综述：关于将二氧化碳（CO?）整合到热化学生物质转化过程中的综合性研究，以提升生物燃料的产量

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A comprehensive review of CO 2 integration in thermochemical biomass conversion for enhanced biofuel production

液空气储能（LAES）与LNG再气化及燃气发电耦合构建的多能协同系统，通过LNG冷能优化空气压缩和液化过程，利用燃气余热提升放电效率，并集成低温CO?捕获技术实现高效碳减排。系统经多目标优化后，热效率达96.55%，平准化电价0.0262美元/kWh，全生命周期碳足迹0.4118万吨CO?当量，环境与社会效益显著正相关。

　　在当今全球能源结构不断调整、低碳转型加速推进的背景下，能源存储技术作为实现能源系统灵活性和可持续性的重要手段，正受到越来越多的关注。其中，液空气储能（Liquid Air Energy Storage, LAES）作为一种新兴的热能存储方式，因其在清洁、规模化应用方面的潜力，成为能源管理领域研究的热点。然而，LAES在实际推广过程中面临效率不高和可持续性分析不全面等瓶颈问题。为此，本研究提出了一种新型的低碳集成电-气-热储能系统（Integrated Electricity-Gas-Thermal Energy Storage, IEGTES）配置方案，该方案基于LAES、液化天然气（LNG）再气化以及燃气燃烧技术，旨在通过系统的协同优化，提升整体性能并实现环境友好。

LAES系统的核心在于利用空气的相变过程进行能量存储与释放。其运行过程可以分为三个阶段：谷期充电、能量存储以及高峰期放电。在谷期，空气经过净化、压缩、冷却和液化等步骤被储存为液态空气；而在高峰期，液态空气被加压、加热并膨胀，以产生电能。同时，液空气蒸发释放出的冷能也可被重新利用，用于提升充电效率或直接提供冷却服务。这种多能管理能力使得LAES在实现能源存储的同时，具备灵活调节冷热电资源的能力，从而满足多种应用场景的需求。

近年来，随着低温液化和空气分离技术的快速发展，LAES的应用范围逐步扩大。尤其在与LNG再气化过程结合后，LAES系统的冷能利用效率得到了显著提升。LNG再气化过程中释放的低温冷能可以被用于压缩空气阶段的中间冷却，从而减少整体能耗。例如，部分研究显示，当LNG冷能用于空气液化预冷时，系统能够实现较高的电能循环效率（Round Trip Efficiency, RTE）。然而，尽管已有诸多研究成果，目前LAES系统的RTE普遍处于60%左右，远低于压缩空气储能（CAES）的75%基准水平。这表明，在提升LAES系统性能方面，仍存在较大的优化空间。

为了突破这一局限，研究者们开始探索将外部冷源与热源引入LAES系统，以实现更高效的多能协同利用。其中，LNG冷能和燃烧废气的余热成为两种主要的补充资源。LNG冷能不仅能够显著降低空气液化过程中的能耗，还能在放电阶段用于CO?的捕集，而燃烧废气的余热则可以提升放电效率。通过将这些外部资源与LAES系统有机结合，形成了所谓的“混合型LAES系统”（Hybrid LAES System），这种系统不仅能够提升能量转换效率，还能在实现碳减排方面发挥重要作用。

碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术是实现低碳能源系统的重要支撑，尤其在化石燃料发电领域。传统的碳捕集方法主要包括预燃烧、后燃烧和富氧燃烧三种路径。然而，这些方法往往需要对现有设施进行大规模改造，增加了实施难度和成本。相比之下，后燃烧碳捕集技术因其对现有系统的兼容性，成为当前研究的重点。该技术主要通过吸附、吸收、膜分离和低温分离等方式实现CO?的捕集，其中低温捕集（Cryogenic Carbon Capture）因其高回收率和较低的能耗，展现出更大的应用潜力。

在低温碳捕集技术中，CO?的固态捕集（Desublimation Carbon Capture, DSCC）尤为引人注目。DSCC利用CO?在低温下的固态特性，通过分阶段冷却和脱附实现高效的捕集过程。这种技术不仅能够捕集高纯度的CO?，还能在捕集过程中回收大量冷能，从而进一步提升系统的整体效率。然而，DSCC的实施依赖于稳定的低温冷源，这使得其在实际应用中面临一定的挑战。例如，传统低温制冷循环的能效较低，通常需要消耗两倍于所需冷量的能量，从而限制了其大规模推广。

为了解决这一问题，研究者们开始尝试将LNG冷能作为DSCC的冷源，以替代传统的制冷循环。LNG再气化过程中释放的低温冷能不仅能够有效支持CO?的固态捕集，还能在一定程度上降低系统的整体能耗。例如，Kim等人的研究表明，当LNG冷能被引入DSCC过程后，CO?的捕集效率从14.34%提升至3.51%，同时CO?的回收率也达到99.93%。此外，LNG冷能的引入还促进了系统内冷热资源的深度耦合，使LAES与碳捕集过程在设计和运行上更加紧密地结合，从而提升了系统的综合性能。

