曹廣亮，陳　曦

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上?！?00093）

液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析及發(fā)展現(xiàn)狀

曹廣亮，陳曦

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093）

可再生能源的應(yīng)用是當(dāng)今世界發(fā)展的必然趨勢(shì)，利用液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)可對(duì)可再生能源進(jìn)行儲(chǔ)存。液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)不僅能應(yīng)用于可再生能源的存儲(chǔ)，還可以用于解決電網(wǎng)的峰谷差問題。文章對(duì)液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀做了較詳細(xì)的論述，分析了液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)，并與其他儲(chǔ)能技術(shù)做了比較，有利于工程技術(shù)人員更直觀的了解液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)。

儲(chǔ)能技術(shù)；液化空氣；可再生能源；發(fā)展現(xiàn)狀

0　引言

當(dāng)今人們的生活環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染如溫室效應(yīng)、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(huán)境污染問題，就需要一個(gè)新的、安全的、可持續(xù)的和環(huán)保的能源供應(yīng)體系，即可再生能源供應(yīng)體系[1-2]。目前，可再生能源占全球電力容量的5%和全球發(fā)電的3.4%，這里不包括水利發(fā)電（約占全球發(fā)電15%）[1，3]。英國(guó)政府已設(shè)置了目標(biāo)將可再生能源生產(chǎn)電力從目前的4.6%增長(zhǎng)到2020年的20%[4]，到2050年將達(dá)到80%[5-6]。歐盟最近提出一個(gè)更高的目標(biāo)，到2020年可再生能源的使用要達(dá)到30%～40%的增長(zhǎng)[1，7]。在不久的將來，可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能、生物質(zhì)和地?zé)豳Y源等[1，4，8-9]發(fā)的電量將占整個(gè)發(fā)電容量的大部分。

雖然使用可再生能源是解決環(huán)境污染問題的有效方法，但是對(duì)可再生能源的利用還存在著一些問題?？稍偕茉从绕涫秋L(fēng)能和太陽(yáng)能是間歇性的能源，產(chǎn)生的能量不是持續(xù)性能量，不符合人們對(duì)能量的實(shí)際需求，同時(shí)有些可再生能源如海洋能、風(fēng)能等還會(huì)受到地理環(huán)境的限制，因此就需要一個(gè)合適的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)對(duì)這些可再生能源產(chǎn)生的能量進(jìn)行儲(chǔ)存[10]。

目前可再生能源儲(chǔ)存的方法有很多，大多數(shù)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)這些間歇性可再生能源的存儲(chǔ)非常困難，而且存在地理環(huán)境條件的限制。但是，液化空氣儲(chǔ)能（LAES）不但可以對(duì)間歇性可再生能源進(jìn)行有效地儲(chǔ)存，而且不受地理環(huán)境的限制，便于管理和運(yùn)輸[11]。下面對(duì)液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的概述。

1　液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)

一般來說，液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（LAES）包括3個(gè)過程：液化過程、能量存儲(chǔ)過程、電力恢復(fù)過程，如圖1所示。

（1）液化過程。電網(wǎng)夜間富余的電能驅(qū)動(dòng)液化空氣裝置，使環(huán)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(jìn)行換熱冷卻。被冷卻的冷空氣依次通過膨脹機(jī)和節(jié)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(jī)壓縮后的空氣[12-15]。

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

（3）電力恢復(fù)過程。低溫儲(chǔ)罐中液態(tài)空氣被引出，經(jīng)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(jìn)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(fā)電機(jī)相連，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電[12-14]。從透平里出來的高溫空氣依次經(jīng)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(jī)壓縮后的空氣換熱。因?yàn)橐簯B(tài)空氣的沸點(diǎn)比較低，所以在電力恢復(fù)過程中供應(yīng)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(huán)境的熱量[13-16]。

圖1　LAES原理圖

液化空氣儲(chǔ)能的介質(zhì)是隨處易得的空氣，儲(chǔ)能的整個(gè)過程不需要化石燃料作為補(bǔ)充，為完全“綠色”。當(dāng)空氣的溫度通過使用液化設(shè)備冷卻到大約-196℃時(shí)變成液體，一般700 L的環(huán)境空氣可變?yōu)榇蠹s1 L的液態(tài)空氣[14，17]。液態(tài)空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)具有較高的儲(chǔ)能密度，每單位體積的有效能可達(dá)660 MJ[4]。

