中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 作為一種新型的壓縮儲(chǔ)能技術(shù)，壓縮CO2儲(chǔ)能近年來(lái)受到學(xué)術(shù)界及企業(yè)界的廣泛關(guān)注，可滿(mǎn)足我國(guó)大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求，具有良好的發(fā)展前景。對(duì)此，本文從壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)、CO2存儲(chǔ)裝置兩方面梳理了該技術(shù)的研究現(xiàn)狀。結(jié)果表明，現(xiàn)有壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為5類(lèi)，即低壓罐超臨界/高壓罐超臨界儲(chǔ)能、低壓罐液態(tài)/高壓罐超臨界儲(chǔ)能、低壓罐氣態(tài)/高壓罐超臨界儲(chǔ)能、低壓罐液態(tài)/高壓罐液態(tài)儲(chǔ)能、低壓罐氣態(tài)/高壓罐液態(tài)儲(chǔ)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(dòng)態(tài)特性分析，而示范項(xiàng)目則多采用高壓液態(tài)-低壓常壓柔性存儲(chǔ)的儲(chǔ)能方案。對(duì)于CO2存儲(chǔ)裝置，主要有地下咸水層、地下鹽穴、柔性?xún)?chǔ)氣棚、吸附儲(chǔ)氣床、儲(chǔ)氣罐及儲(chǔ)液罐，其中柔性?xún)?chǔ)氣棚、儲(chǔ)氣/液罐已有工程應(yīng)用，但儲(chǔ)氣棚體積巨大，而儲(chǔ)罐內(nèi)CO2在充放電過(guò)程中的熱力特性仍需進(jìn)一步研究。在此基礎(chǔ)上，本文介紹了壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。一方面，壓縮CO2儲(chǔ)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(mǎn)足負(fù)荷側(cè)冷熱電儲(chǔ)的需求，提高系統(tǒng)整體能效水平。另一方面，可引入有機(jī)工質(zhì)與CO2混合，解決低壓CO2液態(tài)存儲(chǔ)的易結(jié)干冰、系統(tǒng)壓比較低的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)高低壓液態(tài)存儲(chǔ)，以極大提高壓縮儲(chǔ)能密度。
關(guān)鍵詞 壓縮CO2儲(chǔ)能；CO2存儲(chǔ)裝置；多能系統(tǒng)；CO2混合工質(zhì)
隨著雙碳目標(biāo)的穩(wěn)步推進(jìn)，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源已成為電力新增裝機(jī)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(dòng)性等特點(diǎn)，致使現(xiàn)有電網(wǎng)難以消納大量可再生能源電力，造成棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。為提高可再生能源消納水平，保持電網(wǎng)“源隨荷動(dòng)”的平衡，儲(chǔ)能技術(shù)得到了大規(guī)模發(fā)展，可在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)進(jìn)行靈活的部署，如圖1所示。目前，儲(chǔ)能主要分為抽水蓄能、壓縮儲(chǔ)能、熱泵儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能及電磁儲(chǔ)能等技術(shù)路線(xiàn)。就儲(chǔ)能規(guī)模、安全性及使用壽命而言，抽水蓄能和壓縮儲(chǔ)能更具優(yōu)勢(shì)。相比抽水蓄能，壓縮儲(chǔ)能布置更為靈活，依據(jù)儲(chǔ)能介質(zhì)，可分為壓縮空氣儲(chǔ)能和壓縮CO2儲(chǔ)能。
圖1 “源網(wǎng)荷儲(chǔ)”能源系統(tǒng)
壓縮儲(chǔ)能是通過(guò)壓縮氣體實(shí)現(xiàn)能量由電能向壓力勢(shì)能和熱能的轉(zhuǎn)變，并通過(guò)存儲(chǔ)壓縮及膨脹氣體、壓縮熱-膨脹冷等實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存。在釋能階段，利用存儲(chǔ)熱量加熱高壓氣體并引入透平膨脹做功實(shí)現(xiàn)能量釋放，如圖2所示。與空氣相比，CO2具有能量密度高、設(shè)備緊湊、換熱性能好、臨界參數(shù)低、容易液化等特性，可規(guī)避液化空氣儲(chǔ)能在液化及低溫存儲(chǔ)方面遇到的難題。國(guó)家電網(wǎng)李陽(yáng)海等基于空氣及CO2，分別構(gòu)建了絕熱壓縮儲(chǔ)能的高溫系統(tǒng)(儲(chǔ)熱溫度>400 ℃)、中溫系統(tǒng)(400 ℃≥儲(chǔ)熱溫度≥200 ℃)及低溫系統(tǒng)(儲(chǔ)熱溫度<200 ℃)，并采用Ebsilon軟件進(jìn)行了熱力仿真穩(wěn)態(tài)模擬。結(jié)果表明，在給定的邊界條件下，高溫及中溫系統(tǒng)的CO2儲(chǔ)電效率分別為69.32%、68.65%，稍低于空氣儲(chǔ)電效率(70.63%、70.27%)，但CO2儲(chǔ)能密度分別達(dá)到11.15 kWh/m3、53 kWh/m3，高于空氣儲(chǔ)能密度(9.69 kWh/m3、24.12 kWh/m3)。在低溫系統(tǒng)中，CO2儲(chǔ)電效率64.13%高于空氣儲(chǔ)電效率62.96%，同時(shí)CO2儲(chǔ)能密度26.58kWh/m3略高于空氣儲(chǔ)能密度25.94kW·h/m3。此外，壓縮CO2儲(chǔ)能將消納大量的CO2，可降低碳捕獲和存儲(chǔ)過(guò)程的財(cái)務(wù)成本。
