液氨水混合物储能系统的理论组件设计及其热经济性能

《Journal of Energy Storage》：Theoretical component design and thermo-economic performance of liquid ammonia water mixture energy storage system

液氨水混合物储能系统（LAWES）热经济性能研究表明，其基线工况下循环效率44.39%、储能密度49.79 kWh/m3、单位成本0.3100美元/kWh，涡轮和压缩机占组件采购成本超50%。经参数敏感性分析发现，9月单位成本最低0.2891美元/kWh，但NPV为负表明当前投资不盈利，通过提升涡轮压缩机效率及降低利率可有效优化。

　　在当前全球能源转型与环境保护日益受到重视的背景下，研究和开发高效、经济的能源存储系统显得尤为重要。随着碳排放问题的加剧和全球气温的持续上升，可再生能源被广泛认为是替代传统化石燃料的关键。然而，可再生能源的间歇性特征使得其在实际应用中面临诸多挑战，因此，能源存储系统在支撑可再生能源发展、实现能源稳定供应方面发挥了不可或缺的作用。在众多能源存储系统中，液氨水混合物储能系统因其独特的物理化学特性，逐渐成为研究的热点。

液氨水混合物储能系统（LAWES）是一种基于氨水混合物作为储能介质的新型系统。与传统的液态空气储能（LAES）相比，LAWES具有更高的能量密度，且能够在常温常压下实现液化，这为系统的广泛应用提供了便利。此外，氨水混合物的沸点和凝点可以根据氨的浓度进行调整，使其在不同应用场景中具备更高的灵活性。更重要的是，氨对环境无害，不会导致全球变暖或臭氧层破坏，这使得LAWES在环保方面具有显著优势。与此同时，氨的生产在全球范围内较为成熟，每年有大量的氨被生产并运输，这进一步降低了系统的运行成本。

本研究主要聚焦于LAWES系统的组件设计及其热经济性能分析。通过对系统中关键部件的详细设计，如压缩机、涡轮机、填充床热能存储系统、冷凝器、节流阀和储罐，研究人员能够更全面地理解系统的整体运行特性。在分析过程中，采用多目标粒子群优化方法，对系统的热经济性能进行了优化研究。通过对比其他储能系统，如液态空气储能、液态二氧化碳储能等，研究人员发现LAWES在多个方面表现优异。例如，在基准条件下，LAWES的循环效率为44.39%，能量存储密度达到49.79 kWh/m3，而储能成本则为0.3100 $/kWh。此外，系统在9月份表现出最佳的储能成本性能，仅为0.2891 $/kWh，表明在特定时间窗口下，LAWES的经济性得到了进一步提升。

尽管LAWES在技术和经济性方面展现出良好的前景，但其当前的净现值仍为负数，这表明该系统在投资回报方面仍面临一定挑战。然而，研究指出，通过提升系统的整体性能，如提高压缩机和涡轮机的等熵效率，可以显著改善系统的热经济性能。此外，较低的利率对储能成本的降低具有显著影响，这也为未来优化系统的投资策略提供了方向。因此，虽然LAWES目前尚未实现盈利，但通过技术改进和合理的经济管理，其未来发展前景仍然值得期待。

在现有研究中，液态空气储能（LAES）作为另一种重要的储能方式，已经在多个领域得到了应用。LAES系统通过将空气液化并存储在低温储罐中，实现能量的储存与释放。然而，LAES系统需要较大的储罐，这限制了其在某些场景下的应用。相比之下，LAWES系统在存储和释放过程中具有更高的能量密度，同时其液化过程不需要极端低温条件，因此在工程实施上更具可行性。此外，LAES系统的循环效率通常在50%以上，而LAWES的循环效率虽然略低，但其在储能密度和经济性方面的优势使其在某些应用场景中更具竞争力。

在对不同储能系统的比较研究中，液态二氧化碳储能（LCES）因其较高的临界温度（31°C）而受到关注。LCES系统能够在相对温和的条件下实现二氧化碳的液化，从而降低系统运行的复杂性和成本。研究表明，LCES系统的循环效率通常高于LAES系统，同时其能量密度和储能成本也更具优势。例如，在某些研究中，LCES系统的循环效率达到61.54%，而储能成本仅为0.1539 $/kWh。然而，LCES系统的应用仍受到二氧化碳储存和运输技术的限制，因此在实际推广过程中仍需进一步研究。

此外，氨水混合物储能系统在某些应用场景中表现出独特的优势。例如，结合冷能回收的LAWES系统能够在一定程度上降低储能成本，并提高系统的整体效率。在一些研究中，LAWES系统与液化天然气冷能发电系统结合，实现了更高的冷能利用率，同时其储能成本也显著降低。这些研究成果表明，LAWES系统在实现能源存储与利用的协同效应方面具有巨大潜力。然而，目前仍存在一些技术瓶颈，如压缩机和涡轮机的等熵效率较低，这直接影响了系统的整体性能。

为了进一步提升LAWES系统的热经济性能，研究人员提出了多种优化策略。例如，通过提高压缩机和涡轮机的等熵效率，可以有效降低系统的能量损失，提高循环效率。此外，优化系统的热能存储材料和结构，能够进一步提高能量存储密度，从而降低单位能量的储能成本。同时，合理的经济模型和成本估算方法也是提升系统经济性的重要手段。例如，在一些研究中，通过引入多目标粒子群优化算法，对系统的热经济性能进行了系统优化，取得了较为理想的优化结果。

在实际应用中，LAWES系统不仅能够作为独立的储能系统，还可以与其他能源系统进行耦合，以实现更高的综合效益。例如，一些研究将LAWES系统与热电联产系统、太阳能发电系统等结合，形成复合型储能系统。这种复合系统能够充分利用不同能源形式的优势，提高整体能源利用效率。此外，LAWES系统还可以与氢气液化系统、空气分离单元等结合，实现能源的多用途利用。例如，在一些研究中，LAWES系统与氢气液化系统结合，不仅提高了系统的能量存储密度，还增加了系统的经济收益。

在经济性分析方面，LAWES系统的储能成本通常较低，这使其在某些应用场景中具有较高的竞争力。例如，在一些研究中，LAWES系统的储能成本仅为0.08 $/kWh，远低于传统的LAES系统和LCES系统。此外，储能系统的投资回收期也是衡量其经济性的重要指标。研究表明，LAWES系统的投资回收期通常在3至6年之间，而其他储能系统的投资回收期则较长。这表明，LAWES系统在经济性方面具有一定的优势，但同时也需要进一步优化，以降低投资风险。

在热经济性能分析中，研究人员通常关注系统的循环效率、能量存储密度、储能成本和投资回收期等多个指标。通过对这些指标的综合分析，可以更全面地评估系统的整体性能。例如，在一些研究中，LAWES系统的循环效率达到74.33%，而储能成本仅为0.2044 $/kWh，这表明系统在技术和经济性方面均表现出良好的性能。此外，一些研究还发现，LAWES系统的投资回收期可以通过优化系统的运行策略和经济模型进行缩短，从而提高系统的投资吸引力。

总的来说，液氨水混合物储能系统作为一种新型的能源存储方式，具有较高的能量密度和较好的经济性，同时其在环保方面的优势也使其在可持续发展领域具有广阔的应用前景。尽管目前该系统在某些方面仍存在优化空间，如提高等熵效率和降低投资成本，但通过技术改进和合理的经济管理，其未来发展前景仍然值得期待。因此，LAWES系统的深入研究不仅有助于推动能源存储技术的发展，也为实现碳中和目标提供了新的思路和方法。