近十多年來，我國新能源發(fā)電規(guī)模持續(xù)快速增長，截至2023年底，風(fēng)光發(fā)電裝機容量達到10.5億千瓦，同比增長38.6%，占國內(nèi)發(fā)電總裝機容量的36%。伴隨著新能源的快速增長，其間歇性、波動性特點對電網(wǎng)的安全影響越來越大，急需新型儲能發(fā)揮穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用。二氧化碳儲能（carbon dioxide energy storage, CES）是近年來興起的一項新型大規(guī)模長時儲能技術(shù)，因其儲能效率高、使用壽命長、不受地理條件限制、安全環(huán)保等優(yōu)勢廣受關(guān)注。

　　近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用研究中心張振濤研究員團隊針對二氧化碳儲能工質(zhì)機理、系統(tǒng)優(yōu)化、裝備開發(fā)和實驗驗證等方面展開研究，取得了一系列研究成果。

　　二氧化碳在儲/釋能過程中存在氣、液、超臨界等多態(tài)轉(zhuǎn)換，其熱力學(xué)特性不斷變化，對關(guān)鍵設(shè)備運行與系統(tǒng)動態(tài)特性都具有明顯影響。而當(dāng)前研究往往基于單一組分理想氣體假設(shè)，對二氧化碳物性變化和以二氧化碳為主體的非理想混合組分體系特性尚不清晰。團隊首次提出了基于m-n Mie勢能函數(shù)的SAFT-VR-Mie方程，考慮了相對作用因子對物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)預(yù)測的影響，對大跨度多相態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的工質(zhì)物性參數(shù)進行了預(yù)測，并進一步創(chuàng)新性提出了含二氧化碳非理想混合組分體系參數(shù)化模型，引入分子體積效應(yīng)與原子勢能函數(shù)進行了多元組分體積相平衡計算。與常規(guī)計算方法相比，SAFT-VR-Mie方程的預(yù)測范圍和精度均有明顯改進，達到該領(lǐng)域國際領(lǐng)先水平（Energy, 2024, 294:130838）。

　　基于二氧化碳存儲狀態(tài)以及不同工質(zhì)儲存模式對系統(tǒng)性能的顯著影響，研究團隊進一步研究了低壓氣態(tài)-高壓液態(tài)、低壓氣態(tài)-低壓液態(tài)、低壓液態(tài)-高壓液態(tài)、低壓液態(tài)-低壓液態(tài)不同工質(zhì)儲存方式的四種二氧化碳儲能系統(tǒng)，開展了詳細的熱力學(xué)和經(jīng)濟學(xué)性能對比分析，并進一步對系統(tǒng)關(guān)鍵運行參數(shù)進行了敏感性分析。結(jié)果表明，采用低壓氣態(tài)-高壓液態(tài)模式儲能效率達68%以上，低壓液態(tài)-高壓液態(tài)模式系統(tǒng)綜合性能最優(yōu)，也是未來的重要發(fā)展方向（Applied Thermal Engineering, 2024, 243:122669）。

　　團隊針對二氧化碳儲能系統(tǒng)能量動態(tài)調(diào)度和運行評價問題，構(gòu)建了一種基于壓縮二氧化碳儲能的熱電聯(lián)供（CCES-CHP）系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型，基于系統(tǒng)多工況運行特點，定義了反映系統(tǒng)儲/釋能功率、質(zhì)量流量和冷卻/放熱功率耦合關(guān)系的無量綱因數(shù)γ1、γ2和比參數(shù)α1、α2，并且構(gòu)建了儲熱、儲氣雙SOC模型，提出了一種針對該系統(tǒng)的運行可行域分析方法，并進一步研究了熱電聯(lián)供模式下運行可行域的形狀和特征，分析了熱電分配比調(diào)度變化和考慮寬工況運行的運行可行域影響規(guī)律，從而為評價系統(tǒng)運行熱電聯(lián)供能力和響應(yīng)跟蹤的靈活性提供了一種思路（Energy, 2024, 291:130122）。

　　此外，團隊還研究了二氧化碳液化（CEC/ICMC 2023）、跨臨界二氧化碳儲能（2022 IEEE ICPRE:1135-1139, 2022）和二氧化碳熱泵儲能（2023 IEEE SPEC: 6-12, 2023）等相關(guān)工作。

　　在實驗平臺建設(shè)方面，由中國科學(xué)院理化所、博睿鼎能動力科技有限公司共同研制的“百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗證系統(tǒng)”在河北廊坊順利發(fā)電運行，團隊研究了油、水雙工質(zhì)雙級高效蓄熱、恒壓進氣穩(wěn)態(tài)壓縮/膨脹和跨臨界二氧化碳相變調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)理論儲能效率55%，實驗熱回饋效率在87%以上。該項目的成功運行打通了二氧化碳儲能系統(tǒng)全流程，為全國產(chǎn)化關(guān)鍵裝備開發(fā)和應(yīng)用提供了重要支撐，也為更大規(guī)模級二氧化碳儲能系統(tǒng)開發(fā)提供了有效經(jīng)驗。

　　以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃項目和中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金支持資助。同時也感謝博睿鼎能動力科技有限公司的合作與支持。

圖1 基團貢獻法與SAFT-VR-Mie方程法對臨界參數(shù)預(yù)測對比

圖2 不同溫度下相對作用因子對二氧化碳溶解弛豫特性影響

圖3 CO₂與潤滑油溶解度以及與實驗數(shù)據(jù)的相對偏差

圖4 系統(tǒng)性能隨壓縮機出口壓力的變化

圖5 考慮實時調(diào)度的運行可行性域變化

圖6 百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗證系統(tǒng)