圖2 壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)原理
壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括壓縮過(guò)程、冷卻過(guò)程、膨脹過(guò)程、加熱過(guò)程、儲(chǔ)氣過(guò)程及儲(chǔ)熱過(guò)程，相應(yīng)的設(shè)備有壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、冷卻器、加熱器、高低壓儲(chǔ)氣罐、蓄熱/冷罐。為了推動(dòng)壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究，如張振濤團(tuán)隊(duì)綜述了不同類(lèi)型的壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)，指出了不同系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、不足及適用場(chǎng)景，并闡述了關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，總結(jié)了壓縮CO2儲(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)和主要挑戰(zhàn)。然而，上述文獻(xiàn)主要對(duì)壓縮CO2儲(chǔ)能的熱力系統(tǒng)進(jìn)行論述，未有相關(guān)示范工程的介紹，也尚未對(duì)CO2的存儲(chǔ)裝置進(jìn)行總結(jié)。因此，本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，對(duì)壓縮CO2儲(chǔ)能技術(shù)的工藝路線(xiàn)及示范工程、CO2存儲(chǔ)裝置進(jìn)行現(xiàn)狀分析，理清技術(shù)存在的難點(diǎn)并探討未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，明確后期應(yīng)用研究重點(diǎn)，為壓縮CO2儲(chǔ)能的發(fā)展提供理論和實(shí)際應(yīng)用支撐。
1 壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)構(gòu)型
CO2物性相圖如圖3所示，臨界點(diǎn)壓力及溫度分別為7.38MPa、30.98 ℃，三相點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(xiàn)超臨界狀態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)及固態(tài)。依據(jù)高低壓儲(chǔ)罐內(nèi)CO2相態(tài)，壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)可分為低壓罐超臨界/高壓罐超臨界(S-CO2/S-CO2)儲(chǔ)能、低壓罐液態(tài)/高壓罐超臨界(L-CO2/S-CO2)儲(chǔ)能、低壓罐氣態(tài)/高壓罐超臨界(V-CO2/S-CO2)儲(chǔ)能、低壓罐液態(tài)/高壓罐液態(tài)(L-CO2/L-CO2)儲(chǔ)能、低壓罐氣態(tài)/高壓罐液態(tài)(V-CO2/L-CO2)儲(chǔ)能。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)CO2為超臨界狀態(tài)時(shí)，其壓力及溫度應(yīng)在臨界點(diǎn)之上；當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)有液態(tài)CO2時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)CO2呈氣液兩相狀態(tài)，則其壓力為對(duì)應(yīng)溫度的飽和壓力；當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)CO2為氣態(tài)時(shí)，則需儲(chǔ)罐壓力小于儲(chǔ)罐溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力。
圖3 CO2物性相圖
對(duì)于上述5類(lèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)，其典型流程及優(yōu)缺點(diǎn)列于表1。為更好地論述相關(guān)系統(tǒng)性能，定義儲(chǔ)能效率()為釋能階段的發(fā)電量與儲(chǔ)能階段的耗電量之比，表達(dá)式如式(1)。
