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摘 要 作為一種新型的壓縮儲能技術，壓縮CO2儲能近年來受到學術界及企業(yè)界的廣泛關注，可滿足我國大規(guī)模長時儲能的需求，具有良好的發(fā)展前景。對此，本文從壓縮CO2儲能系統(tǒng)、CO2存儲裝置兩方面梳理了該技術的研究現狀。結果表明，現有壓縮CO2儲能系統(tǒng)主要分為5類，即低壓罐超臨界/高壓罐超臨界儲能、低壓罐液態(tài)/高壓罐超臨界儲能、低壓罐氣態(tài)/高壓罐超臨界儲能、低壓罐液態(tài)/高壓罐液態(tài)儲能、低壓罐氣態(tài)/高壓罐液態(tài)儲能。理論研究主要在于系統(tǒng)性能的穩(wěn)態(tài)分析，鮮有系統(tǒng)全工況的動態(tài)特性分析，而示范項目則多采用高壓液態(tài)-低壓常壓柔性存儲的儲能方案。對于CO2存儲裝置，主要有地下咸水層、地下鹽穴、柔性儲氣棚、吸附儲氣床、儲氣罐及儲液罐，其中柔性儲氣棚、儲氣/液罐已有工程應用，但儲氣棚體積巨大，而儲罐內CO2在充放電過程中的熱力特性仍需進一步研究。在此基礎上，本文介紹了壓縮CO2儲能系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢。一方面，壓縮CO2儲能涉及多種能源形式，可與外界冷熱源及其他熱力系統(tǒng)耦合，以滿足負荷側冷熱電儲的需求，提高系統(tǒng)整體能效水平。另一方面，可引入有機工質與CO2混合，解決低壓CO2液態(tài)存儲的易結干冰、系統(tǒng)壓比較低的問題，從而實現高低壓液態(tài)存儲，以極大提高壓縮儲能密度。
關鍵詞 壓縮CO2儲能；CO2存儲裝置；多能系統(tǒng)；CO2混合工質
隨著雙碳目標的穩(wěn)步推進，風能、太陽能等可再生能源已成為電力新增裝機的主體。然而，可再生能源受自然條件的限制，具有間歇性、波動性等特點，致使現有電網難以消納大量可再生能源電力，造成棄風棄光現象。為提高可再生能源消納水平，保持電網“源隨荷動”的平衡，儲能技術得到了大規(guī)模發(fā)展，可在發(fā)電側、電網側和用戶側進行靈活的部署，如圖1所示。目前，儲能主要分為抽水蓄能、壓縮儲能、熱泵儲能、飛輪儲能、電化學儲能及電磁儲能等技術路線。就儲能規(guī)模、安全性及使用壽命而言，抽水蓄能和壓縮儲能更具優(yōu)勢。相比抽水蓄能，壓縮儲能布置更為靈活，依據儲能介質，可分為壓縮空氣儲能和壓縮CO2儲能。
圖1 “源網荷儲”能源系統(tǒng)
壓縮儲能是通過壓縮氣體實現能量由電能向壓力勢能和熱能的轉變，并通過存儲壓縮及膨脹氣體、壓縮熱-膨脹冷等實現能量儲存。在釋能階段，利用存儲熱量加熱高壓氣體并引入透平膨脹做功實現能量釋放，如圖2所示。與空氣相比，CO2具有能量密度高、設備緊湊、換熱性能好、臨界參數低、容易液化等特性，可規(guī)避液化空氣儲能在液化及低溫存儲方面遇到的難題。國家電網李陽海等基于空氣及CO2，分別構建了絕熱壓縮儲能的高溫系統(tǒng)(儲熱溫度>400 ℃)、中溫系統(tǒng)(400 ℃≥儲熱溫度≥200 ℃)及低溫系統(tǒng)(儲熱溫度<200 ℃)，并采用Ebsilon軟件進行了熱力仿真穩(wěn)態(tài)模擬。結果表明，在給定的邊界條件下，高溫及中溫系統(tǒng)的CO2儲電效率分別為69.32%、68.65%，稍低于空氣儲電效率(70.63%、70.27%)，但CO2儲能密度分別達到11.15 kWh/m3、53 kWh/m3，高于空氣儲能密度(9.69 kWh/m3、24.12 kWh/m3)。在低溫系統(tǒng)中，CO2儲電效率64.13%高于空氣儲電效率62.96%，同時CO2儲能密度26.58kWh/m3略高于空氣儲能密度25.94kW·h/m3。此外，壓縮CO2儲能將消納大量的CO2，可降低碳捕獲和存儲過程的財務成本。
