液化空气储能技术研究综述

冯瑗

(西安石油大学,陕西 西安 710065)

随着快速工业化对能源的需求不断增加,使用化石燃料作为主要能源也引起了一系列环境问题,人们逐步转向对可再生能源的研究。到本世纪中叶,全球将通过各种途径向脱碳能源系统进行过渡,其中可再生能源将深度渗透工业生产的方方面面[1]。可再生能源具有间歇性、波动性以及不稳定性的特点,因此储存可再生能源对于应对供需不匹配至关重要。合适的储能途径可以实现能源的平滑波动发电和能源套利,减轻可再生能源的浪费[2]。在过去的20年里,储能技术的研究和发展都取得了极大的进展。目前,各种各样的储能技术处于不同的发展阶段,一些主要的大规模储能技术如抽水蓄能(PHES)、压缩空气储能(CHES)、液化空气储能(LAES)、氧化还原液流电池储能以及与燃料电池共同配合的氢能存储系统等都取得了相应的进展。在这些技术中,PHES和CAES被认为是大规模和中长期存储应用的成熟技术,并且已经以相对较低的成本进行了商业部署[3]。当前全球大约90%的全球能源储存都来自抽水蓄能装置。但这类技术的能量密度低,易受到地形和地质条件的限制;氧化还原液流电池储能主要用于中小规模、大功率、快速响应及移动的应用场景[4],但具有造价成本高的缺陷; LAES是基于PHES和CAES提出的技术替代方案,具有几个关键优势,如高可扩展性、不受地理条件限制、成本效益高等[5]。因此,近年来越来越多的学者开始对LAES技术进行研究。

液化空气储能技术(LASE)的提出可以追溯到1977年。史密斯在纽卡斯尔大学提出了将液化空气运用于智能电网调峰[6],鉴于该系统对设备材料要求过高,在一段时间内没有太大的研究进展;之后Ameel等人[7]针对液化过程进行了分析。Morgan等[8]提出可以将克劳德循环应用在液化过程中,这对LAES系统循环过程进一步明确,基于此项研究,液化空气储能系统的研究逐渐发展起来。Morgan等[8]还对LAES设计和测试进行了分析,结果显示LAES的效率和成本符合电网的大规模、高间歇性的储能要求,为未来低碳电力网络平衡提供了有吸引力的解决方案。曹广亮等[9]对LAES技术的优势进行了分析,表明LAES系统可以存储电网富余的电能和可再生能源不稳定的电能,其储存容量大,并且具有不受地域的限制等优势。邓章等[10]对联合LAES的有机朗肯循环进行了研究,将LAES系统与有机朗肯循环进行了结合,降低了其有机朗肯循环的冷凝温度。何青等[11]对深冷LAES系统进行了热力学建模和分析;Li等[12]建立了利用LNG冷能的LAES系统。

总体来看,液化空气储能的工业化仍处于初级阶段,工艺设计还未趋于成熟。因此掌握LAES的工作原理,认识该系统工作的具体工作组件以及建立相关模型对液化空气储能系统进行模拟对该技术的发展是很有必要的。文章对LAES的工作原理、工作组件和建模方法,以及系统集成进行了相应介绍。

1 工作原理与工作组件

本章涵盖LAES的工作原理和具体组件的研究,对工作原理及组件的研究现状进行了总结与整理。

1.1 LAES的工作原理

独立的LAES通常有两个关键子系统,即用于储能的空气液化单元(LFU)和用于释能的功率回收单元(PRU),如图1所示。现对其不同单元分别进行介绍。

图1 液化空气储能原理

1.1.1 空气液化单元

LAES的空气液化模块由三个存储单元组成:一个存储液态空气(主存储库),一个存储压缩热和一个存储高级冷能。LAES储能过程LFU利用非峰值(低成本)电力或可再生能源将净化后的空气通过多级压缩机,压缩到高压状态,然后通过再循环在换热器(“冷箱”)中逐级冷却。最后,液体空气由低温膨胀机或节流阀释放,最终储存在液态空气储罐中。同时,压缩热被回收并储存在相应的热罐中。

