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• 1,二氧化碳儲能技術研究現狀與發展前景｜洞見

二氧化碳儲能技術研究現狀與發展前景｜洞見

阿爾法公社

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阿爾法公社：二氧化碳儲能(CES)技術是基於壓縮空氣儲能(CAES)和Brayton發電循環的壹種新型物理儲能技術，具有儲能密度大、運行壽命長、係統設備緊湊等優勢，有較好的發展和應用前景。經過發展，研究和產業化，二氧化碳儲能技術有望在未來電力儲能市場中獲得較大發展空間。

摘 要：二氧化碳儲能(CES)技術是基於壓縮空氣儲能(CAES)和Brayton發電循環的壹種新型物理儲能技術，具有儲能密度大、運行壽命長、係統設備緊湊等優勢，具有較好的發展和應用前景。

本文介紹了典型二氧化碳儲能係統的工作原理和基本特徵，指出了係統循環效率(RTE)、儲能密度(ESD)的計算方式和評價效果；通過對近期相關國內外文獻的討論，結合二氧化碳儲能技術的發展進程，重點梳理了二氧化碳電熱儲能(TE-CES)、跨臨界二氧化碳儲能(TC-CES)、超臨界二氧化碳儲能(SC-CES)、液態二氧化碳儲能(LCES)和耦合其他能源係統的二氧化碳儲能係統的研究進展，指出了不同係統的優勢、不足及適應性應用場景；總結了二氧化碳儲能的研究方向、關鍵技術和主要挑戰，最後分析了二氧化碳儲能技術在技術研發和麵向多場景應用兩個層麵上的發展前景。

綜合分析表明，目前二氧化碳儲能技術相關研究方興未艾，且較多為理論研究，還需要進壹步朝著係統優化設計、實驗驗證和產業化應用方向發展，二氧化碳儲能技術有望在未來電力儲能市場中獲得較大發展空間。

隨著生態環境破壞與資源約束的矛盾日益突出，大力開發可再生能源已成為解決我國能源安全和環境汙染問題的主要手段。截至2021年底，我國可再生能源發電裝機達到10.63億千瓦，占總發電裝機容量的44.8%。其中，風電和光伏發電裝機分別達到3.28 億千瓦和3.06 億千瓦。相關機構預測，到2050年，可再生能源在我國能源體係中占比有望達到78.0%。

但可再生能源特別是風電和光伏發電具有明顯的波動性、周期性和不確定性等不利因素，其大規模並網不僅給電網係統帶來前所未有的挑戰，也造成了巨大的能量浪費。因此，開發規模化高效儲能係統已經成為學界和社會的重要共識。儲能係統可以周期性儲存多余電量，並在用電高峰時進行釋能發電，不但是實現可再生能源發電規模化接入、平滑持續電力輸出、調峰調頻的重要手段，而且可以提高電網輸配電側的整體效率、安全性和經濟性。

目前，已經實現商業應用的兆瓦級、長時間儲能技術主要有抽水蓄能和壓縮空氣儲能。其中，抽水蓄能(pumped hydro storage，PHS)已裝機比例最大，應用較為成熟，但存在著選址困難、建設周期長、初期投資大、破壞生態環境等客觀問題。

壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)具有規模大、靈活性強等特點，壹般循環效率在40%～70%之間，被認為具有較大的發展潛力。傳統CAES係統需要外加燃氣補熱裝置，且壹般借助地下洞穴、鹽穴、巖層等特殊的地理環境儲存，係統對儲存要求較高。

近年來，國內外學者先後提出了先進壓縮空氣儲能係統(AA-CAES)、超臨界壓縮空氣儲能係統(SC-CAES)、液態空氣儲能係統(LAES)等第二代壓縮空氣儲能係統，壹定條件下擯棄了地理條件限制，減少了化石燃料的使用，對環境更為友好。但是，AA-CAES係統依賴高壓容器或地下儲氣庫，導致其儲能密度相對較低(壹般為1.5～10 kWh/m3)、主要設備體型較大；SC-CAES係統和LAES係統存在超臨界空氣蓄冷液化過程，且空氣液化溫度壹般為-196 ℃，導致係統冷㶲損耗較大，從而影響其整體性能的進壹步提昇。

