液态空气储能与液态CO₂储能技术对比

为了解决压缩空气储能储气室容积大、成本高的问题，液态空气储能和液态CO₂储能得到了国内外广泛关注及研究。针对这两大储能系统，借助ASPEN PLUS软件搭建了热力学物理模型，并借助分析对两大储能系统进行热力学和关键参数敏感性研究分析。

研究表明：液态空气储能系统损失主要发生在压缩机及蓄热蓄冷装置上，分别占比45.02%、37.61%。液态CO₂储能系统损失主要发生在低温膨胀机、压缩机及蓄冷蓄热装置上，分别占比26.99%、23.88%、30.41%。

从电-电转化效率方面：在绝热条件下，两大储能系统由于在充放电过程能量消耗大，电-电转化效率都低于55%，相比液态空气储能，液态CO₂储能效率高。从系统成熟度方面：液态空气储能已得到工程应用，而液态CO₂储能还处于研究阶段，未得到工程化应用。从投资成本方面;液态CO₂储能单位千瓦投资成本高于液态空气储能约40%。

可再生能源普遍具有间歇性和波动性的特点，导致可再生能源发电难以直接并网，对电网电能质量和安全性造成威胁，因此出现了大量的“弃风，弃光”现象，新能源的应用潜力被大大削弱，配置大规模先进储能系统是解决此问题的最有效途径之一。

压缩空气储能是目前能实现大规模储能的有效技术之一，对于压缩空气储能技术，常规压缩空气储能技术已经比较成熟，但存在对大型储气室、化石燃料依赖等问题，必须在地形条件和供气有保障的情况下才可能得到大规模应用。为减少储能介质的存储体积，提高储能密度，液态空气储能系统及液态CO₂储能系统得到了众多学者的关注及研究。

何青等研究了液化空气储能系统的热力特性，在液化过程增加液化天然气(liquefied natural gas，LNG)冷源并且结合有机朗肯循环和布雷顿循环利用蓄热装置内导热油做功，系统循环效率达到70.12%。Xu等研究了跨临界液态CO₂储能系统的热力特性，提出依靠太阳能光热提升系统能量，储能效率可达到67.2%。Liu等比较分析了以空气和CO₂作为循环介质的压缩气体储能系统和液化气体储能系统的性能，除非绝热压缩空气储能系统外，使用CO₂可以达到与使用空气相同甚至更高的往返效率。

综上可知，目前液态空气储能主要研究与外界冷源耦合或有机朗肯循环系统耦合的应用场景对储能效率等关键参数的影响，液态CO₂储能耦合工业废热热源或太阳能热源，对系统储能参数的影响。而还未发现在绝热条件下，液态空气储能与液态CO₂储能性能对比的相关研究，现以液态空气储能系统及液态CO₂储能系统为研究对象，一方面对比分析两者工艺系统及循环工质物性参数的差异，另一方面借助分析，对系统主要设备进行损失计算，同时分析系统设备的等熵效率和蓄热蓄冷装置能量利用效率两个敏感性参数对两大储能系统电-电转化效率和储能密度的影响，并对投资成本及占地大小进行对比说明。

1 工艺系统介绍

液态空气储能技术已趋于成熟并且已得到兆瓦级工程示范。具体流程见图1。

图1 液态空气储能系统

储能过程:空气采用多级压缩，级间冷却，将压缩产生的热量通过导热油介质储存在蓄热装置内，压缩后的空气为常温、高压状态，进入低温膨胀机内膨胀降温降压，将常温高压气体转为低温低压，再通过蓄冷装置内深度冷却，将空气冷却到纯液态，储存在液态储装置中。

释能过程:液态空气经过液态升压泵升压，转为低温高压状态，再通过蓄冷装置及电加热器吸收热量，将液态空气转为常温高压气态空气，常温高压气态空气吸收蓄热装置内的高品质热量，提高气体空气温度，转为高温高压气态空气送入一级膨胀机内做功发电，一级膨胀机排气再经过蓄热装置内的热量加热升温，送入二级膨胀机做功发电，二级膨胀机排气再利用蓄热装置内的热量升温，送入末级膨胀机做功发电，末级膨胀机排气直接排入大气。

