利用废弃开采井的地热能为多能源液态空气储能系统提供动力——一项技术经济分析

《Renewable Energy》：Multi-energy liquid air energy storage powered by geothermal energy from an abandoned exploitation well – A techno-economic analysis

　　摘要
液态空气储能是一种极具前景的热机械式电能存储技术，能够同时提供电力、制冷和供热等多种能源形式。然而，在多能模式运行时，其商业化应用仍受限于较低的往返效率和经济性表现。本研究提出了一种新型集成多能液态空气储能系统，并从技术经济角度对其进行了评估，该系统结合了：1）废弃开采井在放气过程中产生的低品位地热能；2）多种工业能源利用途径，包括在液态有机氢载体脱氢过程中直接利用废热、有机朗肯循环、吸收式制冷机以及清洁干燥空气供应。研究结果表明，双向热回收与多输出运行模式显著提升了系统性能。虽然独立运行的液态空气储能技术在所有电价情景下均不具备经济可行性，其生命周期成本高达0.97美元/千瓦时，且没有可行的折现回收期，但集成配置的生命周期成本可降至0.15美元/千瓦时以下，折现回收期为13.7年。在所研究的方案中，结合直接利用废热与清洁干燥空气的配置对电价波动具有最强的适应性。此外，利用废弃井的水平延伸部分可实现零排放的地热能回收，为井场复用及电能存储提供了可行路径。

引言
清洁能源供应与电气化是实现净零排放未来能源系统的核心要素[1]。因此，作为未来净零综合能源系统核心的电力，其在全球最终能源消耗中的占比需从目前的20%提升至2050年的50%-70%，这一目标主要依靠太阳能和风能等低排放能源来实现。为适应可再生能源比例的增加并保障电力系统的灵活性，不断变化的全球能源结构需要多种解决方案，包括能源存储和氢能[2]。

液态空气储能是一种备受关注的电能存储技术，近年来日益受到重视。该技术以空气作为能量存储介质和工作流体，具有成本低、能量密度高且环保的优点，适用于中大型应用场景，且不受像抽水蓄能或压缩空气储能那样的地域限制。液态空气储能系统的工作原理如图1所示：在充电阶段，通过电力将空气液化后储存在液态空气罐中；在存储阶段则保持液态；而在放电阶段则再次气化以产生电力。在充电和放电过程中产生的空气压缩废热与空气气化废冷分别通过热能存储技术进行储存，从而提升系统的往返效率。目前，液态空气储能技术应用的主要瓶颈在于液化阶段的高能耗——为获得足够的液态空气，需在较高压力下对空气进行压缩。特别是在放电阶段，有效回收空气压缩热对于提升往返效率至关重要。因此，确保液态空气储能系统高效运行的关键在于实现更高温度下的压缩以及压缩热存储（通常为180-400℃），尽管放电阶段实际需要的压缩热仅占其中的一小部分，约有20%-45%的压缩热属于过剩热量。

液态空气储能技术最有趣的特性之一在于它可作为多联产或多能系统运行，同时产生电力（来自发电机）、热能（来自空气压缩）以及冷却能量（来自气化过程或涡轮出口）。值得注意的是，供热和制冷在全球能源最终消费中的占比超过50%[3]。能源系统集成——即协调不同路径和地理尺度上的能源系统运行与规划[4]——对于像液态空气储能这样的创新能源技术实现商业化和竞争力提升至关重要[5]。在多能系统中，液态空气储能不仅能发电，还能为外部系统提供供热和制冷服务。这种设计可通过重新利用液态空气储能运行过程中的废热或废冷，将其与区域供热制冷网络或建筑物直接整合，以满足热能需求[6]。

研究表明，通过与其他工艺整合来合理利用多余的废热，可进一步提升整体能源效率。文献中已研究了多种中低温动力与制冷技术，如有机朗肯循环、吸收式制冷机、卡利纳循环以及热电发电机。例如，She等人[8]将液态空气储能与有机朗肯循环相结合，实现了更高的有效能效率和9-12%的往返效率。Nabat等人[9]提出了卡利纳循环与热电发电机的混合方案，在最佳充放电压力下，系统的往返效率提升至61.6%。所有研究都表明，与外部热用户整合可提升各子系统的整体性能，进而实现成本节约和减排。

尽管液态空气储能会产生大量压缩热，但仍有部分研究为了避免高温热能存储和导热油系统带来的额外投资，直接采用外部高温热源来支持放电阶段的空气膨胀。更广泛地说，由于液态空气储能本质上是热机械型技术，它不仅能提供多种能源输出，还能以双向方式整合外部废热或废冷资源。为提升液态空气储能的技术经济性能，人们探索了多种混合配置，例如利用外部冷源辅助空气液化，或利用外部热源提高放电阶段的效率。