1.1.2 功率回收单元

LAES的功率回收单元(PRU)工作时,储存的液态空气首先被泵送到更高放气压力下,将储存的冷能在空气液化单元中重复利用,以达到提高液气产量和能源效率的目的。高压空气首先被环境热加热,然后被储存的压缩热过热,最后膨胀以发电释放能量。显然,高效的液化和降压过程可以显著提高整个系统的工作性能。

1.2 LAES组件

1.2.1 储能过程组件

1.2.1.1 空气压缩机

在文献中很少发现专门用于LAES的空气压缩机。实际上CAES系统中使用的空气压缩技术与LAES系统中使用的空气压缩技术基本相同,因此,本节讨论涵盖CAES系统中空气压缩机的工作。由于压缩时的损大、负荷波动大、环境因素和系统性能特点,LAES的空压机需要具有较高的等熵效率、较大的压比、良好的级间热回收效率和在非设计常规条件下的宽运行范围。常用的压缩机有离心式、轴向式、往复式和涡旋式。Liang等[13]研究表明,如果将空压机等熵效率从80%提高到95%,系统的循环效率可提高15.7%。Tafone等[14]强调了在非设计条件下涡轮机械等熵效率低对系统循环效率的负面影响,而不适当的增压压力可能会放大这种影响。Zhou等[15]提出了协同分析的概念,提高了空气压缩机的性能。显然,需要做更多的研究来制定空压机的控制策略,以应对不断变化的可再生能源供应和终端使用需求。

1.2.1.2 低温膨胀机

在LAES系统中经常使用低温液体膨胀机代替节流阀,此举可以提高液化率和循环效率。常用的低温膨胀机有往复式、径向流涡轮机以及混流膨胀机等。然而,关于这一领域的研究并不多。Wang等[16]对闭环液氮系统中低温膨胀机的性能进行了实验测量,发现其峰值等熵效率为78.8%。Li等[17]介绍了SC-CAES系统液体涡轮的设计模型,结果显示,在额定条件下,最高效率为75.16%。Kaupert等[18]发现,将膨胀机的类型从径向流入离心式改为轴向冲击式,可以改善液体膨胀机的性能、侵蚀和振动。

1.2.1.3 多流股换热器

多流股换热器是LAES系统的关键部件,用于在释能过程中回收冷能和在储能过程中液化空气。已经有大量研究对适用于LAES的换热器进行实验建模。Wang等[16]开发了一种低温传热模型和模拟工具。Skaugen等[19]提出了换热器分布式参数模型来预测其性能,其准确性可与Aspen HYSYS软件包相媲美。Peng等[20]开发了一种基于对数平均温差模型的粒子群优化算法,用于确定换热器尺寸,旨在最大限度地减轻自重、降低年成本和解决进口流量分布不均的问题。

1.2.2 释能过程组件

1.2.2.1 膨胀机

释能阶段的膨胀机与储能阶段的空气压缩机类似,同样也对LAES系统的效率有重要影响。Li等[17]研究了变工况下涡轮整体内部流动特性。Liang等[21]研究表明,当涡轮效率由80%提高到95%时,LAES的RTE可显著提高19.7%。

1.2.2.2 低温泵

低温泵用于在释放液态空气过程中提升液体空气压力,应可承受在极冷环境下运行。低温泵用于LAES的研究很少,这可能是其对LAES系统循环效率的影响较小的缘故。Guo等[22]发现低温泵效率增加4%,LAES系统循环效率仅增加1%。Liang等[21]研究表明,当泵效率从70%提高到85%时,循环效率仅增加1.4%。整体来说,低温泵对液化空气储能系统的影响较小。

2 LAES系统模型与分析指标

本章详细介绍了LAES系统建模和该系统性能分析指标的研究现状。

2.1 系统模型

2.1.1 静态模型

2.1.2 动态模型

尽管一个完整的LAES流程涉及复杂的液化与换热过程,但目前大多数研究都集中在静态模拟和分析上,但这类假设往往偏离实际情况。动态模拟对于确保正确的设计、分析、预测系统性能并保证现实LAES系统的安全和平稳运行至关重要。Guo等[23]建立了LAES的动态模型,考虑了体积效应和热惯性来理解瞬态性能和控制方法。Sciacovelli等[24]针对LAES系统进行了动态建模,该模型可以模拟各部分与系统性能之间的关系。Cui等[25]建立了LAES释能单元的模块化动态仿真模型,该模型考虑了关键部件的特性和热力学参数的动态变化。

