基于废弃开采井地热辅助与压缩热梯级利用的液态空气多能联供系统全生命周期环境性能研究

《Energy Conversion and Management-X》：Life cycle environmental performance of a geothermal-assisted multi-energy liquid air energy storage system using a repurposed abandoned exploitation well

　　

研究人员提出一种耦合废弃开采井（AEW）地热资源与液态空气储能（LAES）的多能联供系统，用于工业场景下的电力、制冷与洁净干燥空气（CDA）协同供给。该系统在充电阶段回收压缩热，经双效与单效级联吸收式制冷机（DEAC/SEAC）转化为工业冷量；在放电阶段利用AEW提供的低品位地热支撑液态空气再气化与膨胀发电；同时将LAES净化干燥空气流作为CDA补充气源。基于ReCiPe 2016中点法开展全生命周期评价（LCA），功能单位为LAES系统输出的1 MWhe，系统边界覆盖30年运行周期，并采用系统扩展法核算被替代的机械制冷与专用CDA生产的避免负担。结果表明：相较于传统独立LAES，该集成系统在碳密集型电网情形下全生命周期碳排放最高可降低约54%；基础设施复用、热流梯级利用与工业共产物替代共同构成其主要环境收益来源。

研究背景与问题提出

长时储能是高比例可再生能源系统的关键支撑技术。液态空气储能（LAES，Liquid Air Energy Storage）因不受地理条件约束、储能密度较高、以空气为工质而受到关注，但其压缩与膨胀过程存在固有热力学损失，往返效率（RTE，Round-Trip Efficiency）通常仅45%至60%。既有研究多通过内部热集成（如有机朗肯循环、吸收式制冷）或外部热源耦合（太阳能、余热、液化天然气冷能、地热）提升性能，但多数仅关注能效与经济性，缺乏对混合系统全生命周期环境影响的系统评估。另一方面，常规地热开发受高昂钻井成本制约，而全球现存大量废弃开采井（AEW，Abandoned Exploitation Well）若改造为井筒换热器，可低成本获取稳定低品位地热，并削减甲烷逸散与土地退化风险。此外，半导体等高耗能工厂的洁净干燥空气（CDA，Clean Dry Air）能耗占比高，却极少被纳入LAES共产物边界。因此，有必要在统一框架下量化“AEW地热+LAES+制冷+CDA”多能联供的真实环境收益。

研究人员开展的工作与结论意义

研究人员构建并评估了一种集成LAES-AEW多联供系统：以AEW回收低品位地热辅助放电再气化，将充电压缩热梯级驱动双效/单效吸收式制冷机产出冷量，并将LAES净化干燥空气作为工业CDA补充。通过耦合已有验证子模型在MATLAB中开展稳态仿真，并基于SimaPro与Ecoinvent数据库、采用ReCiPe 2016中点法开展比较LCA。结果显示，在碳密集电网下，相较独立LAES，集成系统全生命周期气候变化影响最高降低54%；其环境优势来自井体基础设施复用、压缩热梯级利用，以及对传统机械制冷与专用CDA系统的替代。该研究意义在于把“基础设施循环再利用—热 cascading—工业共产物系统扩展”统一进LAES环境评价边界，证明多能联供可让LAES超越单一电力储能指标，成为工业脱碳路径。

主要关键技术方法

研究人员采用三类已验证子模型耦合：Tafone等LAES模型用于充电、液化、储释电与质量/热流计算；Xiao等机器学习模型预测AEW出口水温与地热回收量；SorpPump开源库构建LiBr-H₂O级联吸收式制冷。仿真在MATLAB R2023b稳态假设下进行。LCA以1 MWh_e为功能单位，30年寿命，边界含上游制造、运行耗电与系统扩展下的避免负担，采用ReCiPe 2016中点（H）法与Ecoinvent截断系统模型，末端处置暂不量化。

研究结果

系统描述与建模

研究人员将系统划分为充电、液化储冷、放电三阶段：压缩热高品位段先供双效吸收机，低温段续供单效吸收机；AEW地热在放电段替代部分蓄热。CDA仅对可利用净化空气流按系统扩展记替代收益。该结构明确了各热流角色，避免重复计产。

双效与单效吸收式制冷机

级联制冷模型在结晶限与夹点约束下运行；热COP按蒸发器冷量除以解吸器供热定义。验证显示与文献COP偏差约1%至2%，可可靠回收LAES压缩热为工业冷量。

全生命周期评价（LCA）

边界为从摇篮到运行门，含制造库存、30年运行电网电耗、替代机械制冷与CDA的避免负担；多产物通过系统扩展而非简单分配处理。该方法避免把CDA与冷量收益遗漏，使环境绩效不依赖单一RTE指标。

讨论与结论翻译

讨论指出，LAES环境表现高度依赖电网碳强度与多功能性利用程度；仅看电力RTE会低估其价值。在化石主导电网中，制冷与CDA共产物替代效应显著改善气候与其他影响类别。AEW复用进一步避开钻井材料与工程负担。

结论：所提地热辅助LAES多能系统通过废弃井再利用、压缩热梯级制冷与CDA共生产，在工业场景中可提供可观全生命周期减排；其为废弃油气井转型与储能系统工业联供提供了可量化环境收益的脱碳路径。

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设计该研究的LCA敏感性分析框架

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