二氧化碳储能技术原理

1 工作原理

二氧化碳储能释能过程如图1所示。在储能过程中，低压储罐中的二氧化碳工质首先进入压缩系统，通过电力驱动压缩机进行多级压缩，使二氧化碳工质压力升高并伴随温度上升:压缩后的高温高压二氧化碳进入储热系统进行热量交换，其热能由储热介质吸收储存;随后，经过冷却的高压二氧化碳工质经冷凝后储存于高压储液罐中。在此过程中，电能被转化为热能(储存于储热系统)和压力能(储存于液态二氧化碳中)，完成能量储存。

在释能过程中，储存在高压储液罐中的二氧化碳工质通过水系统蒸发后进入换热系统，经加热蒸发为高压气态工质，随后形成高温高压的二氧化碳，该气体经膨胀机膨胀对外做工，带动发电机进行发电。完成做功后的低温低压二氧化碳工质返回低压储存系统，实现工质循环。在此过程中，储存的热能和压力能通过热力循环转化为电能，完成能量释放。

2 技术特点

二氧化碳储能具有独特的技术特点和优势。

(1)储能密度高。二氧化碳的临界温度为31.19℃.临界压力为7.38 MPa，在常温下，通过适当加压即可达到超临界状态。与传统的压缩空气储能技术相比，二氧化碳储能系统的储能密度可提高数倍，大大减小了储能设备的体积和占地面积，降低了建设成本。

(2)系统效率高。在储能阶段储存起来的压缩热量，在释能阶段用于加热二氧化碳，减少了额外的加热能消耗，提高了能量转换效率。二氧化碳储能系统的设计效率最高可达75%以上，实际运行效率也能达到60%~70%，远高于一些传统储能技术。

(3)响应速度快。二氧化碳储能系统的充、放电过程是通过气体的压缩和膨胀来实现的，可以在毫秒级时间内完成功率的调节，快速响应电网的负荷变化，为电力系统提供高效的调峰、调频服务。

(4)长寿命、低成本。二氧化碳储能系统的寿命可超30a，在使用期限内循环次数大概在10000次。全寿命期的度电成本最低可达0.2元，同时，其维护成本也比较低。

(5)环境友好、安全级别高。二氧化碳是一种无毒、不可燃、化学性质稳定的气体，无燃烧爆炸风险，无二次污染，对环境友好，还可与碳捕集与封存(CCS)技术相结合，实现二氧化碳的循环利用。

(6)适用范围广。压缩后的高密度液态二氧化碳可以用罐体直接储存，成本较低，减少对地理条件的依赖:二氧化碳储能在压缩机和膨胀机功率确定的情况下，只需增加储气库的容量即可实现平滑扩容;二氧化碳储能可以与风光大基地、源网荷储项目进行配套，也可以耦合火力发电厂、水泥厂等产生二氧化碳的工厂。

在二氧化碳储能电站中，二氧化碳的来源至关重要，不同的二氧化碳来源会影响储能系统的经济性和效率。工业废气排放是二氧化碳的主要来源之根据国际能源署(IEA)统计，全球工业领域的二氧化碳排放量占总排放量的37%左右，其中火力发电、水泥生产和钢铁冶炼等行业的二氧化碳排放尤为突出。

3.1 火力发电行业

火力发电作为目前全球主要的发电方式之一其燃烧化石燃料过程中会产生大量的二氧化碳。以煤炭为例，煤炭的主要成分是碳，在燃烧过程中碳与氧气发生化学反应，生成二氧化碳并释放出大量的热能，热能可用于驱动汽轮机发电。根据相关研究数据，每燃烧1t标准煤，约产生2.66~2.72t二氧化碳。某装机容量为2x600MW的大型火电厂，采用超临界燃煤机组，年发电量约为60亿kW·h对应消耗标准煤约200万t，年二氧化碳排放量高达540万t。如此巨大的排放量不仅对环境造成了重大影响，也使得火电厂成为二氧化碳捕获和利用的重点对象。

在二氧化碳捕集技术方面，火电厂通常采用燃烧后捕集技术，利用化学吸收法从烟气中捕获二氧化碳。在吸收塔中采用胺基吸收剂与烟气中的二氧化碳发生化学反应，吸收二氧化碳。吸收了二氧化碳的富液经过加热再生，释放出高纯度的二氧化碳吸收剂可循环使用。该技术的捕集效率可达90%以上，经过捕集后，该火电厂每年可回收二氧化碳约486万t，基本可以满足100MW二氧化碳储能电站初期储量要求。