Kim等人[10]和Tafone等人[7]的最新研究探讨了液态空气储能与氢能供应链的结合，重点评估了从液态氢气化过程中回收废冷的经济效益。他们的分析表明，利用氢能基础设施中的深冷资源可显著提升液态空气储能的性能，并在更广泛的能源规划框架内带来系统级收益。

在热集成方面，Briola等人[11]提出利用天然气发电过程中的废热（约1250℃）为液态空气储能的放电阶段提供能量，最终实现了2.173这一较高的存储效率指标。Cetin等人[12]则将液态空气储能与一座单级闪蒸式地热发电厂相结合，为液态空气储能的放电阶段提供180℃的地热能。此时液态空气储能的往返效率为46.7%，而整个集成能源系统的效率则高达24.4%，远高于传统地热发电厂通常12%左右的效率[13]。

为液态空气储能利用外部热源还能带来其他好处。存储压缩热可能占独立液态空气储能系统资本支出的4%-10%。若完全依赖外部热源并取消高温热存储，即便往返效率保持相同或更高，也能降低系统资本支出。不过，这些研究中的压缩热既未被利用也未被存储。此外，大多数研究使用的都是可直接用于发电的高品位外部热源。尽管全球范围内产生了大量废热，但大多数低品位废热源却很少被利用。例如，美国的油气井会产出约250亿桶温度在80℃-150℃之间的流体[14]。全球约有3000口废弃开采井，尽管已被废弃，但仍具备产生大量150℃以下地热能的潜力[15]。若不加以妥善处理，这些废弃井会造成严重的环境危害。而利用地热能不仅可以节省每口井约0.1-1.6百万美元的处理成本[16]，还能避免钻井费用——钻井成本约占传统地热发电厂资本支出的一半。然而，直接利用这些废弃井的地热能发电的效率仅为5%左右[17]，因此，引入深冷级冷源是实现高效发电的可行方案。

在提升可再生能源渗透率的长期储能解决方案背景下，废弃开采井为液态空气储能提供了宝贵机会。目前，作为独立系统运行的液态空气储能因其较低的往返效率和经济竞争力而难以大规模推广。要克服这些限制，就需要超越单纯的储能理念，转向能够充分利用本地资源的集成式、因地制宜的解决方案。在这方面，废弃开采井所蕴含的地热潜力可用于支持液态空气储能的放电阶段运行，而其现有的基础设施则可减少新的钻井投资。通过这种方式，结合废弃开采井的液态空气储能系统为将全球电网的灵活性要求转化为实际的、因地制宜的能源解决方案提供了可能。

在之前的研究[15]中，作者设计了一种两级有机朗肯循环系统，以废弃开采井的地热能（110℃）作为冷源，以液化天然气气化过程产生的低温能量（约-160℃）作为热源，最终实现了24%的较高效率。同样，液态空气储能系统中的放电阶段也是理想的冷源，其膨胀温度可低至-190℃。若将液态空气储能作为动力循环，则原本会被浪费的废弃开采井地热能可成为发电和高效电能存储的理想热源。此时，膨胀过程中的低温热源还可降低传热流体的出口温度，从而为同一场所的制冷用户提供冷却服务。

在废热利用方面，由于废弃开采井的地热能已用于满足放电阶段的膨胀热需求，压缩过程中的高品位废热便未被利用，因此可将其用于更高价值的用途。由于这类废热的温度远高于废弃开采井地热能，因此可将其用于：i）通过有机朗肯循环发电，从而进一步提升液态空气储能的往返效率；ii）通过吸收式制冷机产生制冷效应，进而提高液态空气储能的利用率。或者，也可直接将废热供给工业领域使用，从而避免从热能转换为电能后再转换回热能的损耗。

因此，在本研究中，我们评估了三种不同的废热回收策略：1）通过有机朗肯循环发电来提升往返效率；2）通过吸收式制冷机产冷来提高利用率；3）通过位于同一场所的液态有机氢载体脱氢装置直接利用废热。液态有机氢载体是目前三种最具潜力的长距离氢能运输技术之一，因为它成本较低、安全性高且易于管理[18]。该技术利用液态有机化合物在加氢过程中与氢气发生反应[19]，生成的产物可通过传统油轮运输给用户。在脱氢过程中，液态有机氢载体分解，释放出氢气。这一过程为强吸热反应，可能占据整个流程平准化成本的70%。根据Hank等人的研究[20]，将废热用于脱氢过程可提升液态有机氢载体技术的效率16%-18%，而液态空气储能压缩热的温度恰好与多种液态有机氢载体技术相匹配，尤其是甲苯/甲基环己烷循环，该循环所需的脱氢温度为250-450℃[18]。由于液态空气储能压缩热通常存储在300℃-400℃之间[21]，这一温度范围完全覆盖甚至超过了液态有机氢载体脱氢所需的温度范围，因此可直接使用或稍作升级后使用。而工业领域的废热通常低于150℃，除非是水泥制造等特定地区性的工艺[22]，因此除非经过大幅度的温度提升或与相关设施同址布局，否则不太适合直接利用。

