液化空氣儲能技術研究綜述

馮瑗

(西安石油大學,陜西 西安 710065)

隨著快速工業化對能源的需求不斷增加,使用化石燃料作為主要能源也引起了一系列環境問題,人們逐步轉向對可再生能源的研究。到本世紀中葉,全球將通過各種途徑向脫碳能源系統進行過渡,其中可再生能源將深度滲透工業生產的方方面面[1]?？稍偕茉淳哂虚g歇性、波動性以及不穩定性的特點,因此儲存可再生能源對于應對供需不匹配至關重要。合適的儲能途徑可以實現能源的平滑波動發電和能源套利,減輕可再生能源的浪費[2]。在過去的20年里,儲能技術的研究和發展都取得了極大的進展。目前,各種各樣的儲能技術處于不同的發展階段,一些主要的大規模儲能技術如抽水蓄能(PHES)、壓縮空氣儲能(CHES)、液化空氣儲能(LAES)、氧化還原液流電池儲能以及與燃料電池共同配合的氫能存儲系統等都取得了相應的進展。在這些技術中,PHES和CAES被認為是大規模和中長期存儲應用的成熟技術,并且已經以相對較低的成本進行了商業部署[3]。當前全球大約90%的全球能源儲存都來自抽水蓄能裝置。但這類技術的能量密度低,易受到地形和地質條件的限制;氧化還原液流電池儲能主要用于中小規模、大功率、快速響應及移動的應用場景[4],但具有造價成本高的缺陷; LAES是基于PHES和CAES提出的技術替代方案,具有幾個關鍵優勢,如高可擴展性、不受地理條件限制、成本效益高等[5]。因此,近年來越來越多的學者開始對LAES技術進行研究。

液化空氣儲能技術(LASE)的提出可以追溯到1977年。史密斯在紐卡斯爾大學提出了將液化空氣運用于智能電網調峰[6],鑒于該系統對設備材料要求過高,在一段時間內沒有太大的研究進展;之后Ameel等人[7]針對液化過程進行了分析。Morgan等[8]提出可以將克勞德循環應用在液化過程中,這對LAES系統循環過程進一步明確,基于此項研究,液化空氣儲能系統的研究逐漸發展起來。Morgan等[8]還對LAES設計和測試進行了分析,結果顯示LAES的效率和成本符合電網的大規模、高間歇性的儲能要求,為未來低碳電力網絡平衡提供了有吸引力的解決方案。曹廣亮等[9]對LAES技術的優勢進行了分析,表明LAES系統可以存儲電網富余的電能和可再生能源不穩定的電能,其儲存容量大,并且具有不受地域的限制等優勢。鄧章等[10]對聯合LAES的有機朗肯循環進行了研究,將LAES系統與有機朗肯循環進行了結合,降低了其有機朗肯循環的冷凝溫度。何青等[11]對深冷LAES系統進行了熱力學建模和分析;Li等[12]建立了利用LNG冷能的LAES系統。

總體來看,液化空氣儲能的工業化仍處于初級階段,工藝設計還未趨于成熟。因此掌握LAES的工作原理,認識該系統工作的具體工作組件以及建立相關模型對液化空氣儲能系統進行模擬對該技術的發展是很有必要的。文章對LAES的工作原理、工作組件和建模方法,以及系統集成進行了相應介紹。

1 工作原理與工作組件

本章涵蓋LAES的工作原理和具體組件的研究,對工作原理及組件的研究現狀進行了總結與整理。

1.1 LAES的工作原理

獨立的LAES通常有兩個關鍵子系統,即用于儲能的空氣液化單元(LFU)和用于釋能的功率回收單元(PRU),如圖1所示?，F對其不同單元分別進行介紹。

圖1 液化空氣儲能原理

1.1.1 空氣液化單元

LAES的空氣液化模塊由三個存儲單元組成:一個存儲液態空氣(主存儲庫),一個存儲壓縮熱和一個存儲高級冷能。LAES儲能過程LFU利用非峰值(低成本)電力或可再生能源將凈化后的空氣通過多級壓縮機,壓縮到高壓狀態,然后通過再循環在換熱器(“冷箱”)中逐級冷卻。最后,液體空氣由低溫膨脹機或節流閥釋放,最終儲存在液態空氣儲罐中。同時,壓縮熱被回收并儲存在相應的熱罐中。