液态CO₂储能技术目前还处于研究阶段，还未进行兆瓦级工程示范。具体工艺流程如图2所示。

图2 液态CO₂储能系统

储能系统:#1液态CO₂储罐经过节流阀降压膨胀及装置内热量加热转为常温气态CO₂送入一级压缩机内压缩，一级压缩机排气经过冷却送入二级压缩机内压缩，二级压缩机出口冷却后送入低温膨胀机内膨胀做功，排气经过节流阀进一步降压达到液态状态，储存于#2液态CO₂储罐内。

释能阶段:#2液态CO₂储罐内的液态CO₂经过液泵升压及吸收换热器内热量，达到常温高压状态，再利用蓄热装置内高品质热源加热升温，送入一级膨胀机内做功，一级膨胀机排气再利用蓄热罐内热量加热升温，送入二级膨胀机内做功发电，二级膨胀机排气经过散热器降温，转为液态存储于#1液态CO₂储罐内。

2 数学模型

2.1 压缩机数学模式

压缩机计算涉及的数学公式如下。

压缩机出口压力为

压缩机出口温度为

压缩机进、出口温差为

每一级压缩机消耗功率为

压缩机组总消耗电功率为

式中:Pin，i、Pout，i分别为某一级压缩机进、出口压力;Tin，i、Tout，i分别为某一级压缩机进、出口温度;πc为压缩比;n为绝热指数;cp，i为空气定压比热容;qm，i为某一级空气质量流量;Wc为某一级消耗的功;Wy为压缩机组消耗的总功。

2.2 换热器数学模式

换热器计算涉及的数学公式如下。

换热器出口温度为

冷却器换热量为

加热器换热量为

换热器总吸热量或放热量为

式中:Tin，Q，i、Tout，Q，i分别为空气侧换热器进、出口温度;Toil，in为蓄热介质油的入口温度;ε为换热器能效;cp，i为空气定压比热容;mi为空气质量;Qi为某一级空气吸热量或放热量;Qk为整个系统换热器吸热量或放热量。

2.3 透平/膨胀机数学模式

透平/膨胀机计算涉及的数学公式如下。

透平/膨胀机出口压力为

透平/膨胀机出口温度为

透平/膨胀机进、出口温差为

每一级透平/膨胀机做功为

透平/膨胀机组总做功功率为

式中:Pt，in、Pt，out分别为某一级透平/膨胀机进、出口压力;Tt，in、Tt，out分别为某一级透平/膨胀机进、出口温度;πt为膨胀比;n为绝热指数;cp，i为空气定压比热容;qm，i为某一级空气质量流量;Wt，i为某一级透平/膨胀机做功;Wt为透平/膨胀机组做的总功。

2.4 液泵数学模式

低温低压液态空气泵近似相当于给水泵，升压过程近似为等温过程，给水泵消耗功为

式(15)中:Pb，in、Pb，out分别为泵进、出口压力;V为储存的液态空气体积;ηb为泵的效率;Wb为给水泵消耗的功。

2.5 储能容量

储能容量是衡量一个储能系统至关重要的指标，系统储能容量就是压缩机组所消耗的电功率和液泵所消耗的电功率之和，即储能容量为

2.6 储能密度

储能密度也是衡量一个储能系统的重要指标，综合考虑了储能容量与储存装置储存的物质的量的关系，其意义为单位储存的物质的量所储存的电能为

2.7 系统性能评价指标

采用电-电转化效率这一性能评价指标来衡量该系统的效率。数学模型为

式(18)中:ηelec为电-电转化效率。

2.8 系统热量利用效率

系统热量利用效率指释能阶段利用储存的热量与储能阶段回收的高品质热量之比。系统热量利用效率直接系统电-电转化效率及储能密度，其数学模型为

式(19)中:Qc、Qt分别为储能阶段回收的热量和释能过程利用的热量。

2.9 㶲分析

采用㶲分析不仅可以从能的量上对热力系统进行评价，还可以从能的质上给出评价，从根本上给出影响热力系统性能的关键因素，从而更好反映热力系统性能参数。根据㶲定义，系统中每个状态点的㶲为

