基于超臨界二氧化碳循環(huán)的電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)

鄭開(kāi)云

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 閔行 200240)

0 引言

當(dāng)前，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2020年我國(guó)的儲(chǔ)能規(guī)模將達(dá)到42 GW[1]，市場(chǎng)巨大。儲(chǔ)能技術(shù)包括：儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電、儲(chǔ)氫以及其他能源載體儲(chǔ)能技術(shù)(power to x)[2]，各種新型的儲(chǔ)能技術(shù)正在加緊研發(fā)。近年來(lái)，在發(fā)電領(lǐng)域出現(xiàn)了先進(jìn)的超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)[3-5]，其采用二氧化碳作為工質(zhì)，二氧化碳化學(xué)性質(zhì)不活潑、無(wú)色無(wú)味無(wú)毒、安全、廉價(jià)、易獲得，是一種優(yōu)良的天然工質(zhì)。美國(guó)NetPower公司的Allam循環(huán)示范電站為超臨界二氧化碳循環(huán)機(jī)組，采用天然氣純氧內(nèi)燃加熱，透平進(jìn)氣參數(shù)可達(dá)1 150 ℃/30 MPa[6-8]。超臨界二氧化碳循環(huán)效率高、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、設(shè)備緊湊，并且應(yīng)用廣泛，這些優(yōu)點(diǎn)使其倍受人們關(guān)注，其中儲(chǔ)能領(lǐng)域也是超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的潛在方向之一。Matteo Morandin等瑞士學(xué)者提出了基于熱力循環(huán)的熱電儲(chǔ)能系統(tǒng)[9-10]，以二氧化碳為工質(zhì)構(gòu)建熱泵和熱機(jī)，熱泵完成儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷，熱機(jī)再將熱量和冷量轉(zhuǎn)化為電能，理論估計(jì)的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%。Hui Liu等中、美學(xué)者提出了壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)[11]，與壓縮空氣儲(chǔ)能相比，可獲得更高的儲(chǔ)能密度和能量轉(zhuǎn)換效率。

本文從超臨界二氧化碳循環(huán)的特點(diǎn)出發(fā)，將其用于構(gòu)建電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，并給出概念設(shè)計(jì)方案，分析儲(chǔ)能效率，初步探討儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，旨在通過(guò)這些研究獲得有應(yīng)用價(jià)值的儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而為大規(guī)模電力儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。

1 電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 電熱儲(chǔ)能技術(shù)路線

電熱儲(chǔ)能屬于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)，通常在低電價(jià)時(shí)段將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存，然后在需要時(shí)，釋放熱能用于生產(chǎn)或生活供熱，但是將儲(chǔ)存的熱能重新轉(zhuǎn)化為電能的應(yīng)用較少。近期，Siemens Gamesa可再生能源公司宣布，其電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)Altenwerder正式啟動(dòng)運(yùn)營(yíng)，該系統(tǒng)可在火山巖中儲(chǔ)存130 MW·h的電力，儲(chǔ)熱設(shè)施包括約1 000 t火山巖，用作儲(chǔ)熱介質(zhì)[12]。通過(guò)電阻加熱器和風(fēng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成熱空氣，然后將巖石加熱到750 ℃。當(dāng)需要儲(chǔ)存的能量時(shí)，使用汽輪機(jī)對(duì)儲(chǔ)存的熱量進(jìn)行熱力發(fā)電并將其反饋回電網(wǎng)?？梢?jiàn)，電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大容量的從電到電的儲(chǔ)能功能。眾所周知，熱力發(fā)電的效率取決于熱力循環(huán)的參數(shù)，在750 ℃以下溫度等級(jí)，汽輪機(jī)組的熱效率不超過(guò)55%，這個(gè)指標(biāo)從經(jīng)濟(jì)性角度而言還不夠高。超臨界二氧化碳循環(huán)在同等參數(shù)下熱效率高于汽輪機(jī)組[13]，且溫度越高效率優(yōu)勢(shì)越大，可以為電熱儲(chǔ)能提供新的技術(shù)路線。但是，還需要探索適合二氧化碳工質(zhì)的高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)。

1.2 超臨界二氧化碳循環(huán)

