郝佳豪，越云凱，張家俊，楊俊玲，李曉瓊，宋衍昌，張振濤

（1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室，北京 100190；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3北京博睿鼎能動力科技有限公司，北京 100085）

隨著生態(tài)環(huán)境破壞與資源約束的矛盾日益突出，大力開發(fā)可再生能源已成為解決我國能源安全和環(huán)境污染問題的主要手段[1-2]。截至2021 年底，我國可再生能源發(fā)電裝機達到10.63億千瓦，占總發(fā)電裝機容量的44.8%。其中，風電和光伏發(fā)電裝機分別達到3.28 億千瓦和3.06 億千瓦[3]。相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，到2050 年，可再生能源在我國能源體系中占比有望達到78.0%[4]。但可再生能源特別是風電和光伏發(fā)電具有明顯的波動性、周期性和不確定性等不利因素[5]，其大規(guī)模并網(wǎng)不僅給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來前所未有的挑戰(zhàn)，也造成了巨大的能量浪費。因此，開發(fā)規(guī)模化高效儲能系統(tǒng)已經(jīng)成為學(xué)界和社會的重要共識[6]。儲能系統(tǒng)可以周期性儲存多余電量，并在用電高峰時進行釋能發(fā)電，不但是實現(xiàn)可再生能源發(fā)電規(guī)?；尤?、平滑持續(xù)電力輸出、調(diào)峰調(diào)頻的重要手段，而且可以提高電網(wǎng)輸配電側(cè)的整體效率、安全性和經(jīng)濟性。

目前，已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的兆瓦級、長時間儲能技術(shù)主要有抽水蓄能和壓縮空氣儲能。其中，抽水蓄能(pumped hydro storage，PHS)已裝機比例最大，應(yīng)用較為成熟，但存在著選址困難、建設(shè)周期長、初期投資大、破壞生態(tài)環(huán)境等客觀問題[7]。壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)具有規(guī)模大、靈活性強等特點，一般循環(huán)效率在40%～70%之間，被認為具有較大的發(fā)展?jié)摿8]。傳統(tǒng)CAES 系統(tǒng)需要外加燃氣補熱裝置，且一般借助地下洞穴、鹽穴、巖層等特殊的地理環(huán)境儲存，系統(tǒng)對儲存要求較高[9]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)(AA-CAES)[10]、超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)(SC-CAES)[11]、液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)(LAES)[12]等第二代壓縮空氣儲能系統(tǒng)，一定條件下擯棄了地理條件限制，減少了化石燃料的使用，對環(huán)境更為友好。但是，AA-CAES 系統(tǒng)依賴高壓容器或地下儲氣庫，導(dǎo)致其儲能密度相對較低(一般為1.5～10 kWh/m3)、主要設(shè)備體型較大；SC-CAES系統(tǒng)和LAES系統(tǒng)存在超臨界空氣蓄冷液化過程，且空氣液化溫度一般為-196 ℃，導(dǎo)致系統(tǒng)冷?損耗較大，從而影響其整體性能的進一步提升。

為了進一步提高儲能系統(tǒng)的儲能效率與能量密度，相關(guān)學(xué)者提出了以CO2為工質(zhì)的二氧化碳儲能(carbon dioxide energy storage，CES)系統(tǒng)，由于CO2臨界點(7.39 MPa和31.4 ℃)相對空氣(3.77 MPa和-140.5 ℃)容易達到，無毒、不易燃、安全等級為A1，且超臨界二氧化碳(S-CO2)具有優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)：黏度小、密度大、導(dǎo)熱性能好，系統(tǒng)寄生能耗也相對較低[13-14]。基于常規(guī)儲能設(shè)計參數(shù)，表1展示了不同壓力和對應(yīng)溫度下空氣和CO2的密度大小，可以看出，相同狀態(tài)和壓力下CO2儲存密度均大于空氣，其中液態(tài)儲存時最高，從而使得CES 系統(tǒng)具有較高的儲能潛力。