圖2 壓縮CO2儲能系統(tǒng)原理
壓縮CO2儲能系統(tǒng)主要包括壓縮過程、冷卻過程、膨脹過程、加熱過程、儲氣過程及儲熱過程，相應的設備有壓縮機、膨脹機、冷卻器、加熱器、高低壓儲氣罐、蓄熱/冷罐。為了推動壓縮CO2儲能系統(tǒng)的發(fā)展，國內外學者對其進行了廣泛研究，如張振濤團隊綜述了不同類型的壓縮CO2儲能系統(tǒng)，指出了不同系統(tǒng)的優(yōu)勢、不足及適用場景，并闡述了關鍵運行參數對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，總結了壓縮CO2儲能的關鍵技術和主要挑戰(zhàn)。然而，上述文獻主要對壓縮CO2儲能的熱力系統(tǒng)進行論述，未有相關示范工程的介紹，也尚未對CO2的存儲裝置進行總結。因此，本文在總結國內外研究的基礎上，對壓縮CO2儲能技術的工藝路線及示范工程、CO2存儲裝置進行現狀分析，理清技術存在的難點并探討未來發(fā)展趨勢，明確后期應用研究重點，為壓縮CO2儲能的發(fā)展提供理論和實際應用支撐。
1 壓縮CO2儲能系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)構型
CO2物性相圖如圖3所示，臨界點壓力及溫度分別為7.38MPa、30.98 ℃，三相點對應的壓力及溫度分別為0.52MPa、-56.56 ℃。在不同溫度及壓力下，CO2可呈現超臨界狀態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)及固態(tài)。依據高低壓儲罐內CO2相態(tài)，壓縮CO2儲能系統(tǒng)可分為低壓罐超臨界/高壓罐超臨界(S-CO2/S-CO2)儲能、低壓罐液態(tài)/高壓罐超臨界(L-CO2/S-CO2)儲能、低壓罐氣態(tài)/高壓罐超臨界(V-CO2/S-CO2)儲能、低壓罐液態(tài)/高壓罐液態(tài)(L-CO2/L-CO2)儲能、低壓罐氣態(tài)/高壓罐液態(tài)(V-CO2/L-CO2)儲能。當儲罐內CO2為超臨界狀態(tài)時，其壓力及溫度應在臨界點之上；當儲罐內有液態(tài)CO2時，儲罐內CO2呈氣液兩相狀態(tài)，則其壓力為對應溫度的飽和壓力；當儲罐內CO2為氣態(tài)時，則需儲罐壓力小于儲罐溫度對應的飽和壓力。
圖3 CO2物性相圖
對于上述5類儲能系統(tǒng)，其典型流程及優(yōu)缺點列于表1。為更好地論述相關系統(tǒng)性能，定義儲能效率()為釋能階段的發(fā)電量與儲能階段的耗電量之比，表達式如式(1)。
式中，Edis、Echar分別為釋能及儲能階段對應的電量；Wdis、Wchar分別為透平及壓縮機的功率；tdis、tchar分別為釋能及儲能階段對應的時長。此外，當儲能系統(tǒng)采用變容積且壓力恒定的儲庫時，儲能密度可由式(2)計算。
式中，ED表示儲能密度；Mc為釋能階段參與做功的CO2總質量；VH、VL分別表示高低壓儲庫的體積；、則對應高低壓儲庫內CO2的密度。
表1 壓縮CO2儲能系統(tǒng)分類及結構示例
當系統(tǒng)采用等容儲罐時，儲罐溫度及壓力將隨著CO2充放過程往復變化，儲罐體積大小則由參與做功的CO2總質量與充放前后的密度差決定，如式(3)所示。
從上述式子可以看出，在相同的系統(tǒng)運行邊界下，采用恒壓儲庫的儲能密度要遠高于采用恒容儲罐的儲能密度值。此外，儲能密度不僅與CO2的密度及密度差有關，也與單位質量CO2的做功能力密切相關。