式中，Edis、Echar分別為釋能及儲(chǔ)能階段對(duì)應(yīng)的電量；Wdis、Wchar分別為透平及壓縮機(jī)的功率；tdis、tchar分別為釋能及儲(chǔ)能階段對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)。此外，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用變?nèi)莘e且壓力恒定的儲(chǔ)庫(kù)時(shí)，儲(chǔ)能密度可由式(2)計(jì)算。
式中，ED表示儲(chǔ)能密度；Mc為釋能階段參與做功的CO2總質(zhì)量；VH、VL分別表示高低壓儲(chǔ)庫(kù)的體積；、則對(duì)應(yīng)高低壓儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)CO2的密度。
表1 壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)分類(lèi)及結(jié)構(gòu)示例
當(dāng)系統(tǒng)采用等容儲(chǔ)罐時(shí)，儲(chǔ)罐溫度及壓力將隨著CO2充放過(guò)程往復(fù)變化，儲(chǔ)罐體積大小則由參與做功的CO2總質(zhì)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(yùn)行邊界下，采用恒壓儲(chǔ)庫(kù)的儲(chǔ)能密度要遠(yuǎn)高于采用恒容儲(chǔ)罐的儲(chǔ)能密度值。此外，儲(chǔ)能密度不僅與CO2的密度及密度差有關(guān)，也與單位質(zhì)量CO2的做功能力密切相關(guān)。
對(duì)于S-CO2/S-CO2儲(chǔ)能，北京大學(xué)張興榮團(tuán)隊(duì)基于儲(chǔ)氣庫(kù)等壓假設(shè)，在壓力66~264 MPa范圍內(nèi)建立了圖4(a)所示的二級(jí)壓縮-二級(jí)膨脹S-CO2/S-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果表明，超臨界工況下CO2儲(chǔ)能效率為71.41%，儲(chǔ)能密度可達(dá)23 kWh/m3。進(jìn)一步，張興榮團(tuán)隊(duì)研究了圖4(b)所示的L-CO2/S-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)，在壓力范圍7.21~28.73 MPa的設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)儲(chǔ)能效率為59.98%，而儲(chǔ)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(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)CO2密度低，且透平運(yùn)行溫度低導(dǎo)致CO2膨脹做功焓差顯著減少，這使得兩類(lèi)系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度差異巨大。此外，針對(duì)L-CO2/S-CO2，西安交通大學(xué)謝永慧團(tuán)隊(duì)基于低壓端恒溫液態(tài)存儲(chǔ)、高壓端等壓超臨界存儲(chǔ)的方式，提出了耦合太陽(yáng)能、廢熱等外部熱源的L-CO2/S-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)工藝，如圖5所示。性能研究表明，該系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率為44.66%，儲(chǔ)能密度為12.01 kWh/m3。
圖4 基于二級(jí)壓縮-二級(jí)膨脹的CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
圖5 耦合外部熱源的L-CO2/S-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
針對(duì)V-CO2/S-CO2儲(chǔ)能，華北電力大學(xué)郝銀萍基于地下含水層等壓儲(chǔ)氣庫(kù)建立了圖6所示的四級(jí)壓縮-四級(jí)膨脹V-CO2/S-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)，并利用地?zé)崮芗訜岬谝患?jí)透平進(jìn)口前的高壓CO2，省略了壓縮機(jī)組的級(jí)后冷卻器和膨脹機(jī)組的級(jí)前加熱器。在此基礎(chǔ)上，作者開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱力模型，并研究了各熱力參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率可達(dá)67.61%，儲(chǔ)能密度為2.259 kWh/m3。為提高低壓CO2儲(chǔ)能密度，哈爾濱工業(yè)大學(xué)高建民團(tuán)隊(duì)提出了圖7所示的三級(jí)壓縮-三級(jí)膨脹吸附式壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)采用等溫高壓罐存儲(chǔ)S-CO2。研究表明，設(shè)計(jì)工況下基于吸附劑Fe-MOR及沸石吸附低壓CO2的儲(chǔ)能密度可分別達(dá)12.11 kWh/m3、6.29 kWh/m3。