表1 空氣和CO2儲存密度對比Table 1 Comparison of air and CO2 storage density

本文首先介紹了CES 系統(tǒng)的工作原理及主要特點，指出了CES 系統(tǒng)的主要性能評價指標，然后基于CES 系統(tǒng)的發(fā)展歷程，分析了不同CES 系統(tǒng)方案的技術(shù)特征和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了CES 技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)、主要方向和技術(shù)挑戰(zhàn)，最后展望了CES技術(shù)的發(fā)展前景。

1 二氧化碳儲能系統(tǒng)概述

1.1 工作原理

二氧化碳儲能是在壓縮空氣儲能和Brayton 循環(huán)的基礎(chǔ)上提出的，以CO2作為儲能系統(tǒng)工作介質(zhì)，通過多級絕熱壓縮、等壓加熱、多級絕熱膨脹和等壓冷卻等過程實現(xiàn)，但由于CO2工質(zhì)特殊性，系統(tǒng)為封閉式循環(huán)，系統(tǒng)設(shè)備和參數(shù)設(shè)置也和壓縮空氣儲能有較大差異。

圖1展示了二氧化碳儲能系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)主要由高、低壓儲罐，壓縮機，透平和蓄熱蓄冷單元組成；蓄熱蓄冷單元主要包括再冷器、再熱器、蓄熱罐和蓄冷罐。其工作原理可分為儲能階段和釋能階段兩個過程。儲能時，低壓儲罐中的低壓液態(tài)CO2經(jīng)過蓄冷換熱器吸熱氣化，再經(jīng)過(多級)壓縮機壓縮至超臨界狀態(tài)，同時通過再冷器吸收壓縮熱并通過蓄熱介質(zhì)將熱量儲存在蓄熱罐中，最后將超臨界狀態(tài)CO2儲存在高壓儲罐中，即將電能以熱能和勢能形式儲存；釋能時，高壓儲罐中的超臨界CO2經(jīng)過再熱器升溫，再進入透平中推動透平發(fā)電，同時再將再熱器出口的低溫蓄熱介質(zhì)冷量儲存在蓄冷罐中，末級透平出口的CO2再經(jīng)過冷卻器和蓄冷換熱器冷卻至液化狀態(tài)，最后儲存在低壓儲罐，即將熱能和勢能轉(zhuǎn)化為電能輸出。

圖1 二氧化碳儲能系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of carbon dioxide energy storage system

CES 系統(tǒng)一般采用壓縮熱回收利用代替?zhèn)鹘y(tǒng)CAES系統(tǒng)中的燃料補燃，避免了對化石能源的依賴；同時設(shè)置壓縮機與透平分布，從而能夠靈活控制系統(tǒng)儲能、調(diào)節(jié)釋能工況，減少機組啟停切換時間；CES系統(tǒng)中多采用多級壓縮和多級膨脹，最大儲能壓力可達20～25 MPa[13]，同時通過中間冷卻和中間再熱使壓縮機和透平近等溫運行，提高了系統(tǒng)循環(huán)效率；CES系統(tǒng)可根據(jù)可再生能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、用戶側(cè)削峰填谷等應(yīng)用場景，滿足數(shù)小時甚至數(shù)十天的儲能周期需求，且具有較長運行壽命。

1.2 主要性能評價指標

對于壓縮氣體儲能系統(tǒng)，最能反映系統(tǒng)儲能特性的評價指標主要有系統(tǒng)循環(huán)效率(round trip efficiency, RTE) 和儲能密度(energy storage density，ESD)[14]。

RTE反映了儲能系統(tǒng)同一周期內(nèi)儲能和釋能過程的能量轉(zhuǎn)化與平衡關(guān)系。如式(1)所示，RTE 為儲能時系統(tǒng)輸入電能和釋能時系統(tǒng)輸出電能之比，與壓縮機、透平功率和儲釋能時間相關(guān)。如果系統(tǒng)設(shè)置補燃設(shè)備，還需要考慮消耗熱能的輸入，一般按燃氣按折合系統(tǒng)0.39考慮[15]。