對于S-CO2/S-CO2儲能，北京大學張興榮團隊基于儲氣庫等壓假設，在壓力66~264 MPa范圍內建立了圖4(a)所示的二級壓縮-二級膨脹S-CO2/S-CO2儲能系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)分析結果表明，超臨界工況下CO2儲能效率為71.41%，儲能密度可達23 kWh/m3。進一步，張興榮團隊研究了圖4(b)所示的L-CO2/S-CO2儲能系統(tǒng)，在壓力范圍7.21~28.73 MPa的設計工況下，系統(tǒng)儲能效率為59.98%，而儲能密度僅有2.6 kWh /m3。相較于S-CO2/S-CO2系統(tǒng)，L-CO2/ S-CO2系統(tǒng)的壓力較低導致儲罐內CO2密度低，且透平運行溫度低導致CO2膨脹做功焓差顯著減少，這使得兩類系統(tǒng)的儲能密度差異巨大。此外，針對L-CO2/S-CO2，西安交通大學謝永慧團隊基于低壓端恒溫液態(tài)存儲、高壓端等壓超臨界存儲的方式，提出了耦合太陽能、廢熱等外部熱源的L-CO2/S-CO2儲能系統(tǒng)工藝，如圖5所示。性能研究表明，該系統(tǒng)的儲能效率為44.66%，儲能密度為12.01 kWh/m3。
圖4 基于二級壓縮-二級膨脹的CO2儲能系統(tǒng)
圖5 耦合外部熱源的L-CO2/S-CO2儲能系統(tǒng)
針對V-CO2/S-CO2儲能，華北電力大學郝銀萍基于地下含水層等壓儲氣庫建立了圖6所示的四級壓縮-四級膨脹V-CO2/S-CO2儲能系統(tǒng)，并利用地熱能加熱第一級透平進口前的高壓CO2，省略了壓縮機組的級后冷卻器和膨脹機組的級前加熱器。在此基礎上，作者開發(fā)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱力模型，并研究了各熱力參數對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，優(yōu)化設計工況下系統(tǒng)的儲能效率可達67.61%，儲能密度為2.259 kWh/m3。為提高低壓CO2儲能密度，哈爾濱工業(yè)大學高建民團隊提出了圖7所示的三級壓縮-三級膨脹吸附式壓縮CO2儲能系統(tǒng)，同時采用等溫高壓罐存儲S-CO2。研究表明，設計工況下基于吸附劑Fe-MOR及沸石吸附低壓CO2的儲能密度可分別達12.11 kWh/m3、6.29 kWh/m3。
圖6 耦合地熱的四級壓縮-四級膨脹V-CO2/S-CO2儲能系統(tǒng)
圖7 三級壓縮-三級膨脹的吸附式V-CO2/S-CO2儲能系統(tǒng)
針對L-CO2/L-CO2液態(tài)儲能，青島科技大學劉展等提出采用噴射冷凝循環(huán)得到低壓液態(tài)CO2，并輔以電熱儲能提高系統(tǒng)儲電容量，如圖8所示。在等壓儲庫假設下，作者建立了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱力模型，并進行了關鍵參數的影響分析，結果表明系統(tǒng)儲能效率在50%左右。此外，大連理工大學鮑軍江等通過兩相膨脹制冷構建了圖9所示的CO2等壓液態(tài)儲能系統(tǒng)，并進行了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱力參數分析及性能優(yōu)化，結果表明，該系統(tǒng)往返效率可達54.67%，儲能密度為11.85 kWh/m3。對于V-CO2/L-CO2儲能，青島科技大學劉展等在低壓端分別采用常壓柔性存儲及吸附床儲氣方式，并提出了對應的三級壓縮-三級膨脹CO2儲能系統(tǒng)，如圖10及圖11所示。穩(wěn)態(tài)熱力分析表明，常壓柔性存儲的系統(tǒng)儲能效率可達71%，儲能密度為0.12 kWh/m3，而低壓吸附床儲氣的系統(tǒng)儲能效率最高可達68.79%，儲能密度為17.44 kWh/m3。進一步，作者基于常壓柔性存儲，研究了固定容積高壓儲液及變容積等壓儲液(以水泵增壓來保持CO2液體壓力)兩種方式下兩級壓縮-兩級膨脹的儲能系統(tǒng)性能，穩(wěn)態(tài)分析表明，固定容積高壓儲液具有最高的儲能效率71.54%及最低的儲能成本0.1109 (美元/kWh)。
