郝佳豪
中國科學(xué)院大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院
培養(yǎng)單位:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所
眾所周知,二氧化碳是全球工業(yè)排放的主要廢氣,更是一種典型的溫室氣體,從這點(diǎn)來看,可以說是妥妥的廢物了。
眾所又周知,咱們在控制碳排放方面可以說是走在世界前列的,主打的就是一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國。那照此看來,這二氧化碳對我們來說是有害而無利啊,事實(shí)果真如此…… 嗎?
別急,咱有黑科技,把二氧化碳這廢物變成儲能的法寶,制作一個(gè)大號的二氧化碳“充電寶”,讓它也為實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”出把力。
我們先來了解一下儲能的概念。
儲能的概念
儲能,即能量的儲存,是指通過介質(zhì)或設(shè)備把一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量儲存起來,在需要時(shí)再釋放的過程。儲能分為儲冷、儲熱和儲電,我們講的充電寶是一種電力的儲存。
把電能儲存起來這種想法并不是憑空出現(xiàn)的,早在遙遠(yuǎn)的古希臘,人們就已經(jīng)知道琥珀碎片在摩擦后可以產(chǎn)生電吸引輕質(zhì)顆粒。然而,由摩擦產(chǎn)生的電非常容易消逝。來自荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克因?yàn)榭吹胶貌蝗菀资占碾妳s很容易地在空氣中逐漸消失,力求找到一種保存電的方法,于是在 1746 年,發(fā)明了收集電荷的“萊頓瓶”。這便是最早儲存電力的裝置。
技術(shù)總是隨著時(shí)間不斷地發(fā)展。到了當(dāng)代我們儲存電力的方式已經(jīng)變得多種多樣,比如電化學(xué)儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能等。
為什么要儲能?
目前,我們用的電很多都來自于燃煤發(fā)電。燃燒煤炭發(fā)電會產(chǎn)生大量的二氧化碳,而二氧化碳是溫室氣體,對于我們的環(huán)境并不友好。于是,我們想到了使用風(fēng)能、太陽能等可再生能源來實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)型,從源頭上減少二氧化碳的排放。
國家能源局 7 月 31 日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,截至 6 月底我國可再生能源裝機(jī)達(dá)到 13.22 億千瓦,歷史性超過煤電,約占我國總裝機(jī)的 48.8%。數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)前全國發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到 27.1 億千瓦,同比增長 10.8%。其中,水電裝機(jī) 4.18 億千瓦,風(fēng)電裝機(jī) 3.89 億千瓦,光伏發(fā)電裝機(jī) 4.7 億千瓦,生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī) 0.43 億千瓦。相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測,到 2050 年,可再生能源在我國能源體系中占比有望達(dá)到 78.0%。
然而,風(fēng)能和太陽能具有顯著的間歇性、波動性和不確定性等不利因素,發(fā)出來的電并不穩(wěn)定,很難與用戶白天、晚上用電量不同的特質(zhì)相匹配。并且,用戶的用電量不僅在白天和晚上具有差異,在不同的季節(jié)所用的電也是不同的。
據(jù)調(diào)研,我國電力供需“平時(shí)充裕、尖端緊張”和“整體充裕、局部緊張”的特征日益明顯。剛剛結(jié)束的迎峰度夏,全國氣溫的不斷攀升和空調(diào)制冷負(fù)荷不斷釋放;馬上到來的迎峰度冬,氣溫降低帶來的取暖需求,都為能源消費(fèi)帶來不小的挑戰(zhàn)
這時(shí)候儲能系統(tǒng)就起到了為電網(wǎng)“削峰填谷”的作用,它就像一個(gè)大號的充電寶,當(dāng)用電少而發(fā)電多的時(shí)候就儲存起來,而用電多而發(fā)電不足時(shí)就釋放。如果我們在發(fā)電、輸電、配電、用電,每個(gè)環(huán)節(jié)都配上一個(gè)充電寶,就可以使發(fā)電和用戶用電相匹配,既滿足我們的用電需求,又可以減少多余電力的浪費(fèi)。
二氧化碳“充電寶”是什么技術(shù)?
