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二氧化碳储能技术研究现状与发展前景

摘要：二氧化碳储能(CES)技术是基于压缩空气储能(CAES)和Brayton发电循环的一种新型物理储能技术，具有储能密度大、运行寿命长、系统设备紧凑等优势，具有较好的发展和应用前景。本文介绍了典型二氧化碳储能系统的工作原理和基本特征，指出了系统循环效率(RTE)、储能密度(ESD)的计算方式和评价效果；通过对近期相关国内外文献的讨论，结合二氧化碳储能技术的发展进程，重点梳理了二氧化碳电热储能(TE-CES)、跨临界二氧化碳储能(TC-CES)、超临界二氧化碳储能(SC-CES)、液态二氧化碳储能(LCES)和耦合其他能源系统的二氧化碳储能系统的研究进展，指出了不同系统的优势、不足及适应性应用场景；总结了二氧化碳储能的研究方向、关键技术和主要挑战，最后分析了二氧化碳储能技术在技术研发和面向多场景应用两个层面上的发展前景。综合分析表明，目前二氧化碳储能技术相关研究方兴未艾，且较多为理论研究，还需要进一步朝着系统优化设计、实验验证和产业化应用方向发展，二氧化碳储能技术有望在未来电力储能市场中获得较大发展空间。

随着生态环境破坏与资源约束的矛盾日益突出，大力开发可再生能源已成为解决我国能源安全和环境污染问题的主要手段。截至2021年底，我国可再生能源发电装机达到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分别达到3.28亿千瓦和3.06亿千瓦。相关机构预测，到2050年，可再生能源在我国能源体系中占比有望达到78.0%。但可再生能源特别是风电和光伏发电具有明显的波动性、周期性和不确定性等不利因素，其大规模并网不仅给电网系统带来前所未有的挑战，也造成了巨大的能量浪费。因此，开发规模化高效储能系统已经成为学界和社会的重要共识。储能系统可以周期性储存多余电量，并在用电高峰时进行释能发电，不但是实现可再生能源发电规模化接入、平滑持续电力输出、调峰调频的重要手段，而且可以提高电网输配电侧的整体效率、安全性和经济性。目前，已经实现商业应用的兆瓦级、长时间储能技术主要有抽水蓄能和压缩空气储能。其中，抽水蓄能(pumpedhydrostorage，PHS)已装机比例最大，应用较为成熟，但存在着选址困难、建设周期长、初期投资大、破坏生态环境等客观问题。压缩空气储能(compressedairenergystorage，CAES)具有规模大、灵活性强等特点，一般循环效率在40%～70%之间，被认为具有较大的发展潜力。传统CAES系统需要外加燃气补热装置，且一般借助地下洞穴、盐穴、岩层等特殊的地理环境储存，系统对储存要求较高。近年来，国内外学者先后提出了先进压缩空气储能系统(AA-CAES)、超临界压缩空气储能系统(SC-CAES)、液态空气储能系统(LAES)等第二代压缩空气储能系统，一定条件下摈弃了地理条件限制，减少了化石燃料的使用，对环境更为友好。但是，AA-CAES系统依赖高压容器或地下储气库，导致其储能密度相对较低(一般为1.5～10kWh/m3)、主要设备体型较大；SC-CAES系统和LAES系统存在超临界空气蓄冷液化过程，且空气液化温度一般为-196℃，导致系统冷?损耗较大，从而影响其整体性能的进一步提升。为了进一步提高储能系统的储能效率与能量密度，相关学者提出了以CO2为工质的二氧化碳储能(carbondioxideenergystorage，CES)系统，由于CO2临界点(7.39MPa和31.4℃)相对空气(3.77MPa和-140.5℃)容易达到，无毒、不易燃、安全等级为A1，且超临界二氧化碳(S-CO2)具有优良的热力学性质：黏度小、密度大、导热性能好，系统寄生能耗也相对较低。基于常规储能设计参数，表1展示了不同压力和对应温度下空气和CO2的密度大小，可以看出，相同状态和压力下CO2储存密度均大于空气，其中液态储存时最高，从而使得CES系统具有较高的储能潜力。

表1空气和CO2储存密度对比

本文首先介绍了CES系统的工作原理及主要特点，指出了CES系统的主要性能评价指标，然后基于CES系统的发展历程，分析了不同CES系统方案的技术特征和研究现状，总结了CES技术的关键技术、主要方向和技术挑战，最后展望了CES技术的发展前景。

1、二氧化碳储能系统概述

1.1工作原理

二氧化碳储能是在压缩空气储能和Brayton循环的基础上提出的，以CO2作为储能系统工作介质，通过多级绝热压缩、等压加热、多级绝热膨胀和等压冷却等过程实现，但由于CO2工质特殊性，系统为封闭式循环，系统设备和参数设置也和压缩空气储能有较大差异。图1展示了二氧化碳储能系统的工作原理，系统主要由高、低压储罐，压缩机，透平和蓄热蓄冷单元组成；蓄热蓄冷单元主要包括再冷器、再热器、蓄热罐和蓄冷