圖8 耦合電熱儲能及噴射循環(huán)的L-CO2/L-CO2儲能系統(tǒng)
圖9 基于兩相膨脹制冷的L-CO2/L-CO2儲能系統(tǒng)
圖10 基于常壓柔性存儲的三級壓縮-三級膨脹V-CO2/L-CO2儲能系統(tǒng)
圖11 基于吸附床儲氣的三級壓縮-三級膨脹V-CO2/L-CO2儲能系統(tǒng)
在上述理論研究中，為便于壓縮儲能系統(tǒng)的熱力建模，研究者多假設系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行，且CO2儲罐溫度及壓力恒定，這導致所得儲能密度及儲能效率普遍偏高，且無法為CO2儲能系統(tǒng)的變工況運行提供指導。因此，在未來工作中，應立足儲氣庫的實際邊界條件，結合壓縮機、膨脹機及換熱器等關鍵設備的運行特性，研究壓縮CO2儲能系統(tǒng)的準靜態(tài)及動態(tài)特性，進而全面準確地掌握系統(tǒng)的運行規(guī)律。
1.2 示范工程
相比于豐富的理論研究，壓縮CO2儲能示范項目相對較少。在示范項目中，為減少CO2存儲容積，降低系統(tǒng)成本，應盡量使高低壓CO2液態(tài)存儲。然而，在低壓液態(tài)存儲中，為防止低壓罐干冰的出現，CO2液體壓力應在1 MPa以上，這使得液態(tài)儲能系統(tǒng)壓比較低。因此，已有項目均是基于高壓液態(tài)存儲、低壓常壓柔性存儲的V-CO2/L-CO2方案，這不但可以極大提高單位質量CO2的做功能力，也可以避免蓄冷器、兩相膨脹機等部件的使用，使得系統(tǒng)流程簡單，便于調控。
國內方面，2022年，東方電氣、百穰新能源科技(深圳)有限公司及西安交通大學聯(lián)合攻關，在四川德陽建成了全球首座10 MW×2 h壓縮CO2儲能工程化驗證系統(tǒng)，如圖12所示。該系統(tǒng)屬于V-CO2/L-CO2儲能，高壓采用液態(tài)存儲，而低壓則采用常壓柔性存儲，儲氣庫體積達25萬立方米。在與飛輪儲能聯(lián)合運行下，系統(tǒng)儲能效率可達55%。在此基礎上，百穰新能源科技(深圳)有限公司、安徽海螺集團有限責任公司和西安交通大學進一步聯(lián)合研發(fā)了圖13所示的10MW×8h CO2儲能示范系統(tǒng)，并于2023年底調試成功，實現了并網發(fā)電。2023年，張振濤團隊領導的博睿鼎能公司基于V-CO2/L-CO2儲能原理在河北省廊坊建成了百千瓦級液態(tài)CO2儲能示范驗證系統(tǒng)，如圖14所示，并完成了系統(tǒng)調試。國際方面，2022年，意大利Energy Dome同樣采用V-CO2/L-CO2儲能技術在意大利撒丁島建設了儲能容量為2.5 MW/4 MWh的CO2儲能項目，實現了CO2儲能項目的商業(yè)運營，如圖15所示。
2 CO2存儲裝置
在壓縮CO2儲能系統(tǒng)中，高低壓CO2的存儲是實現CO2壓縮儲電與膨脹發(fā)電錯時運行的關鍵，直接決定著儲能效率及儲能密度。依據CO2存儲相態(tài)及方式，相關裝置主要分為地下咸水層、地下鹽穴、柔性儲氣棚、吸附儲氣床、儲氣罐及儲液罐，如表2所列。
表2 CO2存儲方式及特點
2.1 咸水層儲氣、鹽穴儲氣、柔性儲氣、吸附儲氣