ESD反映了儲能系統(tǒng)儲能工質(zhì)單位儲存容積時儲能容量的大小，也可稱為單位體積發(fā)電量(energy generated per unit volume，EVR)。如式(2)所示，ESD 為系統(tǒng)輸出電能和儲存設(shè)備總?cè)莘e之比，由于超臨界CO2和液態(tài)CO2密度遠大于空氣，所以二氧化碳儲能系統(tǒng)的儲能密度具有較大優(yōu)勢，使得系統(tǒng)工質(zhì)儲存容積和設(shè)備成本顯著降低。

式(1)、(2)中，Win為系統(tǒng)輸入電能；Wout為系統(tǒng)輸出電能；VH為高壓儲罐容積；VL為低壓儲罐容積。

2 二氧化碳儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 二氧化碳電熱儲能(TE-CES)系統(tǒng)

將CO2作為工質(zhì)并應(yīng)用于儲能系統(tǒng)最早是2012 年由瑞士洛桑埃爾科爾理工大學(xué)的Morandin教授[15]提出，他設(shè)計了一種基于熱水蓄熱、冰漿蓄冷的二氧化碳電熱儲能(thermo-electrical carbon dioxide energy storage，TE-CES)系統(tǒng)，并基于換熱器網(wǎng)絡(luò)編寫了系統(tǒng)優(yōu)化算法。如圖2所示，該系統(tǒng)的工作原理是：在儲能過程中，電能驅(qū)動熱泵系統(tǒng)壓縮機將CO2壓縮至超臨界態(tài)，并將CO2內(nèi)能通過蓄熱罐進行儲存，即將電能以熱能形式儲存；在釋能過程中，CO2吸收蓄熱器熱能，再進入膨脹機做功，即將熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出。

圖2 二氧化碳電熱儲能系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of thermo-electrical carbon dioxide energy storage system

二氧化碳電熱儲能系統(tǒng)在蓄熱端進行顯熱交換，CO2處于單相區(qū)；在蓄冷端進行潛熱交換，CO2處于兩相區(qū)。因此，系統(tǒng)換熱過程具有較好的熱匹配性。由于液態(tài)水的高熱容、高流動性特性，且成本極低，相比于其他常見蓄熱介質(zhì)(表2[16])，在儲能系統(tǒng)蓄換熱過程中被廣泛使用。

表2 蓄熱介質(zhì)性能對比[16]Table 2 Performance comparison of heat storage medium

基于上述系統(tǒng)，韓國學(xué)者Kim等[17]分析了壓縮機、膨脹機效率、壓力比、冷熱罐流量等參數(shù)對系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，發(fā)現(xiàn)熱罐中水的質(zhì)量和溫度越高，等溫TES系統(tǒng)的循環(huán)效率越高，系統(tǒng)最大循環(huán)效率可達74.5%；等溫膨脹的壓力比可以在最高循環(huán)溫度下充分提高，且內(nèi)部耗散造成的?損失低于等熵情況。瑞士蘇黎世Ewz 公司于2013 年建設(shè)了Auwiesen熱電儲能電站。該電站基于已有Auwiesen(220 kV/150 kV)和Aubrugg(150 kV/22 kV)兩座變電站，提供電力并網(wǎng)和生物質(zhì)廢熱，同時可通過熱力管線供熱。Auwiesen熱電儲能電站儲能容量1 MW，儲能時間6 h，釋能時間3 h，最大循環(huán)效率40%～45%，二氧化碳循環(huán)壓力在3～14 MPa，儲熱溫度最高120 ℃，儲熱罐總?cè)萘窟_上千立方米[18]。

2.2 跨臨界二氧化碳儲能(TC-CES)和超臨界二氧化碳(SC-CES)儲能系統(tǒng)

基于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，中國科學(xué)院工程熱物理研究所楊科等[19]提出了以CO2為工質(zhì)的壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)透平出口壓力，可具體分為跨臨界二氧化碳儲能(transcritical carbon dioxide energy storage，TC-CES)和超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide energy storage systems，SC-CES)儲能系統(tǒng)，若透平出口壓力低于臨界壓力稱為TC-CES系統(tǒng)，若高于臨界壓力則稱為SC-CES系統(tǒng)。目前，關(guān)于這兩種系統(tǒng)的研究相對較多，主要研究機構(gòu)包括中科院工程熱物理所、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等，但主要還停留在系統(tǒng)理論設(shè)計和性能分析階段。

