中 国 科 学 院 理 化 技 术 研 究 所 Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS 第九届全国储能科学与技术大会 二氧化碳储能技术研究进展 张振涛 研究员 中国科学院理化技术研究所 2024年3月23日 江苏·溧阳 中国科学院理化技术研究所 目录 Technical Institute of Physics and Chemistry 1.新型储能机遇与挑战 contents 报告 目录 2.二氧化碳储能系统概述 3.二氧化碳储能技术研究现状 4.二氧化碳储能技术多元应用场景 5.二氧化碳储能应用现状 6.团队介绍 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry 1.0 CHAPTER 新型储能的 机遇与挑战 机遇与困境---锚定绿色发展，发展新质生产力 头埋在土里能保命吗？ 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry 机遇与困境---锚定绿色发展，发展新质生产力 底色是绿，安全是根本 3月5日 政府工 作报告 首次提 出：要 发展新 型储能 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry 中国科学院理化技术研究所 形式多样、禀赋各异：繁荣发展的储能市场 Technical Institute of Physics and Chemistry 储能本质上是一种能量转换过程，将多余电能转化为另一种可储存的能量，需要时重新转化为电能输出。 储能时长 月 储热&储氢 抽水蓄能 重力储能 天 压缩气体储能 液流电池 小 时 锂离子电池 分 钟 NaS电池 铅酸电池 镍氢/镍铬电池 高功率飞轮 秒 超导磁 超级电容 1kW 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW 系统功率 备用型 功率型 能量型 容量型 时长≤15min 时长≦30min 时长1~2h 时长≥4h 不间断电源 调频等 负荷调节、辅助调频 削峰填谷、离网储能 长时储能商业起飞之路 Pathways to Commercial Liftoff 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry 长时储能（Long Duration Energy Storage）将是在未来脱碳电力系统中提供灵活性和可靠性的关键技术，填补了从日到 多日/周的角色。 LDES：日间 LDES (10-36 小时）和多日 LDES (36-160+小时） 项目数据一 资料来源：美国能源部（DOE）《长时储能商业起飞之路》报告 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry 2.0 CHAPTER 二氧化碳储能 系统概述 中国科学院理化技术研究所 二氧化碳储能技术原理 Technical Institute of Physics and Chemistry 二氧化碳储能（CES）是一种以CO2作为储能循环工质、以“电-机-热-势”四种不同品位和形式能量的转化实现电力高效储 能的新型物理储能技术。 Ø 储能过程 Ø 释能过程 储能侧CO2被压缩机压缩至超临界状态，利用再冷器吸收压 释能侧CO2经再热器升温，进入透平中膨胀，推动透平发电 缩热，即将电能以热能和势能形式储存。 ，即将热能和势能转化为电能输出。 CO2储存方式多样(气态/高压液态/低压液态/超临界状态)，可结合当地地理环境特点灵活选择 中国科学院理化技术研究所 二氧化碳储能技术优势 Technical Institute of Physics and Chemistry 0 依赖 真安全 无燃烧爆炸风险，无二次 污染，对环境无害 运行最高压力<7.5Mpa 低成本 初投资较低，后期维护成本低 ，大规模效应明显，度电成本 低至0.2元左右。 高效率 设计效率最高可达75%，分钟 级响应速度 无地理条件限制，无气候条件 限制，对寒冷及炎热气候适应 性强 长寿命 >30年使用寿命，使用期限 内储能释能循环次数约1万 次 易扩容 储存容量无衰减，系统充放 电系统可平滑扩容 多场景 聚焦风光大基地及源网荷 储一体化场景；强耦合余 热利用，热电联供 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry 3.0 CHAPTER 二氧化碳储能 技术研究现状 --基础与系统 中国科学院理化技术研究所 基础研究助推二氧化碳储能 Technical Institute of Physics and Chemistry 超临界二氧化碳工质低碳能源动力系统新体系 （中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划）项目 全新测试方法 高精度算法 亚临界 PECs 跨临界 超临界 二氧化碳 利用SAFT-Mie参数化方法与分子-温度关联相互作用因 数对实际商业润滑油与CO2的相平衡计算精度相较于PCSAFT平均提升超过30%。 