對于地下咸水層儲氣，當CO2注入至地下含水層，井筒附近壓力快速增加，含水層遠處壓力較小，在壓力梯度驅動下CO2逐漸驅替含水層孔隙中的水；當抽采CO2時，井筒附近壓力快速降低，含水層遠處壓力較大，在壓力梯度驅動下含水層中的水反向驅替孔隙介質中的CO2。該儲氣方式適用于壓力大于1 MPa的氣態(tài)或超臨界CO2存儲，在此基礎上，華北電力大學何青等構建了三級壓縮-兩級膨脹的跨臨界壓縮CO2儲能系統(tǒng)、一級壓縮-一級膨脹的超臨界壓縮CO2儲能系統(tǒng)?；谙趟畬觾鈳斓牡葔簵l件，作者建立了穩(wěn)態(tài)熱力模型，分析表明，跨臨界壓縮CO2儲能系統(tǒng)具有比超臨界壓縮CO2儲能系統(tǒng)更高的往返效率及儲能密度。雖然地下咸水層可基于地質壓力實現高低壓端CO2的等壓存儲，但該存儲方式嚴重依賴于特殊地理條件，地質環(huán)境復雜，且CO2可溶于水，難以大范圍推廣。
鹽穴儲氣基于地下腔體存儲氣態(tài)或超臨界CO2，可適用于儲能系統(tǒng)的高低壓兩側。然而，該儲氣方式的最小運行壓力需防止鹽穴垮塌，而最大運行壓力則需要防止CO2泄漏。通常，鹽穴的最小壓力在10 MPa以上，這就導致儲能系統(tǒng)的壓力較高，鹽穴難以用于低壓側CO2存儲。此外，由于鹽穴體積固定，在儲釋能循環(huán)中，鹽穴內的溫度及壓力將交替變化。如果變化過大，不僅不利于旋轉機械的穩(wěn)定運行，也會對鹽穴周邊的地質產生影響，導致地質災害的發(fā)生。因此，鹽穴CO2儲氣目前僅停留在理論研究，尚未在工程項目中得到應用。
柔性儲氣棚采用柔性可伸縮材料搭建氣囊，以存儲氣態(tài)CO2。當CO2注入氣囊時，氣囊體積逐漸增大；當CO2排出氣囊時，氣囊體積逐漸減小。目前，該裝置適用壓力范圍為0.1~1 MPa，但受限于材料及成本，一般用于常壓氣體CO2的等壓存儲，已在10 MW×2 h壓縮CO2儲能示范系統(tǒng)中得到了驗證。同時，由于常壓氣體CO2密度較小，儲氣棚占地面積巨大。
吸附儲氣床的原理是采用沸石等吸附劑在低溫下吸住CO2，在高溫下解吸CO2，從而實現CO2的存儲與釋放，如圖16所示。目前，吸附儲氣床可適用于儲能系統(tǒng)的低壓側儲氣，一般壓力范圍在0.1~0.2 MPa。此外，針對吸附儲氣，哈爾濱工業(yè)大學高建民教授團隊實驗研究了沸石吸附低壓CO2的可行性。結果表明，在儲氣溫度25~57.6 ℃范圍內，CO2的儲氣密度可達43.46 kg/cm3。然而，吸附儲氣涉及吸附及解吸過程，同時需要配置冷熱源，流程復雜，且CO2儲放速率難以滿足大規(guī)模儲能下CO2質量流量較高的要求。
圖16 吸附儲氣床原理
2.2 儲罐
對于CO2儲氣罐及儲液罐，則采用壓力容器存儲氣態(tài)或液態(tài)CO2，CO2分別以氣態(tài)、液態(tài)進入或排出相應儲罐，可適用于系統(tǒng)的高低壓兩端。對于儲氣罐，CO2的壓力最高可達45 MPa，而對于儲液罐，對應的CO2壓力通常為1~7 MPa。此外，由于儲罐體積固定，儲罐內CO2壓力及溫度將隨儲釋能過程往復變化。儲氣罐體積與CO2充放過程的密度差直接相關，故增大儲能系統(tǒng)滑壓范圍可有效減小罐體積。
針對儲氣罐，現有研究多集中在以空氣為工質的儲氣罐。陳海生團隊將空氣視為理想氣體，導出了儲氣庫壓力及溫度變化率的預測表達式，進而建立了先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)模型。在壓縮空氣儲能研究中，現有文獻多采用理想氣體多變過程指數來關聯(lián)儲氣庫溫壓的變化。對于壓縮CO2儲能，美國能源部Phuoc和Massoudi研究了氣體CO2充注過程中給定體積的圓柱形儲罐內CO2溫壓變化，得到了不同散熱條件及幾何尺寸下儲罐溫壓隨時間的變化曲線。結果表明，在設定的低壓下，氣體CO2的充注過程可以采用指數為0.995的多變過程模擬。然而，隨著儲氣壓力升高，CO2性質將顯著偏離理想氣體，多變過程難以準確描述。