1.1.2 功率回收單元

LAES的功率回收單元(PRU)工作時,儲存的液態空氣首先被泵送到更高放氣壓力下,將儲存的冷能在空氣液化單元中重復利用,以達到提高液氣產量和能源效率的目的。高壓空氣首先被環境熱加熱,然后被儲存的壓縮熱過熱,最后膨脹以發電釋放能量。顯然,高效的液化和降壓過程可以顯著提高整個系統的工作性能。

1.2 LAES組件

1.2.1 儲能過程組件

1.2.1.1 空氣壓縮機

在文獻中很少發現專門用于LAES的空氣壓縮機。實際上CAES系統中使用的空氣壓縮技術與LAES系統中使用的空氣壓縮技術基本相同,因此,本節討論涵蓋CAES系統中空氣壓縮機的工作。由于壓縮時的損大、負荷波動大、環境因素和系統性能特點,LAES的空壓機需要具有較高的等熵效率、較大的壓比、良好的級間熱回收效率和在非設計常規條件下的寬運行范圍。常用的壓縮機有離心式、軸向式、往復式和渦旋式。Liang等[13]研究表明,如果將空壓機等熵效率從80%提高到95%,系統的循環效率可提高15.7%。Tafone等[14]強調了在非設計條件下渦輪機械等熵效率低對系統循環效率的負面影響,而不適當的增壓壓力可能會放大這種影響。Zhou等[15]提出了協同分析的概念,提高了空氣壓縮機的性能。顯然,需要做更多的研究來制定空壓機的控制策略,以應對不斷變化的可再生能源供應和終端使用需求。

1.2.1.2 低溫膨脹機

在LAES系統中經常使用低溫液體膨脹機代替節流閥,此舉可以提高液化率和循環效率。常用的低溫膨脹機有往復式、徑向流渦輪機以及混流膨脹機等。然而,關于這一領域的研究并不多。Wang等[16]對閉環液氮系統中低溫膨脹機的性能進行了實驗測量,發現其峰值等熵效率為78.8%。Li等[17]介紹了SC-CAES系統液體渦輪的設計模型,結果顯示,在額定條件下,最高效率為75.16%。Kaupert等[18]發現,將膨脹機的類型從徑向流入離心式改為軸向沖擊式,可以改善液體膨脹機的性能、侵蝕和振動。

1.2.1.3 多流股換熱器

多流股換熱器是LAES系統的關鍵部件,用于在釋能過程中回收冷能和在儲能過程中液化空氣。已經有大量研究對適用于LAES的換熱器進行實驗建模。Wang等[16]開發了一種低溫傳熱模型和模擬工具。Skaugen等[19]提出了換熱器分布式參數模型來預測其性能,其準確性可與Aspen HYSYS軟件包相媲美。Peng等[20]開發了一種基于對數平均溫差模型的粒子群優化算法,用于確定換熱器尺寸,旨在最大限度地減輕自重、降低年成本和解決進口流量分布不均的問題。

1.2.2 釋能過程組件

1.2.2.1 膨脹機

釋能階段的膨脹機與儲能階段的空氣壓縮機類似,同樣也對LAES系統的效率有重要影響。Li等[17]研究了變工況下渦輪整體內部流動特性。Liang等[21]研究表明,當渦輪效率由80%提高到95%時,LAES的RTE可顯著提高19.7%。

1.2.2.2 低溫泵

低溫泵用于在釋放液態空氣過程中提升液體空氣壓力,應可承受在極冷環境下運行。低溫泵用于LAES的研究很少,這可能是其對LAES系統循環效率的影響較小的緣故。Guo等[22]發現低溫泵效率增加4%,LAES系統循環效率僅增加1%。Liang等[21]研究表明,當泵效率從70%提高到85%時,循環效率僅增加1.4%。整體來說,低溫泵對液化空氣儲能系統的影響較小。

2 LAES系統模型與分析指標

本章詳細介紹了LAES系統建模和該系統性能分析指標的研究現狀。

2.1 系統模型

2.1.1 靜態模型

2.1.2 動態模型

盡管一個完整的LAES流程涉及復雜的液化與換熱過程,但目前大多數研究都集中在靜態模擬和分析上,但這類假設往往偏離實際情況。動態模擬對于確保正確的設計、分析、預測系統性能并保證現實LAES系統的安全和平穩運行至關重要。Guo等[23]建立了LAES的動態模型,考慮了體積效應和熱慣性來理解瞬態性能和控制方法。Sciacovelli等[24]針對LAES系統進行了動態建模,該模型可以模擬各部分與系統性能之間的關系。Cui等[25]建立了LAES釋能單元的模塊化動態仿真模型,該模型考慮了關鍵部件的特性和熱力學參數的動態變化。