超臨界二氧化碳循環(huán)概念設(shè)計(jì)方案如圖1所示，用于將電熱儲(chǔ)熱模塊中的熱能重新轉(zhuǎn)化為電能。這里提出2種可選方案。

1—主泵；2—低溫回?zé)崞鳎?—低溫加熱器；4—高溫回?zé)崞鳎?—儲(chǔ)熱模塊；6—透平；7—發(fā)電機(jī)；8—冷卻器；9—分流壓縮機(jī)。圖1 超臨界二氧化碳循環(huán)電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of supercritical carbon dioxide cycle electrothermal energy storage system

方案1。超臨界二氧化碳循環(huán)采用分流再壓縮布置方式[13]，基本工作流程為：以主泵入口為起點(diǎn)，工質(zhì)先經(jīng)主泵壓縮增壓，經(jīng)低溫回?zé)崞?，與分流壓縮機(jī)出來(lái)的工質(zhì)匯合，再經(jīng)高溫回?zé)崞?，然后進(jìn)入儲(chǔ)熱模塊吸收儲(chǔ)熱介質(zhì)的熱量，再經(jīng)透平膨脹做功推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，透平排出工質(zhì)經(jīng)高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鳎还煞至鬟M(jìn)入分流壓縮機(jī)增壓，另一股進(jìn)入預(yù)冷器冷卻后再回到主泵入口。

方案2。超臨界二氧化碳循環(huán)采用簡(jiǎn)單回?zé)岵贾梅绞?，但是與低溫回?zé)崞鞑⒙?lián)一個(gè)低溫加熱器，利用超臨界二氧化碳循環(huán)主泵出口工質(zhì)的大比熱的特點(diǎn)[14]，可用于回收廉價(jià)的低溫余熱(如300 ℃以下的工業(yè)余熱)或太陽(yáng)能熱，有利于提高綜合能效。此方案的基本工作流程為：以主泵入口為起點(diǎn)，工質(zhì)先經(jīng)主泵壓縮增壓，一股分流進(jìn)入低溫回?zé)崞?，另一股進(jìn)入低溫加熱器，然后兩股工質(zhì)匯合，再經(jīng)高溫回?zé)崞鳎缓筮M(jìn)入儲(chǔ)熱模塊吸收儲(chǔ)熱介質(zhì)的熱量，再經(jīng)透平膨脹做功推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，透平排出工質(zhì)經(jīng)高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞?，另一股進(jìn)入預(yù)冷器冷卻后再回到主泵入口。

儲(chǔ)熱模塊通過(guò)電加熱儲(chǔ)熱介質(zhì)將電能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)中的熱能(如相變潛熱)，其中的關(guān)鍵點(diǎn)是尋找合適的高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)，目標(biāo)是使超臨界二氧化碳循環(huán)運(yùn)行在1 000 ℃等級(jí)的高溫，實(shí)現(xiàn)足夠高的熱效率。

1.3 儲(chǔ)熱介質(zhì)

電熱儲(chǔ)能采用超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)，所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱介質(zhì)，除本身應(yīng)安全、可靠、環(huán)保以外，還要求儲(chǔ)能密度高、與二氧化碳相容、可以直接接觸換熱、價(jià)格可接受。

本文考慮金屬銅作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，銅的熔點(diǎn)1 083 ℃，熔化熱13.26 kJ/mol(208.6 kJ/kg)，可利用其熔化過(guò)程儲(chǔ)熱、凝固過(guò)程放熱，液態(tài)銅的密度8.92 kg/L，儲(chǔ)熱密度可達(dá)58 W·h/kg或516 W·h/L。目前，鋰電池儲(chǔ)能密度已超過(guò)150 W·h/kg或450 W·h/L，而且還在不斷提高[15]。相比之下，雖然銅相變儲(chǔ)能的運(yùn)行溫度很高，但是其儲(chǔ)能密度也是比較高的。

進(jìn)一步考慮到銅的物性，以實(shí)現(xiàn)與二氧化碳直接接觸換熱。盡管二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但是在高溫下仍然可能與金屬發(fā)生反應(yīng)。許多常用的金屬材料，如鐵，會(huì)與二氧化碳反應(yīng)，長(zhǎng)期服役會(huì)生成大量氧化物，只能與二氧化碳間接換熱，高溫高壓條件下的間壁式換熱器難以實(shí)現(xiàn)。將銅與二氧化碳之間所有可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)列舉如下：

