压缩二氧化碳储能系统研究进展.pdf
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1、第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology压缩二氧化碳储能系统研究进展张家俊1,3,4,李晓琼2,张振涛2,3,郝佳豪2,3,4,郑平洋2,3,4,于泽3,4,杨俊玲2,荆亚楠5,越云凯2,3,4(1上海海事大学商船学院,上海 201306;2中国科学院理化技术研究所,北京 100190;3北京博睿鼎能动力科技有限公司,北京 100085;4长沙博睿鼎能动力科技有限公司,湖南 长沙 410205;5国家电投集团科学技术研究院有限公司,北京 102209)摘要:压缩二氧
2、化碳储能技术作为一种新型的压缩气体储能技术,具有储能密度大、经济成本低、运行寿命长、负碳排放等多方面优势,适合我国大规模长时储能系统建设和可持续发展的需求,具有非常广阔的发展前景。本文对比分析了压缩二氧化碳储能系统相比于压缩空气储能系统的优势,梳理了压缩二氧化碳储能技术的分类,其中详细介绍了跨临界二氧化碳储能系统、超临界二氧化碳储能系统和液态二氧化碳储能系统的运行原理、系统性能以及适用场景等方面特点,阐述了系统关键运行参数对系统性能的影响规律以及系统损分布情况,得出系统性能的提升方法,进一步介绍了压缩二氧化碳储能系统的改进系统以及耦合其他外部能源系统的压缩二氧化碳储能系统对系统性能的提升效果,
3、最后分析了压缩二氧化碳储能系统的优势和发展方向。本文旨在总结当前压缩二氧化碳储能技术研究成果,指出现有压缩二氧化碳储能系统的优缺点,为后续学者研究压缩二氧化碳储能系统指引方向,也为压缩二氧化碳储能系统实验及示范的建立提供参考。关键词:压缩二氧化碳储能;储能技术;系统性能doi:10.19799/ki.2095-4239.2023.0005 中图分类号:TK 02 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)06-1928-18Research progress of compressed carbon dioxide energy storage systemZHANG Jiaju
4、n1,3,4,LI Xiaoqiong2,ZHANG Zhentao2,3,HAO Jiahao2,3,4,ZHENG Pingyang2,3,4,YU Ze3,4,YANG Junling2,JING Yanan5,YUE Yunkai2,3,4(1Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China;2Technical Institute of Physical and Chemistry,CAS,Beijing 100190,China;3Beijing Borui Dynamic Powe
5、r Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China;4Changsha Borui Dingneng Power Technology Co.,LTD.,Changsha 410205,Hunan,China;5State Power Investment Corporation Research Institute,Beijing 102209,China)Abstract:Compressed carbon dioxide energy storage(CCES),a new type of compressed gas energy storage te
6、chnology,has the advantages of high energy storage density,low economic cost,long operation life,negative carbon emissions,etc.It is suitable for large-scale,long-term energy storage systems for construction and sustainable development in China and has a broad development prospect.This paper intuiti
7、vely shows the advantages of a CCES system compared with a compressed air energy storage system.It introduces the operation principle,system performance,and applicable scenarios of cross-critical,储能系统与工程收稿日期:2023-01-06;修改稿日期:2022-04-06。基金项目:国家自然科学基金(52206032),中央引导地方科技发展资金(ZYYD2022B11,2022ZY0048)。第一作
8、者:张家俊(1999),男,硕士研究生,研究方向为二氧化碳储能系统,E-mail:;通讯作者:越云凯,助理研究员,研究方向为二氧化碳储能技术,E-mail:。引用本文:张家俊,李晓琼,张振涛,等.压缩二氧化碳储能系统研究进展J.储能科学与技术,2023,12(6):1928-1945.Citation:ZHANG Jiajun,LI Xiaoqiong,ZHANG Zhentao,et al.Research progress of compressed carbon dioxide energy storage systemJ.Energy Storage Science and Techn
