，i、Pout，i分別為某一級壓縮機進、出口壓力;Tin，i、Tout，i分別為某一級壓縮機進、出口溫度;πc為壓縮比;n為絕熱指數(shù);cp，i為空氣定壓比熱容;qm，i為某一級空氣質量流量;Wc為某一級消耗的功;Wy為壓縮機組消耗的總功。
2.2 換熱器數(shù)學模式
換熱器計算涉及的數(shù)學公式如下。
換熱器出口溫度為
冷卻器換熱量為
加熱器換熱量為
換熱器總吸熱量或放熱量為
式中:Tin，Q，i、Tout，Q，i分別為空氣側換熱器進、出口溫度;Toil，in為蓄熱介質油的入口溫度;ε為換熱器能效;cp，i為空氣定壓比熱容;mi為空氣質量;Qi為某一級空氣吸熱量或放熱量;Qk為整個系統(tǒng)換熱器吸熱量或放熱量。
2.3 透平/膨脹機數(shù)學模式
透平/膨脹機計算涉及的數(shù)學公式如下。
透平/膨脹機出口壓力為
透平/膨脹機出口溫度為
透平/膨脹機進、出口溫差為
每一級透平/膨脹機做功為
透平/膨脹機組總做功功率為
式中:Pt，in、Pt，out分別為某一級透平/膨脹機進、出口壓力;Tt，in、Tt，out分別為某一級透平/膨脹機進、出口溫度;πt為膨脹比;n為絕熱指數(shù);cp，i為空氣定壓比熱容;qm，i為某一級空氣質量流量;Wt，i為某一級透平/膨脹機做功;Wt為透平/膨脹機組做的總功。
2.4 液泵數(shù)學模式
低溫低壓液態(tài)空氣泵近似相當于給水泵，升壓過程近似為等溫過程，給水泵消耗功為
式(15)中:Pb，in、Pb，out分別為泵進、出口壓力;V為儲存的液態(tài)空氣體積;ηb為泵的效率;Wb為給水泵消耗的功。
2.5 儲能容量
儲能容量是衡量一個儲能系統(tǒng)至關重要的指標，系統(tǒng)儲能容量就是壓縮機組所消耗的電功率和液泵所消耗的電功率之和，即儲能容量為
2.6 儲能密度
儲能密度也是衡量一個儲能系統(tǒng)的重要指標，綜合考慮了儲能容量與儲存裝置儲存的物質的量的關系，其意義為單位儲存的物質的量所儲存的電能為
2.7 系統(tǒng)性能評價指標
采用電-電轉化效率這一性能評價指標來衡量該系統(tǒng)的效率。數(shù)學模型為
式(18)中:ηelec為電-電轉化效率。
2.8 系統(tǒng)熱量利用效率
系統(tǒng)熱量利用效率指釋能階段利用儲存的熱量與儲能階段回收的高品質熱量之比。系統(tǒng)熱量利用效率直接系統(tǒng)電-電轉化效率及儲能密度，其數(shù)學模型為
式(19)中:Qc、Qt分別為儲能階段回收的熱量和釋能過程利用的熱量。
2.9 ?分析
采用?分析不僅可以從能的量上對熱力系統(tǒng)進行評價，還可以從能的質上給出評價，從根本上給出影響熱力系統(tǒng)性能的關鍵因素，從而更好反映熱力系統(tǒng)性能參數(shù)。根據(jù)?定義，系統(tǒng)中每個狀態(tài)點的?為
式(20)中:e為系統(tǒng)中每個狀態(tài)的;h、S分別為系統(tǒng)中每個狀態(tài)點的焓、熵;h0、S0、T0分別為參考點環(huán)境的焓、熵、溫度。
熱力系統(tǒng)內每個設備?損失數(shù)學模型如下。
壓縮機?損失為
換熱器?損失為
泵?損失為
膨脹機?損失為
式中:ec，1、ec，2分別為壓縮機入口與出口的?值;wc為壓縮機消耗的電功率;eh，1、eh，2分別為換熱器入口與出口的?值，eh，out為換熱器排出的?值;ep，1、ep，2分別為泵入口與出口的?值;wp為泵消耗的電功率;eb，1、eb，2分別為膨脹機入口與出口的?值;wb為膨脹機電功率。
3 物理模型及邊界參數(shù)
3.1 物理模型
借助ASPEN PLUS軟件對液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)和液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)進行物理建模，選取合適的物理模型對壓縮機、換熱器、膨脹機、節(jié)流閥及儲裝置等主要設備進行匹配設置，整個系統(tǒng)內工質流動沿著物理模型箭頭方向依次流經(jīng)各個設備。超臨界液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)采用開式循環(huán)，模型如圖3所示。液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，模型如圖4所示。
圖3 液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)模型
圖4 液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)模型
3.2 邊界參數(shù)
為了分析對比液態(tài)空氣與液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)關鍵性能參數(shù)，需對各自系統(tǒng)進行邊界參數(shù)設置，所用的系統(tǒng)邊界參數(shù)如表1、表2所示。系統(tǒng)計算過程中不考慮管道壓損以及溫度損失。
表1 液態(tài)空氣儲能邊界參數(shù)
表2 液態(tài)CO?儲能邊界參數(shù)
4 對比分析
4.1 物性對比