為了進壹步提高儲能係統的儲能效率與能量密度，相關學者提出了以CO2為工質的二氧化碳儲能(carbon dioxide energy storage，CES)係統，由於CO2臨界點(7.39 MPa和31.4 ℃)相對空氣(3.77 MPa和-140.5 ℃)容易達到，無毒、不易燃、安全等級為A1，且超臨界二氧化碳(S-CO2)具有優良的熱力學性質：黏度小、密度大、導熱性能好，係統寄生能耗也相對較低。基於常規儲能設計參數，表1展示了不同壓力和對應溫度下空氣和CO2的密度大小，可以看出，相同狀態和壓力下CO2儲存密度均大於空氣，其中液態儲存時最高，從而使得CES係統具有較高的儲能潛力。

表1 空氣和CO2儲存密度對比

本文首先介紹了CES係統的工作原理及主要特點，指出了CES係統的主要性能評價指標，然後基於CES係統的發展歷程，分析了不同CES係統方案的技術特徵和研究現狀，總結了CES技術的關鍵技術、主要方向和技術挑戰，最後展望了CES技術的發展前景。

1.二氧化碳儲能係統概述

二氧化碳儲能是在壓縮空氣儲能和Brayton循環的基礎上提出的，以CO2作為儲能係統工作介質，通過多級絕熱壓縮、等壓加熱、多級絕熱膨脹和等壓冷卻等過程實現，但由於CO2工質特殊性，係統為封閉式循環，係統設備和參數設置也和壓縮空氣儲能有較大差異。

圖1展示了二氧化碳儲能係統的工作原理，係統主要由高、低壓儲罐，壓縮機，透平和蓄熱蓄冷單元組成；蓄熱蓄冷單元主要包括再冷器、再熱器、蓄熱罐和蓄冷罐。其工作原理可分為儲能階段和釋能階段兩個過程。

儲能時，低壓儲罐中的低壓液態CO2經過蓄冷換熱器吸熱氣化，再經過(多級)壓縮機壓縮至超臨界狀態，同時通過再冷器吸收壓縮熱並通過蓄熱介質將熱量儲存在蓄熱罐中，最後將超臨界狀態CO2儲存在高壓儲罐中，即將電能以熱能和勢能形式儲存；

釋能時，高壓儲罐中的超臨界CO2經過再熱器升溫，再進入透平中推動透平發電，同時再將再熱器出口的低溫蓄熱介質冷量儲存在蓄冷罐中，末級透平出口的CO2再經過冷卻器和蓄冷換熱器冷卻至液化狀態，最後儲存在低壓儲罐，即將熱能和勢能轉化為電能輸出。

圖1 二氧化碳儲能係統原理圖

CES係統壹般采用壓縮熱回收利用代替傳統CAES係統中的燃料補燃，避免了對化石能源的依賴；同時設置壓縮機與透平分布，從而能夠靈活控制係統儲能、調節釋能工況，減少機組啟停切換時間；CES係統中多采用多級壓縮和多級膨脹，最大儲能壓力可達20～25 MPa，同時通過中間冷卻和中間再熱使壓縮機和透平近等溫運行，提高了係統循環效率；CES係統可根據可再生能源消納、電網調峰調頻、用戶側削峰填穀等應用場景，滿足數小時甚至數十天的儲能周期需求，且具有較長運行壽命。

對於壓縮氣體儲能係統，最能反映係統儲能特性的評價指標主要有係統循環效率(round trip efficiency,RTE)和儲能密度(energy storage density，ESD)。

RTE反映了儲能係統同壹周期內儲能和釋能過程的能量轉化與平衡關係。如式(1)所示，RTE為儲能時係統輸入電能和釋能時係統輸出電能之比，與壓縮機、透平功率和儲釋能時間相關。如果係統設置補燃設備，還需要考慮消耗熱能的輸入，壹般按燃氣按折合係統0.39考慮。