北京大學(xué)Zhang等[20]研究了基于熱水蓄熱的跨臨界和超臨界壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)。如圖3所示，這兩種系統(tǒng)本質(zhì)上沒有區(qū)別，TC-CES系統(tǒng)相較于SC-CES系統(tǒng)另外設(shè)計了壓縮前預(yù)熱器，目的是使低壓儲罐中的液態(tài)CO2在進入壓縮機前完全氣化，而SC-CES系統(tǒng)低壓儲罐中CO2本身就處于超臨界態(tài)，可直接進入壓縮機。研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)以1 MW釋能功率輸出時，跨臨界運行CO2工質(zhì)流量為38.52 kg/s，循環(huán)效率為60%，儲能密度為2.6 kWh/m3；超臨界運行CO2工質(zhì)流量為6.89 kg/s，循環(huán)效率為71%，?效率為71.38%，儲能密度為23 kWh/m3。結(jié)合文獻[21-22]的研究結(jié)果，圖4 對比了傳統(tǒng)CAES、AA-CAES、TC-CES 和SC-CES 系統(tǒng)在釋能功率均為1 MW工況下的循環(huán)效率和能量密度數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)，TC-CES 的循環(huán)效率高于傳統(tǒng)CAES，但略低于AA-CAES，其儲能密度均高于傳統(tǒng)CAES 和AA-CAES；而SC-CES 的循環(huán)效率最大，且其儲能密度遠高于其他三種系統(tǒng)。因此，雖然SC-CES比CAES系統(tǒng)額外增加了低壓儲存設(shè)備用于釋能過程中透平存儲出口CO2(對于SC-CES系統(tǒng)此時CO2仍處于超臨界態(tài))，但由于其工質(zhì)整體儲存容積需求較低，所以仍具有較高的儲能密度。

圖3 TC-CES系統(tǒng)和SC-CES系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of TC-CES system and SC-CES system

圖4 不同CES和CAES系統(tǒng)性能對比Fig.4 Performance comparison of different CES and CAES systems

由于二氧化碳儲能系統(tǒng)高壓側(cè)壓力較大(一般為10～25MPa)，因此對于高壓側(cè)儲存容器提出了較嚴苛的要求，一般性鋼制壓力容器往往不能滿足安全要求，并且為了滿足系統(tǒng)釋能工況穩(wěn)定，壓力容器設(shè)計時容積需要有相當部分的富裕量，這樣就造成了較大的材料成本投入，影響二氧化碳儲能系統(tǒng)的整體經(jīng)濟效益。因此，有學(xué)者提出結(jié)合二氧化碳封存技術(shù)，采用地下儲庫(硬巖穴、鹽穴、廢棄煤礦井、咸水層、海下等)儲存高低壓二氧化碳。

華北電力大學(xué)劉輝[23]、何青等[24]、郝銀萍[25]分別對使用地下雙儲氣室的二氧化碳儲能系統(tǒng)進行了研究。其中，文獻[25]提出了一種基于地下儲氣室的跨臨界二氧化碳儲能系統(tǒng)，如圖5、6 所示，系統(tǒng)分別以1700 m 深和100 m 深的地下咸水層作為高低壓儲氣室，同時使用熱泵系統(tǒng)儲熱，提高了儲熱溫度。研究結(jié)果顯示，RTE、儲能效率及儲熱效率分別為66.00%、58.41%和46.11%，此外，探討了壓縮機和透平絕熱效率對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，研究還驗證了以水為蓄熱介質(zhì)時系統(tǒng)性能最佳。

圖5 TC-CES系統(tǒng)地下儲氣室Fig.5 Underground gas storage of TC-CES system

圖6 基于地下儲氣室的TC-CES系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of TC-CES system based on underground gas storage

2.3 液態(tài)二氧化碳儲能(LCES)系統(tǒng)