圖6 耦合地?zé)岬乃募?jí)壓縮-四級(jí)膨脹V-CO2/S-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
圖7 三級(jí)壓縮-三級(jí)膨脹的吸附式V-CO2/S-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
針對(duì)L-CO2/L-CO2液態(tài)儲(chǔ)能，青島科技大學(xué)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(chǔ)能提高系統(tǒng)儲(chǔ)電容量，如圖8所示。在等壓儲(chǔ)庫(kù)假設(shè)下，作者建立了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱力模型，并進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)的影響分析，結(jié)果表明系統(tǒng)儲(chǔ)能效率在50%左右。此外，大連理工大學(xué)鮑軍江等通過(guò)兩相膨脹制冷構(gòu)建了圖9所示的CO2等壓液態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱力參數(shù)分析及性能優(yōu)化，結(jié)果表明，該系統(tǒng)往返效率可達(dá)54.67%，儲(chǔ)能密度為11.85 kWh/m3。對(duì)于V-CO2/L-CO2儲(chǔ)能，青島科技大學(xué)劉展等在低壓端分別采用常壓柔性存儲(chǔ)及吸附床儲(chǔ)氣方式，并提出了對(duì)應(yīng)的三級(jí)壓縮-三級(jí)膨脹CO2儲(chǔ)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(chǔ)的系統(tǒng)儲(chǔ)能效率可達(dá)71%，儲(chǔ)能密度為0.12 kWh/m3，而低壓吸附床儲(chǔ)氣的系統(tǒng)儲(chǔ)能效率最高可達(dá)68.79%，儲(chǔ)能密度為17.44 kWh/m3。進(jìn)一步，作者基于常壓柔性存儲(chǔ)，研究了固定容積高壓儲(chǔ)液及變?nèi)莘e等壓儲(chǔ)液(以水泵增壓來(lái)保持CO2液體壓力)兩種方式下兩級(jí)壓縮-兩級(jí)膨脹的儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，穩(wěn)態(tài)分析表明，固定容積高壓儲(chǔ)液具有最高的儲(chǔ)能效率71.54%及最低的儲(chǔ)能成本0.1109 (美元/kWh)。
圖8 耦合電熱儲(chǔ)能及噴射循環(huán)的L-CO2/L-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
圖9 基于兩相膨脹制冷的L-CO2/L-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
圖10 基于常壓柔性存儲(chǔ)的三級(jí)壓縮-三級(jí)膨脹V-CO2/L-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
圖11 基于吸附床儲(chǔ)氣的三級(jí)壓縮-三級(jí)膨脹V-CO2/L-CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)
在上述理論研究中，為便于壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力建模，研究者多假設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，且CO2儲(chǔ)罐溫度及壓力恒定，這導(dǎo)致所得儲(chǔ)能密度及儲(chǔ)能效率普遍偏高，且無(wú)法為CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的變工況運(yùn)行提供指導(dǎo)。因此，在未來(lái)工作中，應(yīng)立足儲(chǔ)氣庫(kù)的實(shí)際邊界條件，結(jié)合壓縮機(jī)、膨脹機(jī)及換熱器等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行特性，研究壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而全面準(zhǔn)確地掌握系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。
1.2 示范工程
相比于豐富的理論研究，壓縮CO2儲(chǔ)能示范項(xiàng)目相對(duì)較少。在示范項(xiàng)目中，為減少CO2存儲(chǔ)容積，降低系統(tǒng)成本，應(yīng)盡量使高低壓CO2液態(tài)存儲(chǔ)。然而，在低壓液態(tài)存儲(chǔ)中，為防止低壓罐干冰的出現(xiàn)，CO2液體壓力應(yīng)在1 MPa以上，這使得液態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)壓比較低。因此，已有項(xiàng)目均是基于高壓液態(tài)存儲(chǔ)、低壓常壓柔性存儲(chǔ)的V-CO2/L-CO2方案，這不但可以極大提高單位質(zhì)量CO2的做功能力，也可以避免蓄冷器、兩相膨脹機(jī)等部件的使用，使得系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，便于調(diào)控。