ESD反映了儲能係統儲能工質單位儲存容積時儲能容量的大小，也可稱為單位體積發電量(energy generated per unit volume，EVR)。如式(2)所示，ESD為係統輸出電能和儲存設備總容積之比，由於超臨界CO2和液態CO2密度遠大於空氣，所以二氧化碳儲能係統的儲能密度具有較大優勢，使得係統工質儲存容積和設備成本顯著降低。

式(1)、(2)中，Win為係統輸入電能；Wout為係統輸出電能；VH為高壓儲罐容積；VL為低壓儲罐容積。

2.1二氧化碳電熱儲能(TE-CES)係統

將CO2作為工質並應用於儲能係統最早是2012年由瑞士洛桑埃爾科爾理工大學的Morandin教授提出，他設計了壹種基於熱水蓄熱、冰漿蓄冷的二氧化碳電熱儲能(thermo-electrical carbon dioxide energy storage，TE-CES)係統，並基於換熱器網絡編寫了係統優化算法。

如圖2所示，該係統的工作原理是：在儲能過程中，電能驅動熱泵係統壓縮機將CO2壓縮至超臨界態，並將CO2內能通過蓄熱罐進行儲存，即將電能以熱能形式儲存；在釋能過程中，CO2吸收蓄熱器熱能，再進入膨脹機做功，即將熱能轉化為電能輸出。

圖2 二氧化碳電熱儲能係統原理圖

二氧化碳電熱儲能係統在蓄熱端進行顯熱交換，CO2處於單相區；在蓄冷端進行潛熱交換，CO2處於兩相區。因此，係統換熱過程具有較好的熱匹配性。由於液態水的高熱容、高流動性特性，且成本極低，相比於其他常見蓄熱介質(表2)，在儲能係統蓄換熱過程中被廣泛使用。

表2 蓄熱介質性能對比

基於上述係統，韓國學者Kim等分析了壓縮機、膨脹機效率、壓力比、冷熱罐流量等參數對係統循環效率的影響，發現熱罐中水的質量和溫度越高，等溫TES係統的循環效率越高，係統最大循環效率可達74.5%；等溫膨脹的壓力比可以在最高循環溫度下充分提高，且內部耗散造成的㶲損失低於等熵情況。

瑞士蘇黎世Ewz公司於2013年建設了Auwiesen熱電儲能電站。該電站基於已有Auwiesen(220 kV/150 kV)和 Aubrugg(150 kV/22 kV)兩座變電站，提供電力並網和生物質廢熱，同時可通過熱力管線供熱。Auwiesen熱電儲能電站儲能容量1 MW，儲能時間6 h，釋能時間3 h，最大循環效率40%～45%，二氧化碳循環壓力在3～14 MPa，儲熱溫度最高120 ℃，儲熱罐總容量達上千立方米。

基於壓縮空氣儲能係統的研究與應用，中國科學院工程熱物理研究所楊科等提出了以CO2為工質的壓縮二氧化碳儲能係統。根據係統透平出口壓力，可具體分為跨臨界二氧化碳儲能(transcritical carbon dioxide energy storage，TC-CES)和超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide energy storage systems，SC-CES)儲能係統，若透平出口壓力低於臨界壓力稱為TC-CES係統，若高於臨界壓力則稱為SC-CES係統。

目前，關於這兩種係統的研究相對較多，主要研究機構包括中科院工程熱物理所、華北電力大學、西安交通大學、華中科技大學等，但主要還停留在係統理論設計和性能分析階段。

北京大學Zhang等研究了基於熱水蓄熱的跨臨界和超臨界壓縮二氧化碳儲能係統。如圖3所示，這兩種係統本質上沒有區別，TC-CES係統相較於SC-CES係統另外設計了壓縮前預熱器，目的是使低壓儲罐中的液態CO2在進入壓縮機前完全氣化，而SC-CES係統低壓儲罐中CO2本身就處於超臨界態，可直接進入壓縮機。研究發現係統以1 MW釋能功率輸出時，跨臨界運行CO2工質流量為38.52 kg/s，循環效率為60%，儲能密度為2.6 kWh/m3；超臨界運行CO2工質流量為6.89 kg/s，循環效率為71%，㶲效率為71.38%，儲能密度為23 kWh/m3。結合文獻[21-22]的研究結果，圖4對比了傳統CAES、AA-CAES、TC-CES和SC-CES係統在釋能功率均為1 MW工況下的循環效率和能量密度數據。

