一种结合干冰生产与太阳能吸收制冷系统的液态空气储能系统的设计与优化

《Energy》：Design and optimization of a liquid air energy storage system coupling dry ice production and solar absorption refrigeration system

液态空气储能系统耦合太阳能吸收式制冷与干冰生产，通过烃类混合制冷剂提升换热效率，经HYSYS建模和PSO优化，实现73.93%循环效率、78.73%熵效率，年成本2808万美元，干冰产量17.1万吨/日，验证多能互补系统应用潜力。

　　

闫凤元|耿金良|曹博涵|霍振涛|孙恒|梁永图

中国石油大学（北京）城市油气分配技术重点实验室，位于中国北京市昌平区福学路18号，邮编102249

摘要

液化空气储能（LAES）可以有效解决可再生能源的整合和利用问题。本文提出了一种结合太阳能吸收制冷系统和干冰生产技术的LAES系统（LAES-ARS-DIP）。该系统采用碳氢化合物基混合制冷剂作为冷储存介质，显著提高了换热器的热传递效率。集成的太阳能吸收制冷系统和干冰生产技术实现了高效的能源利用。基于设计的LAES-ARS-DIP模型，使用HYSYS软件建立了数学模型，并通过粒子群优化（PSO）算法优化了关键参数。此外，还进行了能量分析、熵分析和经济性分析，以评估系统的热力学性能和经济可行性。能量分析表明，设计的LAES-ARS-DIP系统具有73.93%的往返效率（RTE）和0.2166 kWh/kg的特定能耗（SEC），显示出较高的能源效率。熵分析结果显示，LAES-ARS-DIP的熵效率（EXE）为78.73%，总熵损失为76701.80 kW。经济性分析显示，该过程的总年成本为2808万美元。此外，LAES-ARS-DIP系统的干冰产量为170953.06 kg/h，实现了空气膨胀发电过程中释放的冷能的高效利用。这些发现展示了在实际工程应用中推进多能源互补系统发展的巨大潜力。

引言

目前，基于化石燃料的发电在全球电力行业中仍占主导地位。然而，过度使用化石燃料导致了日益严重的环境污染，尤其是碳排放问题[1]、[2]。根据国际能源机构的报告，2023年全球二氧化碳排放量达到3.74 Gt，其中化石燃料燃烧占排放量的三分之二[3]。在这种背景下，太阳能和风能等可再生能源的电网整合受到了广泛关注。2020年至2024年间，可再生能源装机容量从2799 GW增加到4448 GW[4]。尽管可再生能源发电可以有效减少环境污染，但其固有的波动性和随机性对电网稳定性构成了挑战[5]、[6]。因此，储能技术应运而生，不仅能够平衡电网，还能促进可再生能源的整合和利用[7]。目前，已经研究和应用了多种储能技术，其中抽水蓄能（PHES）和压缩空气储能（CAES）受到了特别关注[8]。PHES技术相对成熟，但受地理条件限制且需要较大的初始投资[9]；而CAES虽然具有大容量和低污染等优点，但需要盐穴等专用储存设施来储存压缩空气[10]。

为了解决PHES和CAES的局限性，提出了液化空气储能（LAES）作为CAES的一种变体。与CAES不同，压缩空气不是直接储存在 cavern 中，而是被液化后储存在低温罐中。这不仅大大减少了所需的储存空间，还消除了地理限制，因此LAES受到了越来越多研究人员的关注[11]。LAES的基本过程包括能量储存和能量释放两个阶段：在能量储存阶段，空气首先使用非高峰时段的电力通过压缩机压缩至高压，然后通过冷储存介质冷却至-196°C并节流成为液态空气，最后储存在低温罐中；在能量释放阶段，液态空气通过低温泵加压，随后与冷储存介质交换热量，驱动涡轮机发电。1977年，Smith等人[12]设计了第一个LAES系统。自诞生以来，LAES一直面临低往返效率（RTE）的问题。为了提高LAES的RTE，在数十年的发展过程中设计了多种新型LAES系统，如表1所示。

如表1所示，目前新设计的LAES系统大多与其他系统结合使用，主要集中在以下几个方面：引入LNG冷能和太阳能等额外能源；与ORC耦合；以及与氢液化（SMR）等过程耦合。表1表明，新设计的LAES系统的RTE显著提高。例如，参考文献[15]、[17]、[19]、[21]、[26]、[27]、[31]、[33]中的LAES系统RTE均超过了100%。值得注意的是，这些研究没有考虑产生额外冷能所需的能耗。此外，大多数LAES系统都与LNG冷能结合使用，因此受地理位置限制。