前面我們提到了抽水蓄能、壓縮空氣儲能以及二氧化碳儲能,這三種方式均是一種大規(guī)模、可用于調(diào)峰的長時(shí)儲能技術(shù)。但不同的儲能方式也是各有利弊的。抽水蓄能是一種將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能儲存起來的儲能技術(shù),其裝機(jī)比例大,應(yīng)用較為成熟,但存在著對地理環(huán)境要求較高、建設(shè)周期長、初期投資大、破壞生態(tài)環(huán)境等客觀問題。
壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能都是一種壓縮氣體儲能技術(shù)。
從工質(zhì)物性上看,二氧化碳的臨界點(diǎn) (7.39 MPa 和 31.4 ℃) 相對空氣 (3.77 MPa 和-140.5 ℃) 容易實(shí)現(xiàn)液化,且二氧化碳無毒、不易燃、安全等級為 A1,且超臨界二氧化碳 (S-CO?) 具有優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì):黏度小、密度大、導(dǎo)熱性能好。相同狀態(tài)和壓力下 CO?儲存密度均大于空氣,其中液態(tài)儲存時(shí)最高,因此二氧化碳儲能系統(tǒng)具有更高的儲能潛力。
二氧化碳儲能是一種很有前景的新型大規(guī)模長時(shí)儲能技術(shù),具有電-電轉(zhuǎn)換效率高、儲能密度大、壽命長、成本低等特點(diǎn),能夠滿足可再生能源大規(guī)模電力消納、電網(wǎng)削峰填谷和火電蓄能調(diào)峰等龐大市場需求,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
如圖所示,二氧化碳儲能系統(tǒng)主要由二氧化碳高低壓儲罐、壓縮機(jī)、透平(汽輪機(jī))、蓄冷換熱器和蓄熱蓄冷子系統(tǒng)組成。其工作原理可分為儲能階段和釋能階段兩個(gè)過程。
儲能時(shí),低壓儲罐中的低壓氣態(tài)二氧化碳經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮至超臨界狀態(tài),同時(shí)進(jìn)入中間冷卻器吸收壓縮熱并通過蓄熱介質(zhì)將熱量儲存在蓄熱罐中,最后二氧化碳被常溫水液化儲存在高壓儲罐中;
釋能時(shí),高壓儲罐中的二氧化碳經(jīng)過加熱器升溫氣化,再進(jìn)入透平中推動透平葉輪發(fā)電,同時(shí)再將加熱器出口的低溫蓄熱介質(zhì)冷量儲存在蓄冷罐中,末級透平出口的二氧化碳再返回低壓儲罐。
該系統(tǒng)通過輸入工業(yè)低谷電或風(fēng)光棄電,并將其以二氧化碳內(nèi)能、壓力能和蓄熱工質(zhì)熱能儲存,在用電高峰時(shí)釋放二氧化碳驅(qū)動透平發(fā)電,以實(shí)現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)和電網(wǎng)蓄能調(diào)峰,同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行伴隨熱負(fù)荷也可實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱,依托區(qū)域分布式能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效多能聯(lián)供。
二氧化碳儲能可以應(yīng)用到哪些場景?
首先就是在發(fā)電側(cè),二氧化碳儲能系統(tǒng)可以充當(dāng)為風(fēng)、光等新能源電站的充電寶和燃煤的火力發(fā)電廠的充電寶。
二氧化碳儲能技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)也大有用處,我們常常在新聞上看到各類大規(guī)模的停電事件對大量的住戶或是正在運(yùn)作的工廠造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,如果此時(shí)電網(wǎng)的集配站配有二氧化碳“充電寶”,那么這時(shí)候我們就可以用二氧化碳所儲存的電能優(yōu)先給一部分關(guān)鍵的地區(qū)供電,挽回大量的經(jīng)濟(jì)損失。
同理,我們也可以將二氧化碳儲能技術(shù)用在用戶側(cè)端,例如一些用電量大的工業(yè)園區(qū)和海洋平臺微電網(wǎng)等等場景。
二氧化碳儲能的未來
二氧化碳儲能是一種新型長時(shí)大規(guī)模儲能技術(shù),且正處于技術(shù)示范推廣的關(guān)鍵時(shí)期。其背后蘊(yùn)藏著萬億級的儲能市場,如果得到大規(guī)模的推廣將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
目前,意大利 Energy Dome 公司在 2022 年 6 月建成了一套 4MW?h 的“二氧化碳電池”試點(diǎn)項(xiàng)目;2023 年 8 月,中科院理化所科研團(tuán)隊(duì)也在河北省廊坊市建設(shè)了國內(nèi)首個(gè)百千瓦二氧化碳儲能示范驗(yàn)證項(xiàng)目。除了示范項(xiàng)目,目前也有更大規(guī)模的、百兆瓦級的項(xiàng)目正在規(guī)劃中。百兆瓦級的二氧化碳儲能系統(tǒng)是什么概念呢?例如一套 100MW / 400MW?h 的二氧化碳儲能系統(tǒng)(100MW 指的是它的發(fā)電功率,400MW?h 指的是它的發(fā)電容量),400MW?h 的容量即該系統(tǒng)能夠發(fā)出 40 萬度電,按照每戶每月用電 350~450 度來算,該系統(tǒng)完成一次充放電可供近千戶用戶用電一個(gè)月。而該系統(tǒng)完成一次充電和一次放電均僅需幾小時(shí)。
目前,全球國家已陸續(xù)設(shè)立了符合各國國情的雙碳目標(biāo),中國也不例外。從技術(shù)先進(jìn)性來看,二氧化碳儲能是一種可以支撐“碳達(dá)峰、碳中和”的新型技術(shù),可保障高比例可再生能源并網(wǎng)及電網(wǎng)安全,也可以加速能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型,同時(shí)還可以產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。二氧化碳儲能除了從源頭上減少二氧化碳的排放,還可以和碳捕集技術(shù)相結(jié)合。壓縮二氧化碳儲能過程中要儲存大量的二氧化碳,將這些二氧化碳儲存起來作為“充電寶”使用,可以減少大氣層中的二氧化碳從而緩解溫室效應(yīng),維護(hù)生態(tài)環(huán)境。
本文來自微信公眾號:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:郝佳豪
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