耦合空分装置生产的液化空气储能系统研究

＊黄 欢

（四川梅塞尔气体产品有限公司 四川 611731）

随着社会发展进入工业4.0智能化制造时代，能源供需形势相对紧张，尤其是居民生活用电、一般工商业用电、大工业用电以及农业生产用电电能的需求量日益增长,电能的供需矛盾逐渐显现甚至发生“拉闸限电”现象[1-4]。电能是二次能源，来源有水电、火电、核电、风电、太阳能电、海洋能电及生物能电等，目前65%以上的电能来自于化石能源燃烧的火电[5-8]，大量、长期的使用不可再生性的化石能源将不可避免的面临耗尽的危机和造成自然环境不可估量的破坏，同时地球自然生态环境的影响水电、风电、太阳能电等易出现强烈气候依赖性，导致电能供需的平衡受到破坏。根据国家能源局《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》，到2030年，非化石能源发电量占全部比重力争达到50%，非化石能源占一次能源消费总量比重达到20%，二氧化碳排放达到峰值[9]。可以预见风能、太阳能、海洋能等可再生能源将成为能源供应结构中的重要组成部分，开发利用可再生能源是促进能源清洁化发展、改善能源结构、保障能源供应的重要措施，更是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要技术途径[10-12]。

虽然电（磁）能是可以直接储存的，常见的储存形式为超导环流储能，还有一种就是电容储能。但电能的存储有一个很大的损耗缺点，所以电能很难被大量直接地储存[13-15]。电子在运动过程中也会相互碰撞或与其他原子碰撞而降低动能，超导技术尚无法实现大规模应用，因此电动能形式的直接存储电能较难实现[16-18]。储能技术已经成为可再生能源发电并网的重要技术，是能源革命的关键支撑技术，是解决可再生能源大规模利用、提高电力系统经济性和安全性的迫切需要[19-20]，储能技术和可再生能源技术被麦肯锡全球研究院评选为2025年将对人类商业、工作和生活甚至国家竞争力产生重大影响的12项颠覆性技术之一[21]。由于可再生能源的间歇性、不确定性、地理环境限制及电力用户需求的波动性等特点，电网不能消化全部可再生能源的发电，造成可再生能源难以实现大规模集中利用及利用效率低下，弃光、弃风等现象非常严重[22-23]。因此，迫切需要开发大规模及高效的储能技术对可再生能源的能量进行储存，以持续稳定的方式输出电能[24-26]。

我国已经成为世界储能技术基础研究最活跃的国家，也已成为世界储能技术研发和示范的主要核心国家之一，2021年我国主要储能技术有抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、液化空气储能、电池储能、超级电容器储能和新型储能技术等[27-29]。其中，液化空气储能（Liquefied Air Energy Storage，LAES）具有技术相对成熟、安全环保、运行寿命长、能量密度大和低投资成本[30-32]等优点，其原理如图1所示。液化空气储能技术近年来大力发展并实现市场应用，英国高瞻远瞩（Highview）公司于2011年试制了全球第一套液化空气储能装置样机，其后在液化空气储能系统方面开发并运营了一系列项目，现已将液化空气储能装置扩展到千兆瓦（GW）级别，液化空气储能系统的撬块化、模块化设计也取得较大进展，目标是快速、灵活的运用于各种场景[33-35]。

图1 液化空气储能（LAES）原理图

常规液化空气储能系统分为能量储存系统和能量释放系统，能量储存系统是在电网电能过剩时利用电能将环境空气加压、降温、液化，然后储存于液化空气贮罐，能量释放系统是在电网电能不足时将液化空气贮罐中的液化空气经过低温泵增压、热交换器气化后送入透平发电机，进行膨胀发电供给电网[36-37]。但是常规液化空气储能系统仍然存在循环效率（50%～60%）较低、经济效益差、应用场景受限等问题[38-40]，本研究构建一种耦合空分装置生产的液化空气储能系统，该系统应用场景广泛，能够灵活的电力调峰及生产液化空气产品，提高了常规液化空气储能系统的能量循环效率及经济效益。