液化空氣儲(chǔ)能循環(huán)實(shí)質(zhì)上是由林德循環(huán)（液化過程）與朗肯循環(huán)（電力恢復(fù)過程）組合而成[4]，但是液化過程不同于經(jīng)典的林德循環(huán)，因?yàn)閺呐蛎洐C(jī)中出來的冷空氣被用來冷卻膨脹機(jī)進(jìn)口處的空氣。朗肯循環(huán)中損失的一些有效能也被用于冷卻膨脹機(jī)進(jìn)口處的空氣。因此，林德循環(huán)中輸入的有效能分別來自于朗肯循環(huán)和壓縮機(jī)。由于外部環(huán)境的影響，液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在存儲(chǔ)過程中還會(huì)有一些能量損失，真實(shí)做功將會(huì)受到真實(shí)循環(huán)效率的限制變得較低。除去內(nèi)部循環(huán)的一些不可逆損失，林德循環(huán)出口處的有效能以液體空氣的形式存在。在朗肯循環(huán)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(huán)境輸入循環(huán)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(huán)的效率。朗肯循環(huán)中有效能的損失由透平進(jìn)口處的壓力決定，較高的壓力將導(dǎo)致較小的有效能損失。在壓力較高、相關(guān)的飽和溫度也較高的條件下，有效能損失會(huì)比較低。由液化空氣儲(chǔ)能循環(huán)可知，即使是絕熱膨脹，液化過程所需要的功也要比液態(tài)空氣膨脹所做的功要高，這就需要結(jié)合液化過程和膨脹過程，在兩過程之間使用熱力恢復(fù)來提高整體效率。

2　液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展

液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)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(bào)告了72%的能量回收效率。但要達(dá)到這一效率，則需要一個(gè)可承受-200～800℃之間的溫度、壓力高達(dá)10 000 Pa的蓄能裝置[6，15，18]。Ameel等[4]結(jié)合朗肯循環(huán)與林德循環(huán)對(duì)液化過程進(jìn)行了分析，并報(bào)告了液化過程的效率為43%[6，15]。這里提出的循環(huán)與以前的研究有兩個(gè)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(huán)，其中冷卻過程包括在一個(gè)或多個(gè)膨脹機(jī)里進(jìn)行等熵膨脹過程以及在節(jié)流閥里進(jìn)行的等焓膨脹過程[4]?？藙诘卵h(huán)是最常用的大規(guī)模液化空氣的方法，比林德循環(huán)更有效[15，19]。

日本近年也積極開展液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究，如三菱公司和日立公司等，但由于其系統(tǒng)效率太低，并沒有太大的實(shí)用價(jià)值[12]。

2007年起，工程熱物理所和英國(guó)高瞻公司、英國(guó)利茲大學(xué)等單位共同開發(fā)了液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前，采用該技術(shù)的英國(guó)Highview Power Storage公司的第一臺(tái)液化空氣儲(chǔ)能樣機(jī)（額定功率500 kW，存儲(chǔ)容量約2 MWh）已在英國(guó)倫敦地區(qū)示范運(yùn)行。自2011年以來，Highview公司的LAES技術(shù)已經(jīng)被蘇格蘭南方能源公司（SSE）應(yīng)用于其80 MW生物質(zhì)熱電聯(lián)廠的350 kW/2.5 MWh液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中[20]。在2012年末Highview Power Storage公司在蘇格蘭建造了一個(gè)3 500 kW的商用系統(tǒng)，并在2014年初建成了8 000～10 000 kW的儲(chǔ)能發(fā)電站。2014年2月，在英國(guó)能源與氣候變化部（DECC）的800萬(wàn)英鎊的資助下，Viridor公司選擇Highview公司設(shè)計(jì)并建立了一個(gè)5 MW/15 MWh商用示范的液化空氣儲(chǔ)能示范工廠[20-21]。該液化空氣儲(chǔ)能工廠建造在Viridor公司的垃圾填埋燃?xì)獍l(fā)電廠里。在2015年春，英國(guó)Highview Power Storage公司首次以商業(yè)規(guī)模的形式來示范LAES技術(shù)的應(yīng)用，LAES設(shè)施將由GE公司的渦輪發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力[20]。