此外，将液态空气储能与废弃开采井结合使用，可使膨胀后的废气以适合压缩空气或清洁干燥空气应用的温度输出。清洁干燥空气在半导体制造工厂中被广泛用于驱动气动设备、控制阀门以及维持清洁的加工环境[23]。然而，传统的清洁干燥空气生产需要耗能巨大的空气处理工序，包括将空气深度除湿至-20℃或更低，这使得它成为晶圆厂中最大的电力消耗者之一，约占总电力需求的20%，在东南亚等潮湿地区这一比例甚至更高[23]。相比之下，LAES液化循环中处理的空气已经经过严格净化，其水分和二氧化碳含量极低。因此，LAES出口空气的干燥度与清洁度完全符合晶圆制造厂对CDA的要求[7]。通过利用AEW的地热能为膨胀阶段提供能量，我们能够以直接满足晶圆制造厂要求的温度和压力，输送这种天然极度干燥且清洁的空气。这种方法避免了单独使用除湿装置所带来的巨大电能消耗，还将原本的废弃物转化为重要的工业资源。总之，LAES并非被视为一项独立技术，而是被重新构想为一个多能合一的枢纽，其中双向热回收理念是该系统整合策略的核心。一方面，LAES可为工业用户提供高质量的热能，或用于废热回收；另一方面，在排放阶段，LAES则可吸收低品质的地热能。当再结合其他服务——如为半导体行业提供供暖、制冷以及清洁干燥的空气时，这一系统便演变成一个多功能、多能源的平台。所有这些协同作用共同提升了系统的利用效率、能源生产力以及经济可行性。

系统描述
作为参考的多能源独立型LAES系统配置如图3所示，该图清晰地展示了能量存储系统运行的不同阶段。图中，深蓝色粗箭头代表提供给区域制冷用户的冷却负荷。该系统由五个核心子系统组成：i) 空气液化充注阶段，ii) 液态空气储存，iii) 高温热能储存（HGWS），iv) 低温热能储存。

数学模型
技术分析是通过MATLAB R2025a进行的，其中编写了专用程序来模拟独立型及集成多能源LAES配置中的各种组件和子系统。本研究采用的所有组件模型均源自作者之前的研究成果，并已经过验证。Xiao等人[15]为AEW模拟开发的机器学习模型，则被用来模拟AEW地热能的出口水温。

结果与讨论
本节旨在对比分析多能源独立型LAES与集成型配置的性能，以评估它们的技术及经济表现。表4列出了所研究的七个案例，为每种配置指定了特定的代码。

结论
本研究提出并设计了一种将LAES与AEW地热利用以及晶圆制造用清洁干燥空气（CDA）生产相结合的新方法。该系统充分利用了废弃开采井中未被利用的废热，从而提升了LAES排放过程的效率。各项技术经济分析结果为多能源整合在提升LAES系统可行性方面的作用提供了新的见解。一项重要发现是，热经济可行性……

CRediT作者贡献声明
Anurag Chidire：撰写——初稿，指导，研究。
Benjamin Kanz：指导，研究。
Tobias Massier：指导。
Roberto Pili：指导，方法论。
Alessio Tafone：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法论，研究，形式分析，数据整理，概念构建。
Lizhong Yang：指导，研究，概念构建。
Fei Xiao：方法论，概念构建。
Alessandro Romagnoli：指导

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了新加坡国家研究基金会“卓越研究与技术企业园区”（CREATE）计划的支持（资助编号：NRF2022-ITC004-001）。作者同时感谢南洋理工大学热能系统实验室、南京航空航天大学航空绿色推进与适航性实验室，以及2025年10月5日至10日在克罗地亚杜布罗夫尼克举行的第20届SDEWES会议组委会的大力支持。

Alessio Tafone|Lizhong Yang|Anurag Chidire|Benjamin Kanz|Tobias Massier|Roberto Pili|Fei Xiao|Alessandro Romagnoli
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