式(20)中:e为系统中每个状态的;h、S分别为系统中每个状态点的焓、熵;h0、S0、T0分别为参考点环境的焓、熵、温度。

热力系统内每个设备㶲损失数学模型如下。

压缩机㶲损失为

换热器㶲损失为

泵㶲损失为

膨胀机㶲损失为

式中:ec，1、ec，2分别为压缩机入口与出口的㶲值;wc为压缩机消耗的电功率;eh，1、eh，2分别为换热器入口与出口的㶲值，eh，out为换热器排出的㶲值;ep，1、ep，2分别为泵入口与出口的㶲值;wp为泵消耗的电功率;eb，1、eb，2分别为膨胀机入口与出口的㶲值;wb为膨胀机电功率。

3 物理模型及边界参数

3.1 物理模型

借助ASPEN PLUS软件对液态空气储能系统和液态CO₂储能系统进行物理建模，选取合适的物理模型对压缩机、换热器、膨胀机、节流阀及储装置等主要设备进行匹配设置，整个系统内工质流动沿着物理模型箭头方向依次流经各个设备。超临界液态空气储能系统采用开式循环，模型如图3所示。液态CO₂储能系统采用闭式循环，模型如图4所示。

图3 液态空气储能系统模型

图4 液态CO₂储能系统模型

3.2 边界参数

为了分析对比液态空气与液态CO₂储能系统关键性能参数，需对各自系统进行边界参数设置，所用的系统边界参数如表1、表2所示。系统计算过程中不考虑管道压损以及温度损失。

表1 液态空气储能边界参数

表2 液态CO₂储能边界参数

4 对比分析

4.1 物性对比

物质的临界点是指气态转液态最低参数点。临界点温度越低，气态转液态所需的能量越大，越难实现气液转化。空气的临界点为:3.7 MPa，-145℃，临界点液态密度554.1 kg/m3[16]。CO₂的临界点为:7.4 MPa，30℃，临界点液态密度647.4 kg/m3。相比空气，CO₂更易实现气液转化。

4.2 性能对比

借助ASPEN PLUS软件对液态空气储能(liquidair energy storage，LAES)系统和液态CO₂储能(liquid CO₂energy storage，LCES)系统进行模拟计算，并对主要设备的损失进行计算分析，液态空气储能系统㶲损主要发生在压缩机、蓄冷蓄热装置，分别占比45.03%、18.35%、19.26%。液态CO₂储能系统损主要发生在压缩机、低温膨胀机、蓄冷蓄热装置上，分别占比23.88%、26.99%、15.85%、14.56%。而设备等熵效率直接决定各个设备的损失，因此提高系统内主要设备的等熵效率及系统在循环过程中能量利用效率，是提升系统整体电-电效率的关键参数。液态空气储能系统各个设备参数损失如图5所示，液态CO₂储能系统各个设备参数损失如图6所示。

通过对液态空气储能系统和液态CO₂储能系统主要设备进行损失计算，得出压缩机、低温膨胀机、蓄冷蓄热装置损失较大，而压缩机、低温膨胀机、透平等熵效率直接影响设备的㶲损失，同时也影响系统电-电转化效率及储能密度。

在表1、表2其余参数不变的条件下，压缩机等熵效率从0.6～0.9变化，从而得出压缩机等熵效率与系统电-电转化效率及储能密度的关系，如图7所示。通过关系曲线图可以看出:液态CO₂储能系统电-电转化效率高于液态空气储能系统，而储能密度小于液态空气。主要由于空气气体转液态的临界点比CO₂临界点低，储能阶段气态转液态所需的能量越大，释能过程液态转气态所需的热量同样较多，导致系统电-电转化效率低于液态CO₂储能系统。

随着压缩机等熵效率逐渐提高，系统电-电转化效率越大，储能密度越大。压缩机等熵效率从0.6提高到0.9，液态空气储能系统电-电转化效率提高7.8%，储能密度提高10.2 W·h/kg，液态CO₂储能系统电-电转化效率提高6.5%，储能密度提高4.8W·h/kg，表明压缩机等熵效率对液态空气储能系统效率影响程度大于液态CO₂。