2.2 性能分析指标

2.2.1 能源分析

Guizzi等人[26]发现,独立的LAES可以达到50%的循环效率。Liu等[27]开发了一种优化方案和算法来优化运行参数,包括充放电压力、温度和系统配置。他们发现最佳效率高达60%～63%。

Guizzi等[26]发现损失主要来自压缩和膨胀过程。Vecchi等[28]分析了系统在设计工况和非设计工况下运行时LAES在组件和系统两级的分布。Hamdy等[29]对LAES进行了全面的分析,发现液化过程的不可逆性占比高达75%。

2.2.3 经济分析

Xie等人[30]评估了参与英国电力服务市场时LAES系统的经济效益。结果表明,采用高品位废热(150 ℃)的大型LAES是有利可图的。Lin等人[31]模拟出在不引入外部废热的情况下, LAES系统通过25.7～39.4年将达到投资回收期。Wang等[32]发现,当峰谷电价比为3.3∶1时,独立LAES系统的投资回收期在9.6～31.7年。

显然,将压缩热的利用率最大化或将外部废热引入独立的LAES系统将缩短投资回收期,提高经济效益。

3 LAES系统与其他系统集成

3.1 LAES系统与外部冷源集成

LAES系统在充电过程中需要冷能来液化空气,但在放电过程中回收的冷能往往不足以支撑整个系统运作。因此,使用外部高级冷源可以提高系统循环效率。液化天然气(LNG)的再气化是最常见的例子,LAES-LNG一体化可分为直接利用、通过冷库间接利用和混合利用三大类,下面将对此进行讨论。

直接利用在LAES的换热器释放高等级冷能用于冷却液化空气。但直接利用缺乏灵活性,需要液化天然气再气化和空气液化的同步运行。此外,LNG释放的废冷能取决于天然气供应,天然气的供应往往是波动的,这增加了LAES-LNG集成系统的运行难度。

间接利用使用电化学储能(CES)单元来捕获和存储LNG再气化释放的冷能量。在LAES充电期间,液化天然气再气化所储存的冷能量可用于空气液化,从而增加了集成系统的灵活性。

混合利用是直接利用和间接利用的混合。LNG的冷能可以直接在LAES的换热器中回收,也可以通过CES单元回收,具体取决于一天当中的时间分布(高峰时间和非高峰时间)。

3.2 LAES与外部热源集成

虽然压缩热在某些情况下可能无法有效利用,但使用外部热源从经济和系统效率方面或两者都有优势。

Chino等[33]提出了一种与传统联合循环发电厂相结合的空气液化装置。Briola等[34]提出了一种燃气轮机循环LAES系统。Hanak等[35]提出将低温储氧与全氧燃煤电厂相结合,以提高整体效率和经济性。Colbertaldo等[36]提出并分析了将储存的液态空气用于燃气轮机燃烧室,其循环效率可达到70%。Lee等[37]研究了与核电站相结合的LAES系统,研究结果表明,LAES的RTE可以达到70%,综合系统的峰值功率可以达到额定核电站的2.7倍。

3.3 LAES与可再生能源集成

近年来,针对太阳能热源、太阳能光伏、风能、地热能等可再生能源的间歇性和时变问题,开展了大量LAES与可再生能源发电直接集成的研究。

Li等[38]提出了LAES与基于抛物线槽的聚光太阳能(CSP)系统的集成,研究发现,集成系统可提供比CSP和LAES单独提供的功率总和多30%的功率。Ji等[39]提出利用LAES储存太阳能和风能,并通过建模表明,RTE和效率分别约为45.7%和44.2%。Cetin等[40]开发了LAES与地热发电厂相结合的系统,以地热水作为LAES膨胀过程的外部热源整体系统效率为24.4%。

4 结论

本文对LAES进行了全面的综述。它与近年来发表的文献有所不同,特别是在LAES工作原理、LAES关键组件、LAES集成应用等方面。

作为一种新型的储能技术,LAES虽仍处于起步阶段,但其化学污染小,相对储能成本较低,经济效益高,在低碳能源占据主要市场的未来会扮演重要角色,具有很好的发展前景。