灰度处理后的荧光强度与浓度具有显著的指数关系，在稀溶液 时有一定的正比例关系 二氧化碳储能系统的不同类型 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry 二氧化碳储能技术按照储能形式、 介质储存形式、系统工作压力和储存设 备形式可以细分为不同种类，但基本上 都采用无需补燃的自回馈式储能技术， 具体形式随着使用条件具有不同优势和 劣势。以下从目前研究及应用相对较多 的二氧化碳热电（TE-CES）储能、跨临 界二氧化碳储能（TC-CES）、液态二 氧化碳储能（LCES）和新形式二氧化碳 储能集成技术展开具体介绍。 二氧化碳储能技术分类 二氧化碳电热储能(TE-CES)系统 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry CO2作为工质应用于储能系统最早由瑞士洛桑埃尔科尔理工大学的Morandin教授于2012年提出，他设计了一种基于 热水蓄热、冰浆蓄冷的二氧化碳电热储能(Thermo-electrical Carbon Dioxide Energy Storage，TE-CES)系统。 二氧化碳电热储能系统在蓄热端进行显热交换，CO2 处于单相区；在蓄冷端进行潜热交换，CO2处于两相区。因此 ，系统换热过程具有良好的热匹配性。 但该系统存在蓄热蓄冷容积较大，高品位热损失较多等制约因素，整体储能效率较低。 MORANDIN M, MARÉCHAL F, MERCANGÖZ M, et al. Conceptual design of a thermo-electrical energy storage system based on heat integration of thermodynamic cycles-Part B: Alternative system configurations[J]. Energy, 2012, 45(1): 386-396. 中国科学院理化技术研究所 基于TE-CES的冷热电联供系统 Technical Institute of Physics and Chemistry u 基于TE-CES的冷热电联供系统仿真模拟 Ø 数学模型  1  c ,r   c  c   c ,r 2 1   Tein  e   e ,r   e  e   e ,r 2 Tcout  Tcin  c Teout tc        Wc  mc p Tcout  Tcin  Pc tc  Qh ,c   cw mw1 (Thw  Taw )dt 0 We  mc p Tein  Teout  Pet d tc Qc ,c   cw mw 2 (Tlw  Tcw )dt 0 典型工况下该系统电-电效率为23.60%，供热COP为3.33，供 冷COP为2.33. Ø 多目标优化 针对某典型日冷热电需求场景，对该系统的两个目标能源利用率和出 售收益进行多目标优化，选择最优运行策略制定系统的运行时长，如 图C点为最优工况点，充放电时长分别为7.10h和6.55h. G1  Qe  Qh  Qc Wc G2  Qe pp  Qh ph  Qc pc Wc pv 跨临界(TC-CES)和超临界二氧化碳(SC-CES)储能系统 中国科学院理化技术研究所 Technical Institute of Physics and Chemistry 根据透平出口压力划分，若透平出口压力低于临界压力称为TC-CES系统，若高于临界压力则称为SC-CES系统。中科院 工热所张远研究了两种系统，跨临界系统循环效率为60%，储能密度为2.6 kWh/m3；超临界系统循环效率为71%，储能密 度为23 kWh/m3。相较于传统CES，SC-CES 拥有更高的循环效率和储能密度，但系统承压一般在15MPa以上。 ZHANG X R, WANG G B. Thermodynamic analysis of a novel energy storage system based on compressed CO2 fluid[J]. International Journal of Energy Research, 2017, 41(10): 1487-1503. 中国科学院理化技术研究所 跨临界(TC-CES)储能系统 u 理化所跨临界二氧化碳储能系统仿真模拟 Technical Institute of Physics and Chemistry 考虑滑压运行 储能压力的提高对压缩机和膨胀机 影响趋势不同 PS ,C  PS ,L  qCO 2  CO 2 Rg TS VS tC 一定压力范围内，储能压力对透平 性能的影响较小 u 基于低压液态、高压超临界两态储存，压缩 热回收-自回馈； u 设计工况下，系统循环效率63.8%，储能密 度21.1kW·h/m3，热利用效率可达77.9% 针对循环效率和储能密度作用储能 压力存在最优点 通过