國(guó)內(nèi)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(xué)聯(lián)合攻關(guān)，在四川德陽(yáng)建成了全球首座10 MW×2 h壓縮CO2儲(chǔ)能工程化驗(yàn)證系統(tǒng)，如圖12所示。該系統(tǒng)屬于V-CO2/L-CO2儲(chǔ)能，高壓采用液態(tài)存儲(chǔ)，而低壓則采用常壓柔性存儲(chǔ)，儲(chǔ)氣庫(kù)體積達(dá)25萬(wàn)立方米。在與飛輪儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行下，系統(tǒng)儲(chǔ)能效率可達(dá)55%。在此基礎(chǔ)上，百穰新能源科技(深圳)有限公司、安徽海螺集團(tuán)有限責(zé)任公司和西安交通大學(xué)進(jìn)一步聯(lián)合研發(fā)了圖13所示的10MW×8h CO2儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，并于2023年底調(diào)試成功，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。2023年，張振濤團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的博睿鼎能公司基于V-CO2/L-CO2儲(chǔ)能原理在河北省廊坊建成了百千瓦級(jí)液態(tài)CO2儲(chǔ)能示范驗(yàn)證系統(tǒng)，如圖14所示，并完成了系統(tǒng)調(diào)試。國(guó)際方面，2022年，意大利Energy Dome同樣采用V-CO2/L-CO2儲(chǔ)能技術(shù)在意大利撒丁島建設(shè)了儲(chǔ)能容量為2.5 MW/4 MWh的CO2儲(chǔ)能項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了CO2儲(chǔ)能項(xiàng)目的商業(yè)運(yùn)營(yíng)，如圖15所示。
2 CO2存儲(chǔ)裝置
在壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)中，高低壓CO2的存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)CO2壓縮儲(chǔ)電與膨脹發(fā)電錯(cuò)時(shí)運(yùn)行的關(guān)鍵，直接決定著儲(chǔ)能效率及儲(chǔ)能密度。依據(jù)CO2存儲(chǔ)相態(tài)及方式，相關(guān)裝置主要分為地下咸水層、地下鹽穴、柔性?xún)?chǔ)氣棚、吸附儲(chǔ)氣床、儲(chǔ)氣罐及儲(chǔ)液罐，如表2所列。
表2 CO2存儲(chǔ)方式及特點(diǎn)
2.1 咸水層儲(chǔ)氣、鹽穴儲(chǔ)氣、柔性?xún)?chǔ)氣、吸附儲(chǔ)氣
對(duì)于地下咸水層儲(chǔ)氣，當(dāng)CO2注入至地下含水層，井筒附近壓力快速增加，含水層遠(yuǎn)處壓力較小，在壓力梯度驅(qū)動(dòng)下CO2逐漸驅(qū)替含水層孔隙中的水；當(dāng)抽采CO2時(shí)，井筒附近壓力快速降低，含水層遠(yuǎn)處壓力較大，在壓力梯度驅(qū)動(dòng)下含水層中的水反向驅(qū)替孔隙介質(zhì)中的CO2。該儲(chǔ)氣方式適用于壓力大于1 MPa的氣態(tài)或超臨界CO2存儲(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，華北電力大學(xué)何青等構(gòu)建了三級(jí)壓縮-兩級(jí)膨脹的跨臨界壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)、一級(jí)壓縮-一級(jí)膨脹的超臨界壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)?；谙趟畬觾?chǔ)氣庫(kù)的等壓條件，作者建立了穩(wěn)態(tài)熱力模型，分析表明，跨臨界壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)具有比超臨界壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)更高的往返效率及儲(chǔ)能密度。雖然地下咸水層可基于地質(zhì)壓力實(shí)現(xiàn)高低壓端CO2的等壓存儲(chǔ)，但該存儲(chǔ)方式嚴(yán)重依賴(lài)于特殊地理?xiàng)l件，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，且CO2可溶于水，難以大范圍推廣。
鹽穴儲(chǔ)氣基于地下腔體存儲(chǔ)氣態(tài)或超臨界CO2，可適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的高低壓兩側(cè)。然而，該儲(chǔ)氣方式的最小運(yùn)行壓力需防止鹽穴垮塌，而最大運(yùn)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(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓力較高，鹽穴難以用于低壓側(cè)CO2存儲(chǔ)。此外，由于鹽穴體積固定，在儲(chǔ)釋能循環(huán)中，鹽穴內(nèi)的溫度及壓力將交替變化。如果變化過(guò)大，不僅不利于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的穩(wěn)定運(yùn)行，也會(huì)對(duì)鹽穴周邊的地質(zhì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。因此，鹽穴CO2儲(chǔ)氣目前僅停留在理論研究，尚未在工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用。
