液化空氣儲能技術的優勢分析及發展現狀

曹廣亮，陳　曦

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海　200093）

液化空氣儲能技術的優勢分析及發展現狀

曹廣亮，陳曦

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海200093）

可再生能源的應用是當今世界發展的必然趨勢，利用液化空氣儲能技術可對可再生能源進行儲存。液化空氣儲能技術不僅能應用于可再生能源的存儲，還可以用于解決電網的峰谷差問題。文章對液化空氣儲能技術的發展現狀做了較詳細的論述，分析了液化空氣儲能技術的各項參數，并與其他儲能技術做了比較，有利于工程技術人員更直觀的了解液化空氣儲能技術。

儲能技術；液化空氣；可再生能源；發展現狀

0　引言

當今人們的生活環境受到了嚴重的污染如溫室效應、臭氧層消耗和酸雨等，而這一切的根源是化石燃料的燃燒。為了減輕由化石燃料燃燒造成的環境污染問題，就需要一個新的、安全的、可持續的和環保的能源供應體系，即可再生能源供應體系[1-2]。目前，可再生能源占全球電力容量的5%和全球發電的3.4%，這里不包括水利發電（約占全球發電15%）[1，3]。英國政府已設置了目標將可再生能源生產電力從目前的4.6%增長到2020年的20%[4]，到2050年將達到80%[5-6]。歐盟最近提出一個更高的目標，到2020年可再生能源的使用要達到30%～40%的增長[1，7]。在不久的將來，可再生能源如風能、太陽能、海洋能、生物質和地熱資源等[1，4，8-9]發的電量將占整個發電容量的大部分。

雖然使用可再生能源是解決環境污染問題的有效方法，但是對可再生能源的利用還存在著一些問題。可再生能源尤其是風能和太陽能是間歇性的能源，產生的能量不是持續性能量，不符合人們對能量的實際需求，同時有些可再生能源如海洋能、風能等還會受到地理環境的限制，因此就需要一個合適的能量儲存系統對這些可再生能源產生的能量進行儲存[10]。

目前可再生能源儲存的方法有很多，大多數儲能技術對這些間歇性可再生能源的存儲非常困難，而且存在地理環境條件的限制。但是，液化空氣儲能（LAES）不但可以對間歇性可再生能源進行有效地儲存，而且不受地理環境的限制，便于管理和運輸[11]。下面對液化空氣儲能技術進行詳細的概述。

1　液化空氣儲能技術

一般來說，液化空氣儲能系統（LAES）包括3個過程：液化過程、能量存儲過程、電力恢復過程，如圖1所示。

（1）液化過程。電網夜間富余的電能驅動液化空氣裝置，使環境中的空氣先潔凈再壓縮，然后通入到換熱器中與氣液分離器返回的冷空氣和蓄冷裝置中的冷空氣進行換熱冷卻。被冷卻的冷空氣依次通過膨脹機和節流閥，降溫降壓，一部分被冷凝為液體，一部分仍為氣體，最后在氣液分離器中被分離。從氣液分離器上端口出來的冷空氣返回到換熱器中冷卻被壓縮機壓縮后的空氣[12-15]。

（2）能量存儲過程。經氣液分離器分離后的液態空氣從氣液分離器下端口流到液化空氣儲罐中儲存，液化過程中消耗的大部分電能被轉化成了液態空氣的冷能[12-14]。

（3）電力恢復過程。低溫儲罐中液態空氣被引出，經低溫泵加壓后送入氣化換熱器中吸熱氣化。被氣化的空氣再通入熱交換器中，被進一步加熱升溫、升壓。從熱交換器中出來的高壓氣體通到透平中做功，透平與發電機相連，帶動發電機旋轉發電[12-14]。從透平里出來的高溫空氣依次經過熱交換器和氣化換熱器被冷卻，然后流到蓄冷裝置中與換熱器里被壓縮機壓縮后的空氣換熱。因為液態空氣的沸點比較低，所以在電力恢復過程中供應給熱交換器里低溫空氣的熱量可以是來自于液化過程中的廢熱或外部環境的熱量[13-16]。