可以發現，TC-CES的循環效率高於傳統CAES，但略低於AA-CAES，其儲能密度均高於傳統CAES和AA-CAES；而SC-CES的循環效率最大，且其儲能密度遠高於其他三種係統。因此，雖然SC-CES比CAES係統額外增加了低壓儲存設備用於釋能過程中透平存儲出口CO2(對於SC-CES係統此時CO2仍處於超臨界態)，但由於其工質整體儲存容積需求較低，所以仍具有較高的儲能密度。

圖3 TC-CES係統和SC-CES係統原理圖

圖4 不同CES和CAES係統性能對比

由於二氧化碳儲能係統高壓側壓力較大(壹般為10～25MPa)，因此對於高壓側儲存容器提出了較嚴苛的要求，壹般性鋼制壓力容器往往不能滿足安全要求，並且為了滿足係統釋能工況穩定，壓力容器設計時容積需要有相當部分的富裕量，這樣就造成了較大的材料成本投入，影響二氧化碳儲能係統的整體經濟效益。因此，有學者提出結合二氧化碳封存技術，采用地下儲庫(硬巖穴、鹽穴、廢棄煤礦井、鹹水層、海下等)儲存高低壓二氧化碳。

華北電力大學劉輝、何青等 、郝銀萍分別對使用地下雙儲氣室的二氧化碳儲能係統進行了研究。其中，文獻[25]提出了壹種基於地下儲氣室的跨臨界二氧化碳儲能係統，如圖5、6所示，係統分別以1700 m深和100 m深的地下鹹水層作為高低壓儲氣室，同時使用熱泵係統儲熱，提高了儲熱溫度。研究結果顯示，RTE、儲能效率及儲熱效率分別為66.00%、58.41%和46.11%，此外，探討了壓縮機和透平絕熱效率對係統性能的影響規律，研究還驗證了以水為蓄熱介質時係統性能最佳。

圖5 TC-CES係統地下儲氣室

圖6 基於地下儲氣室的TC-CES係統原理圖

針對跨臨界、超臨界二氧化碳儲能係統需要耐高壓儲存設備且儲能密度相對較低的問題，有學者提出壹種液態二氧化碳儲能(liquid carbon dioxide energy storage，LCES)係統，即將高壓側和低壓側CO2均以低壓液態(0.5～1.0 MPa，-56～-40 ℃)形式儲存，密度大於1 000 kg/m3，極大地降低了存儲壓力，且不受地理條件限制，還可以顯著降低壓力容器加工製造成本，提高了二氧化碳儲能係統在空曠的荒漠、高原等可再生能源聚集地區的運行安全性。此外，關於液態空氣儲能技術的研究也證實了液態工質儲能係統在實際工程應用的可行性。

西安交通大學Wang等提出了壹種結合ORC的液態二氧化碳儲能係統。如圖7所示，該係統由壓縮機、透平、蓄熱器、蓄冷器、儲罐和液體泵組成。儲能時：罐2中的液態CO2經過穩壓閥和蓄冷器吸熱氣化，進入壓縮機被壓縮，然後通過蓄熱器儲存壓縮熱，再經過水冷液化儲存到罐1中。釋能時：罐1中的液態CO2通過液體泵增壓，再進入蓄熱器和透平吸熱做功，然後經過蒸發器和蓄冷器冷卻液化，回到罐1儲存，溫度可達-56 ℃，高於LAES係統液化溫度，降低了係統冷損。研究結果顯示，該係統的循環效率可達到56.64%左右，儲能密度為36.12 kWh/m3，高於AA-CAES係統和其他二氧化碳儲能係統。