柔性?xún)?chǔ)氣棚采用柔性可伸縮材料搭建氣囊，以存儲(chǔ)氣態(tài)CO2。當(dāng)CO2注入氣囊時(shí)，氣囊體積逐漸增大；當(dāng)CO2排出氣囊時(shí)，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(chǔ)，已在10 MW×2 h壓縮CO2儲(chǔ)能示范系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證。同時(shí)，由于常壓氣體CO2密度較小，儲(chǔ)氣棚占地面積巨大。
吸附儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)CO2的存儲(chǔ)與釋放，如圖16所示。目前，吸附儲(chǔ)氣床可適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的低壓側(cè)儲(chǔ)氣，一般壓力范圍在0.1~0.2 MPa。此外，針對(duì)吸附儲(chǔ)氣，哈爾濱工業(yè)大學(xué)高建民教授團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)研究了沸石吸附低壓CO2的可行性。結(jié)果表明，在儲(chǔ)氣溫度25~57.6 ℃范圍內(nèi)，CO2的儲(chǔ)氣密度可達(dá)43.46 kg/cm3。然而，吸附儲(chǔ)氣涉及吸附及解吸過(guò)程，同時(shí)需要配置冷熱源，流程復(fù)雜，且CO2儲(chǔ)放速率難以滿(mǎn)足大規(guī)模儲(chǔ)能下CO2質(zhì)量流量較高的要求。
圖16 吸附儲(chǔ)氣床原理
2.2 儲(chǔ)罐
對(duì)于CO2儲(chǔ)氣罐及儲(chǔ)液罐，則采用壓力容器存儲(chǔ)氣態(tài)或液態(tài)CO2，CO2分別以氣態(tài)、液態(tài)進(jìn)入或排出相應(yīng)儲(chǔ)罐，可適用于系統(tǒng)的高低壓兩端。對(duì)于儲(chǔ)氣罐，CO2的壓力最高可達(dá)45 MPa，而對(duì)于儲(chǔ)液罐，對(duì)應(yīng)的CO2壓力通常為1~7 MPa。此外，由于儲(chǔ)罐體積固定，儲(chǔ)罐內(nèi)CO2壓力及溫度將隨儲(chǔ)釋能過(guò)程往復(fù)變化。儲(chǔ)氣罐體積與CO2充放過(guò)程的密度差直接相關(guān)，故增大儲(chǔ)能系統(tǒng)滑壓范圍可有效減小罐體積。
針對(duì)儲(chǔ)氣罐，現(xiàn)有研究多集中在以空氣為工質(zhì)的儲(chǔ)氣罐。陳海生團(tuán)隊(duì)將空氣視為理想氣體，導(dǎo)出了儲(chǔ)氣庫(kù)壓力及溫度變化率的預(yù)測(cè)表達(dá)式，進(jìn)而建立了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)模型。在壓縮空氣儲(chǔ)能研究中，現(xiàn)有文獻(xiàn)多采用理想氣體多變過(guò)程指數(shù)來(lái)關(guān)聯(lián)儲(chǔ)氣庫(kù)溫壓的變化。對(duì)于壓縮CO2儲(chǔ)能，美國(guó)能源部Phuoc和Massoudi研究了氣體CO2充注過(guò)程中給定體積的圓柱形儲(chǔ)罐內(nèi)CO2溫壓變化，得到了不同散熱條件及幾何尺寸下儲(chǔ)罐溫壓隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。結(jié)果表明，在設(shè)定的低壓下，氣體CO2的充注過(guò)程可以采用指數(shù)為0.995的多變過(guò)程模擬。然而，隨著儲(chǔ)氣壓力升高，CO2性質(zhì)將顯著偏離理想氣體，多變過(guò)程難以準(zhǔn)確描述。
對(duì)于儲(chǔ)液罐，罐內(nèi)CO2呈氣液兩相狀態(tài)。由于氣液密度差較大，同等儲(chǔ)能容量下儲(chǔ)液罐體積遠(yuǎn)小于儲(chǔ)氣罐體積。相比于氣體CO2，液體CO2比熱容較大，故充放電過(guò)程中儲(chǔ)液罐壓力及溫度波動(dòng)范圍小，有利于保持儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。然而，CO2臨界溫度為31 ℃，低壓側(cè)CO2的液化必然需要借助蓄冷等方式實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在CO2液態(tài)儲(chǔ)能中，氣液兩相隨著充放電過(guò)程不斷交替地進(jìn)行著傳熱及傳質(zhì)，使得儲(chǔ)液罐的熱力行為難以準(zhǔn)確描述。
3 發(fā)展趨勢(shì)
3.1 耦合壓縮CO2儲(chǔ)能的多能系統(tǒng)
