液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究綜述

馮瑗

(西安石油大學(xué),陜西 西安 710065)

隨著快速工業(yè)化對(duì)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(huán)境問題,人們逐步轉(zhuǎn)向?qū)稍偕茉吹难芯俊５奖臼兰o(jì)中葉,全球?qū)⑼ㄟ^各種途徑向脫碳能源系統(tǒng)進(jìn)行過渡,其中可再生能源將深度滲透工業(yè)生產(chǎn)的方方面面[1]?？稍偕茉淳哂虚g歇性、波動(dòng)性以及不穩(wěn)定性的特點(diǎn),因此儲(chǔ)存可再生能源對(duì)于應(yīng)對(duì)供需不匹配至關(guān)重要。合適的儲(chǔ)能途徑可以實(shí)現(xiàn)能源的平滑波動(dòng)發(fā)電和能源套利,減輕可再生能源的浪費(fèi)[2]。在過去的20年里,儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展都取得了極大的進(jìn)展。目前,各種各樣的儲(chǔ)能技術(shù)處于不同的發(fā)展階段,一些主要的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)如抽水蓄能(PHES)、壓縮空氣儲(chǔ)能(CHES)、液化空氣儲(chǔ)能(LAES)、氧化還原液流電池儲(chǔ)能以及與燃料電池共同配合的氫能存儲(chǔ)系統(tǒng)等都取得了相應(yīng)的進(jìn)展。在這些技術(shù)中,PHES和CAES被認(rèn)為是大規(guī)模和中長(zhǎng)期存儲(chǔ)應(yīng)用的成熟技術(shù),并且已經(jīng)以相對(duì)較低的成本進(jìn)行了商業(yè)部署[3]。當(dāng)前全球大約90%的全球能源儲(chǔ)存都來自抽水蓄能裝置。但這類技術(shù)的能量密度低,易受到地形和地質(zhì)條件的限制;氧化還原液流電池儲(chǔ)能主要用于中小規(guī)模、大功率、快速響應(yīng)及移動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景[4],但具有造價(jià)成本高的缺陷; LAES是基于PHES和CAES提出的技術(shù)替代方案,具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),如高可擴(kuò)展性、不受地理?xiàng)l件限制、成本效益高等[5]。因此,近年來越來越多的學(xué)者開始對(duì)LAES技術(shù)進(jìn)行研究。

液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)(LASE)的提出可以追溯到1977年。史密斯在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)提出了將液化空氣運(yùn)用于智能電網(wǎng)調(diào)峰[6],鑒于該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備材料要求過高,在一段時(shí)間內(nèi)沒有太大的研究進(jìn)展;之后Ameel等人[7]針對(duì)液化過程進(jìn)行了分析。Morgan等[8]提出可以將克勞德循環(huán)應(yīng)用在液化過程中,這對(duì)LAES系統(tǒng)循環(huán)過程進(jìn)一步明確,基于此項(xiàng)研究,液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究逐漸發(fā)展起來。Morgan等[8]還對(duì)LAES設(shè)計(jì)和測(cè)試進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示LAES的效率和成本符合電網(wǎng)的大規(guī)模、高間歇性的儲(chǔ)能要求,為未來低碳電力網(wǎng)絡(luò)平衡提供了有吸引力的解決方案。曹廣亮等[9]對(duì)LAES技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析,表明LAES系統(tǒng)可以存儲(chǔ)電網(wǎng)富余的電能和可再生能源不穩(wěn)定的電能,其儲(chǔ)存容量大,并且具有不受地域的限制等優(yōu)勢(shì)。鄧章等[10]對(duì)聯(lián)合LAES的有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了研究,將LAES系統(tǒng)與有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了結(jié)合,降低了其有機(jī)朗肯循環(huán)的冷凝溫度。何青等[11]對(duì)深冷LAES系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)建模和分析;Li等[12]建立了利用LNG冷能的LAES系統(tǒng)。

總體來看,液化空氣儲(chǔ)能的工業(yè)化仍處于初級(jí)階段,工藝設(shè)計(jì)還未趨于成熟。因此掌握LAES的工作原理,認(rèn)識(shí)該系統(tǒng)工作的具體工作組件以及建立相關(guān)模型對(duì)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行模擬對(duì)該技術(shù)的發(fā)展是很有必要的。文章對(duì)LAES的工作原理、工作組件和建模方法,以及系統(tǒng)集成進(jìn)行了相應(yīng)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(duì)工作原理及組件的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與整理。

1.1 LAES的工作原理

獨(dú)立的LAES通常有兩個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng),即用于儲(chǔ)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(xiàn)對(duì)其不同單元分別進(jìn)行介紹。