上述化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變化均大于零，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，基本可以排除銅與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性，即便銅有被氧化的傾向，也可以通過(guò)添加微量還原劑(如CO)來(lái)防止。不過(guò)，在實(shí)際情況下，仍需要考慮到二氧化碳中的雜質(zhì)氣體和銅里面的雜質(zhì)存在，這些元素可能導(dǎo)致其他的化學(xué)反應(yīng)。由此可看，銅與二氧化碳具備直接接觸換熱的基本條件，并且銅作為儲(chǔ)熱介質(zhì)其使用壽命可以足夠長(zhǎng)。要實(shí)現(xiàn)銅與二氧化碳在高溫高壓條件下直接接觸換熱，還需要將其封閉在承壓容器內(nèi)，承壓容器運(yùn)行壓力達(dá)30 MPa以上，最好使容器壁溫低于400 ℃，可選用氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯等超高溫隔熱材料作為內(nèi)襯，用低合金鋼或碳鋼制造容器，以降低成本。

最后，選擇銅作為相變儲(chǔ)熱介質(zhì)，將其置于封閉的高壓容器內(nèi)，構(gòu)建電加熱儲(chǔ)熱模塊，作為超臨界二氧化碳循環(huán)的熱源。儲(chǔ)能過(guò)程中電加熱使固態(tài)銅熔化為液態(tài)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；釋能過(guò)程中液態(tài)銅凝固成固態(tài)銅，釋放的熱量通過(guò)超臨界二氧化碳循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

2 儲(chǔ)能效率分析

儲(chǔ)能效率是儲(chǔ)能技術(shù)最重要的指標(biāo)之一。電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率(η)可表示為“電→熱”轉(zhuǎn)換效率(η1)和“熱→電”轉(zhuǎn)換效率(η2)的乘積，即

η=η1η2

(1)

電加熱儲(chǔ)熱過(guò)程中電能直接轉(zhuǎn)換成熱能，理論上η1=100%，但實(shí)際上有熱損失，如果儲(chǔ)熱容器有充分的隔熱措施，向環(huán)境散熱可忽略不計(jì)。保守地，假設(shè)電加熱過(guò)程和保溫過(guò)程中的熱損失為3%，則可認(rèn)為η1=97%。η2就是超臨界二氧化碳循環(huán)的凈發(fā)電效率，這里重點(diǎn)對(duì)η2進(jìn)行分析計(jì)算。

對(duì)于圖1的超臨界二氧化碳循環(huán)，給定了凈發(fā)電功率為20 MW的循環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)，列于表1，其中透平入口參數(shù)1 050 ℃/30 MPa，略低于Allam循環(huán)的參數(shù)[6-7]，冷端溫度20 ℃，需要冷卻水源溫度較低的廠址。循環(huán)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱效率η3可表達(dá)為

(2)

式中：Wt為透平輸出功率；Wc分別為主泵和分流壓縮機(jī)消耗功率之和；Q為工質(zhì)從儲(chǔ)熱模塊吸收的熱量。

壓縮機(jī)內(nèi)的壓縮過(guò)程與透平內(nèi)的膨脹做功過(guò)程均視為絕熱過(guò)程，等熵效率分別用ηc和ηt表示。

壓縮機(jī)壓縮過(guò)程的等熵效率為

(3)

式中：hc,out,is為等熵過(guò)程中壓縮機(jī)出口的工質(zhì)比焓；hc,in為壓縮機(jī)入口的工質(zhì)比焓；hc,out為壓縮機(jī)出口的工質(zhì)比焓。

透平膨脹做功過(guò)程的等熵效率為

(4)

式中：ht,in為透平入口的工質(zhì)比焓；ht,out為透平出口的工質(zhì)比焓；ht,out,is為等熵過(guò)程中透平出口的工質(zhì)比焓。

循環(huán)系統(tǒng)的回?zé)崞?、加熱器等換熱器的換熱過(guò)程中，近似地認(rèn)為高溫側(cè)放熱量等于低溫側(cè)吸熱量。由于循環(huán)系統(tǒng)中的機(jī)械損失、熱損失、管道壓損、漏氣、輔助設(shè)備用電等次要因素對(duì)循環(huán)系統(tǒng)熱效率造成的影響非常小[14-15]，為便于熱力學(xué)計(jì)算，將這些損失統(tǒng)一歸并為2%，即

η2=(1-2%)η3

(5)

超臨界二氧化碳循環(huán)參數(shù)如表1所示。針對(duì)方案1，計(jì)算得到循環(huán)回路中各個(gè)位置的狀態(tài)參數(shù)值，列于表2。由此，可得到循環(huán)熱效率分析結(jié)果，包括主泵、分流壓縮機(jī)、透平和儲(chǔ)熱模塊的功率，列于表3。