壓縮CO2儲(chǔ)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(mǎn)足負(fù)荷側(cè)多樣的用能需求。例如，面向風(fēng)力發(fā)電及機(jī)艙余熱，上海海事大學(xué)張?jiān)磮F(tuán)隊(duì)基于跨臨界壓縮CO2儲(chǔ)能，將壓縮熱用于供熱，將余熱用以再熱膨脹CO2，同時(shí)將高壓CO2節(jié)流降溫用以制冷，構(gòu)建了CO2冷熱電儲(chǔ)聯(lián)供系統(tǒng)，并進(jìn)行了熱力性能分析。結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)工況下聯(lián)供系統(tǒng)的能量系數(shù)達(dá)1.19。進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)耦合壓縮CO2儲(chǔ)能、卡琳娜循環(huán)及LNG冷源建立了低溫儲(chǔ)能系統(tǒng)，并進(jìn)行了熱力性能穩(wěn)態(tài)分析。結(jié)果表明，在基本工況下，所提系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率為59.38%，儲(chǔ)能密度可達(dá)6.32 kWh/m3。東南大學(xué)孫黎團(tuán)隊(duì)針對(duì)兩級(jí)壓縮-兩級(jí)膨脹的液態(tài)CO2儲(chǔ)能，引入光熱提高膨脹機(jī)進(jìn)口處CO2溫度，同時(shí)利用壓縮熱驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電。熱力分析表明，相比于傳統(tǒng)CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將?效率提高16%，儲(chǔ)能密度提高10.53 kWh/m3。
綜上，耦合壓縮CO2儲(chǔ)能的多能系統(tǒng)可以滿(mǎn)足冷熱電儲(chǔ)等多種需求，不但實(shí)現(xiàn)了不同能源形式間的高效轉(zhuǎn)換及合理利用，也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)關(guān)鍵部件的共用，降低了總體成本。因此，在未來(lái)的負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能，應(yīng)結(jié)合用能需求，大力發(fā)展耦合壓縮CO2儲(chǔ)能的多能系統(tǒng)，開(kāi)展多能系統(tǒng)的耦合設(shè)計(jì)理論與調(diào)控方法研究，并在初步的穩(wěn)態(tài)理論分析基礎(chǔ)上研究多能系統(tǒng)的非設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性，以進(jìn)一步在實(shí)際工業(yè)園區(qū)內(nèi)完成多能系統(tǒng)的集成驗(yàn)證。
3.2 壓縮CO2混合工質(zhì)儲(chǔ)能
為解決壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)中CO2難以液化、低壓液態(tài)CO2儲(chǔ)罐容易結(jié)冰的問(wèn)題，可向CO2引入有機(jī)工質(zhì)，以主動(dòng)改進(jìn)CO2熱物性。與CO2相比，有機(jī)工質(zhì)與CO2組成的混合工質(zhì)具有如下優(yōu)勢(shì)：
（1）CO2混合工質(zhì)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(chǔ)液罐溫度相對(duì)較高，氣液密度差較大，有利于減小儲(chǔ)液罐體積；
圖17 基于兩級(jí)壓縮-兩級(jí)膨脹的CO2混合工質(zhì)液態(tài)儲(chǔ)能溫熵曲線(xiàn)
（2）在相同的飽和溫度下，CO2混合工質(zhì)的壓力較低，如圖18所示，這將使得低壓儲(chǔ)液罐的壓力較低，有利于提高系統(tǒng)的壓比。同時(shí)，有機(jī)工質(zhì)的引入將有利于避免CO2低壓液態(tài)罐內(nèi)干冰的形成。
圖18 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下CO2混合工質(zhì)的飽和溫度-壓力特性
（3）由于有機(jī)工質(zhì)與CO2的蒸發(fā)特性具有顯著區(qū)別，故CO2混合工質(zhì)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(duì)壓縮CO2混合工質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力性能，國(guó)內(nèi)研究者進(jìn)行了初步探索。青島科技大學(xué)將6種CO2混合工質(zhì)(CO2/R32、CO2/R1270、CO2/R290、CO2/R161、CO2/R600a、CO2/R600)應(yīng)用于兩級(jí)壓縮-兩級(jí)膨脹的儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高低壓罐液態(tài)存儲(chǔ)，并分析了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，在所考慮的CO2混合工質(zhì)中，CO2/R32(0.85/0.15，質(zhì)量分?jǐn)?shù))具有最高熱經(jīng)濟(jì)性，儲(chǔ)能效率及密度分別為60.12%、14.19 kWh/m3。此外，為提高電廠(chǎng)的運(yùn)行靈活性，西安交通大學(xué)將兩級(jí)壓縮-一級(jí)膨脹的CO2混合工質(zhì)儲(chǔ)能與火力發(fā)電廠(chǎng)相結(jié)合，分析了5種CO2混合工質(zhì)(CO2/R290、CO2/R161、CO2/R32、CO2/R600、CO2/R600a)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。結(jié)果表明，相比于純工質(zhì)CO2，CO2混合工質(zhì)在較高環(huán)境溫度下可提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力性能。
