作者：耿曉倩1,2, 徐玉杰1,2, 黃景堅1,2, 凌浩恕1,2, 張雪輝1,2, 孫爽1, 陳海生1,2
單位：1. 中國科學院工程熱物理研究所；2. 中國科學院大學
引用： 耿曉倩,徐玉杰,黃景堅等.先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)全生命周期能耗及二氧化碳排放[J].儲能科學與技術,2022,11(09):2971-2979.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0129
摘 要 先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)是一種具有廣泛應用前景的儲能技術，對其展開全生命周期能耗及二氧化碳排放研究，對促進儲能技術發(fā)展和政策制定有指導意義。本工作以10 MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)為研究對象，建立了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的全生命周期模型，基于實際機組、國家標準及相關文獻等對生命周期各階段進行清單分析，獲得了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的全生命周期能耗、能效及二氧化碳排放，并進行了敏感性分析。研究結果表明，系統(tǒng)全生命周期度電能耗和度電二氧化碳排放量分別為5.653 MJ和36.73 g，凈能量效率為63.68%；運行階段的能耗和二氧化碳排放占比最大，分別為99.16%和90.49%；系統(tǒng)運行效率、系統(tǒng)壽命及發(fā)電時間都是全生命周期二氧化碳排放的重要影響因素，而全生命周期能耗對系統(tǒng)運行效率的敏感性較大。
關鍵詞 壓縮空氣儲能；全生命周期；能耗；碳排放
構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的主要途徑。波動性和不可預測性是風電、光伏等可再生能源規(guī)模利用的關鍵難題，而儲能技術是解決這一難題的有效途徑；因此，在以新能源為主的新型電力系統(tǒng)中，儲能至關重要。壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長、成本低等眾多優(yōu)點，具有廣闊發(fā)展前景，已被國內外廣泛研究和開發(fā)。
國際上已建成兩座傳統(tǒng)CAES商業(yè)電站(1978年建成的德國290 MW Huntorf電站，1991年建成的美國110 MW McIntosh電站)，但存在依賴化石燃料、效率較低等問題，其推廣應用受到了一定限制。而新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)因其擺脫對化石能源的依賴及效率更高的優(yōu)勢被廣泛地開發(fā)應用，加拿大Hydrostor公司研發(fā)并建成了1.75 MW絕熱CAES電站，并規(guī)劃在美國加利福尼亞州建造400 MW電站；英國Highview公司研發(fā)并已建成2 MWh液態(tài)空氣儲能電站，正在建設50 MW液態(tài)空氣儲能電站；美國研發(fā)并建成了1.5 MW等溫CAES電站；中國科學院工程熱物理研究所已研發(fā)并建成國際首套10 MW和100 MW先進CAES商業(yè)示范電站。新型CAES技術正在快速發(fā)展，逐步向產業(yè)化推廣邁進。
由于儲能產業(yè)是戰(zhàn)略性新興產業(yè)，對各種儲能技術方案的全生命周期分析尚處于起步階段，為探究儲能技術對產業(yè)布局和生態(tài)環(huán)境的長期影響，急需對儲能系統(tǒng)的全生命周期評價進行深入研究。同時，有利于探索其有益于碳中和的發(fā)展方向，對實現(xiàn)“雙碳目標”進程中的政策決策有很強的參考價值。目前，已有部分學者對一些儲能系統(tǒng)進行了相關研究。Raugei等對100 MW光伏配套60 MW鋰電池系統(tǒng)進行全生命周期評價，結果表明配有鋰電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)相對傳統(tǒng)火電在能源的清潔性方面優(yōu)勢依然明顯。