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(yè)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(huán)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(tǒng)進行過渡,其中可再生能源將深度滲透工業(yè)生產的方方面面[1]。可再生能源具有間歇性、波動性以及不穩(wěn)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(xiàn)能源的平滑波動發(fā)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(fā)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(fā)展階段,一些主要的大規(guī)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(tǒng)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(guī)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(yè)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(guī)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(yōu)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(tǒng)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(huán)應用在液化過程中,這對LAES系統(tǒng)循環(huán)過程進一步明確,基于此項研究,液化空氣儲能系統(tǒng)的研究逐漸發(fā)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(guī)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(yōu)勢進行了分析,表明LAES系統(tǒng)可以存儲電網富余的電能和可再生能源不穩(wěn)定的電能,其儲存容量大,并且具有不受地域的限制等優(yōu)勢。鄧章等[10]對聯(lián)合LAES的有機朗肯循環(huán)進行了研究,將LAES系統(tǒng)與有機朗肯循環(huán)進行了結合,降低了其有機朗肯循環(huán)的冷凝溫度。何青等[11]對深冷LAES系統(tǒng)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(tǒng)。

總體來看,液化空氣儲能的工業(yè)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(tǒng)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(tǒng)進行模擬對該技術的發(fā)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng),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。現(xiàn)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(tài)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(tài),然后通過再循環(huán)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(jié)流閥釋放,最終儲存在液態(tài)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(tài)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(huán)境熱加熱,然后被儲存的壓縮熱過熱,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系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)專門用于LAES的空氣壓縮機。實際上CAES系統(tǒng)中使用的空氣壓縮技術與LAES系統(tǒng)中使用的空氣壓縮技術基本相同,因此,本節(jié)討論涵蓋CAES系統(tǒng)中空氣壓縮機的工作。由于壓縮時的損大、負荷波動大、環(huán)境因素和系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)的循環(huán)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(tǒng)循環(huán)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(xié)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(tǒng)中經常使用低溫液體膨脹機代替節(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(huán)液氮系統(tǒng)中低溫膨脹機的性能進行了實驗測量,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)液體渦輪的設計模型,結果顯示,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(tǒng)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(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(fā)了一種基于對數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(tǒng)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(tài)空氣過程中提升液體空氣壓力,應可承受在極冷環(huán)境下運行。低溫泵用于LAES的研究很少,這可能是其對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,當泵效率從70%提高到85%時,循環(huán)效率僅增加1.4%。整體來說,低溫泵對液化空氣儲能系統(tǒng)的影響較小。

2 LAES系統(tǒng)模型與分析指標

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

2.1 系統(tǒng)模型

2.1.1 靜態(tài)模型

2.1.2 動態(tài)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(tài)模擬和分析上,但這類假設往往偏離實際情況。動態(tài)模擬對于確保正確的設計、分析、預測系統(tǒng)性能并保證現(xiàn)實LAES系統(tǒng)的安全和平穩(wěn)運行至關重要。Guo等[23]建立了LAES的動態(tài)模型,考慮了體積效應和熱慣性來理解瞬態(tài)性能和控制方法。Sciacovelli等[24]針對LAES系統(tǒng)進行了動態(tài)建模,該模型可以模擬各部分與系統(tǒng)性能之間的關系。Cui等[25]建立了LAES釋能單元的模塊化動態(tài)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(tài)變化。

2.2 性能分析指標

2.2.1 能源分析

Guizzi等人[26]發(fā)現(xiàn),獨立的LAES可以達到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)化運行參數,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)在設計工況和非設計工況下運行時LAES在組件和系統(tǒng)兩級的分布。Hamdy等[29]對LAES進行了全面的分析,發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)通過25.7～39.4年將達到投資回收期。Wang等[32]發(fā)現(xiàn),當峰谷電價比為3.3∶1時,獨立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將外部廢熱引入獨立的LAES系統(tǒng)將縮短投資回收期,提高經濟效益。

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系統(tǒng)運作。因此,使用外部高級冷源可以提高系統(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(tǒng)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(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(tǒng)效率方面或兩者都有優(yōu)勢。

Chino等[33]提出了一種與傳統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)發(fā)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(huán)LAES系統(tǒng)。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(tài)空氣用于燃氣輪機燃燒室,其循環(huán)效率可達到70%。Lee等[37]研究了與核電站相結合的LAES系統(tǒng),研究結果表明,LAES的RTE可以達到70%,綜合系統(tǒng)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(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(fā)了LAES與地熱發(fā)電廠相結合的系統(tǒng),以地熱水作為LAES膨脹過程的外部熱源整體系統(tǒng)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(fā)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(fā)展前景。