液态空气储能电站关键技术研究

创作时间:

作者:

@小白创作中心

液态空气储能电站关键技术研究

引用

来源

https://esplaza.com.cn/article-8759-1.html

液态空气储能技术作为一种新型长时储能方案，近年来在全球范围内受到广泛关注。在2024第二届中国长时储能大会上，石家庄铁道大学储能研究团队学术带头人折晓会详细介绍了液态空气储能电站的关键技术研究进展。

图：折晓会

什么是液态空气储能？

液态空气储能技术利用常压低温状态的液态空气作为储电介质。用电低谷期，环境空气经过净化、压缩、冷却和膨胀后，制取液态空气，电能以液态空气的形式存储；用电高峰期，液态空气经过加压、蒸发汽化、进一步加热后，进入透平膨胀发电。

与其他储能方式相比，液态空气储能具有以下优势：

储能密度高：液态存储，储能密度可达120Wh/L，大幅减少了系统占地面积；
安全环保：液态空气生产过程无危化品介质，发电过程无污染物产生和排放；
选址不受地理条件限制：常压存储，可实现地面罐式的规模化存储，应用范围广；
移动性高：液态空气可以借助现有船舶、罐车、管道等运输，实现海上风电、陆上风电等新能源电力的远距离传输。

折晓会补充道：“液态空气储能技术虽然在储能密度和存储方式等方面具有显著优势，但由于引入了低温储换热系统，损耗增加，系统电-电效率相对较低。若利用外部余热、余冷等资源，系统电-电效率可达70%以上。”

液态空气储能最早可以追溯到1977年，由英国Newcastle University Smith教授提出，早期工作主要集中在理论分析；2004年，英国伯明翰大学丁玉龙院士与英国Highview公司合作，液态空气储能技术得到快速发展，并于2009-2012年建成全球首台套350 kW/2.5 MWh液态空气储能电站；2014年，Highview公司获得英国能源与气候变化部资金支持，于2018年建成5MW/15MWh液态空气储能电站；目前，Highview公司正在建设50 MW/250 MWh液态空气储能电站，并规划200MW/2.5GWh液态空气储能电站。

国内对液态空气储能技术的研究开发起步较晚。2018年，国网建设500kW液态空气储能平台；2023年，中科院理化所与中国绿发集团建设青海揭榜挂帅项目60MW液态空气储能商业电站；2023年，石家庄铁道大学与河北建投集团合作河北省揭榜挂帅项目1MW液态空气储能示范电站，该项目于2024年9月30日并网发电，实现了国内首套兆瓦级液态空气储能电站的研制和建设；预计2025年，石家庄铁道大学将与河北建投集团布局曹妃甸LNG接收站冷能回收利用工程及唐山热电100MW液态空气储能电站。

液态空气储能关键技术研发

“与压缩空气储能相比。液态空气储能要复杂许多。”折晓会指出。液态空气储能系统流程包括空气液化循环、储冷/储热循环、空气发电循环等部分。比之压缩空气储能，液态空气储能多了低温冷能存储及回收利用环节，系统流程耦合更复杂、关键装备更多。

依托以上问题，折晓会团队对液态空气储能系统关键过程耦合、热能高效回收利用、低耗散高效储冷、高效低成本空气净化、低温换热抗疲劳、液态空气组分控制等技术要点进行研究创新。

系统热电联供技术

液态空气储能联供技术主要源于系统电-电效率较低的问题，2017年折晓会在英国伯明翰大学工作时首次在国际提出。折晓会在对液态空气储能技术进行敏感性分析时发现：液态空气储能过程中，液化率远低于100%，这导致空气压缩热能用于发电后，仍存在大量多余的压缩热能，高达40%。对此折晓会表示：若将多余压缩热能用于发电，系统电-电效率可相对提升12%；用于供暖，热电联供效率可达70%。

储热填充床热电分储技术

填充床具有结构紧凑、换热效率高、储能密度高等优点，已被广泛应用于化工过程、热能存储等领域。填充床储热系统外壁为隔热层，内部放置具有合适尺寸的颗粒或其他形式固体的储热介质，以实现高储能密度热能存储。填充床下部有筛网以支撑储热介质，传热流体在填充床内流动，与储热介质表面接触以实现储热系统的储热与释热。

液态空气储能过程中，由于多余的压缩热能，使得储热填充床中存储的热能会不断累积，系统处于非稳定运行状态。基于此，折晓会团队提出压缩热能分级存储技术，实现热-电分储，提升系统灵活性。热电分储技术，就是将高温能量与低温能量分开存储，高温发电、低温供暖，采用此系统供暖与发电可以灵活调控、不受制约，液态空气储能系统运行也更稳定。

储冷填充床斜温层扩散抑制技术

储冷填充床技术以岩石等固体材料为储冷介质实现低温冷能的存储，具有高经济性和化学稳定性，换热流体与固体材料直接接触，实现冷能的存储和释放。

储冷填充床技术也具有一定的局限性。随着储释冷的进行，填充床内部会形成一个温度梯度很大的分层，被称为斜温层，在整个储释过程中会出现明显的斜温层推移现象，在深度释冷的工况下可能会导致出口温度的不稳定。此外，斜温层的存在会使得储释过程冷能耗散大。这些问题将会对液态空气储能系统的稳定高效运行造成一定程度的影响。

针对此问题，折晓会团队提出恒温斜温解耦储冷技术，避免存储过程显著的温度梯度引起的冷能品位衰减；针对整个系统开发串并联运行调控策略，实现斜温层在各罐体中的稳定传递，储冷火用效率可达85%以上。

单塔间歇式空气净化技术

空气液化过程中，传统分子筛再生过程消耗电能，消耗20%产品气体，压缩机耗电量大；双塔交替运行，设备成本高。

结合液态空气储能中存在的多余压缩热能及发电膨胀排气的干燥气源，两者结合均可实现再生。

折晓会团队基于废气循环利用和压缩热利用，提出的单塔间歇再生技术可使设备成本降低33%、运行成本节约11%。

宽流量调节低压降空气净化技术

除了对传统空气净化技术的研究外，折晓会团队也在创新开发包括径流向吸附器在内的新型空气净化技术。径向流具有流量调节范围宽、压降小、能耗低等优势，空气波动量大、流动面积宽，能适应新能源电力的波动性，具有大规模商业应用前景。折晓会说道。然而，由于流体通过环形通道进入后径向流动，流动场分布不均匀，导致吸附剂利用率低。

为解决这一问题，折晓会团队通过设计新型吸附结构，提升流动均匀性，提升吸附剂利用率13%，减少阻力31%。