Sternberg等提出了對比不同儲能系統(tǒng)全生命周期表現(xiàn)的新方法，對物理儲能、化學儲能等多種儲能方式進行全生命周期環(huán)境評價，結果表明包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能等在內的儲電系統(tǒng)的二氧化碳減排成本最低。Stougie等對包括壓縮空氣儲能系統(tǒng)在內的多種儲能系統(tǒng)對比計算了全生命周期環(huán)境影響、經濟性及總體?損失，在這三方面表現(xiàn)最好的儲能系統(tǒng)分別為抽水蓄能、濃度梯度流電池、鋰離子電池。AlShafi等對壓縮空氣儲能、全礬液流電池、熔融鹽儲能系統(tǒng)進行全生命周期評價，得到壓縮空氣儲能的全球氣候變暖潛勢居中。Kapila等分析傳統(tǒng)壓縮空氣儲能、先進絕熱壓縮空氣及抽水蓄能系統(tǒng)的全生命周期能量回報率和溫室氣體排放，發(fā)現(xiàn)全生命周期排放主要受運行階段影響。但由于早期缺少實際建造且商業(yè)運行的先進壓縮空氣儲能電站，目前對CAES系統(tǒng)進行全生命周期評價研究多數(shù)基于傳統(tǒng)補燃式CAES系統(tǒng)，少量針對先進CAES系統(tǒng)進行全生命周期評價研究的文獻中，運行參數(shù)常常參考傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)，清單分析的數(shù)據(jù)來源主要是基于燃氣輪機、光熱電站、化工壓縮機組等其他同類型設備的數(shù)據(jù)，并進行簡單的線性處理，準確性較差。
本工作以實際建造的某10 MW先進CAES電站為基礎，結合相關文獻資料，從材料及部件生產、建造、運行及維護、拆除及廢棄處置四個階段進行全生命周期清單分析，得到先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的全生命周期能耗及二氧化碳排放量，并對其關鍵影響因素進行敏感性分析，本工作研究成果將對儲能產業(yè)布局和CAES系統(tǒng)的產業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
1 研究方法
1.1 研究方法
生命周期評價(life cycle assessment，LCA)，是指對一個產品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價。生命周期評價是一種重要的環(huán)境管理工具，可用于評估產品或系統(tǒng)整個生命周期階段的環(huán)境影響。本工作使用生命周期評價的方法，分析壓縮空氣儲能系統(tǒng)的生命周期能耗及二氧化碳排放量。根據(jù)國際標準ISO14040，生命周期評價方法包括目的及范圍確定、清單分析、影響評估和解釋說明4個階段。本工作在生命周期評價方法的基礎上，建立研究方法模型，具體研究方法及過程如圖1所示。
圖1 全生命周期評價過程框圖
1.2 評價指標
不同系統(tǒng)的環(huán)境影響與其系統(tǒng)規(guī)模及產生的收益有直接影響，為使不同研究對象的環(huán)境影響具有可比性，需要對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的環(huán)境影響定義一個合理的功能單位。儲能系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中的部件，其產生的效益主要與其發(fā)電量有關，因此本工作采用1 kWh發(fā)電量作為功能單位。生命周期評價方法參考ReCiPe2016中間點法。其中所包含主要評價指標如下所示。
（1）能源消耗
能源消耗指整個生命周期過程中的能源消耗總量，由下式進行計算
2 研究對象及清單分析
2.1 研究目標及范圍
2.1.1 研究對象