對于儲液罐，罐內CO2呈氣液兩相狀態(tài)。由于氣液密度差較大，同等儲能容量下儲液罐體積遠小于儲氣罐體積。相比于氣體CO2，液體CO2比熱容較大，故充放電過程中儲液罐壓力及溫度波動范圍小，有利于保持儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。然而，CO2臨界溫度為31 ℃，低壓側CO2的液化必然需要借助蓄冷等方式實現。同時，在CO2液態(tài)儲能中，氣液兩相隨著充放電過程不斷交替地進行著傳熱及傳質，使得儲液罐的熱力行為難以準確描述。
3 發(fā)展趨勢
3.1 耦合壓縮CO2儲能的多能系統(tǒng)
壓縮CO2儲能系統(tǒng)涉及冷熱電及壓力能等多種能源形式，既可利用外界冷熱源提高系統(tǒng)效率，也可與其他熱力系統(tǒng)相耦合以滿足負荷側多樣的用能需求。例如，面向風力發(fā)電及機艙余熱，上海海事大學張源團隊基于跨臨界壓縮CO2儲能，將壓縮熱用于供熱，將余熱用以再熱膨脹CO2，同時將高壓CO2節(jié)流降溫用以制冷，構建了CO2冷熱電儲聯(lián)供系統(tǒng)，并進行了熱力性能分析。結果表明，在設計工況下聯(lián)供系統(tǒng)的能量系數達1.19。進一步，該團隊通過耦合壓縮CO2儲能、卡琳娜循環(huán)及LNG冷源建立了低溫儲能系統(tǒng)，并進行了熱力性能穩(wěn)態(tài)分析。結果表明，在基本工況下，所提系統(tǒng)的儲能效率為59.38%，儲能密度可達6.32 kWh/m3。東南大學孫黎團隊針對兩級壓縮-兩級膨脹的液態(tài)CO2儲能，引入光熱提高膨脹機進口處CO2溫度，同時利用壓縮熱驅動有機朗肯循環(huán)發(fā)電。熱力分析表明，相比于傳統(tǒng)CO2儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將?效率提高16%，儲能密度提高10.53 kWh/m3。
綜上，耦合壓縮CO2儲能的多能系統(tǒng)可以滿足冷熱電儲等多種需求，不但實現了不同能源形式間的高效轉換及合理利用，也實現了系統(tǒng)關鍵部件的共用，降低了總體成本。因此，在未來的負荷側儲能，應結合用能需求，大力發(fā)展耦合壓縮CO2儲能的多能系統(tǒng)，開展多能系統(tǒng)的耦合設計理論與調控方法研究，并在初步的穩(wěn)態(tài)理論分析基礎上研究多能系統(tǒng)的非設計及動態(tài)特性，以進一步在實際工業(yè)園區(qū)內完成多能系統(tǒng)的集成驗證。
3.2 壓縮CO2混合工質儲能
為解決壓縮CO2儲能系統(tǒng)中CO2難以液化、低壓液態(tài)CO2儲罐容易結冰的問題，可向CO2引入有機工質，以主動改進CO2熱物性。與CO2相比，有機工質與CO2組成的混合工質具有如下優(yōu)勢：
（1）CO2混合工質的臨界溫度更高，可輕易在環(huán)境溫度附近冷凝，如圖17所示，這將使得高壓儲液罐溫度相對較高，氣液密度差較大，有利于減小儲液罐體積；
圖17 基于兩級壓縮-兩級膨脹的CO2混合工質液態(tài)儲能溫熵曲線
（2）在相同的飽和溫度下，CO2混合工質的壓力較低，如圖18所示，這將使得低壓儲液罐的壓力較低，有利于提高系統(tǒng)的壓比。同時，有機工質的引入將有利于避免CO2低壓液態(tài)罐內干冰的形成。
圖18 不同質量分數下CO2混合工質的飽和溫度-壓力特性
