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(nèi)外廣泛關(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用，而液態(tài)CO?儲能還處于研究階段，未得到工程化應(yīng)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(zhì)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(yīng)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(shù)之一，對于壓縮空氣儲能技術(shù)，常規(guī)壓縮空氣儲能技術(shù)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(yīng)用。為減少儲能介質(zhì)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(guān)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(jié)合有機朗肯循環(huán)和布雷頓循環(huán)利用蓄熱裝置內(nèi)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(zhì)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(yīng)用場景對儲能效率等關(guān)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(guān)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(zhì)物性參數(shù)的差異，另一方面借助分析，對系統(tǒng)主要設(shè)備進行損失計算，同時分析系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)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(shù)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(chǎn)生的熱量通過導熱油介質(zhì)儲存在蓄熱裝置內(nèi)，壓縮后的空氣為常溫、高壓狀態(tài)，進入低溫膨脹機內(nèi)膨脹降溫降壓，將常溫高壓氣體轉(zhuǎn)為低溫低壓，再通過蓄冷裝置內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)的高品質(zhì)熱量，提高氣體空氣溫度，轉(zhuǎn)為高溫高壓氣態(tài)空氣送入一級膨脹機內(nèi)做功發(fā)電，一級膨脹機排氣再經(jīng)過蓄熱裝置內(nèi)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(nèi)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(shù)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(nèi)熱量加熱轉(zhuǎn)為常溫氣態(tài)CO?送入一級壓縮機內(nèi)壓縮，一級壓縮機排氣經(jīng)過冷卻送入二級壓縮機內(nèi)壓縮，二級壓縮機出口冷卻后送入低溫膨脹機內(nèi)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(nèi)。
釋能階段:#2液態(tài)CO?儲罐內(nèi)的液態(tài)CO?經(jīng)過液泵升壓及吸收換熱器內(nèi)熱量，達到常溫高壓狀態(tài)，再利用蓄熱裝置內(nèi)高品質(zhì)熱源加熱升溫，送入一級膨脹機內(nèi)做功，一級膨脹機排氣再利用蓄熱罐內(nèi)熱量加熱升溫，送入二級膨脹機內(nèi)做功發(fā)電，二級膨脹機排氣經(jīng)過散熱器降溫，轉(zhuǎn)為液態(tài)存儲于#1液態(tài)CO?儲罐內(nèi)。
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(zhì)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(cè)換熱器進、出口溫度;Toil，in為蓄熱介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(guān)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(zhì)的量的關(guān)系，其意義為單位儲存的物質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)熱量之比。系統(tǒng)熱量利用效率直接系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)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(zhì)上給出評價，從根本上給出影響熱力系統(tǒng)性能的關(guān)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(nèi)每個設(shè)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(shè)備進行匹配設(shè)置，整個系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流動沿著物理模型箭頭方向依次流經(jīng)各個設(shè)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(guān)鍵性能參數(shù)，需對各自系統(tǒng)進行邊界參數(shù)設(shè)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(zhì)的臨界點是指氣態(tài)轉(zhuǎn)液態(tài)最低參數(shù)點。臨界點溫度越低，氣態(tài)轉(zhuǎn)液態(tài)所需的能量越大，越難實現(xiàn)氣液轉(zhuǎn)化?？諝獾呐R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(zhuǎn)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(shè)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(shè)備等熵效率直接決定各個設(shè)備的損失，因此提高系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)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(guān)鍵參數(shù)。液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)各個設(shè)備參數(shù)損失如圖5所示，液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)各個設(shè)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(shè)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(shè)備的?損失，同時也影響系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率及儲能密度的關(guān)系，如圖7所示。通過關(guān)系曲線圖可以看出:液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)液態(tài)的臨界點比CO?臨界點低，儲能階段氣態(tài)轉(zhuǎn)液態(tài)所需的能量越大，釋能過程液態(tài)轉(zhuǎn)氣態(tài)所需的熱量同樣較多，導致系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)備?損失占比
圖6 液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)各設(shè)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(zhuǎn)化效率及儲能密度的關(guān)系，如圖8所示。通過關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率的關(guān)系及與儲能密度的關(guān)系，如圖9所示。
圖7 壓縮機等熵效率與系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化效率、儲能密度的關(guān)系
圖8 膨脹機等熵效率與系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化效率、儲能密度的關(guān)系
圖9 系統(tǒng)能量利用效率與系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化效率、儲能密度的關(guān)系
通過關(guān)系曲線圖可以看出:液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(jié)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(zhì)物性參數(shù)的差異，另一方面借助分析，對系統(tǒng)主要設(shè)備進行損失計算，同時分析了系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)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(jié)論如下。
(1)液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)為空氣，空氣的臨界點為:3.7 MPa，－145℃，臨界點溫度低，氣液轉(zhuǎn)化所需的能消耗的能量大，很難實現(xiàn)氣液轉(zhuǎn)化。而液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)為CO?，CO?的臨界點為:7.4 MPa，30℃，相比空氣，CO?易實現(xiàn)氣液轉(zhuǎn)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(shè)備等熵效率越高，電-電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率越高，儲能密度越大。相比設(shè)備等熵效率，系統(tǒng)能量利用率對電-電轉(zhuǎn)化效率及儲能密度影響大。
(4)從電-電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用，而液態(tài)CO?儲能系統(tǒng)所用主要設(shè)備還在研究階段，未得到工程化應(yīng)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%。