9、ology,2023,12(6):1928-1945.第 6 期张家俊等:压缩二氧化碳储能系统研究进展supercritical,and liquid CCES system.Similarly,this paper also expounds on the influence of key operating parameters on the system performance and its improvement method,and further introduces the improved system and improvement effect of CCES coupl
10、ed to other external energy systems.Finally,the advantages and development direction of the CCES system is analyzed.This paper aims to summarize the current research results of CCES technology,point out its advantages and disadvantages,guide subsequent scholars to study the CCES systems,and provide
11、reference for the experiment and demonstration of CCES systems.Keywords:compressed carbon dioxide energy storage;energy storage technology;system performance能源是推动社会进步和经济发展的最重要动力之一。化石能源的短缺及其造成的环境污染严重影响了全球经济的健康发展。在此背景下,大力发展可再生能源、构建低碳可持续能源体系已经成为我国能源行业发展的重要战略目标,可再生能源的规模化发展也成为人类面对能源危机下能源转型的核心目标和应对全球变暖的重要
12、举措1。目前,我国能源呈现以化石能源为主、多能互补的结构,其中煤炭消费总量占一半以上。根据国家能源局统计,截至2022年底,我国总发电装机容量中燃煤发电占比43.8%,可再生能源占比为47.3%,如图1所示2。近年来,我国正在加快城市化进程,预计需要两倍的发电装机容量来保障未来四十年的电力供应3。在传统化石能源的短缺和全球气候变暖的双重压力下,化石能源为主的能源结构需要向非化石能源为主的能源结构转移,大力发展可再生能源是保持“双碳”目标下经济高速健康发展的重要技术路径,而风能和太阳能凭借其庞大的现有资源成为可再生能源利用的首选。如图2所示,截至2021年底,我国可再生能源发电装机容量 达 到
13、10.63 亿 千 瓦,占 总 发 电 装 机 容 量 的44.8%,其中,风电和光伏发电装机容量分别达到3.28亿千瓦和3.06亿千瓦,预计2030年我国风电光伏装机容量将超过12亿千瓦4-5。可再生能源的发展已经成为不可阻挡的趋势,其将代替化石能源成为新的主力。可再生能源发电的不稳定、不连续在并网过程中对电网产生巨大冲击,危及电网安全。目前主要通过配置备用电力缓解电源压力,维持电网平稳运行6。数据表明电网每增加100 MW,备用电力需要增加约200 MW,备用电力通常包括常规发电装置或储能系统7。常规发电装置作为备用电力不仅消耗了大量能源,而且在电网正常运行时,也造成了备用机组的闲置。储能
14、系统在用电低谷利用储能装置将电能转化为其他能量储存起来;在用电高峰期将储存能量释放转化为电能对外输出8。应用储能系统可以有效解决用电高峰供电匮乏,减少电网的供电压力,起到削峰填谷的作用,而且储能过程对可再生能源发电机组出力曲线进行调整,降低自身发电随机性和不可控性给电网稳定运行带来的风图1我国发电装机容量占比Fig.1Proportion of installed power图220162021年可再生能源发电装机容量Fig.2Installed capacity of renewable energy power19292023 年第 12 卷储能科学与技术险,同时避免了常规发电装置作为备用
15、电力的额外能源消耗9。在电网正常工作时,还可以利用峰谷电价差为电站创造额外收益10。因此,储能系统被认为是解决电力系统调峰最有效的方法之一。储能系统具有提高常规发电、输电安全性和经济性的作用,也是满足可再生能源大规模接入的重要手段。现阶段的系统装机容量分布如图3所示,这些储能技术由于成本、容量、安全、能量密度以及环境因素等原因,只有抽水储能和压缩空气储能得以实现长时、大规模商业应用10。目前,抽水储能因其70%85%的高储能效率在世界上占据了主导地位11。据估计,全球该系统的装机容量约为165 GW12。但抽水储能与传统的压缩空气储能因对地理条件要求高、储能密度低、建设周期长等问题,不满足当前
16、我国储能发展的需要。近年来,研究人员针对压缩空气储能系统作出改进,提出了绝热压缩空气储能系统(adiabatic compressed air energy storage system,A-CAES)、液态空气储能(liquid air energy storage system,LAES)以及超临界压缩空气储能(super-critical compressed air energy storage system,S-CAES)13-14,提高储能密度和系统效率,在一定程度上减少地理条件的限制。但由于空气自身物理性质的局限性,其超临界态压力和液化压力较高且液化温度较低,无论是空气还是蓄冷材
17、料都存在储存难度大的问题,导致系统在设计选型以及热量匹配上与实际情况差距明显,很难实现储能效率、储能密度以及建设可行性上的同步提升,从而限制了系统的进一步发展15。有学者研究发现,与空气的临界条件(-141,3.77 MPa)相比,二氧化碳的临界条件(31.3,7.38 MPa)更容易实现,并且超临界二氧化碳具有黏度低和密度高等良好的热物理性质,采用小且简单的叶轮机械和传热单元即可完成储能16。同时,二氧化碳在工程应用中具有良好的热稳定性、无毒性、无易燃性、零消耗臭氧等潜在环保特性17。因此提出将二氧化碳替代空气作为压缩气体储能的介质,在压缩气体储能中利用二氧化碳代替空气不仅可以提高系统性能,