3.2 水泥生产行业

水泥生产的二氧化碳排放主要有2个来源:一是生料中碳酸盐(石灰石，其主要成分是碳酸钙)的分解，在高温煅烧过程中，碳酸钙分解生成氧化钙和二氧化碳;二是燃料(如煤炭、天然气等)的燃烧，为生产过程提供热量的同时产生二氧化碳。根据相关研究，水泥生产过程中，生料分解产生的二氧化碳约占总排放量的60%~70%，燃料燃烧产生的二氧化碳约占30%~40%。

以海螺集团某水泥生产基地为例，该基地水泥生产线采用了水泥窑烟气二氧化碳捕集纯化技术通过化学吸收、物理吸附等方法，从水泥窑的烟气中捕获二氧化碳，并进行纯化处理，能够得到高纯度的二氧化碳。

3.3不同来源二氧化碳的特性差异

3.3.1纯度与杂质成分

不同来源的二氧化碳在纯度和杂质成分方面存在显著差异，对二氧化碳储能系统的性能、效率和稳定性有着重要影响。

在火力发电行业，燃煤烟气中二氧化碳的浓度通常在12%~15%左右，同时还含有大量的氨气、氧气、水蒸气以及少量的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等杂质。这些杂质不仅会降低二氧化碳的纯度，还会对后续的捕获和利用过程产生负面影响。二氧化硫与水反应生成亚硫酸，对设备造成腐蚀。氮氧化物参与光化学反应，形成酸雨和光化学烟雾等环境污染问题。颗粒物则可能堵塞管道和设备，影响系统的正常运行。

在水泥生产行业，水泥窑烟气中二氧化碳的浓度一般在18%~22%左右，同时含有氮气、氧气一氧化碳、粉尘以及少量的硫化物、氮氧化物等杂质。其中，粉尘含量较高，主要是由于水泥生产过程中的物料研磨和输送等环节产生的。这些粉尘会对捕集设备的过滤系统造成堵塞，增加设备的维护成本;硫化物和氮氧化物则会对环境造成污染，同时也会影响二氧化碳的纯度和品质。

3.3.2 对储能系统性能的影响

不同来源的二氧化碳，因其纯度、杂质成分以及成本和获取难度的差异，对储能电站的性能产生多方面的影响，包括效率、寿命、安全性以及成本效益等。

从效率方面来看，二氧化碳的纯度是影响储能系统效率的关键因素之一。高纯度的二氧化碳能够减少杂质对储能过程中能量转换的干扰，提高能量转换效率。工业废气中获取的二氧化碳，若杂质含量较高，在压缩和膨胀过程中，杂质可能会占据一定的空间，影响二氧化碳的有效压缩和膨胀，导致能量损失增加，从而降低储能系统的效率。研究表明，当二氧化碳纯度从99%降低到95%时，储能系统的能量转换效率可能会下降5%~10%。

二氧化碳中的杂质成分还会对储能电站的设备产生腐蚀和磨损，进而影响电站寿命。工业废气中的二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，在有水存在的情况下，会形成酸性溶液，对储能电站中的金属设备造成腐蚀。如某火电厂的二氧化碳捕集装置中由于烟气中含有较高浓度的二氧化硫，在未进行有效脱硫处理的情况下，经过一段时间的运行，捕集装置的管道和设备表面出现了严重的腐蚀现象，导致设备的使用寿命大幅缩短，维修成本增加。

安全性是储能系统的重要性能指标，不同来源二氧化碳的杂质成分对储能系统的安全性也有重要影响。工业废气中的一氧化碳、氢气等易燃易爆气体，若在二氧化碳中含量过高，会增加储能系统的安全风险。在储能系统的运行过程中，这些易燃易爆气体可能会在一定条件下引发爆炸或火灾事故，对人员和设备造成严重威胁。

不同来源二氧化碳的成本和获取难度直接影响着储能电站的成本效益。从工业废气中获取二氧化碳，虽然捕集成本相对较高，但由于废气排放具有集中性和规律性，便于大规模捕获，在规模化应用后，单位成本逐渐降低。对于工业企业，实现废气中二氧化碳的就地捕获和再利用，降低了环境保护的成本，提高效益。