基于深冷技术的液态空气储能现状与前景

文|季伟

中国科学院理化技术研究所副研究员

2020年6月，国家 能 源局印发《2020年能源工作指导意见》指出“稳妥有序推进能源关键技术装备攻关，推动储能技术进步与产业发展。加大储能发展力度”。大规模长时储能技术是世界各国科技创新的重要战略，也是实现技术引领的主要方向。

近年来，全球储能产业得到快速发展，电源侧、电网侧和用户侧储能市场规模在万亿美元以上，且每年以9%的速度增长，远高于全球电力行业2.5%的增长率。尤其是以风、光为代表的可再生能源迅速发展为储能行业发展带来巨大市场空间。

截至2019年底，全国风电装机2.1亿千瓦，风电发电量4057亿千瓦时，占全部发电量的5.5%；光伏发电装机2.04亿千瓦，光伏发电量2243亿千瓦时，占全部发电量的3.1%。国内外专家学者一致认为到2050年，全球可再生能源占比将超过50%。然而，由于新能源间歇性和不稳定性，可再生能源大规模并网和安全稳定地运行仍存在压力。

大规模储能技术的应用能有效解决上述问题。在诸多储能技术中，可以规模应用的主要为抽水蓄能、大容量电池储能和压缩空气储能。抽水蓄能须建在具有合适地势差和丰富水源的非严寒地带，受地理条件限制较高；大容量电池储能在经济性、安全性、循环寿命及废旧电池处理等方面将面临制约；压缩空气储能具有绿色、安全、长寿命等优点，但遗憾的是其严重依赖地理条件，储能密度低，难以广泛推广。

基于新型深冷科技的液态空气储能（LAES）技术是实现新能源并网消纳、合理吸收低谷电、余热资源，并可以稳定输出冷、热、电及工业用气等多种能源的新型储能方法。

液态空气储能技术原理

液态空气储能具有大规模长时储能、清洁低碳、安全、长寿命和不受地理条件限制等突出优点，其应用场景广泛，尤其是在可再生能源消纳、电网调峰调频、黑启动、分布式能源、微网和综合能源服务等领域具有特别优势。

从技术原理看，在储能阶段，储能系统利用可再生能源电能或电网夜间低谷电驱动压缩机压缩环境空气，高压空气经蓄冷器预冷后节流液化，将电能以常压低温液态空气形式储存，同时存储压缩热。

在释能阶段，液态空气经低温泵增压后，通过蓄冷器储存冷量并气化，经压缩热（可选太阳能光热或工业中低温余热）加热后，产生高压高温气体驱动空气透平旋转做功，带动发电机发电并网。同时，系统中富余的压缩热能可部分用于生活热水供应或冬季采暖，部分用于吸收式制冷机组供应空调冷水用于夏季供冷。系统可根据不同季节不同的能量需求灵活调整冷热电供应比例，实现经济性最优。

未来的液空储能电站将是一座可实现多能互补和多能联供的智慧综合能源基站。由于液态空气的密度远大于压缩空气的密度，其储能密度（单位储气容积的发电量）是压缩空气储能的15-20倍，不需要依赖特殊地理条件（地下盐穴、矿井），也无需使用大量高压容器，系统无任何安全性问题。正是基于其显著优势，液态空气储能有望成为最具发展前景的新兴能源技术之一，也是未来智能电网的主流支撑技术之一。

低温蓄冷技术是液空储能核心

从液态空气储能的实践看，英国Highview公司和伯明翰大学正在对液态空气储能技术进行研发及产业化，于2012年在英国建成350 kW/2.5 MWh实验平台。同时，该团队于2014年开始建造5MW/15MWh示范项目，并正在美国开展50 MW/250 MWh储能电站建设，将在2022年开始运转。

在国内，2017年中科院理化所团队在廊坊中试基地完成了100 kW低温液态空气储能示范平台的建设，取得了良好的实验结果，蓄冷效率达到了90%，系统整体效率可达60%，达到国际领先水平。

低温蓄冷技术是液态空气储能系统的核心，决定系统能量转化率。依托低温蓄冷技术可以存储液态空气复温过程中产生的高品位冷能，可以用于预冷液化系统中的高压空气，大幅增加了空气液化率。中科院理化所在该领域开展了多年研究，团队与国家电网科研团队密切合作，在新型蓄冷介质、深低温冷能传递机理等基础研究，以及新型蓄冷工艺和结构设计等方面取得了一系列原创成果。

2020年，团队搭建了500 kW级固相蓄冷工程验证平台，可实现大功率模块化串、并联蓄冷；搭建了100 kW级混合工质蓄冷工程验证平台，可实现多种蓄冷工质的低温蓄冷实验，并完成了-160℃温区的混合工质测试。

同时，团队完成了液空储能系统和风电、太阳能光热、燃气轮机调峰电站、深度调峰火电厂及LNG接收站的深度耦合应用研究，建立了多个功率等级基于液空储能的多能互补和多能联供系统工程化实施方案以及经济分析模型，促进了液空储能技术在智慧综合能源领域的应用。

建议推进百兆瓦级液空储能技术研究

针对液态空气储能大功率，高能量转换效率、高可靠性的需求，未来建议开展百兆瓦级高效液态空气储能系统共性关键技术研究，重点部署大功率液态空气储能关键工艺研究、冷/热能多级储存利用技术研究、高效宽工况压缩/膨胀技术研究、系统集成及运行控制技术研究。

目前，储能商业模式并不明晰，且液态空气储能技术尚处于示范到商业化应用的过渡阶段。我们认为，积极开展液态空气储能在发电侧、电网侧和用户侧等不同应用场景中应用分析，将有助于该技术的广泛推广，获得能源投资企业、电网、用户等各方的广泛支持。同时，基于液态空气储能的大规模长时储能的优势，在传统分散储能设备的基础上，研究大规模共享储能将会释放液态空气储能更大的商业价值。