圖1　LAES原理圖

液化空氣儲能的介質是隨處易得的空氣，儲能的整個過程不需要化石燃料作為補充，為完全“綠色”。當空氣的溫度通過使用液化設備冷卻到大約-196℃時變成液體，一般700 L的環境空氣可變為大約1 L的液態空氣[14，17]。液態空氣作為儲能介質具有較高的儲能密度，每單位體積的有效能可達660 MJ[4]。

液化空氣儲能循環實質上是由林德循環（液化過程）與朗肯循環（電力恢復過程）組合而成[4]，但是液化過程不同于經典的林德循環，因為從膨脹機中出來的冷空氣被用來冷卻膨脹機進口處的空氣。朗肯循環中損失的一些有效能也被用于冷卻膨脹機進口處的空氣。因此，林德循環中輸入的有效能分別來自于朗肯循環和壓縮機。由于外部環境的影響，液化空氣儲能系統在存儲過程中還會有一些能量損失，真實做功將會受到真實循環效率的限制變得較低。除去內部循環的一些不可逆損失，林德循環出口處的有效能以液體空氣的形式存在。在朗肯循環中，透平的輸出功不僅來自液化過程輸入的能量，還來自外部環境輸入循環的熱量，然而在這一過程中還伴有效能的損失，但是有效能的損失要比輸入熱交換器中的有效能大，因此要充分利用輸入熱交換器中的有效能，提高循環的效率。朗肯循環中有效能的損失由透平進口處的壓力決定，較高的壓力將導致較小的有效能損失。在壓力較高、相關的飽和溫度也較高的條件下，有效能損失會比較低。由液化空氣儲能循環可知，即使是絕熱膨脹，液化過程所需要的功也要比液態空氣膨脹所做的功要高，這就需要結合液化過程和膨脹過程，在兩過程之間使用熱力恢復來提高整體效率。

2　液化空氣儲能技術的發展

液化空氣儲能技術的發展可以追溯到1977年，史密斯提出了使用絕熱壓縮和膨脹的裝置，并報告了72%的能量回收效率。但要達到這一效率，則需要一個可承受-200～800℃之間的溫度、壓力高達10 000 Pa的蓄能裝置[6，15，18]。Ameel等[4]結合朗肯循環與林德循環對液化過程進行了分析，并報告了液化過程的效率為43%[6，15]。這里提出的循環與以前的研究有兩個方面不同，首先為了克服制造大壓力容器的困難，蓄能裝置需要在低壓下操作。其次，液化器采用克勞德循環，其中冷卻過程包括在一個或多個膨脹機里進行等熵膨脹過程以及在節流閥里進行的等焓膨脹過程[4]。克勞德循環是最常用的大規模液化空氣的方法，比林德循環更有效[15，19]。

日本近年也積極開展液化空氣儲能技術的研究，如三菱公司和日立公司等，但由于其系統效率太低，并沒有太大的實用價值[12]。

2007年起，工程熱物理所和英國高瞻公司、英國利茲大學等單位共同開發了液態空氣儲能系統。目前，采用該技術的英國Highview Power Storage公司的第一臺液化空氣儲能樣機（額定功率500 kW，存儲容量約2 MWh）已在英國倫敦地區示范運行。自2011年以來，Highview公司的LAES技術已經被蘇格蘭南方能源公司（SSE）應用于其80 MW生物質熱電聯廠的350 kW/2.5 MWh液化空氣儲能系統中[20]。在2012年末Highview Power Storage公司在蘇格蘭建造了一個3 500 kW的商用系統，并在2014年初建成了8 000～10 000 kW的儲能發電站。2014年2月，在英國能源與氣候變化部（DECC）的800萬英鎊的資助下，Viridor公司選擇Highview公司設計并建立了一個5 MW/15 MWh商用示范的液化空氣儲能示范工廠[20-21]。該液化空氣儲能工廠建造在Viridor公司的垃圾填埋燃氣發電廠里。在2015年春，英國Highview Power Storage公司首次以商業規模的形式來示范LAES技術的應用，LAES設施將由GE公司的渦輪發電機提供動力[20]。