本工作以10 MW先進CAES系統(tǒng)為研究對象，開展全生命周期的能耗和二氧化碳排放的研究。整個系統(tǒng)以實際建設的某10 MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)為基礎，圖2為系統(tǒng)示意圖，其工作原理為：儲能時，通過電動機帶動六級壓縮機將空氣進行壓縮，高壓空氣儲存在儲氣室中，同時利用雙罐式亞臨界水儲熱技術，回收壓縮機的間冷熱并儲存在熱罐中；釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放并到四級透平膨脹機中膨脹做功，同時利用儲存的壓縮熱加熱各級膨脹機進口空氣，膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電，將壓力能和熱能轉換為電能。先進CAES系統(tǒng)主要包括壓縮子系統(tǒng)、儲氣子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和膨脹子系統(tǒng)。壓縮子系統(tǒng)是利用電力將空氣壓縮至高壓，實現(xiàn)電能到空氣內能的轉化，其主要部件包括電動機、六級壓縮機、滑油站、壓縮機間冷器和末級冷卻器等；儲氣子系統(tǒng)是將高壓空氣進行儲存，實現(xiàn)電能的儲存，本研究儲氣室采用廢棄鹽穴；儲熱子系統(tǒng)實現(xiàn)間冷熱的存儲，其主要設備包括冷罐、熱罐、冷卻水塔、熱水泵和冷水泵等；膨脹子系統(tǒng)利用高壓空氣膨脹做功發(fā)電，實現(xiàn)空氣內能到電能的轉化，其主要部件包括四級透平膨脹機、滑油站(與壓縮機滑油站公用)、膨脹機再熱器和發(fā)電機等。
圖2 先進CAES系統(tǒng)示意圖
系統(tǒng)各部件基本參數(shù)的設定參考實際系統(tǒng)，具體參數(shù)如表1所示，通過熱力學計算得到系統(tǒng)效率為64.2%。
表1 先進CAES系統(tǒng)主要參數(shù)
2.1.2 系統(tǒng)邊界的確定
本研究以10 MW AA-CAES系統(tǒng)為對象，系統(tǒng)的范圍限制于從電能的輸入端到電能的輸出端，設定系統(tǒng)工作年限為35年，定量計算其生命周期過程能耗、能效及碳排放。研究范圍包括系統(tǒng)的生產階段(包括原材料的獲取、部件生產及組裝)，建造階段(包括部件及其他原料產地到系統(tǒng)建造地的運輸、園區(qū)及廠房的建造及整個系統(tǒng)的組裝)，運行階段和廢棄處置階段四個主要階段，生命周期系統(tǒng)邊界如圖3所示。
圖3 壓縮空氣儲能系統(tǒng)生命周期的系統(tǒng)邊界
2.2 清單分析
2.2.1 生產階段
生產階段主要涵蓋范圍為10 MW先進CAES系統(tǒng)所需壓縮子系統(tǒng)、膨脹子系統(tǒng)、儲熱子系統(tǒng)及管路中各種部件、閥門、管道等的原材料獲取、運輸、生產和加工等過程。儲氣部分采用的是鹽穴儲氣，因此這一部分放在建造階段討論?；趯δ?0 MW先進CAES示范電站、相關文獻和數(shù)據(jù)庫的調研分析，本研究獲取了10 MW先進CAES系統(tǒng)的主要組成部分的耗材及耗能，具體如表2所示。
表2 設備生產階段的材料和能源消耗量
壓縮空氣儲能系統(tǒng)所涉及設備較多，各設備生產差異大，設備加工的主要工藝包括鑄造、鍛造、熱處理、焊接、機加工等。本研究各設備加工能耗參考GB 50910—2013《機械工業(yè)工程節(jié)能設計規(guī)范》、JBJ14—1986《機械工業(yè)節(jié)能設計技術規(guī)定》和JBJ20—1990《通用機械節(jié)能設計技術規(guī)定》中各行業(yè)及生產工藝能耗指標及文獻。
2.2.2 建造階段
建造階段主要涵蓋原材料及部件的運輸、園區(qū)和廠房的建設、儲氣鹽穴的建造及系統(tǒng)安裝建設。園區(qū)建筑包括主廠房、輔房和水泵房等，園區(qū)建筑清單包括各建筑物的建筑面積、樓層、占地面積、建筑類型及建筑物建造過程所使用的建筑材料。本系統(tǒng)采用廢棄鹽穴作為儲氣裝置，儲氣鹽穴的建造清單包括采注井筒的建造耗能及耗材，參考10 MW先進CAES示范電站建設中廢舊鹽穴的改造過程，采注井筒采用G55鋼。10 MW系統(tǒng) 建造階段所需材料和耗能參數(shù)如表3所示。
表3 建造階段的材料和能源消耗量
2.2.3 運行維護階段
