基于超临界二氧化碳循环的电热储能系统

2020-11-13郑开云

分布式能源 2020年5期

郑开云

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海闵行 200240)

0 引言

当前，储能产业快速发展，预计2020年我国的储能规模将达到42 GW[1]，市场巨大。储能技术包括：储热、储电、储氢以及其他能源载体储能技术(power to x)[2]，各种新型的储能技术正在加紧研发。近年来，在发电领域出现了先进的超临界二氧化碳循环发电技术[3-5]，其采用二氧化碳作为工质，二氧化碳化学性质不活泼、无色无味无毒、安全、廉价、易获得，是一种优良的天然工质。美国NetPower公司的Allam循环示范电站为超临界二氧化碳循环机组，采用天然气纯氧内燃加热，透平进气参数可达1 150 ℃/30 MPa[6-8]。超临界二氧化碳循环效率高、系统简化、设备紧凑，并且应用广泛，这些优点使其倍受人们关注，其中储能领域也是超临界二氧化碳循环发挥优势的潜在方向之一。Matteo Morandin等瑞士学者提出了基于热力循环的热电储能系统[9-10]，以二氧化碳为工质构建热泵和热机，热泵完成储热和储冷，热机再将热量和冷量转化为电能，理论估计的能量转换效率可达60%。Hui Liu等中、美学者提出了压缩二氧化碳储能系统[11]，与压缩空气储能相比，可获得更高的储能密度和能量转换效率。

本文从超临界二氧化碳循环的特点出发，将其用于构建电热储能系统，并给出概念设计方案，分析储能效率，初步探讨储能系统的经济性，旨在通过这些研究获得有应用价值的储能系统，从而为大规模电力储能技术的发展提供新的思路。

1 电热储能系统

1.1 电热储能技术路线

电热储能属于传统的储能技术，通常在低电价时段将电能转化为热能储存，然后在需要时，释放热能用于生产或生活供热，但是将储存的热能重新转化为电能的应用较少。近期，Siemens Gamesa可再生能源公司宣布，其电热储能系统Altenwerder正式启动运营，该系统可在火山岩中储存130 MW·h的电力，储热设施包括约1 000 t火山岩，用作储热介质[12]。通过电阻加热器和风机将电能转换成热空气，然后将岩石加热到750 ℃。当需要储存的能量时，使用汽轮机对储存的热量进行热力发电并将其反馈回电网。可见，电热储能系统可实现大容量的从电到电的储能功能。众所周知，热力发电的效率取决于热力循环的参数，在750 ℃以下温度等级，汽轮机组的热效率不超过55%，这个指标从经济性角度而言还不够高。超临界二氧化碳循环在同等参数下热效率高于汽轮机组[13]，且温度越高效率优势越大，可以为电热储能提供新的技术路线。但是，还需要探索适合二氧化碳工质的高温储热介质。

1.2 超临界二氧化碳循环

超临界二氧化碳循环概念设计方案如图1所示，用于将电热储热模块中的热能重新转化为电能。这里提出2种可选方案。

1—主泵；2—低温回热器；3—低温加热器；4—高温回热器；5—储热模块；6—透平；7—发电机；8—冷却器；9—分流压缩机。图1 超临界二氧化碳循环电热储能系统示意图Fig.1 Schematic of supercritical carbon dioxide cycle electrothermal energy storage system

方案1。超临界二氧化碳循环采用分流再压缩布置方式[13]，基本工作流程为：以主泵入口为起点，工质先经主泵压缩增压，经低温回热器，与分流压缩机出来的工质汇合，再经高温回热器，然后进入储热模块吸收储热介质的热量，再经透平膨胀做功推动发电机转换为电能，透平排出工质经高温回热器和低温回热器，一股分流进入分流压缩机增压，另一股进入预冷器冷却后再回到主泵入口。