綜上，相比純工質(zhì)CO2，CO2混合工質(zhì)更易實(shí)現(xiàn)液態(tài)儲(chǔ)能，同時(shí)還可通過(guò)優(yōu)選有機(jī)工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提升系統(tǒng)儲(chǔ)能效率。因此，在后續(xù)研究中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注壓縮CO2混合工質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)?；贑O2混合工質(zhì)的物性特點(diǎn)，需重新構(gòu)建相適應(yīng)的系統(tǒng)流程，研究CO2混合工質(zhì)在儲(chǔ)釋能過(guò)程中儲(chǔ)液罐內(nèi)氣液兩相參數(shù)的變化規(guī)律，揭示不同工況下高低壓儲(chǔ)罐的充液機(jī)理及氣液排放特性，并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化及CO2混合工質(zhì)優(yōu)選。
4 結(jié) 論
壓縮CO2儲(chǔ)能通過(guò)電能、壓力能、熱能等能量的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放，已得到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。本文從儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)型及示范、CO2存儲(chǔ)裝置兩方面論述了壓縮CO2儲(chǔ)能的研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有研究的不足。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步指出了CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，即耦合壓縮CO2儲(chǔ)能的多能系統(tǒng)及壓縮CO2混合工質(zhì)儲(chǔ)能。相關(guān)結(jié)論如下。
（1）針對(duì)壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)，現(xiàn)有理論研究多是穩(wěn)態(tài)分析，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合關(guān)鍵部件的運(yùn)行特性，全面考察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。目前，壓縮CO2儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)較少，已有示范項(xiàng)目多是采用高壓液態(tài)存儲(chǔ)-低壓常壓柔性存儲(chǔ)的技術(shù)方案。該方案的低壓柔性?xún)?chǔ)氣庫(kù)占地面積巨大，未來(lái)應(yīng)探索更多熱經(jīng)濟(jì)性好的壓縮CO2儲(chǔ)能方案。
（2）CO2存儲(chǔ)裝置主要分為地下咸水層、柔性?xún)?chǔ)氣棚、吸附儲(chǔ)氣床、儲(chǔ)氣罐及儲(chǔ)液罐。地下咸水層及吸附儲(chǔ)氣床尚難以應(yīng)用于實(shí)際工程，而柔性?xún)?chǔ)氣棚體積大。對(duì)于CO2儲(chǔ)罐，可適用于高低壓兩側(cè)，未來(lái)研究應(yīng)結(jié)合CO2實(shí)際物性，揭示充放電過(guò)程中儲(chǔ)氣罐及儲(chǔ)液罐內(nèi)熱力參數(shù)的分布及變化。
（3）壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)存在多種能源形式，未來(lái)應(yīng)加快發(fā)展耦合壓縮CO2儲(chǔ)能的多能系統(tǒng)，并在理論研究的基礎(chǔ)上完成工業(yè)園區(qū)內(nèi)多能系統(tǒng)的集成驗(yàn)證。此外，為防止低壓液態(tài)CO2存儲(chǔ)形成干冰，增大系統(tǒng)壓力，未來(lái)應(yīng)關(guān)注壓縮CO2混合工質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)，并優(yōu)選CO2混合工質(zhì)，揭示系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，完成運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化。
