基于多空间协同的压缩空气储能系统能效特性研究

《Journal of Energy Storage》：Study on energy efficiency characteristics of compressed air energy storage based on multi-space collaboration

　　摘要：大量被废弃矿山留下的地下道路为压缩空气储能（CAES）提供了理想的气体储存空间。利用这些长而狭窄的道路进行CAES可以高效利用闲置的地下空间，大幅降低气体储存项目的初始投资和总体建造成本。为了研究道路空间的最佳利用方式，本研究建立了一个多空间协同能源效率演变与调节模型。首先，开发了一个三维数值模型来模拟长而狭窄道路中的空气充放电过程，并结合总“熵”计算方法，系统性分析了气体储存的能量输出演变规律。基于能源效率特性，设计了多种放电方案，并提出了多空间协同调度下的协同能源效率灵活性指数（CEFI）及其对应的多目标优化模型。研究结果表明，道路气体储存内部的温度场分布不均，温差与道路的纵横比呈正相关。在放电阶段，温度呈现出阶段性演变特征，这是决定能量输出效率的关键敏感因素。多个空间的并行协同运行显著提高了能源转换和利用效率。在本案例研究中，能源转换周期缩短了14%，或在相同运行时间内能量输出增加了15.5%。一个代表性案例研究验证了CEFI优化模型的可靠性，该模型能够灵活分配气体储存空间以满足调度需求。这些发现为在废弃矿山的长而狭窄道路中建设CAES储存设施提供了重要的理论参考。

引言：在全球能源结构向清洁低碳转型的大背景下，以及中国提出的“双碳”战略目标下，风能和太阳能等可再生能源的渗透率持续增加[1]。然而，它们的间歇性和波动性对电网的稳定运行构成了严重挑战[2][3]，大规模、长时延的能源储存技术被视为解决这些问题的关键[4][5]。作为一种具有大规模、长时延和低成本应用潜力的物理能源储存技术，压缩空气储能（CAES）在全球向高比例可再生能源结构转型的过程中发挥着越来越重要的作用，这得益于其大储存容量、长使用寿命、相对较低的成本以及对地理条件的较低依赖性[6][7][8]。传统的压缩空气储能（CAES）气体储存主要依赖于盐穴和岩石洞穴，但这些方法受限于特定的地质条件和较差的选址灵活性。典型的例子包括德国的Huntorf CAES商业电站、美国的McIntosh电站[9]、山东省的Feicheng CAES示范电站以及江苏省的Jintan CAES电站[11]，这些电站均采用盐穴建造。与欧洲和美国等西方国家不同，中国拥有丰富的煤炭资源并且煤矿数量众多。随着煤炭开采的持续进行，大量煤矿已经关闭和废弃[12]，预计到2030年中国关闭或废弃的煤矿数量将超过15,000座[13][14]。中国废弃矿山中广泛存在的道路空间，其长度与直径的比例通常大于50:1，具有巨大的再利用价值。开发新型空气储存设施（如人工腔室和废弃矿山道路）已成为扩展CAES应用场景的重要研究方向。其中，利用现有或新建的长而狭窄的道路系统作为多腔室空气储存具有独特的优势，包括模块化布局、分阶段建设和易于扩展容量，特别适合分布式和模块化能源储存场景。

目前，关于废弃矿山中集中式气体储存的选址、总储存容量估算、围岩稳定性及密封性能等方面已经进行了大量研究[15][16]。全球的学者们，包括KIM[17]、Zhou[18]等，采用多种方法取得了丰富的研究成果。然而，针对长而狭窄道路中的分布式储存容量划分的理论、模型和优化方法的研究仍然不足。Wang等人[19]在Matlab/Simulink平台上建立了一个微尺度AA-CAES系统的热力学模型，以500千瓦储能电站的实际运行数据作为设计参数，进行了充放电效率、热效率、总能量效率、熵效率和能量储存密度的热力学分析。Gao等人[20]量化了含水层中热-水-力-化学（THMC）耦合引起的额外能量损耗，并进一步比较了纯TH耦合和全THMC耦合条件下系统往返效率的衰减程度。