方案2。超临界二氧化碳循环采用简单回热布置方式，但是与低温回热器并联一个低温加热器，利用超临界二氧化碳循环主泵出口工质的大比热的特点[14]，可用于回收廉价的低温余热(如300 ℃以下的工业余热)或太阳能热，有利于提高综合能效。此方案的基本工作流程为：以主泵入口为起点，工质先经主泵压缩增压，一股分流进入低温回热器，另一股进入低温加热器，然后两股工质汇合，再经高温回热器，然后进入储热模块吸收储热介质的热量，再经透平膨胀做功推动发电机转换为电能，透平排出工质经高温回热器和低温回热器，另一股进入预冷器冷却后再回到主泵入口。

储热模块通过电加热储热介质将电能转化为介质中的热能(如相变潜热)，其中的关键点是寻找合适的高温储热介质，目标是使超临界二氧化碳循环运行在1 000 ℃等级的高温，实现足够高的热效率。

1.3 储热介质

电热储能采用超临界二氧化碳循环技术，所对应的储热介质，除本身应安全、可靠、环保以外，还要求储能密度高、与二氧化碳相容、可以直接接触换热、价格可接受。

本文考虑金属铜作为储热介质，铜的熔点1 083 ℃，熔化热13.26 kJ/mol(208.6 kJ/kg)，可利用其熔化过程储热、凝固过程放热，液态铜的密度8.92 kg/L，储热密度可达58 W·h/kg或516 W·h/L。目前，锂电池储能密度已超过150 W·h/kg或450 W·h/L，而且还在不断提高[15]。相比之下，虽然铜相变储能的运行温度很高，但是其储能密度也是比较高的。

进一步考虑到铜的物性，以实现与二氧化碳直接接触换热。尽管二氧化碳化学性质稳定，但是在高温下仍然可能与金属发生反应。许多常用的金属材料，如铁，会与二氧化碳反应，长期服役会生成大量氧化物，只能与二氧化碳间接换热，高温高压条件下的间壁式换热器难以实现。将铜与二氧化碳之间所有可能发生的化学反应列举如下：

上述化学反应的吉布斯自由能变化均大于零，反应不能自发进行，基本可以排除铜与二氧化碳发生化学反应的可能性，即便铜有被氧化的倾向，也可以通过添加微量还原剂(如CO)来防止。不过，在实际情况下，仍需要考虑到二氧化碳中的杂质气体和铜里面的杂质存在，这些元素可能导致其他的化学反应。由此可看，铜与二氧化碳具备直接接触换热的基本条件，并且铜作为储热介质其使用寿命可以足够长。要实现铜与二氧化碳在高温高压条件下直接接触换热，还需要将其封闭在承压容器内，承压容器运行压力达30 MPa以上，最好使容器壁温低于400 ℃，可选用氧化铝、氧化镁、氧化锆等超高温隔热材料作为内衬，用低合金钢或碳钢制造容器，以降低成本。

最后，选择铜作为相变储热介质，将其置于封闭的高压容器内，构建电加热储热模块，作为超临界二氧化碳循环的热源。储能过程中电加热使固态铜熔化为液态，电能转变为热能；释能过程中液态铜凝固成固态铜，释放的热量通过超临界二氧化碳循环转变为电能。

2 储能效率分析

储能效率是储能技术最重要的指标之一。电热储能系统的储能效率(η)可表示为“电→热”转换效率(η1)和“热→电”转换效率(η2)的乘积，即

η=η1η2

(1)

电加热储热过程中电能直接转换成热能，理论上η1=100%，但实际上有热损失，如果储热容器有充分的隔热措施，向环境散热可忽略不计。保守地，假设电加热过程和保温过程中的热损失为3%，则可认为η1=97%。η2就是超临界二氧化碳循环的净发电效率，这里重点对η2进行分析计算。

对于图1的超临界二氧化碳循环，给定了净发电功率为20 MW的循环系统的参数，列于表1，其中透平入口参数1 050 ℃/30 MPa，略低于Allam循环的参数[6-7]，冷端温度20 ℃，需要冷却水源温度较低的厂址。循环达到稳态时的热效率η3可表达为