針對跨臨界、超臨界二氧化碳儲能系統(tǒng)需要耐高壓儲存設(shè)備且儲能密度相對較低的問題，有學(xué)者提出一種液態(tài)二氧化碳儲能(liquid carbon dioxide energy storage，LCES)系統(tǒng)，即將高壓側(cè)和低壓側(cè)CO2均以低壓液態(tài)(0.5～1.0 MPa，-56～-40 ℃)形式儲存，密度大于1 000 kg/m3，極大地降低了存儲壓力，且不受地理條件限制，還可以顯著降低壓力容器加工制造成本，提高了二氧化碳儲能系統(tǒng)在空曠的荒漠、高原等可再生能源聚集地區(qū)的運行安全性[26-27]。此外，關(guān)于液態(tài)空氣儲能技術(shù)的研究也證實了液態(tài)工質(zhì)儲能系統(tǒng)在實際工程應(yīng)用的可行性[28-30]。

西安交通大學(xué)Wang等[31]提出了一種結(jié)合ORC的液態(tài)二氧化碳儲能系統(tǒng)。如圖7所示，該系統(tǒng)由壓縮機、透平、蓄熱器、蓄冷器、儲罐和液體泵組成。儲能時：罐2中的液態(tài)CO2經(jīng)過穩(wěn)壓閥和蓄冷器吸熱氣化，進入壓縮機被壓縮，然后通過蓄熱器儲存壓縮熱，再經(jīng)過水冷液化儲存到罐1中。釋能時：罐1中的液態(tài)CO2通過液體泵增壓，再進入蓄熱器和透平吸熱做功，然后經(jīng)過蒸發(fā)器和蓄冷器冷卻液化，回到罐1 儲存，溫度可達-56 ℃，高于LAES 系統(tǒng)液化溫度，降低了系統(tǒng)冷損。研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的循環(huán)效率可達到56.64%左右，儲能密度為36.12 kWh/m3，高于AA-CAES系統(tǒng)和其他二氧化碳儲能系統(tǒng)。

圖7 結(jié)合ORC的液態(tài)二氧化碳儲能系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of liquid carbon dioxide energy storage system combined with ORC

LCES 系統(tǒng)在壓縮后也可以采用節(jié)流閥或液體膨脹機通過節(jié)流效應(yīng)進行液化，但由于節(jié)流過程仍有部分CO2不能液化，所以需要配置氣液分離器并將氣態(tài)CO2返回壓縮機繼續(xù)壓縮液化，這種系統(tǒng)可以避免外設(shè)低溫冷卻系統(tǒng)。吳毅等[32]設(shè)計的一種采用液態(tài)膨脹機的液態(tài)二氧化碳儲能系統(tǒng)如圖8 所示，該系統(tǒng)在高壓側(cè)的儲能過程和釋能過程分別采用液體膨脹機和低溫泵控制儲能壓力和釋能壓力。通過熱力學(xué)分析和多目標優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)最佳釋能壓力為18.3 MPa，最佳儲能壓力為11.7 MPa，對應(yīng)系統(tǒng)儲能效率為50.4%，儲能密度為21.7 kWh/m3。但由于存在膨脹機功損失，意味著這個系統(tǒng)還有很大的改進潛力。

圖8 采用液體膨脹機的液態(tài)二氧化碳儲能系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of liquid carbon dioxide energy storage system using liquid expander

應(yīng)當注意的是，雖然LCES系統(tǒng)解決了壓力容器的加工制作和運行安全問題，提升了系統(tǒng)整體儲能密度，但由于其一般需要將CO2冷卻液化的換熱量通過蓄熱系統(tǒng)回收并用于膨脹過程中CO2的加熱氣化，所以引入了另一套較復(fù)雜的蓄熱蓄冷系統(tǒng)；此外，低溫液體泵功耗和低溫CO2耗散也成為制約LCES 系統(tǒng)循環(huán)效率的重要問題，因此LCES 系統(tǒng)的循環(huán)效率一般略低于其他CES系統(tǒng)。

2.4 耦合其他能源系統(tǒng)的二氧化碳儲能系統(tǒng)

二氧化碳儲能系統(tǒng)不僅具備CAES系統(tǒng)的功能特性，可將風電、光電等間歇能源“拼接”起來，保障新能源的持續(xù)電力輸出[33]；還可以和CCS[34]、液化天然氣(LNG)[35]等多種能源系統(tǒng)耦合，實現(xiàn)二氧化碳儲能的多場景應(yīng)用和效率提升。