压缩空气储能（CAES）气体储存中的高压空气压力和温度变化是影响储能电站运行性能的主要因素。科学预测高压空气及围岩在充放电和储存过程中的热力学状态，为评估地下洞穴是否适合用于CAES系统中的空气储存提供了重要依据。Kushnir等人[21]推导出了两种不同条件下洞壁处空气温度和压力的解析解：绝热条件和传热条件。基于Kushnir的研究，Zhou等人[22]进一步提出了在有衬里的洞穴中循环充放电过程中空气压力和温度以及围岩应力和应变的解析解。考虑到等压补偿或等容非补偿模式下的洞穴运行，以及包括等温传热、对流传热和绝热壁在内的传热条件，He等人[23]建立了一个热力学模型，并研究了固定体积洞穴的能源储存容量估算方法。Raju等人[24]开发了一个精确的CAES洞穴热力学模型，修正了传热系数，并详细分析了空气与围岩之间的对流传热。他们的模型通过与Huntorf电站实际数据的比较得到了验证。Jiang等人[25][26]提出了一种有限差分方法，用于考虑空气的可压缩性来分析压缩空气的热力学过程。此外，他们通过考虑混合对流传热改进了热力学模型[27]，为地下CAES气体储存的体积优化设计和效率分析提供了计算基础。Xia等人[28]和Xia等人[29]也对压缩空气储能热力学模型的建立和简化计算做出了重要贡献。Kim等人[30]通过数值模拟研究了围岩边界的热力学过程和力学性质。Gao等人[31]基于Fluent数值模拟分析了地上储存罐中空气的热力学特性。Wang等人[32]和DE PRADO等人[33]利用基于传热理论的计算流体动力学（CFD）研究了盐穴和废弃矿山气体储存中的压缩空气热力学特性。

与传统气体储存不同，用作压缩空气储能（CAES）气体储存的长而狭窄的道路具有狭窄的横截面、长的距离、大的跨度以及大的空气储存表面积[15]。在空气充放电过程中，高压空气在长距离内流动并与气体储存有较大的接触面积。特别是在没有衬里的情况下，高压空气直接与道路周围的围岩接触，其热能会传递给周围的地层，导致显著的能量损失。因此，合理规划和发展这种长而狭窄的道路空间、研究其储存容量划分，并建立一种协调、可控且按需利用多个洞穴的分布式储能模式至关重要。这样可以减少能量损耗，实现长而狭窄废弃矿山道路在压缩空气储能中的最佳性能，并提高电能储存和调度的灵活性。

多空间协同能源储存的概念模型：无论是储存空间相对集中的盐穴还是废弃矿山中的长而狭窄的道路，在作为单一气体储存时，在电力储存和输出方面都存在局限性。受气体储存整体体积规模的限制，难以实现高效能源储存和灵活的能源释放。与盐穴和岩石洞穴等传统气体储存设施相比，长而狭窄的矿山道路具有较大的空间跨度。

关于高纵横比空间中压缩空气流动和传热的研究：长而狭窄的道路储存的一个独特特征是其较大的空间跨度。由于横截面几何形状和面积相对固定，道路长度成为决定储存容量的主要因素。在空气充放电过程中，高压空气的流动和压缩类似于封闭管道中的情况。空气的长距离流动、压缩和放电不可避免地导致气体储存内部温度场分布不均。

基于现有密封技术，延长的道路可以被划分为具有固定长度的独立气体储存单元。例如，可以采用混凝土塞来隔离相邻的洞穴，以便于泄漏监测和实时调节每个洞穴[36]。与单一的延长道路洞穴相比，多个单元储存的协同运行可以显著提高能源储存的灵活性，形成一个高效的“电池组”以适应不同的电力需求。

基于上述整个气体排放和能源释放过程的演变特性，单一道路气体储存可以类比于单个电池，其中储存的能源对应于电池的可用电能。协同能源储存的目标是通过协调调节来灵活响应电力需求，提供高效稳定的电力供应。

基于长而狭窄气体储存过程中气体排放的热力学行为以及能量输出转换的阶段性规律，可以建立满足各种电力需求场景的协同气体排放方案。每种方案都有其独特的优势和局限性。为了充分利用协同能源储存的优势，必须根据实际调度情况迅速选择最优方案。

结论：本研究探讨了长而狭窄道路气体储存的能源转换机制以及多空间系统的协同能源储存特性。提出了长而狭窄道路气体储存的协同能源储存概念。结合数值模拟和实验验证，系统地分析了大纵横比气体储存装置的充放电循环期间的热力学性能和全范围能量转换规律。

作者贡献声明：
邹增新：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件开发、数据管理、概念化。
蔡成正：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化处理、软件开发、方法论研究、资金筹集、形式分析。
夏同强：监督指导、方法论研究、数据管理、概念化。
周怀春：监督指导、项目管理、方法论研究、数据管理、概念化。周越进：监督、方法论、作者资格及稿件审核
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原创性与多次投稿声明
本稿件为原创作品，从未在任何地方发表过，目前也未被其他任何期刊审核或考虑发表。

资金支持
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52574014）提供的财政支持。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52574014）提供的财政支持。

作者名单：
邹曾新 | 蔡成正 | 夏同强 | 周怀春 | 周越进 | 史宇 | 朱正超 | 周洪飞
中国矿业大学低碳能源与动力工程学院，江苏省徐州市，221116，中国