（3）由于有機工質與CO2的蒸發(fā)特性具有顯著區(qū)別，故CO2混合工質在不同相變壓力下均具有溫度滑移特性，如圖17所示，這將使得CO2蒸發(fā)或冷凝換熱器具有更好的溫度匹配，可減少換熱?損失。
針對壓縮CO2混合工質儲能系統(tǒng)的熱力性能，國內研究者進行了初步探索。青島科技大學將6種CO2混合工質(CO2/R32、CO2/R1270、CO2/R290、CO2/R161、CO2/R600a、CO2/R600)應用于兩級壓縮-兩級膨脹的儲能系統(tǒng)，實現了高低壓罐液態(tài)存儲，并分析了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱經濟性。結果表明，在所考慮的CO2混合工質中，CO2/R32(0.85/0.15，質量分數)具有最高熱經濟性，儲能效率及密度分別為60.12%、14.19 kWh/m3。此外，為提高電廠的運行靈活性，西安交通大學將兩級壓縮-一級膨脹的CO2混合工質儲能與火力發(fā)電廠相結合，分析了5種CO2混合工質(CO2/R290、CO2/R161、CO2/R32、CO2/R600、CO2/R600a)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。結果表明，相比于純工質CO2，CO2混合工質在較高環(huán)境溫度下可提高儲能系統(tǒng)的熱力性能。
綜上，相比純工質CO2，CO2混合工質更易實現液態(tài)儲能，同時還可通過優(yōu)選有機工質對系統(tǒng)運行參數進行優(yōu)化，提升系統(tǒng)儲能效率。因此，在后續(xù)研究中，應重點關注壓縮CO2混合工質儲能系統(tǒng)?；贑O2混合工質的物性特點，需重新構建相適應的系統(tǒng)流程，研究CO2混合工質在儲釋能過程中儲液罐內氣液兩相參數的變化規(guī)律，揭示不同工況下高低壓儲罐的充液機理及氣液排放特性，并進行相應的系統(tǒng)運行參數優(yōu)化及CO2混合工質優(yōu)選。
4 結 論
壓縮CO2儲能通過電能、壓力能、熱能等能量的相互轉換，實現能量的存儲與釋放，已得到國內外研究機構的廣泛關注。本文從儲能系統(tǒng)構型及示范、CO2存儲裝置兩方面論述了壓縮CO2儲能的研究現狀，指出了現有研究的不足。在此基礎上，本文進一步指出了CO2儲能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，即耦合壓縮CO2儲能的多能系統(tǒng)及壓縮CO2混合工質儲能。相關結論如下。
（1）針對壓縮CO2儲能系統(tǒng)，現有理論研究多是穩(wěn)態(tài)分析，未來應重點結合關鍵部件的運行特性，全面考察系統(tǒng)的動態(tài)性能。目前，壓縮CO2儲能實驗驗證系統(tǒng)較少，已有示范項目多是采用高壓液態(tài)存儲-低壓常壓柔性存儲的技術方案。該方案的低壓柔性儲氣庫占地面積巨大，未來應探索更多熱經濟性好的壓縮CO2儲能方案。
（2）CO2存儲裝置主要分為地下咸水層、柔性儲氣棚、吸附儲氣床、儲氣罐及儲液罐。地下咸水層及吸附儲氣床尚難以應用于實際工程，而柔性儲氣棚體積大。對于CO2儲罐，可適用于高低壓兩側，未來研究應結合CO2實際物性，揭示充放電過程中儲氣罐及儲液罐內熱力參數的分布及變化。
（3）壓縮CO2儲能系統(tǒng)存在多種能源形式，未來應加快發(fā)展耦合壓縮CO2儲能的多能系統(tǒng)，并在理論研究的基礎上完成工業(yè)園區(qū)內多能系統(tǒng)的集成驗證。此外，為防止低壓液態(tài)CO2存儲形成干冰，增大系統(tǒng)壓力，未來應關注壓縮CO2混合工質儲能系統(tǒng)，并優(yōu)選CO2混合工質，揭示系統(tǒng)運行規(guī)律，完成運行參數優(yōu)化。