文獻[33]提出了一種利用太陽能光熱系統(tǒng)補熱的LCES系統(tǒng)，如圖9所示，該系統(tǒng)在透平入口前引入額外的光熱熱源，在透平出口設(shè)置回熱器回收400 ℃二氧化碳的余熱，從而提高了透平進口溫度。與常規(guī)LAES系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有較高的循環(huán)效率和?效率。但需要注意的是，該系統(tǒng)需要控制太陽熱量的波動以減小對LCES系統(tǒng)透平進口溫度穩(wěn)定性的影響。

圖9 利用太陽能光熱系統(tǒng)補熱的LCES系統(tǒng)原理圖Fig.9 Schematic diagram of LCES system with solar photothermal system

基于CCS 技術(shù)的快速發(fā)展，如何合理應(yīng)用地下封存的CO2、降低CCS 整體經(jīng)濟成本受到相關(guān)學(xué)者關(guān)注。文獻[34]提出了一種結(jié)合廢舊礦床存儲二氧化碳的二氧化碳儲能(CES-CCS)系統(tǒng)。如圖10 所示，該系統(tǒng)的工作原理是將電廠捕獲的CO2經(jīng)過多級壓縮機壓縮，當達到儲能壓力時，CO2存儲過程停止，多余的CO2通過注入井進行地下封存或驅(qū)油，釋能時CO2再進入多級透平做功發(fā)電，出口CO2通過廢棄洞穴暫存。通過熱力學(xué)分析和參數(shù)分析，該系統(tǒng)在儲能壓力為21.9 MPa時，最高RTE為53.75%，且在碳排放稅不超過47美元/噸時具有一定經(jīng)濟優(yōu)勢。但是，該系統(tǒng)將CO2遷移當做理想滲流過程，在工程應(yīng)用時需要更深入細致的地質(zhì)勘探和模擬分析，所需要的應(yīng)用場景也較難吻合。

圖10 CES-CCS系統(tǒng)原理圖Fig.10 Schematic diagram of CES-CCS system

此外，液化天然氣(LNG)冷能利用也為LCES提供了一個較好的發(fā)展方向。由于LNG 必須氣化升溫后才能供用戶使用，LNG 從-162 ℃升至常溫能夠釋放約830 kJ/kg的冷能，然而目前LNG冷能浪費嚴重[36]。因此，Zhao 等[37]提出了一種耦合LNG 的LCES 系統(tǒng)，如圖11 所示。該系統(tǒng)在常規(guī)LCES系統(tǒng)外加入LNG冷能利用子系統(tǒng)和燃燒子系統(tǒng)，采用LNG液化低壓CO2，加熱后的LNG一部分供給用戶，一部分進入燃燒室中燃燒，以提高透平進口溫度。結(jié)果表明，該系統(tǒng)充電時間為2.02 h，恒壓和變壓放電時間為3.64 h和2.88 h，恒壓模式下的循環(huán)效率為64.96%，而變壓模式下的循環(huán)效率可達67.37%。該系統(tǒng)為解決我國東南沿海LNG冷能利用問題提供了有效方案，但由于過程中需要燃燒化石燃料，所以需要對系統(tǒng)整體凈碳排放效果進行詳細評估。

圖11 耦合LNG的LCES系統(tǒng)原理圖Fig.11 Schematic diagram of LCES system with LNG

3 二氧化碳儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

作為一種較前沿的物理儲能技術(shù)，二氧化碳儲能在熱力學(xué)循環(huán)構(gòu)建理論、CO2臨界轉(zhuǎn)換特性、系統(tǒng)動態(tài)運行控制策略、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計開發(fā)和高性能材料選擇等方面需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)還有許多，也面臨著諸如設(shè)備加工制造、系統(tǒng)應(yīng)用等技術(shù)挑戰(zhàn)，如表3所示。

表3 二氧化碳儲能研究方向、關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)Table 3 Research direction,key technologies and challenges of carbon dioxide energy storage