2.2 性能分析指標

2.2.1 能源分析

Guizzi等人[26]發現,獨立的LAES可以達到50%的循環效率。Liu等[27]開發了一種優化方案和算法來優化運行參數,包括充放電壓力、溫度和系統配置。他們發現最佳效率高達60%～63%。

Guizzi等[26]發現損失主要來自壓縮和膨脹過程。Vecchi等[28]分析了系統在設計工況和非設計工況下運行時LAES在組件和系統兩級的分布。Hamdy等[29]對LAES進行了全面的分析,發現液化過程的不可逆性占比高達75%。

2.2.3 經濟分析

Xie等人[30]評估了參與英國電力服務市場時LAES系統的經濟效益。結果表明,采用高品位廢熱(150 ℃)的大型LAES是有利可圖的。Lin等人[31]模擬出在不引入外部廢熱的情況下, LAES系統通過25.7～39.4年將達到投資回收期。Wang等[32]發現,當峰谷電價比為3.3∶1時,獨立LAES系統的投資回收期在9.6～31.7年。

顯然,將壓縮熱的利用率最大化或將外部廢熱引入獨立的LAES系統將縮短投資回收期,提高經濟效益。

3 LAES系統與其他系統集成

3.1 LAES系統與外部冷源集成

LAES系統在充電過程中需要冷能來液化空氣,但在放電過程中回收的冷能往往不足以支撐整個系統運作。因此,使用外部高級冷源可以提高系統循環效率。液化天然氣(LNG)的再氣化是最常見的例子,LAES-LNG一體化可分為直接利用、通過冷庫間接利用和混合利用三大類,下面將對此進行討論。

直接利用在LAES的換熱器釋放高等級冷能用于冷卻液化空氣。但直接利用缺乏靈活性,需要液化天然氣再氣化和空氣液化的同步運行。此外,LNG釋放的廢冷能取決于天然氣供應,天然氣的供應往往是波動的,這增加了LAES-LNG集成系統的運行難度。

間接利用使用電化學儲能(CES)單元來捕獲和存儲LNG再氣化釋放的冷能量。在LAES充電期間,液化天然氣再氣化所儲存的冷能量可用于空氣液化,從而增加了集成系統的靈活性。

混合利用是直接利用和間接利用的混合。LNG的冷能可以直接在LAES的換熱器中回收,也可以通過CES單元回收,具體取決于一天當中的時間分布(高峰時間和非高峰時間)。

3.2 LAES與外部熱源集成

雖然壓縮熱在某些情況下可能無法有效利用,但使用外部熱源從經濟和系統效率方面或兩者都有優勢。

Chino等[33]提出了一種與傳統聯合循環發電廠相結合的空氣液化裝置。Briola等[34]提出了一種燃氣輪機循環LAES系統。Hanak等[35]提出將低溫儲氧與全氧燃煤電廠相結合,以提高整體效率和經濟性。Colbertaldo等[36]提出并分析了將儲存的液態空氣用于燃氣輪機燃燒室,其循環效率可達到70%。Lee等[37]研究了與核電站相結合的LAES系統,研究結果表明,LAES的RTE可以達到70%,綜合系統的峰值功率可以達到額定核電站的2.7倍。

3.3 LAES與可再生能源集成

近年來,針對太陽能熱源、太陽能光伏、風能、地熱能等可再生能源的間歇性和時變問題,開展了大量LAES與可再生能源發電直接集成的研究。

Li等[38]提出了LAES與基于拋物線槽的聚光太陽能(CSP)系統的集成,研究發現,集成系統可提供比CSP和LAES單獨提供的功率總和多30%的功率。Ji等[39]提出利用LAES儲存太陽能和風能,并通過建模表明,RTE和效率分別約為45.7%和44.2%。Cetin等[40]開發了LAES與地熱發電廠相結合的系統,以地熱水作為LAES膨脹過程的外部熱源整體系統效率為24.4%。

4 結論

本文對LAES進行了全面的綜述。它與近年來發表的文獻有所不同,特別是在LAES工作原理、LAES關鍵組件、LAES集成應用等方面。

作為一種新型的儲能技術,LAES雖仍處于起步階段,但其化學污染小,相對儲能成本較低,經濟效益高,在低碳能源占據主要市場的未來會扮演重要角色,具有很好的發展前景。