本系統(tǒng)設計運行壽命35年，系統(tǒng)效率64.2%，具體運行參數(shù)如表4所示。假定運行階段消耗的所有電能均來自風力發(fā)電，根據(jù)Ecoinvent數(shù)據(jù)庫，風電的度電二氧化碳排放量為21.1 g。運行階段涵蓋范圍包括儲能系統(tǒng)啟動過程、系統(tǒng)運行過程、系統(tǒng)在長期運行過程中所需要的替換件及檢修等部分。由于系統(tǒng)所用的水及潤滑油均為閉路循環(huán)，其損耗忽略不計。
表4 先進CAES運行參數(shù)
2.2.4 廢棄處置階段
廢棄處置階段主要涵蓋儲能系統(tǒng)報廢后的拆除過程及拆除后設備和材料的處置，如原材料的再利用、焚燒、填埋等。參照火力發(fā)電廠及普通建筑，拆除階段能耗取建造階段的30%，不同材料的回收比例及回收耗能如表5所示，其余材料均以填埋方式處理。
表5 金屬廢料回收數(shù)據(jù)
3 研究結果
3.1 先進CAES系統(tǒng)全生命周期的能耗
利用本研究的全生命周期分析方法和模型，通過對本工作中的10 MW先進CAES系統(tǒng)的全生命周期過程分析計算可得，10 MW先進CAES系統(tǒng)全生命周期能源消耗為4654.4 TJ，系統(tǒng)分階段能源消耗如圖4所示。其中，運行階段消耗能量4615.4 TJ，占比最大，達99.16%；生產階段為43.4 TJ，占比0.93%；建造階段為12.1 TJ，占比0.26%；廢棄處置階段為-16.5 TJ，占-0.36%。從計算結果可以看出，系統(tǒng)運行階段占據(jù)絕大多數(shù)能量消耗，廢棄階段回收能源為生產與建設階段能源消耗的1/3。
圖4 能源消耗分階段構成
10 MW先進CAES系統(tǒng)每發(fā)電1 kWh需要消耗能量為5.653 MJ，由此可通過計算得到該系統(tǒng)的全生命周期凈能量效率為63.68%。其中，運行階段輸入的儲能電量5.606 MJ，占總耗能的99.16%；其余部分為系統(tǒng)在生產、建造和廢棄階段的耗能，總計0.047 MJ，占0.83%。除運行階段的耗能外，將系統(tǒng)其他階段的耗能按不同子系統(tǒng)進行劃分，結果如圖5所示。其中，壓縮子系統(tǒng)和膨脹子系統(tǒng)的耗能是最多的，分別為0.016 MJ和0.013 MJ，分別占總耗能的0.29%和0.22%；儲熱子系統(tǒng)和儲氣子系統(tǒng)的耗能分別為0.008 MJ和0.006 MJ，占總耗能的0.14%和0.10%；管路系統(tǒng)及園區(qū)建設部分的耗能在總能耗中占比較小，總計0.08%。
圖5 度電能源消耗分部件構成
3.2 先進CAES系統(tǒng)全生命周期二氧化碳排放
計算分析可得，該10 MW先進CAES系統(tǒng)全生命周期的二氧化碳排放總量為30.24 kt，各階段碳排放如圖6所示。運行階段的二氧化碳排放總量最多，為27.36 kt，占比達90.49%；生產階段全生命周期二氧化碳排放量為3.16 kt，占比10.44%；建造階段為0.96 kt，占比3.19%；廢棄處置階段二氧化碳排放為-1.25 kt，占比-4.12%。
圖6 碳排放分階段構成
該10 MW先進CAES系統(tǒng)發(fā)電1 kWh的度電二氧化碳排放量為36.73 g。圖7為系統(tǒng)各階段的度電二氧化碳排放，運行階段二氧化碳排放量為33.23 g/kWh，占比達90.49%；但相比運行階段能耗，二氧化碳排放占比減少了8.67%，這是因為運行階段能量來源為風電，而生產、建造、廢棄處置階段主要消耗的是化石能源。生產、建造和廢棄階段二氧化碳排放總量為3.50 g，占比9.51%，其中壓縮子系統(tǒng)、膨脹子系統(tǒng)和儲熱子系統(tǒng)的二氧化碳排放量占比分別為2.58%、1.99%和2.52%。
圖7 度電二氧化碳排放構成
此外，為更全面地探究先進CAES系統(tǒng)生命周期碳排放結果，對運行過程中來自光伏發(fā)電及火力發(fā)電儲存的電能進行計算，10 MW先進CAES系統(tǒng)儲能來源不同時的生命周期度電二氧化碳排放如圖8所示。10 MW先進CAES系統(tǒng)在這兩種情況下的生命周期度電二氧化碳排放分別為125.50 g和1988.37 g，均比采用風電作為儲能來源的情況高。這主要因為風電、光伏發(fā)電、火力發(fā)電的碳排依次增加，先進CAES系統(tǒng)的壽命較長，其生命周期碳排放主要來源于運行階段，因此當儲存的電能來源發(fā)生變化時，雖然生產、建造及廢棄處置階段的碳排放不變，系統(tǒng)的生命周期碳排放結果變化依然很大。同時可以看出，建造儲能電站本身所帶來的碳排放并不高。