4 二氧化碳儲能技術(shù)的發(fā)展前景

我國對壓縮空氣儲能技術(shù)的研究雖然起步較晚，但隨著國家政策支持和相關(guān)成果落地，已經(jīng)實現(xiàn)了從技術(shù)追趕到技術(shù)領(lǐng)先的重大轉(zhuǎn)變。同時，二氧化碳儲能作為一種新型壓縮氣體儲能技術(shù)，憑借其儲能工質(zhì)物性優(yōu)良、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、流程設(shè)備緊湊等優(yōu)勢，近年來已經(jīng)成為國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究熱點，具有較好的發(fā)展前景。

二氧化碳儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢將以解決高壓儲存設(shè)備依賴、關(guān)鍵渦輪機械設(shè)備開發(fā)和“源-網(wǎng)-荷-儲”多場景應(yīng)用為導(dǎo)向，結(jié)合CCUS 和CO2工質(zhì)化利用技術(shù)進步，逐步實現(xiàn)從概念設(shè)計，到實驗驗證，再到工程示范，最后實現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用推廣。因此，結(jié)合高溫熱能儲存利用的TE-CES系統(tǒng)、地質(zhì)封存儲庫的TC-CES系統(tǒng)以及LCES系統(tǒng)將成為二氧化碳儲能技術(shù)的重要發(fā)展方向。在技術(shù)研發(fā)上，將主要集中在電動、氣動、熱動等系統(tǒng)復(fù)雜動態(tài)過程設(shè)計和機制研究、高參數(shù)旋轉(zhuǎn)葉輪機械動力學(xué)設(shè)計、開發(fā)以及系統(tǒng)集成控制等方面。在面向多場景應(yīng)用方面，一是“新能源+儲能”模式，根據(jù)可再生能源出力稟賦實現(xiàn)并網(wǎng)匹配及持續(xù)、穩(wěn)定清潔電力輸出；二是大型電網(wǎng)輔助模式，參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動、旋轉(zhuǎn)備用、多能聯(lián)供等場景，維護地區(qū)供電穩(wěn)定，提高電網(wǎng)魯棒性；三是用戶側(cè)微型電站模式，對于高電耗和高排放工業(yè)用戶，建設(shè)微型CES 系統(tǒng)，通過峰谷電價增加經(jīng)濟效益；四是能源互聯(lián)網(wǎng)模式，充分發(fā)揮CES 系統(tǒng)儲能、儲熱、儲冷特性，通過建立分布式能源站將化石能源、可再生能源、電能用戶、冷熱能用戶等多品位能量單元統(tǒng)一管理，實現(xiàn)區(qū)域多能互補協(xié)同運行，促進新型能源利用體系發(fā)展。

5 結(jié) 論

面對全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型壓力和大規(guī)模清潔物理儲能技術(shù)應(yīng)用的緊迫需求，二氧化碳儲能(CES)技術(shù)是一種具備長時間、穩(wěn)定、高效儲能特性且行業(yè)吸引性高的新型清潔物理儲能技術(shù)。本文介紹了典型CES 系統(tǒng)的工作原理和主要性能評價指標，梳理了不同形式CES 系統(tǒng)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，探明了CES技術(shù)后期研究和應(yīng)用面臨的重點研究方向、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景。

總體來說，目前針對二氧化碳儲能技術(shù)的研究還處于理論設(shè)計和初步實驗驗證階段。后續(xù)還需要進一步完善二氧化碳儲能的基礎(chǔ)研究，強化理論論證，積累系統(tǒng)整體設(shè)計和試驗項目運行經(jīng)驗，并進一步明晰系統(tǒng)全局優(yōu)化方法和動態(tài)運行機制，為二氧化碳儲能技術(shù)的工程示范和產(chǎn)業(yè)化推廣奠定基礎(chǔ)。隨著國內(nèi)外學(xué)者的不斷研究與創(chuàng)新，二氧化碳儲能必將朝著高性能、低成本、規(guī)模化、多應(yīng)用場景的方向發(fā)展，從而為未來以可再生能源為主的能源體系和多能源協(xié)同互補網(wǎng)絡(luò)提供重要解決方案。