表1 超臨界二氧化碳循環(huán)參數(shù)Table1 Parameters for supercritical carbon dioxide cycle

表3 超臨界二氧化碳循環(huán)熱效率分析結(jié)果(方案1)Table 3 Thermodynamic analysis results for supercritical carbon dioxide cycle (case 1) %

方案1的儲(chǔ)能效率可達(dá)60.74%，可以滿足電力儲(chǔ)能對(duì)于效率指標(biāo)的要求。進(jìn)一步計(jì)算方案2，方案2利用了低溫余熱，假定低溫余熱加熱分流工質(zhì)至220 ℃，工質(zhì)從儲(chǔ)熱模塊吸收的熱量減小。計(jì)算得到方案2循環(huán)回路中各個(gè)位置的狀態(tài)參數(shù)值，列于表4。由此，可得到循環(huán)熱效率分析結(jié)果，列于表5。方案2的儲(chǔ)能效率可達(dá)67.10%，提高了電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

表4 超臨界二氧化碳循環(huán)狀態(tài)參數(shù)值(方案2)Table 4 Parameters for supercritical carbon dioxide cycle (case 2)

表5 超臨界二氧化碳循環(huán)熱效率分析結(jié)果(方案2)Table 5 Thermodynamic analysis results for supercritical carbon dioxide cycle (case 2) %

3 儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性初探

根據(jù)上文研究，基于超臨界二氧化碳循環(huán)在電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)在技術(shù)上具有可行性，但還需要進(jìn)一步分析其經(jīng)濟(jì)上的可行性。

所述儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)熱模塊的投資最大，儲(chǔ)熱模塊的主要成本是銅，其初始投資較高，承壓容器及其他輔件投資相對(duì)要小得多。已知銅的價(jià)格約為5×104元/t，折算后的儲(chǔ)熱成本為860元/(kW·h)。假設(shè)儲(chǔ)存100 MW·h的熱能，則銅的用量約1 720 t，需要86×106元。由于銅在儲(chǔ)熱模塊服役過(guò)程中的損耗很小，則儲(chǔ)熱模塊退役時(shí)，銅基本上還是保持了原值，從全壽期來(lái)看，儲(chǔ)熱模塊的折舊非常少。所以，銅作為儲(chǔ)熱介質(zhì)在經(jīng)濟(jì)性方面有較大的優(yōu)勢(shì)。

超臨界二氧化碳循環(huán)的系統(tǒng)和設(shè)備都很簡(jiǎn)單，其技術(shù)成熟度也在不斷提高，系統(tǒng)還在不斷優(yōu)化改進(jìn)[16]，樂(lè)觀地，可以預(yù)測(cè)在未來(lái)幾年后可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。按照設(shè)備國(guó)產(chǎn)估算，其設(shè)備成本應(yīng)該與現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備在相近的水平，設(shè)備成本按照2 500元/kW計(jì)算，對(duì)于20 MW容量的超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，則需要50×106元。

按照儲(chǔ)熱量100 MW·h，釋放電量60 MW·h，配20 MW容量的超臨界二氧化碳循環(huán)計(jì)算，總的投資成本約為150×106～180×106元，可得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位投資成本約為2 500～3 000元/(kW·h)，與電化學(xué)儲(chǔ)能成本相當(dāng)[16]。如果不計(jì)儲(chǔ)熱介質(zhì)銅的投資成本，則儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位投資成本可低于1 500元/(kW·h)。因此，基于超臨界二氧化碳循環(huán)在電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，有望為大規(guī)模電力儲(chǔ)能提供新的解決方案。

4 結(jié)論

(1) 基于超臨界二氧化碳循環(huán)的電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)以銅作為相變儲(chǔ)熱介質(zhì)，儲(chǔ)能過(guò)程中電加熱使固態(tài)銅熔化為液態(tài)，釋能過(guò)程中液態(tài)銅凝固成固態(tài)銅，釋放的熱量通過(guò)超臨界二氧化碳循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?/p>

(2) 在1 050 ℃/30 MPa參數(shù)下，基于超臨界二氧化碳循環(huán)的電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)60%的儲(chǔ)能效率，若結(jié)合低溫余熱回收，可進(jìn)一步提高儲(chǔ)能效率到67%；

(3) 基于超臨界二氧化碳循環(huán)的電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)在技術(shù)上具有可行性且經(jīng)濟(jì)性較好，可用于大規(guī)模電力儲(chǔ)能。