3　液化空氣儲能系統技術經濟性分析

液化空氣儲能技術的經濟性分析是對儲能技術的技術成熟度、循環效率、能量密度等技術指標和成本等經濟指標的綜合評價，下面對這些影響指標進行分析。

由表1所列，液化空氣儲能技術的存儲容量可達到10～200 MW，相當于大型壓縮空氣儲能容量的一半。可液化空氣儲能技術的比能為214 Wh/kg，相當于大型壓縮空氣儲能技術的四倍。液化空氣儲能技術儲能的持續時間可達12 h以上，使用壽命為25年，相對較高。液化空氣儲能的效率為55%～90%，其效率值與整個系統能量能否充分利用息息相關。為了提高液化空氣儲能系統的效率，就需要選擇合適的液化空氣儲能裝置，盡量減少裝置運轉過程中不必要的能量損失。對于液化過程中產生的廢熱可以用于電力恢復過程中加熱液態空氣，使能量得到充分利用，提高了整個循環的效率。對于液化過程用于加熱液態空氣的熱量也可以是環境中的熱量和工業中產生的廢熱。同理，還可以將液態空氣氣化產生的冷量應用于儲能過程中對氣態的空氣進行預冷，同樣也可以提高液化空氣儲能系統的效率。液化空氣儲能系統現已在英國得到廣泛地應用，是一個相對成熟的儲能技術。

表1　液化空氣儲能技術與其他儲能技術的比較[12，22-26]

如表2所示在相同條件下，液化空氣儲能、壓縮空氣儲能和抽水儲能三種儲能技術的比較中，液化空氣儲能技術的儲能密度是最大的。因此，在需要相同的儲存容量的儲能系統中，液化空氣儲能系統所需的儲存容器是三者之中相對較小的，同時液化空氣儲能系統受地理環境條件限制的影響小，應用地域非常廣。由表2還可得到對于壓縮空氣儲能系統，其儲能密度隨著存儲壓力的增加而增加，成近線性關系。

表2　液化空氣儲能密度與其他儲能密度的比較[1，12]

成本是技術經濟性的最重要指標之一，儲能系統的成本主要包括初期投資成本和運行維護成本。表3列出了以每千瓦為單位的各種儲能技術的成本，鈉硫電池的儲能成本為600～2 800$/kW，是一個相對昂貴的技術；抽水儲能的成本為600～2 000$/kW，單位成本較低；液化空氣儲能成本為400～800$/kW，其成本相當于鈉硫電池成本的三分之一和抽水蓄能成本的一半；液化空氣儲能單位成本同大型壓縮空氣儲能相當，卻是小型壓縮空氣儲能的一半，隨著技術的成熟和設備的簡化，還將有一定的下降空間。

根據勒克斯研究，如圖2所示，到2017年全球電網的潛在儲能預計將達到1 135億美元，容量為185 GWh（52 GW）[14]。作為新的、大規模的、持續時間長的、儲能成本較低的能量存儲系統，液化空氣儲能系統可部署在所需地方，以滿足廣泛的市場和應用的需求。

表3　液化空氣儲能成本與其他儲能成本的比較[12，25]

圖2　市場對儲能技術的需求[14]

4　總結

液化空氣儲能系統可以存儲間歇性可再生能源和夜間電網中過剩的電能，其存儲容量比較大，可達200 MW，但儲存裝置則相對較小，并且受地域限制因素影響較小，因此非常適合大部分地區推廣使用。作為一種新型的儲能技術，液化空氣儲能技術有很長的發展歷史，其技術水平較成熟，并且液化空氣儲能系統無污染、對環境很好，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將來會扮演重要角色，具有很好的發展前景。

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ADVANTAGESAND DEVELOPMENT STATUSOF LIQUID AIR ENERGY STORAGE TECHNOLOGY

CAO Guang-liang，CHEN Xi
（Schoolof Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Sciencesand Technology，Shanghai 200093）

Renewable energy application is an inevitable trend of world development.Renewable energy can be stored by liquefied air energy storage technology.Liquefied air energy storage technology can be applied notonly to store renewable energy butalso to solve the problem of peak-valley difference in grid.In this paper，the development status of liquid airenergy storage technology is introduced in detail.The various parametersof liquefied airenergy storage technology are analyzed and compared w ith other energy storage technologies.It is convenient for Engineering and technical personnel to understand liquid airenergy storage technology intuitively.

energy storage technology；liquid air；renewable energy；developmentstatus

TB657.8

A

1006-7086（2016）01-0001-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.003

2015-10-27

曹廣亮（1991-），男，河南信陽人，碩士，從事低溫系統及低溫制冷機的研究。E-mail：1550367053@qq.com。