图5 液态空气储能系统各设备㶲损失占比

图6 液态CO₂储能系统各设备㶲损失占比

在表1、表2其余参数不变的条件下，低温膨胀机等熵效率从0.6～0.9变化，从而得出低温膨胀机等熵效率与系统电-电转化效率及储能密度的关系，如图8所示。通过关系曲线图可以看出:在低温膨胀机等熵效率一定时，液态CO₂储能系统电-电转化效率高于液态空气储能系统，而储能密度小于液态空气。

随着低温膨胀机等熵效率逐渐提高，系统电-电转化效率越大，储能密度越大。低温膨胀机等熵效率从0.6提高到0.9，液态空气储能系统电-电转化效率提高2.1%，储能密度提高3.2 W·h/kg，液态CO₂储能系统电-电转化效率提高8.6%，储能密度提高5.8 W·h/kg。表明低温膨胀机等熵效率对液态CO₂储能系统效率影响程度大于液态空气。

在表1、表2其余参数不变的条件下，系统能量利用效率，即蓄冷蓄热装置能量利用效率从0.4～0.9变化，从而得出系统能量利用效率与系统电-电转化效率的关系及与储能密度的关系，如图9所示。

图7 压缩机等熵效率与系统电-电转化效率、储能密度的关系

图8 膨胀机等熵效率与系统电-电转化效率、储能密度的关系

图9 系统能量利用效率与系统电-电转化效率、储能密度的关系

通过关系曲线图可以看出:液态CO₂储能系统电-电转化效率同样高于液态空气储能系统，而储能密度小于液态空气，随着能量利用效率逐渐提高，系统电-电转化效率越大，储能密度越大。能量利用效率从0.4提高到0.9，液态空气储能系统电-电转化效率提高16.2%，储能密度提高24.5 W·h/kg，液态CO₂储能系统电-电转化效率提高15.1%，储能密度提高25.5 W·h/kg。表明能量利用效率对液态空气储能效率和液态CO₂储能系统效率影响较大，提高系统能量利用效率可以大幅度提升储能效率。

4.3 经济性对比

通过计算20 MW/100 MW·h两大储能系统关键参数发现:液态空气储能系统与液态CO₂储能系统占地面积相当。在系统投资方面，由于液态CO₂储能系统主要设备(压缩机、透平等)造价高，经过估算单位千瓦投资成本达到1万～1.2万元，明显高于液态空气储能系统单位千瓦投资成本0.6万～0.8万元。如表3所示。

表3 LAES和LCES系统主要经济参数对比

5 结论

围绕液态空气储能系统和液态CO₂储能系统进行对比研究，通过建立数学及物理模型，一方面对比分析两者工艺系统及循环工质物性参数的差异，另一方面借助分析，对系统主要设备进行损失计算，同时分析了系统设备的等熵效率和能量利用效率两个敏感性参数对两大储能系统电-电转化效率和储能密度的影响，并对投资成本及占地大小进行对比说明。具体结论如下。

(1)液态空气储能系统循环工质为空气，空气的临界点为:3.7 MPa，-145℃，临界点温度低，气液转化所需的能消耗的能量大，很难实现气液转化。而液态CO₂储能系统循环工质为CO₂，CO₂的临界点为:7.4 MPa，30℃，相比空气，CO₂易实现气液转化。

(2)液态空气储能系统损失主要发生在压缩机及蓄热蓄冷装置上，分别占比45.02%、37.61%。液态CO₂储能系统损失主要发生在低温膨胀机、压缩机及蓄热蓄冷装置上，占比26.99%、23.88%、30.41%。

(3)系统主要设备等熵效率越高，电-电转化效率越高，储能密度越大。系统能量利用效率，即蓄热蓄冷装置能量利用率越高，系统电-电转化效率越高，储能密度越大。相比设备等熵效率，系统能量利用率对电-电转化效率及储能密度影响大。

(4)从电-电转化效率方面，在绝热条件下，两大储能系统由于在储能释能过程消耗能量较大，电-电转化效率都低于55%，相比液态空气储能系统，液态CO₂储能系统效率高。从系统成熟度方面，液态空气储能已得到工程应用，而液态CO₂储能系统所用主要设备还在研究阶段，未得到工程化应用。从投资成本方面;液态CO₂储能系统单位千瓦投资成本高于液态空气储能系统约40%。