物質的臨界點是指氣態(tài)轉液態(tài)最低參數(shù)點。臨界點溫度越低，氣態(tài)轉液態(tài)所需的能量越大，越難實現(xiàn)氣液轉化。空氣的臨界點為:3.7 MPa，－145℃，臨界點液態(tài)密度554.1 kg/m3［16］。CO?的臨界點為:7.4 MPa，30℃，臨界點液態(tài)密度647.4 kg/m3。相比空氣，CO?更易實現(xiàn)氣液轉化。
4.2 性能對比
借助ASPEN PLUS軟件對液態(tài)空氣儲能(liquidair energy storage，LAES)系統(tǒng)和液態(tài)CO?儲能(liquid CO?energy storage，LCES)系統(tǒng)進行模擬計算，并對主要設備的損失進行計算分析，液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)?損主要發(fā)生在壓縮機、蓄冷蓄熱裝置，分別占比45.03%、18.35%、19.26%。液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)損主要發(fā)生在壓縮機、低溫膨脹機、蓄冷蓄熱裝置上，分別占比23.88%、26.99%、15.85%、14.56%。而設備等熵效率直接決定各個設備的損失，因此提高系統(tǒng)內主要設備的等熵效率及系統(tǒng)在循環(huán)過程中能量利用效率，是提升系統(tǒng)整體電-電效率的關鍵參數(shù)。液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)各個設備參數(shù)損失如圖5所示，液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)各個設備參數(shù)損失如圖6所示。
通過對液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)和液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)主要設備進行損失計算，得出壓縮機、低溫膨脹機、蓄冷蓄熱裝置損失較大，而壓縮機、低溫膨脹機、透平等熵效率直接影響設備的?損失，同時也影響系統(tǒng)電-電轉化效率及儲能密度。
在表1、表2其余參數(shù)不變的條件下，壓縮機等熵效率從0.6～0.9變化，從而得出壓縮機等熵效率與系統(tǒng)電-電轉化效率及儲能密度的關系，如圖7所示。通過關系曲線圖可以看出:液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)電-電轉化效率高于液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，而儲能密度小于液態(tài)空氣。主要由于空氣氣體轉液態(tài)的臨界點比CO?臨界點低，儲能階段氣態(tài)轉液態(tài)所需的能量越大，釋能過程液態(tài)轉氣態(tài)所需的熱量同樣較多，導致系統(tǒng)電-電轉化效率低于液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)。
隨著壓縮機等熵效率逐漸提高，系統(tǒng)電-電轉化效率越大，儲能密度越大。壓縮機等熵效率從0.6提高到0.9，液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)電-電轉化效率提高7.8%，儲能密度提高10.2 W·h/kg，液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)電-電轉化效率提高6.5%，儲能密度提高4.8W·h/kg，表明壓縮機等熵效率對液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)效率影響程度大于液態(tài)CO?。
圖5 液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)各設備?損失占比
圖6 液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)各設備?損失占比
在表1、表2其余參數(shù)不變的條件下，低溫膨脹機等熵效率從0.6～0.9變化，從而得出低溫膨脹機等熵效率與系統(tǒng)電-電轉化效率及儲能密度的關系，如圖8所示。通過關系曲線圖可以看出:在低溫膨脹機等熵效率一定時，液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)電-電轉化效率高于液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，而儲能密度小于液態(tài)空氣。
隨著低溫膨脹機等熵效率逐漸提高，系統(tǒng)電-電轉化效率越大，儲能密度越大。低溫膨脹機等熵效率從0.6提高到0.9，液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)電-電轉化效率提高2.1%，儲能密度提高3.2 W·h/kg，液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)電-電轉化效率提高8.6%，儲能密度提高5.8 W·h/kg。表明低溫膨脹機等熵效率對液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)效率影響程度大于液態(tài)空氣。