圖8 不同電能來源的先進CAES系統(tǒng)生命周期度電二氧化碳排放
4 敏感性分析
敏感性分析是評估研究中解決不確定性問題的一種系統(tǒng)分析方法。為評估壓縮空氣儲能系統(tǒng)性能對全生命周期能耗及二氧化碳排放的影響，本研究選擇系統(tǒng)運行效率、系統(tǒng)壽命、發(fā)電時間這3個因素進行敏感性分析。
4.1 系統(tǒng)運行效率
隨著先進CAES系統(tǒng)運行效率的提高，系統(tǒng)的度電能耗及運行過程中的度電損耗勢必減少，且運行效率主要影響的是儲能系統(tǒng)的運行階段，而由前文分析可知運行階段貢獻了主要的能耗和二氧化碳碳排放。圖9為系統(tǒng)效率對先進CAES系統(tǒng)全生命周期能耗及二氧化碳排放的影響，當其他因素不變時，系統(tǒng)效率每提高1%，全生命周期度電能耗降低0.0919 MJ，全生命周期度電二氧化碳排放減少0.57 g。可見，系統(tǒng)運行效率是影響系統(tǒng)能耗和二氧化碳排放的關鍵因素。
圖9 系統(tǒng)效率對全生命周期性能的影響
4.2 系統(tǒng)壽命
對于大規(guī)模儲能技術來說，提高系統(tǒng)壽命對于發(fā)揮其優(yōu)勢意義重大，而系統(tǒng)工作壽命也是影響全生命周期能耗及二氧化碳排放的關鍵因素。為了定量研究其對能耗和二氧化碳排放的影響，保持其他因素不變，僅改變機組的工作壽命，敏感性分析結果如圖10所示。系統(tǒng)壽命每增加1年，度電能耗減少0.001 MJ，度電二氧化碳排放減少約0.089 g。由此可見，系統(tǒng)壽命是影響系統(tǒng)二氧化碳排放的關鍵因素。
圖10 系統(tǒng)壽命對全生命周期性能的影響
4.3 發(fā)電時間
發(fā)電時間主要影響系統(tǒng)的生命周期總耗電量和發(fā)電量，從而對能耗和二氧化碳排放產生影響。圖11為系統(tǒng)的日運行發(fā)電時間對全生命周期性能的影響，當其他因素不變情況下，系統(tǒng)日運行發(fā)電時間每增加1 h，其度電能耗增加0.012 MJ，度電二氧化碳排放增加0.85 g，可見，發(fā)電時間對系統(tǒng)生命周期能耗的影響很小，而對生命周期二氧化碳排放影響較大。
圖11 發(fā)電時間對全生命周期性能的影響
通過上述敏感性分析可知，系統(tǒng)運行效率、系統(tǒng)壽命和發(fā)電時間都是影響先進CAES系統(tǒng)二氧化碳排放的關鍵因素，而系統(tǒng)能耗主要受系統(tǒng)運行效率影響。因此，在系統(tǒng)設計和建造過程中，在考慮經濟性和實際應用的前提下，合理地提高系統(tǒng)效率、提高工作壽命和加長系統(tǒng)發(fā)電時間，對降低先進CAES系統(tǒng)的全生命二氧化碳排放具有重要意義。
5 結論
本工作基于實際先進壓縮空氣儲能電站相關數(shù)據(jù)，開展了全生命周期清單分析，并進行了全生命周期評價及敏感性分析，得到如下主要結論：
（1）10 MW先進CAES系統(tǒng)的全生命周期總能耗為4654.4 TJ，全生命周期度電能耗為5.653 MJ，全生命周期凈能量效率為63.68%。先進CAES系統(tǒng)的工作壽命長，在全生命周期范圍內，運行階段能耗占總能耗的99.16%，而生產階段能耗占比極小，因此提高CAES系統(tǒng)運行效率是降低能耗的最有效途徑。
（2）10 MW先進CAES系統(tǒng)的全生命周期總二氧化碳排放量為30.24 kt，系統(tǒng)全生命周期的度電二氧化碳排放量為36.73 g。運行階段排放二氧化碳占總量的90.49%，生產階段排放二氧化碳占總量的10.44%，廢棄階段負排放二氧化碳占總量的4.12%，因此運行階段采用清潔能源可有效降低二氧化碳排放。
（3）敏感性分析結果表明，系統(tǒng)運行效率是先進CAES系統(tǒng)全生命周期能耗的主要影響因素，系統(tǒng)效率每提高1%，全生命周期度電能耗降低0.092 MJ；系統(tǒng)效率、系統(tǒng)壽命和儲氣時間對先進CAES的二氧化碳排放均有明顯的影響。