(2)

式中：Wt为透平输出功率；Wc分别为主泵和分流压缩机消耗功率之和；Q为工质从储热模块吸收的热量。

压缩机内的压缩过程与透平内的膨胀做功过程均视为绝热过程，等熵效率分别用ηc和ηt表示。

压缩机压缩过程的等熵效率为

(3)

式中：hc,out,is为等熵过程中压缩机出口的工质比焓；hc,in为压缩机入口的工质比焓；hc,out为压缩机出口的工质比焓。

透平膨胀做功过程的等熵效率为

(4)

式中：ht,in为透平入口的工质比焓；ht,out为透平出口的工质比焓；ht,out,is为等熵过程中透平出口的工质比焓。

循环系统的回热器、加热器等换热器的换热过程中，近似地认为高温侧放热量等于低温侧吸热量。由于循环系统中的机械损失、热损失、管道压损、漏气、辅助设备用电等次要因素对循环系统热效率造成的影响非常小[14-15]，为便于热力学计算，将这些损失统一归并为2%，即

η2=(1-2%)η3

(5)

超临界二氧化碳循环参数如表1所示。针对方案1，计算得到循环回路中各个位置的状态参数值，列于表2。由此，可得到循环热效率分析结果，包括主泵、分流压缩机、透平和储热模块的功率，列于表3。

表1 超临界二氧化碳循环参数Table1 Parameters for supercritical carbon dioxide cycle

表3 超临界二氧化碳循环热效率分析结果(方案1)Table 3 Thermodynamic analysis results for supercritical carbon dioxide cycle (case 1) %

方案1的储能效率可达60.74%，可以满足电力储能对于效率指标的要求。进一步计算方案2，方案2利用了低温余热，假定低温余热加热分流工质至220 ℃，工质从储热模块吸收的热量减小。计算得到方案2循环回路中各个位置的状态参数值，列于表4。由此，可得到循环热效率分析结果，列于表5。方案2的储能效率可达67.10%，提高了电热储能系统的技术竞争力。

表4 超临界二氧化碳循环状态参数值(方案2)Table 4 Parameters for supercritical carbon dioxide cycle (case 2)

表5 超临界二氧化碳循环热效率分析结果(方案2)Table 5 Thermodynamic analysis results for supercritical carbon dioxide cycle (case 2) %

3 储能经济性初探

根据上文研究，基于超临界二氧化碳循环在电热储能系统在技术上具有可行性，但还需要进一步分析其经济上的可行性。

所述储能系统中储热模块的投资最大，储热模块的主要成本是铜，其初始投资较高，承压容器及其他辅件投资相对要小得多。已知铜的价格约为5×104元/t，折算后的储热成本为860元/(kW·h)。假设储存100 MW·h的热能，则铜的用量约1 720 t，需要86×106元。由于铜在储热模块服役过程中的损耗很小，则储热模块退役时，铜基本上还是保持了原值，从全寿期来看，储热模块的折旧非常少。所以，铜作为储热介质在经济性方面有较大的优势。

超临界二氧化碳循环的系统和设备都很简单，其技术成熟度也在不断提高，系统还在不断优化改进[16]，乐观地，可以预测在未来几年后可实现商业化应用。按照设备国产估算，其设备成本应该与现有的燃气轮机设备在相近的水平，设备成本按照2 500元/kW计算，对于20 MW容量的超临界二氧化碳循环系统，则需要50×106元。

按照储热量100 MW·h，释放电量60 MW·h，配20 MW容量的超临界二氧化碳循环计算，总的投资成本约为150×106～180×106元，可得到储能系统的单位投资成本约为2 500～3 000元/(kW·h)，与电化学储能成本相当[16]。如果不计储热介质铜的投资成本，则储能系统的单位投资成本可低于1 500元/(kW·h)。因此，基于超临界二氧化碳循环在电热储能系统具有较好的经济性，有望为大规模电力储能提供新的解决方案。