在表1、表2其余參數(shù)不變的條件下，系統(tǒng)能量利用效率，即蓄冷蓄熱裝置能量利用效率從0.4～0.9變化，從而得出系統(tǒng)能量利用效率與系統(tǒng)電-電轉化效率的關系及與儲能密度的關系，如圖9所示。
圖7 壓縮機等熵效率與系統(tǒng)電-電轉化效率、儲能密度的關系
圖8 膨脹機等熵效率與系統(tǒng)電-電轉化效率、儲能密度的關系
圖9 系統(tǒng)能量利用效率與系統(tǒng)電-電轉化效率、儲能密度的關系
通過關系曲線圖可以看出:液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)電-電轉化效率同樣高于液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，而儲能密度小于液態(tài)空氣，隨著能量利用效率逐漸提高，系統(tǒng)電-電轉化效率越大，儲能密度越大。能量利用效率從0.4提高到0.9，液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)電-電轉化效率提高16.2%，儲能密度提高24.5 W·h/kg，液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)電-電轉化效率提高15.1%，儲能密度提高25.5 W·h/kg。表明能量利用效率對液態(tài)空氣儲能效率和液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)效率影響較大，提高系統(tǒng)能量利用效率可以大幅度提升儲能效率。
4.3 經(jīng)濟性對比
通過計算20 MW/100 MW·h兩大儲能系統(tǒng)關鍵參數(shù)發(fā)現(xiàn):液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)與液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)占地面積相當。在系統(tǒng)投資方面，由于液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)主要設備(壓縮機、透平等)造價高，經(jīng)過估算單位千瓦投資成本達到1萬～1.2萬元，明顯高于液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)單位千瓦投資成本0.6萬～0.8萬元。如表3所示。
表3 LAES和LCES系統(tǒng)主要經(jīng)濟參數(shù)對比
5 結論
圍繞液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)和液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)進行對比研究，通過建立數(shù)學及物理模型，一方面對比分析兩者工藝系統(tǒng)及循環(huán)工質物性參數(shù)的差異，另一方面借助分析，對系統(tǒng)主要設備進行損失計算，同時分析了系統(tǒng)設備的等熵效率和能量利用效率兩個敏感性參數(shù)對兩大儲能系統(tǒng)電-電轉化效率和儲能密度的影響，并對投資成本及占地大小進行對比說明。具體結論如下。
(1)液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)循環(huán)工質為空氣，空氣的臨界點為:3.7 MPa，－145℃，臨界點溫度低，氣液轉化所需的能消耗的能量大，很難實現(xiàn)氣液轉化。而液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)循環(huán)工質為CO?，CO?的臨界點為:7.4 MPa，30℃，相比空氣，CO?易實現(xiàn)氣液轉化。
(2)液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)損失主要發(fā)生在壓縮機及蓄熱蓄冷裝置上，分別占比45.02%、37.61%。液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)損失主要發(fā)生在低溫膨脹機、壓縮機及蓄熱蓄冷裝置上，占比26.99%、23.88%、30.41%。
(3)系統(tǒng)主要設備等熵效率越高，電-電轉化效率越高，儲能密度越大。系統(tǒng)能量利用效率，即蓄熱蓄冷裝置能量利用率越高，系統(tǒng)電-電轉化效率越高，儲能密度越大。相比設備等熵效率，系統(tǒng)能量利用率對電-電轉化效率及儲能密度影響大。
(4)從電-電轉化效率方面，在絕熱條件下，兩大儲能系統(tǒng)由于在儲能釋能過程消耗能量較大，電-電轉化效率都低于55%，相比液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)效率高。從系統(tǒng)成熟度方面，液態(tài)空氣儲能已得到工程應用，而液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)所用主要設備還在研究階段，未得到工程化應用。從投資成本方面;液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)單位千瓦投資成本高于液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)約40%。
