二氧化碳储能技术进展
二氧化碳储能技术进展
在双碳目标的引领下，加快构建新型能源体系成为重中之重。储能技术正是构建新型能源体系的核心要素，在发电侧输电侧和用电侧都有着重要的作用。本文将详细介绍二氧化碳储能技术的研究背景、意义、发展现状以及具体的研究进展。
一、储能的背景及意义
面向国家新质生产力发展需求。在双碳目标的引领下，加快构建新型能源体系成为重中之重，其核心是安全高效生态低碳，在能量来源、电力系统和场景应用角度都有了新的要求。
储能技术正是构建新型能源体系的核心要素，在发电侧输电侧和用电侧都有着重要的作用，相关机构预测，在未来的五到十年内将呈现大规模增长的态势。
预计到2032年中国储能市场总装机容量将达到366GW,全球将达到650GW。
可以按照储能时长和储能容量对当前的主流储能技术进行分类，二氧化碳储能技术属于大规模长时储能技术。
二、储能技术发展现状
具体来看，储能技术可以分为多种类型，从被储存的能量形式角度，可以有储热和储电两大类。
用以存储能量的形式来分类角度，又可以分为机械储能、电磁储能和热质储能。
抽水蓄能电站利用水的势能作为介质实现电能的存储和释放，是目前最为成熟占比例最高的一项储能技术。
压缩空气储能采用空气作为能量载体，压缩空气储能利用过剩电力将空气压缩并储存，当用电高峰时，被压缩的空气膨胀，进入透平做功产生电力。具有储能容量大周期长的优势，但当前高压侧储气库仍然面临挑战。
锂离子电池将电能和化学能之间进行转换，其能量密度和功率密度都较高，目前应用也十分广泛，但安全性仍然需要进一步提高，以及新型正负极材料的研发是当前重点。
液流电池工作时将正负极电解液分开，具有容量大放电时间长 使用寿命长等优点，目前众多技术路线中，全钒液流发展最为迅速，但当前成本仍然较高。
飞轮储能是将电能和动能进行转换，其主要优势在于响应时间短。
伴随新能源装机占比持续增长，大规模长时储能将成为市场刚需。
三、二氧化碳储能技术研究进展
二氧化碳储能（CES）是一种以CO2作为储能循环工质、涉及“电-机-热-势”四种不同品位和形式能量的转化，主要包括储能和释能两个过程，储能过程将电能转换为势能和热能进行存储，释能过程又重新转化成电能。
在当前几种主流长时储能（放电时长大于等于4h）技术中，二氧化碳储能技术具有明显优势，成本低效率高储能密度大，安全绿色，使用寿命长。
具体来看，有以上优势。二氧化碳储能按照储能形式、储存方式、系统工作压力和储存设备又进一步可以划分为以上类型。
电热储能是将电能转化为热能和冷能进行储存，需要用电时再重新转化回来，无需大型的储气空间，占地面积小。
团队前期做了基于TE-CES的冷热电联供系统仿真模拟，通过多目标优化方式得到了一定冷热电负荷需求下考虑最高效率和最大收益的系统最优运行策略。
跨临界(TC-CES)和超临界二氧化碳(SC-CES)储能系统是通过透平出口压力划分的，一般情况下超临界系统的循环效率会更高。
我们建立了基于低压液态、高压超临界两态储存的CES系统，循环效率达63.8%。
这是一个复合多阶蓄热的二氧化碳储能系统，往返效率可以达到77%，根据不同的蓄热温度采用了熔融盐、导热油和水三种蓄热介质。
我们还研究了基于双侧液相存储的二氧化碳储能系统的特性，相较于常规气液两相系统，储能密度有了大幅提升。
我们还研究了基于显热潜热分级蓄冷液化和林德循环液化的储能系统，热利用效率可达80.6%，㶲效率51.69%。
对压缩机膨胀机等熵效率对RTE的影响进行了研究，分析了系统的㶲损失以及换热性能。
进一步考虑了非理想蓄/释冷特性。建立了耦合制冷机组和有机朗肯循环的LCES系统模型，考虑蓄冷效率对系统运行特性的影响。
借助㶲流图分析了冷能传递机制，通过传统和先进㶲分析研究了蓄冷效率对系统性能的影响，以及潜在的优化方向。
我们构建了一种基于压缩二氧化碳储能的热电联供（CCES-CHP）系统及其数学计算模型，提出了一种针对该系统的运行可行域分析方法，并进一步研究了热电联供模式下运行可行域的形状和特征。
这是系统的数学模型，以及构建的两个关键无量纲因数。
得到了储热SOC和储气SOC表达式，在一定约束条件下分析了系统的可运行区间。
最后对一个典型的综合能源系统进行了分析，考虑风力发电特性，热电负荷需求，满足其生产调度和消纳，初始参数下，CCES-CHP的电能转化效率和热能利用效率分别达66.7%和21.4%，综合能源利用效率达88.1%。
此外我们还开展了二氧化碳储能系统的多场景应用，比如和火电厂结合，在满足供热需求的同时灵活响应电网调度指令，扩大负荷调节范围，提高交易市场竞争力。在系统降负荷和升负荷阶段配合不同的运行策略。
二氧化碳储能在数据中心同样有极大的应用价值，可以充分利用数据中心余热，降低电耗。
除了在科学研究上我们取得了一定进展，还进一步成立了产业化公司推动二氧化碳储能技术的产业化。
这是我们的团队骨干。我们目前已经完成了国内首套百千瓦液态二氧化碳储能示范验证项目工程建设，依托扎实的平台基础、人员架构，技术优势和市场优势明显。
团队在二氧化碳储能技术领域也经历了十余年的研发应用，逐步攻克了系统设计、液化制冷、高温供热等核心技术，又完成了示范项目建设。
二氧化碳储能技术应用场景十分多元，在电源侧可以帮助新能源电站负荷消纳。
在传统火电侧可以缓解调峰压力，促进热电解耦提高火电厂运行灵活性，还可以和碳捕集装置结合，缓解温室效应。
配套建设在电网侧，可以有效平衡区域电力负荷，提高电网运行稳定性。
最后，可以应用在用户侧，比如一些工业园区海洋平台等等，实现电力自发自用，降低用户用电成本。
我们自主建设的国内首套百千瓦液态二氧化碳储能示范验证项目正式完工于2023年8月，落地于河北固安，实现了恒压进气稳态压缩及膨胀以及油、水双工质双级高效蓄热，其储能效率和热回馈率都在同等规模中达到前列。
我们目前正大力推动二氧化碳储能技术的产业化应用，山东肥城100MW/400MWh二氧化碳储能示范项目已经完成备案立项。
陕西榆林100MW/400MWh二氧化碳储能示范项目也得到了当地政府，完成可研报告。
四、团队研究方向
除了储能技术外，我们团队还有很多基于二氧化碳工质化利用的其他研究方向。
整体研究体系如下，我们从基础研究出发，开发新兴技术，最终推动产业化应用。包括二氧化碳工质化利用，智慧能源工业优化和农特产品加工。