圖1 液化空氣儲(chǔ)能原理

1.1.1 空氣液化單元

LAES的空氣液化模塊由三個(gè)存儲(chǔ)單元組成:一個(gè)存儲(chǔ)液態(tài)空氣(主存儲(chǔ)庫),一個(gè)存儲(chǔ)壓縮熱和一個(gè)存儲(chǔ)高級(jí)冷能。LAES儲(chǔ)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(jí)壓縮機(jī),壓縮到高壓狀態(tài),然后通過再循環(huán)在換熱器(“冷箱”)中逐級(jí)冷卻。最后,液體空氣由低溫膨脹機(jī)或節(jié)流閥釋放,最終儲(chǔ)存在液態(tài)空氣儲(chǔ)罐中。同時(shí),壓縮熱被回收并儲(chǔ)存在相應(yīng)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(shí),儲(chǔ)存的液態(tài)空氣首先被泵送到更高放氣壓力下,將儲(chǔ)存的冷能在空氣液化單元中重復(fù)利用,以達(dá)到提高液氣產(chǎn)量和能源效率的目的。高壓空氣首先被環(huán)境熱加熱,然后被儲(chǔ)存的壓縮熱過熱,最后膨脹以發(fā)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(gè)系統(tǒng)的工作性能。

1.2 LAES組件

1.2.1 儲(chǔ)能過程組件

1.2.1.1 空氣壓縮機(jī)

在文獻(xiàn)中很少發(fā)現(xiàn)專門用于LAES的空氣壓縮機(jī)。實(shí)際上CAES系統(tǒng)中使用的空氣壓縮技術(shù)與LAES系統(tǒng)中使用的空氣壓縮技術(shù)基本相同,因此,本節(jié)討論涵蓋CAES系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)的工作。由于壓縮時(shí)的損大、負(fù)荷波動(dòng)大、環(huán)境因素和系統(tǒng)性能特點(diǎn),LAES的空壓機(jī)需要具有較高的等熵效率、較大的壓比、良好的級(jí)間熱回收效率和在非設(shè)計(jì)常規(guī)條件下的寬運(yùn)行范圍。常用的壓縮機(jī)有離心式、軸向式、往復(fù)式和渦旋式。Liang等[13]研究表明,如果將空壓機(jī)等熵效率從80%提高到95%,系統(tǒng)的循環(huán)效率可提高15.7%。Tafone等[14]強(qiáng)調(diào)了在非設(shè)計(jì)條件下渦輪機(jī)械等熵效率低對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的負(fù)面影響,而不適當(dāng)?shù)脑鰤簤毫赡軙?huì)放大這種影響。Zhou等[15]提出了協(xié)同分析的概念,提高了空氣壓縮機(jī)的性能。顯然,需要做更多的研究來制定空壓機(jī)的控制策略,以應(yīng)對(duì)不斷變化的可再生能源供應(yīng)和終端使用需求。

1.2.1.2 低溫膨脹機(jī)

在LAES系統(tǒng)中經(jīng)常使用低溫液體膨脹機(jī)代替節(jié)流閥,此舉可以提高液化率和循環(huán)效率。常用的低溫膨脹機(jī)有往復(fù)式、徑向流渦輪機(jī)以及混流膨脹機(jī)等。然而,關(guān)于這一領(lǐng)域的研究并不多。Wang等[16]對(duì)閉環(huán)液氮系統(tǒng)中低溫膨脹機(jī)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)其峰值等熵效率為78.8%。Li等[17]介紹了SC-CAES系統(tǒng)液體渦輪的設(shè)計(jì)模型,結(jié)果顯示,在額定條件下,最高效率為75.16%。Kaupert等[18]發(fā)現(xiàn),將膨脹機(jī)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(jī)的性能、侵蝕和振動(dòng)。

1.2.1.3 多流股換熱器

多流股換熱器是LAES系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,用于在釋能過程中回收冷能和在儲(chǔ)能過程中液化空氣。已經(jīng)有大量研究對(duì)適用于LAES的換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模。Wang等[16]開發(fā)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(shù)模型來預(yù)測(cè)其性能,其準(zhǔn)確性可與Aspen HYSYS軟件包相媲美。Peng等[20]開發(fā)了一種基于對(duì)數(shù)平均溫差模型的粒子群優(yōu)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(jìn)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(jī)

釋能階段的膨脹機(jī)與儲(chǔ)能階段的空氣壓縮機(jī)類似,同樣也對(duì)LAES系統(tǒng)的效率有重要影響。Li等[17]研究了變工況下渦輪整體內(nèi)部流動(dòng)特性。Liang等[21]研究表明,當(dāng)渦輪效率由80%提高到95%時(shí),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(tài)空氣過程中提升液體空氣壓力,應(yīng)可承受在極冷環(huán)境下運(yùn)行。低溫泵用于LAES的研究很少,這可能是其對(duì)LAES系統(tǒng)循環(huán)效率的影響較小的緣故。Guo等[22]發(fā)現(xiàn)低溫泵效率增加4%,LAES系統(tǒng)循環(huán)效率僅增加1%。Liang等[21]研究表明,當(dāng)泵效率從70%提高到85%時(shí),循環(huán)效率僅增加1.4%。整體來說,低溫泵對(duì)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響較小。