3　液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析是對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)成熟度、循環(huán)效率、能量密度等技術(shù)指標(biāo)和成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，下面對(duì)這些影響指標(biāo)進(jìn)行分析。

由表1所列，液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的存儲(chǔ)容量可達(dá)到10～200 MW，相當(dāng)于大型壓縮空氣儲(chǔ)能容量的一半。可液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的比能為214 Wh/kg，相當(dāng)于大型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的四倍。液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)能的持續(xù)時(shí)間可達(dá)12 h以上，使用壽命為25年，相對(duì)較高。液化空氣儲(chǔ)能的效率為55%～90%，其效率值與整個(gè)系統(tǒng)能量能否充分利用息息相關(guān)。為了提高液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，就需要選擇合適的液化空氣儲(chǔ)能裝置，盡量減少裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不必要的能量損失。對(duì)于液化過程中產(chǎn)生的廢熱可以用于電力恢復(fù)過程中加熱液態(tài)空氣，使能量得到充分利用，提高了整個(gè)循環(huán)的效率。對(duì)于液化過程用于加熱液態(tài)空氣的熱量也可以是環(huán)境中的熱量和工業(yè)中產(chǎn)生的廢熱。同理，還可以將液態(tài)空氣氣化產(chǎn)生的冷量應(yīng)用于儲(chǔ)能過程中對(duì)氣態(tài)的空氣進(jìn)行預(yù)冷，同樣也可以提高液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)已在英國(guó)得到廣泛地應(yīng)用，是一個(gè)相對(duì)成熟的儲(chǔ)能技術(shù)。

表1　液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)與其他儲(chǔ)能技術(shù)的比較[12，22-26]

如表2所示在相同條件下，液化空氣儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和抽水儲(chǔ)能三種儲(chǔ)能技術(shù)的比較中，液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能密度是最大的。因此，在需要相同的儲(chǔ)存容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的儲(chǔ)存容器是三者之中相對(duì)較小的，同時(shí)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)受地理環(huán)境條件限制的影響小，應(yīng)用地域非常廣。由表2還可得到對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，其儲(chǔ)能密度隨著存儲(chǔ)壓力的增加而增加，成近線性關(guān)系。

表2　液化空氣儲(chǔ)能密度與其他儲(chǔ)能密度的比較[1，12]

成本是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的最重要指標(biāo)之一，儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本主要包括初期投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。表3列出了以每千瓦為單位的各種儲(chǔ)能技術(shù)的成本，鈉硫電池的儲(chǔ)能成本為600～2 800$/kW，是一個(gè)相對(duì)昂貴的技術(shù)；抽水儲(chǔ)能的成本為600～2 000$/kW，單位成本較低；液化空氣儲(chǔ)能成本為400～800$/kW，其成本相當(dāng)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(chǔ)能單位成本同大型壓縮空氣儲(chǔ)能相當(dāng)，卻是小型壓縮空氣儲(chǔ)能的一半，隨著技術(shù)的成熟和設(shè)備的簡(jiǎn)化，還將有一定的下降空間。

根據(jù)勒克斯研究，如圖2所示，到2017年全球電網(wǎng)的潛在儲(chǔ)能預(yù)計(jì)將達(dá)到1 135億美元，容量為185 GWh（52 GW）[14]。作為新的、大規(guī)模的、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的、儲(chǔ)能成本較低的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可部署在所需地方，以滿足廣泛的市場(chǎng)和應(yīng)用的需求。

表3　液化空氣儲(chǔ)能成本與其他儲(chǔ)能成本的比較[12，25]

圖2　市場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求[14]

4　總結(jié)

液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以存儲(chǔ)間歇性可再生能源和夜間電網(wǎng)中過剩的電能，其存儲(chǔ)容量比較大，可達(dá)200 MW，但儲(chǔ)存裝置則相對(duì)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(qū)推廣使用。作為一種新型的儲(chǔ)能技術(shù)，液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，其技術(shù)水平較成熟，并且液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)污染、對(duì)環(huán)境很好，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)的將來會(huì)扮演重要角色，具有很好的發(fā)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(yáng)人，碩士，從事低溫系統(tǒng)及低溫制冷機(jī)的研究。E-mail：1550367053@qq.com。