圖7 結合ORC的液態二氧化碳儲能係統原理圖

LCES係統在壓縮後也可以采用節流閥或液體膨脹機通過節流效應進行液化，但由於節流過程仍有部分CO2不能液化，所以需要配置氣液分離器並將氣態CO2返回壓縮機繼續壓縮液化，這種係統可以避免外設低溫冷卻係統。吳毅等設計的壹種采用液態膨脹機的液態二氧化碳儲能係統如圖8所示，該係統在高壓側的儲能過程和釋能過程分別采用液體膨脹機和低溫泵控制儲能壓力和釋能壓力。通過熱力學分析和多目標優化，發現該係統最佳釋能壓力為18.3 MPa，最佳儲能壓力為11.7 MPa，對應係統儲能效率為50.4%，儲能密度為21.7 kWh/m3。但由於存在膨脹機功損失，意味著這個係統還有很大的改進潛力。

圖8 采用液體膨脹機的液態二氧化碳儲能係統原理圖

應當註意的是，雖然LCES係統解決了壓力容器的加工製作和運行安全問題，提昇了係統整體儲能密度，但由於其壹般需要將CO2冷卻液化的換熱量通過蓄熱係統回收並用於膨脹過程中CO2的加熱氣化，所以引入了另壹套較復雜的蓄熱蓄冷係統；此外，低溫液體泵功耗和低溫CO2耗散也成為制約LCES係統循環效率的重要問題，因此LCES係統的循環效率壹般略低於其他CES係統。

二氧化碳儲能係統不僅具備CAES係統的功能特性，可將風電、光電等間歇能源“拚接”起來，保障新能源的持續電力輸出；還可以和CCS、液化天然氣(LNG)等多種能源係統耦合，實現二氧化碳儲能的多場景應用和效率提昇。

文獻[33]提出了壹種利用太陽能光熱係統補熱的LCES係統，如圖9所示，該係統在透平入口前引入額外的光熱熱源，在透平出口設置回熱器回收400 ℃二氧化碳的余熱，從而提高了透平進口溫度。與常規LAES係統相比，該係統具有較高的循環效率和㶲效率。但需要註意的是，該係統需要控制太陽熱量的波動以減小對LCES係統透平進口溫度穩定性的影響。

圖9 利用太陽能光熱係統補熱的LCES係統原理圖

基於CCS技術的快速發展，如何合理應用地下封存的CO2、降低CCS整體經濟成本受到相關學者關註。文獻[34]提出了壹種結合廢舊礦床存儲二氧化碳的二氧化碳儲能(CES-CCS)係統。如圖10所示，該係統的工作原理是將電廠捕獲的CO2經過多級壓縮機壓縮，當達到儲能壓力時，CO2存儲過程停止，多余的CO2通過註入井進行地下封存或驅油，釋能時CO2再進入多級透平做功發電，出口CO2通過廢棄洞穴暫存。

通過熱力學分析和參數分析，該係統在儲能壓力為21.9 MPa時，最高RTE為53.75%，且在碳排放稅不超過47美元/噸時具有壹定經濟優勢。但是，該係統將CO2遷移當做理想滲流過程，在工程應用時需要更深入細緻的地質勘探和模擬分析，所需要的應用場景也較難吻合。

圖10 CES-CCS係統原理圖

此外，液化天然氣(LNG)冷能利用也為LCES提供了壹個較好的發展方向。由於LNG必須氣化升溫後才能供用戶使用，LNG從-162 ℃升至常溫能夠釋放約830 kJ/kg的冷能，然而目前LNG冷能浪費嚴重。因此，Zhao等提出了壹種耦合LNG的LCES係統，如圖11所示。該係統在常規LCES係統外加入LNG冷能利用子係統和燃燒子係統，采用LNG液化低壓CO2，加熱後的LNG壹部分供給用戶，壹部分進入燃燒室中燃燒，以提高透平進口溫度。

結果表明，該係統充電時間為2.02 h，恆壓和變壓放電時間為3.64 h和2.88 h，恆壓模式下的循環效率為64.96%，而變壓模式下的循環效率可達67.37%。該係統為解決我國東南沿海LNG冷能利用問題提供了有效方案，但由於過程中需要燃燒化石燃料，所以需要對係統整體凈碳排放效果進行詳細評估。