众所周知，在LAES中，压缩空气的液化是系统的关键组成部分。液化所需的冷能来自液态空气的蒸发。因此，冷能对LAES系统至关重要。Peng等人[37]研究了冷能和热能对LAES的影响，发现冷能对RTE的影响更大，冷能利用效率低时RTE下降的速度是热能的七倍。Zhou等人[38]开发了LAES系统的动态模型，研究了冷能储备不足对其性能的影响。研究表明，在冷能储备不足的情况下，空气液化率仅降至2.71%，且需要很长时间才能达到这一状态，说明冷能储备对系统效率有显著影响。在LAES中，液化过程中释放的冷能储存在冷储存介质中。表1显示，甲醇和丙烷是目前LAES中常用的冷储存介质。然而，由于单一冷储存介质的热力学限制，系统的热交换效率较低，从而影响了熵效率（EXE）。Wang等人[39]研究了加压空气、甲醇和丙烷作为冷储存介质对系统RTE的影响，发现使用加压空气可将系统熵效率提高到89.6%，证明使用混合冷储存介质可以提高系统效率。Li等人[27]也设计了一种利用空气作为冷储存介质的LAES系统。

在天然气和氢液化过程中，由碳氢化合物和氮组成的混合制冷剂（MR）被广泛用作冷却介质，以提高系统的热传递效率。这是因为MR的沸点范围较宽，能够满足从80K到230K的冷却需求，从而实现高压和低压热等值的最佳匹配，减少热交换过程中的损失，最终提高系统效率[40]。因此，为了进一步提高系统的热交换效率，本文采用MR作为冷储存介质来设计LAES系统。此外，近年来，将LAES与太阳能结合以提升系统RTE已成为研究热点，因此设计的LAES系统与太阳能吸收制冷（ARS）耦合。在干冰生产过程中，二氧化碳必须先冷却至液态才能进一步加工成干冰，这需要大量的冷却能量。因此，为了充分利用空气膨胀发电过程中释放的冷能，设计的LAES系统与干冰生产过程结合使用。该系统不仅实现了能源的全面利用，也符合构建集成能源系统的未来发展趋势。

过程设计

图1展示了LAES-ARS-DIP系统的流程图，包括ARS单元、空气储能单元和空气能量释放单元。

在ARS单元中，太阳能首先通过集热-储存单元（CSU）转换为热能，然后循环水被热能加热并进入吸收塔（ARS-T）以加热氨水溶液，最后循环水重新进入CSU。

过程优化

系统的循环效率（也称为RTE）是衡量LAES-ARS-DIP性能的主要指标，定义为空气能量释放单元的净输出功率与空气能量储存单元输入功率的比值。因此，本研究以RTE为目标函数对系统进行优化，目标函数如下[33]：

$$其中F(X)表示RTE（%）；X为决策变量，满足X_LB≤X≤X_UB，X_LB为下限

能量分析

表8展示了LAES-ARS-DIP的优化结果。优化后，混合制冷剂（MR）的总质量流量为318849.23 kg/h，其中甲烷（C₁）占比最大，占总流量的42%，氮气（N₂）占30.63%。乙烷（C₂）和丙烷（C₃）的比例最小，分别为8.69%和6.67%。MR流量的变化导致换热器HX6和HX7的MITA值分别降低了1.01 °C和1.12 °C。

结论

储能技术可以将不稳定的可再生能源发电转化为连续稳定的电力输出，使其成为大规模可再生能源应用的关键技术之一。本文研究了结合干冰生产和ARS的液化空气储能（LAES）系统。基于设计的系统，使用HYSYS软件建立了稳态模型，并通过PSO算法对系统进行了全局优化。

CRediT作者贡献声明

耿金良：撰写——审稿与编辑、可视化、软件、方法论。闫凤元：撰写——初稿、软件、方法论、调查、数据分析、概念化。梁永图：撰写——审稿与编辑、资金筹集。孙恒：撰写——审稿与编辑、监督。霍振涛：撰写——审稿与编辑、可视化。曹博涵：撰写——审稿与编辑、数据分析

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

作者无权分享数据。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（编号52341203）的支持。