2 LAES系統(tǒng)模型與分析指標(biāo)

本章詳細(xì)介紹了LAES系統(tǒng)建模和該系統(tǒng)性能分析指標(biāo)的研究現(xiàn)狀。

2.1 系統(tǒng)模型

2.1.1 靜態(tài)模型

2.1.2 動(dòng)態(tài)模型

盡管一個(gè)完整的LAES流程涉及復(fù)雜的液化與換熱過程,但目前大多數(shù)研究都集中在靜態(tài)模擬和分析上,但這類假設(shè)往往偏離實(shí)際情況。動(dòng)態(tài)模擬對(duì)于確保正確的設(shè)計(jì)、分析、預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能并保證現(xiàn)實(shí)LAES系統(tǒng)的安全和平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。Guo等[23]建立了LAES的動(dòng)態(tài)模型,考慮了體積效應(yīng)和熱慣性來理解瞬態(tài)性能和控制方法。Sciacovelli等[24]針對(duì)LAES系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)建模,該模型可以模擬各部分與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。Cui等[25]建立了LAES釋能單元的模塊化動(dòng)態(tài)仿真模型,該模型考慮了關(guān)鍵部件的特性和熱力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

2.2 性能分析指標(biāo)

2.2.1 能源分析

Guizzi等人[26]發(fā)現(xiàn),獨(dú)立的LAES可以達(dá)到50%的循環(huán)效率。Liu等[27]開發(fā)了一種優(yōu)化方案和算法來優(yōu)化運(yùn)行參數(shù),包括充放電壓力、溫度和系統(tǒng)配置。他們發(fā)現(xiàn)最佳效率高達(dá)60%～63%。

Guizzi等[26]發(fā)現(xiàn)損失主要來自壓縮和膨脹過程。Vecchi等[28]分析了系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)LAES在組件和系統(tǒng)兩級(jí)的分布。Hamdy等[29]對(duì)LAES進(jìn)行了全面的分析,發(fā)現(xiàn)液化過程的不可逆性占比高達(dá)75%。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)分析

Xie等人[30]評(píng)估了參與英國電力服務(wù)市場(chǎng)時(shí)LAES系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)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(tǒng)通過25.7～39.4年將達(dá)到投資回收期。Wang等[32]發(fā)現(xiàn),當(dāng)峰谷電價(jià)比為3.3∶1時(shí),獨(dú)立LAES系統(tǒng)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?qū)⑼獠繌U熱引入獨(dú)立的LAES系統(tǒng)將縮短投資回收期,提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 LAES系統(tǒng)與其他系統(tǒng)集成

3.1 LAES系統(tǒng)與外部冷源集成

LAES系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)作。因此,使用外部高級(jí)冷源可以提高系統(tǒng)循環(huán)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(duì)此進(jìn)行討論。

直接利用在LAES的換熱器釋放高等級(jí)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(yùn)行。此外,LNG釋放的廢冷能取決于天然氣供應(yīng),天然氣的供應(yīng)往往是波動(dòng)的,這增加了LAES-LNG集成系統(tǒng)的運(yùn)行難度。

間接利用使用電化學(xué)儲(chǔ)能(CES)單元來捕獲和存儲(chǔ)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(chǔ)存的冷能量可用于空氣液化,從而增加了集成系統(tǒng)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(dāng)中的時(shí)間分布(高峰時(shí)間和非高峰時(shí)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(jīng)濟(jì)和系統(tǒng)效率方面或兩者都有優(yōu)勢(shì)。

Chino等[33]提出了一種與傳統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠相結(jié)合的空氣液化裝置。Briola等[34]提出了一種燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)LAES系統(tǒng)。Hanak等[35]提出將低溫儲(chǔ)氧與全氧燃煤電廠相結(jié)合,以提高整體效率和經(jīng)濟(jì)性。Colbertaldo等[36]提出并分析了將儲(chǔ)存的液態(tài)空氣用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室,其循環(huán)效率可達(dá)到70%。Lee等[37]研究了與核電站相結(jié)合的LAES系統(tǒng),研究結(jié)果表明,LAES的RTE可以達(dá)到70%,綜合系統(tǒng)的峰值功率可以達(dá)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(duì)太陽能熱源、太陽能光伏、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹拈g歇性和時(shí)變問題,開展了大量LAES與可再生能源發(fā)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(tǒng)的集成,研究發(fā)現(xiàn),集成系統(tǒng)可提供比CSP和LAES單獨(dú)提供的功率總和多30%的功率。Ji等[39]提出利用LAES儲(chǔ)存太陽能和風(fēng)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(fā)了LAES與地?zé)岚l(fā)電廠相結(jié)合的系統(tǒng),以地?zé)崴鳛長(zhǎng)AES膨脹過程的外部熱源整體系統(tǒng)效率為24.4%。

4 結(jié)論

本文對(duì)LAES進(jìn)行了全面的綜述。它與近年來發(fā)表的文獻(xiàn)有所不同,特別是在LAES工作原理、LAES關(guān)鍵組件、LAES集成應(yīng)用等方面。

作為一種新型的儲(chǔ)能技術(shù),LAES雖仍處于起步階段,但其化學(xué)污染小,相對(duì)儲(chǔ)能成本較低,經(jīng)濟(jì)效益高,在低碳能源占據(jù)主要市場(chǎng)的未來會(huì)扮演重要角色,具有很好的發(fā)展前景。