1.系统结构及流程概述

图2为耦合空分装置生产的液化空气储能系统，该系统由3个相互联系的子系统组成：能量储存子系统、能量转移及释放子系统和产品储运子系统。

图2 耦合空分装置生产的液化空气储能系统

(1)能量储存子系统

该系统将电能转化为深冷能。环境空气经空气压缩及冷却装置压缩为高压空气，高压空气进入空气净化装置（由分子筛吸附筒、再生气加热器等组成）脱除二氧化碳和水分等杂质，然后进入空气液化及精馏装置（由板翅式换热器、冷凝蒸发器、精馏塔、循环压缩机、低温膨胀增压机等组成），高压空气被降温由气态发生相变成为液态，液化状态的空气在精馏塔中进行精馏得到液化空气产品（液氮、液氧、液氩），液化空气产品送入液化产品贮存装置储存。

(2)能量转移及释放子系统

该系统将深冷能分为两阶段回收利用，第一阶段将深冷能转移至原料高压空气，第二阶段将深冷能转化为电能。液化产品贮存装置中的液化空气产品经低温泵增压后送入空气液化及精馏装置，液化产品通过板翅式换热器与原料高压空气换热气化，气化后的高压气体进入空气压缩及冷却装置进一步升温，升温后的高温高压气体送入透平机（透平机与发电机相连）做功，带动发电机旋转发电向电网输出电能，膨胀做功后的气体排放至大气。

(3)产品储运子系统

该系统将液化空气产品送至用户。液化产品贮存装置中的液化空气产品由充车泵注入到低温槽车，然后通过低温槽车将液化空气产品运送至用户。

2.结果与讨论

与常规液化空气储能系统相比，本研究提出的耦合空分装置生产的液化空气储能系统具有以下技术优势：

(1)系统负荷调节灵活

空分装置技术成熟、应用广泛、操作简单、启动速度快、负荷调节范围大、系统可靠性强。耦合空分装置生产的液化空气储能系统中空分装置生产与液化空气储能联动，可以根据电网用电的峰谷阶段快速调整系统负荷，减少设备频繁开停机带来的故障风险。在电网用电的谷值阶段增加空分装置负荷，尽量多的生产液化空气产品储存于液化产品贮存装置；在电网用电的峰值阶段减小空分装置负荷，使用液化产品贮存装置中的液化空气产品发电，向电网输出电能用于电网调峰。该系统通过灵活的负荷调节方式，可以连续的进行液化空气产品生产储存能量以及气化液化空气产品释放能量用于发电灵活的电网调峰。

(2)能量循环效率高

在空气液化及精馏装置的板翅式换热器中，经低温泵增压后的液化空气产品与原料高压空气换热，用于发电的液化空气产品被升温气化，同时原料高压空气被降温由气态发生相变成为液态。通过板翅式换热器换热，液化空气产品的深冷能转移回收至原料高压空气，实现高品位能的直接转移。在空气压缩及冷却装置，用于发电的高压气体与压缩后的高温原料空气换热，用于发电的高压气体被进一步升温提高了其发电能力。通过上述两个换热过程，系统以内循环的方式充分回收利用了电能、热能和深冷能，提高了系统能量循环效率。

(3)应用场景广泛

常规液化空气储能系统对外部热源依赖高，需要外界提供过剩的能量（低品位废热等），同时常规液化空气储能系统多为风电场站、光伏电场站等新能源发电系统配套建设，选址及应用场景具有一定的局限性。耦合空分装置生产的液化空气储能系统空分装置生产与液化空气储能联动，关联性强，整体性集中，系统以内循环的方式充分回收利用电能、热能和深冷能，不需要外界提供过剩的能量；该系统空分装置生产的液化空气产品可以销往市场，即使缺少液化空气储能的电网调峰经济效益该系统也具备独立运营的能力，选址不受限于配套风电场站、光伏电场站，因此该系统应用场景更加广泛。

(4)经济效益提升

耦合空分装置生产的液化空气储能系统在低电价时段（电网谷值阶段）可尽量多的生产液化空气产品储存，在高电价时段（电网峰值阶段）尽量多的气化液化空气产品用于发电电网调峰。该系统不仅通过低电价时段生产的液化空气产品提高市场竞争力获得经济效益，也通过高电价时段发电并网电网调峰的分时电价差获得经济效益，系统经济效益得到显著提升。

3.结论

与常规液化空气储能系统相比，本研究提出的耦合空分装置生产的液化空气储能系统具有关联性强，整体性集中、可靠性强，负荷调节灵活，能量循环效率高的技术优势，同时可实现经济效益的提升与应用场景的推广，实用价值有所提高，该研究经推展改进后可应用于高效规模化的可再生能源储存、电网调峰等。