除了冷能的利用，燃烧废气的余热在LAES放电过程中同样发挥着重要作用。通过将燃烧废气的热量回收并用于空气加热，系统能够在放电阶段实现更高的能量利用率。例如，Briola等人提出了一种利用天然气联合循环（NGCC）中燃烧废气余热的方案，使LAES系统的RTE提升至54.3%，同时减少了系统的能量浪费。类似地，Kim等人将LNG再气化过程与放电阶段的空气加热相结合，不仅提高了系统的电能输出效率，还实现了更高的经济性。

在实现上述技术整合的过程中，研究者们还关注了系统的多维度可持续性评估。为了全面衡量IEGTES系统的性能，本研究选取了11项关键的可持续性指标，涵盖热力学、经济性、环境影响和社会效益等方面。通过遗传算法（Genetic Algorithm, GA）对这些指标进行优化，生成了多个不同的系统运行场景，并对这些场景进行了相关性分析。结果显示，热力学优化的场景在综合可持续性指数上表现最佳，达到了0.9124，同时具备高达96.55%的RTE、0.0262 USD/kWh的平准化电力成本（Levelized Cost of Electricity, LCOE）以及0.4118 Mt CO?-eq的生命周期碳足迹。此外，社会和环境指标之间表现出显著的正相关性，这表明在优化系统设计时，需要兼顾社会效益与环境效益，以实现真正的可持续发展。

在具体的技术实现方面，IEGTES系统通过多阶段冷热资源的协同利用，形成了一个高度集成的能源存储与碳捕集体系。例如，在充电阶段，LNG冷能被用于空气液化预冷，而压缩过程中产生的热量则被回收并用于放电阶段的空气加热。这种冷热循环不仅提升了系统的整体效率，还减少了能源浪费。同时，在放电阶段，燃烧废气的余热被用于空气加热，进一步增强了系统的热力学性能。此外，CO?的捕集过程则通过DSCC技术实现，其高回收率和纯度为碳封存提供了可靠的基础。

值得注意的是，IEGTES系统的设计不仅仅关注单一技术的优化，而是通过系统层面的整合，实现了多能协同、多目标优化的综合解决方案。这种系统设计思路突破了传统LAES和碳捕集技术各自为政的局限，为未来低碳能源管理提供了新的思路。通过引入LNG冷能和燃烧废气余热，IEGTES系统能够在不增加额外能源输入的情况下，显著提升整体性能。同时，系统的经济性评估也表明，这种集成模式在高电价环境下具备良好的投资回报率和较短的回收周期，为商业化推广提供了有力支持。

从全球范围来看，LAES技术的发展呈现出快速上升的趋势。从1977年首次提出液空气储能的概念，到2012年英国Slough地区建成首个350 kW/2.5 MWh的LAES示范项目，再到2024年石家庄建成1 MW/2 MWh的LAES设施，这一技术的商业化进程正在稳步推进。同时，LNG冷能与LAES的结合也逐步从实验室研究走向实际应用。例如，2018年英国Highview Power与Viridor合作在曼彻斯特建设了一个5 MW/15 MWh的预商业LAES设施，该设施在充电过程中充分利用了LNG冷能，从而降低了整体能耗。此外，2025年计划在青海戈壁地区建成的60 MW/600 MWh LAES项目，将进一步推动该技术的大规模应用。

然而，尽管LAES技术在实际应用中取得了一定进展，其推广仍面临诸多挑战。一方面，系统的热力学性能仍需进一步优化，以达到更高的能量转换效率；另一方面，碳捕集与封存技术的成熟度和经济性也是制约其大规模应用的关键因素。目前，尽管DSCC技术在实验室环境下表现出良好的性能，但其实际应用中仍需解决冷源稳定性、设备成本以及系统复杂性等问题。因此，如何在不增加额外成本的前提下，实现冷热资源的高效利用，成为IEGTES系统设计的重要课题。

在这一背景下，本研究提出的IEGTES系统配置方案，通过将LNG冷能与燃烧废气余热有机结合，不仅提升了系统的热力学性能，还增强了其在碳捕集方面的表现。这种集成模式在设计上充分考虑了系统的复杂性和多目标优化需求，使得LAES与碳捕集技术能够在实际运行中实现协同增效。此外，通过引入多维度的可持续性评估框架，本研究为IEGTES系统的优化提供了科学依据，同时也为未来类似系统的开发指明了方向。

综上所述，LAES作为一种具有广阔前景的热能存储技术，其与LNG冷能和燃烧废气余热的结合，为实现低碳、高效、可持续的能源管理提供了新的可能性。然而，这一技术的推广仍需克服效率提升、系统集成和经济性优化等关键挑战。未来的研究应进一步探索冷热资源的深度耦合，提升系统的综合性能，并推动其在更大规模下的应用。同时，随着碳捕集技术的不断进步，IEGTES系统有望成为实现碳中和目标的重要工具，为全球能源转型提供有力支撑。