18、也为大规模利用二氧化碳提供了可能和方便。以二氧化碳为工质的储能技术是一种很有前景的新型大规模储能方案,也是最有前途的二氧化碳工质化利用方法之一18,近年来逐步受到研究人员的关注,目前已开展了一系列系统性的理论研究、软件模拟和初步实验验证。1 压缩二氧化碳储能技术原理压缩二氧化碳储能系统(compressed carbon dioxide energy storage,CCES)的工作原理如图4所示。在储能阶段,富裕的电能驱动压缩机得到高温高压的二氧化碳,高温高压二氧化碳在冷却器通过介质带走热量将其冷却,并将热量储存到储热罐,换热后的二氧化碳进入高压二氧化碳储罐中储存;释能时,高压二氧化碳被来自
19、储热罐中的高温介质加热,换热后的介质进入储冷罐储存,高温高压二氧化碳驱动膨胀机透平做功,对外输出电能,做功后的二氧化碳重新回到低压储罐储存,准备进入下一个循环19。CCES系统的工作周期一般以天为单位,在用电低谷时储能,用电高峰释能,储释能时间比采用多比一的方式,以减少压缩阶段设备成本20。与其他储能技术相比,二氧化碳储能系统受地理条件影响小,工质易获取,工况稳定,可按需自由切换充放电状态,成本低且效率高,项目建设周期不到2年,却有长达30年的使用寿命,且循环效率可保持在60%以上21-22。此外,二氧化碳储能系统具有广泛的功率等级、环境适应性和较低的建设成本,在大规模长时储能上有很高的经济性
20、,特别适用于MW级和GW级长时储能系统23。该系统不仅可与太阳能、风电等新能源配套,有效克服其发电波动性和间歇性的弊端,也可与火电机组配套使用,作为火电灵活调峰运行时的功率补偿,大幅提升机组调峰能力和能量综合利用效率24,还可与二氧化碳捕集与封存系统结合,实现二氧化碳回收利用处理一体化,具有广阔应用前景,有望成为支撑我国“双碳”目标达成的关键力量之一。图3全球储能技术装机容量占比Fig.3Global installed capacity ratio of energy storage technology1930第 6 期张家俊等:压缩二氧化碳储能系统研究进展压缩二氧化碳储能系统是基于绝热压
21、缩空气储能系统提出的,对于压缩二氧化碳储能系统性能研究同样要参考压缩空气储能系统,于是有学者将压缩二氧化碳储能系统与压缩空气储能系统进行性能对比分析。韩中合等25在恒温与恒壁温储气的方式下对比CCES系统和CAES系统性能,研究表明在基本参数不变的情况下,CCES系统比CAES系统具有更高的储能效率和效率。对此,Zhang等26提出了一种高压侧液化储气的新型压缩二氧化碳储能系统,如图5所示,与液态二氧化碳储能系统(LCES)和先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES)性能进行对比,该CCES系统的效率低于AA-CAES图4二氧化碳储能系统原理图Fig.4Basic schematic diag
22、ram of carbon dioxide energy storage system图5CCES系统示意图Fig.5Schematic diagram of the CCES system19312023 年第 12 卷储能科学与技术系统但比LCES系统高4.05%,而LCES系统的储能密度远高于其他两系统,AA-CAES储能密度最低,三个系统性能对比结果见表1。在二氧化碳储存方面,喻浩27和Li等28对比分析了利用含水层储气的压缩空气储能和压缩二氧化碳储能的系统性能,结果表明CCES系统在储存压力和储存空间上均小于CAES系统,具有较高的储存安全性,同时在储能效率方面,CCES系统在运行过
23、程中压力在含水层中扩散损失较小,平均效率远高于CAES系统。上述研究中对比了CCES系统、LCES系统、AA-CAES 系统以及传统 CAES 系统的系统性能,结果都表明以二氧化碳作为循环工质的压缩气体储能相比于压缩空气储能在保证储能效率的同时,在储能密度、储能安全性和储能成本上都有较大优势,并且基于天然储气室的储存方式,二氧化碳储能更加稳定,可以实现更长时的高效储能,对于大规模储能电站的建设具有较大的现实意义。在二氧化碳充足的条件下,CCES系统是较好的选择。2 压缩二氧化碳储能技术分类根据二氧化碳储能系统循环过程中二氧化碳状态不同可分为跨临界二氧化碳储能系统、超临界二氧化碳储能系统以及液态
24、二氧化碳储能系统。2.1跨临界和超临界二氧化碳储能系统刘辉29明确了超临界和跨临界二氧化碳储能的定义,当膨胀机组出口二氧化碳的压力低于临界压力时,该储能系统为跨临界二氧化碳储能系统(trans-critical compress carbon dioxide energy storage system,TC-CCES),当膨胀机组出口处二氧化碳温度和压力高于临界温度和压力时,该储能系统为超临界二氧化碳储能系统(supercritical compress carbon dioxide energy storage system,SC-CCES),如图6、7所示。跨临界二氧化碳储能系统中由于低压
25、侧压力较低,系统采用多级压缩和级间冷却的方式减少压缩机组的功耗。同样在释能过程中采用多级膨胀做功和级间再热提高膨胀机做功。而超临界二氧化碳储能系统在整个循环过程中二氧化碳工质始终处于超临界状态,导致其压比和膨胀比设置较小,采用单级压缩和膨胀即可实现,其他过程与跨临界二氧化碳储能系统相同。由于二氧化碳储能系统高压侧压力较高,因此高压二氧化碳储存对于容器材料具有更高的要求,为了降低系统成本,何青等30使用两个不同深度的天然盐水含水层作为高低压储气室建立二氧化碳储能系统,将二氧化碳封存与储能相结合,同时利用化石燃料来加热排放的气体,该系统可以在超临界和跨临界条件下工作,如图8所示。结果表明,跨临界二
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