圖11 耦合LNG的LCES係統原理圖

作為壹種較前沿的物理儲能技術，二氧化碳儲能在熱力學循環構建理論、CO2臨界轉換特性、係統動態運行控制策略、關鍵設備設計開發和高性能材料選擇等方麵需要攻剋的關鍵技術還有許多，也麵臨著諸如設備加工製造、係統應用等技術挑戰，如表3所示。

表3 二氧化碳儲能研究方向、關鍵技術和挑戰

我國對壓縮空氣儲能技術的研究雖然起步較晚，但隨著國傢政策支持和相關成果落地，已經實現了從技術追趕到技術領先的重大轉變。同時，二氧化碳儲能作為壹種新型壓縮氣體儲能技術，憑借其儲能工質物性優良、係統性能穩定、流程設備緊湊等優勢，近年來已經成為國內外相關學者的研究熱點，具有較好的發展前景。

二氧化碳儲能技術的發展趨勢將以解決高壓儲存設備依賴、關鍵渦輪機械設備開發和“源-網-荷-儲”多場景應用為導向，結合CCUS和CO2工質化利用技術進步，逐步實現從概唸設計，到實驗驗證，再到工程示範，最後實現技術的應用推廣。因此，結合高溫熱能儲存利用的TE-CES係統、地質封存儲庫的TC-CES係統以及LCES係統將成為二氧化碳儲能技術的重要發展方向。在技術研發上，將主要集中在電動、氣動、熱動等係統復雜動態過程設計和機制研究、高參數旋轉葉輪機械動力學設計、開發以及係統集成控制等方麵。

在麵向多場景應用方麵，壹是“新能源+儲能”模式，根據可再生能源出力稟賦實現並網匹配及持續、穩定清潔電力輸出；二是大型電網輔助模式，參與電網調峰、調頻、調相、黑啟動、旋轉備用、多能聯供等場景，維護地區供電穩定，提高電網魯棒性；三是用戶側微型電站模式，對於高電耗和高排放工業用戶，建設微型CES係統，通過峰穀電價增加經濟效益；四是能源互聯網模式，充分發揮CES係統儲能、儲熱、儲冷特性，通過建立分布式能源站將化石能源、可再生能源、電能用戶、冷熱能用戶等多品位能量單元統壹管理，實現區域多能互補協同運行，促進新型能源利用體係發展。

麵對全球能源結構轉型壓力和大規模清潔物理儲能技術應用的緊迫需求，二氧化碳儲能(CES)技術是壹種具備長時間、穩定、高效儲能特性且行業吸引性高的新型清潔物理儲能技術。本文介紹了典型CES係統的工作原理和主要性能評價指標，梳理了不同形式CES係統的研究和發展現狀，探明了CES技術後期研究和應用麵臨的重點研究方向、關鍵技術和發展前景。

總體來說，目前針對二氧化碳儲能技術的研究還處於理論設計和初步實驗驗證階段。後續還需要進壹步完善二氧化碳儲能的基礎研究，強化理論論證，積累係統整體設計和試驗項目運行經驗，並進壹步明晰係統全局優化方法和動態運行機制，為二氧化碳儲能技術的工程示範和產業化推廣奠定基礎。隨著國內外學者的不斷研究與創新，二氧化碳儲能必將朝著高性能、低成本、規模化、多應用場景的方向發展，從而為未來以可再生能源為主的能源體係和多能源協同互補網絡提供重要解決方案。

作者：郝佳豪，越雲凱，張傢俊 ，楊俊玲，李曉瓊，宋衍昌， 張振濤。

單位：1. 中國科學院理化技術研究所低溫工程學重點實驗室；2. 中國科學院大學；3. 北京博睿鼎能動力科技有限公司

引用：郝佳豪,越雲凱,張傢俊等.二氧化碳儲能技術研究現狀與發展前景[J].儲能科學與技術,2022,11(10):3285-3296.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0199

本文轉載自儲能科學與技術。

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