郝佳豪
中國科學院大學未來技術學院
培養(yǎng)單位：中國科學院理化技術研究所
眾所周知，二氧化碳是全球工業(yè)排放的主要廢氣，更是一種典型的溫室氣體，從這點來看，可以說是妥妥的廢物了。
眾所又周知，咱們在控制碳排放方面可以說是走在世界前列的，主打的就是一個負責任的大國。那照此看來，這二氧化碳對我們來說是有害而無利啊，事實果真如此…… 嗎？
別急，咱有黑科技，把二氧化碳這廢物變成儲能的法寶，制作一個大號的二氧化碳“充電寶”，讓它也為實現(xiàn)“雙碳目標”出把力。
我們先來了解一下儲能的概念。
儲能的概念
儲能，即能量的儲存，是指通過介質或設備把一種形式的能量轉化為另一種形式的能量儲存起來，在需要時再釋放的過程。儲能分為儲冷、儲熱和儲電，我們講的充電寶是一種電力的儲存。
把電能儲存起來這種想法并不是憑空出現(xiàn)的，早在遙遠的古希臘，人們就已經知道琥珀碎片在摩擦后可以產生電吸引輕質顆粒。然而，由摩擦產生的電非常容易消逝。來自荷蘭萊頓大學的馬森布羅克因為看到好不容易收集的電卻很容易地在空氣中逐漸消失，力求找到一種保存電的方法，于是在 1746 年，發(fā)明了收集電荷的“萊頓瓶”。這便是最早儲存電力的裝置。
技術總是隨著時間不斷地發(fā)展。到了當代我們儲存電力的方式已經變得多種多樣，比如電化學儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能等。
為什么要儲能？
目前，我們用的電很多都來自于燃煤發(fā)電。燃燒煤炭發(fā)電會產生大量的二氧化碳，而二氧化碳是溫室氣體，對于我們的環(huán)境并不友好。于是，我們想到了使用風能、太陽能等可再生能源來實現(xiàn)能源的轉型，從源頭上減少二氧化碳的排放。
國家能源局 7 月 31 日發(fā)布的數據顯示，截至 6 月底我國可再生能源裝機達到 13.22 億千瓦，歷史性超過煤電，約占我國總裝機的 48.8%。數據顯示，當前全國發(fā)電總裝機達到 27.1 億千瓦，同比增長 10.8%。其中，水電裝機 4.18 億千瓦，風電裝機 3.89 億千瓦，光伏發(fā)電裝機 4.7 億千瓦，生物質發(fā)電裝機 0.43 億千瓦。相關機構預測，到 2050 年，可再生能源在我國能源體系中占比有望達到 78.0%。
然而，風能和太陽能具有顯著的間歇性、波動性和不確定性等不利因素，發(fā)出來的電并不穩(wěn)定，很難與用戶白天、晚上用電量不同的特質相匹配。并且，用戶的用電量不僅在白天和晚上具有差異，在不同的季節(jié)所用的電也是不同的。
據調研，我國電力供需“平時充裕、尖端緊張”和“整體充裕、局部緊張”的特征日益明顯。剛剛結束的迎峰度夏，全國氣溫的不斷攀升和空調制冷負荷不斷釋放；馬上到來的迎峰度冬，氣溫降低帶來的取暖需求，都為能源消費帶來不小的挑戰(zhàn)
這時候儲能系統(tǒng)就起到了為電網“削峰填谷”的作用，它就像一個大號的充電寶，當用電少而發(fā)電多的時候就儲存起來，而用電多而發(fā)電不足時就釋放。如果我們在發(fā)電、輸電、配電、用電，每個環(huán)節(jié)都配上一個充電寶，就可以使發(fā)電和用戶用電相匹配，既滿足我們的用電需求，又可以減少多余電力的浪費。
二氧化碳“充電寶”是什么技術？
前面我們提到了抽水蓄能、壓縮空氣儲能以及二氧化碳儲能，這三種方式均是一種大規(guī)模、可用于調峰的長時儲能技術。但不同的儲能方式也是各有利弊的。抽水蓄能是一種將電能轉化為水的勢能儲存起來的儲能技術，其裝機比例大，應用較為成熟，但存在著對地理環(huán)境要求較高、建設周期長、初期投資大、破壞生態(tài)環(huán)境等客觀問題。
壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能都是一種壓縮氣體儲能技術。
從工質物性上看，二氧化碳的臨界點 (7.39 MPa 和 31.4 ℃) 相對空氣 (3.77 MPa 和-140.5 ℃) 容易實現(xiàn)液化，且二氧化碳無毒、不易燃、安全等級為 A1，且超臨界二氧化碳 (S-CO?) 具有優(yōu)良的熱力學性質：黏度小、密度大、導熱性能好。相同狀態(tài)和壓力下 CO?儲存密度均大于空氣，其中液態(tài)儲存時最高，因此二氧化碳儲能系統(tǒng)具有更高的儲能潛力。
二氧化碳儲能是一種很有前景的新型大規(guī)模長時儲能技術，具有電-電轉換效率高、儲能密度大、壽命長、成本低等特點，能夠滿足可再生能源大規(guī)模電力消納、電網削峰填谷和火電蓄能調峰等龐大市場需求，具有較好的經濟效益和社會效益。
如圖所示，二氧化碳儲能系統(tǒng)主要由二氧化碳高低壓儲罐、壓縮機、透平（汽輪機）、蓄冷換熱器和蓄熱蓄冷子系統(tǒng)組成。其工作原理可分為儲能階段和釋能階段兩個過程。
儲能時，低壓儲罐中的低壓氣態(tài)二氧化碳經過壓縮機壓縮至超臨界狀態(tài)，同時進入中間冷卻器吸收壓縮熱并通過蓄熱介質將熱量儲存在蓄熱罐中，最后二氧化碳被常溫水液化儲存在高壓儲罐中；
釋能時，高壓儲罐中的二氧化碳經過加熱器升溫氣化，再進入透平中推動透平葉輪發(fā)電，同時再將加熱器出口的低溫蓄熱介質冷量儲存在蓄冷罐中，末級透平出口的二氧化碳再返回低壓儲罐。
該系統(tǒng)通過輸入工業(yè)低谷電或風光棄電，并將其以二氧化碳內能、壓力能和蓄熱工質熱能儲存，在用電高峰時釋放二氧化碳驅動透平發(fā)電，以實現(xiàn)可再生能源并網和電網蓄能調峰，同時系統(tǒng)運行伴隨熱負荷也可實現(xiàn)區(qū)域供熱，依托區(qū)域分布式能源系統(tǒng)實現(xiàn)高效多能聯(lián)供。
二氧化碳儲能可以應用到哪些場景？
首先就是在發(fā)電側，二氧化碳儲能系統(tǒng)可以充當為風、光等新能源電站的充電寶和燃煤的火力發(fā)電廠的充電寶。
二氧化碳儲能技術在電網側也大有用處，我們常常在新聞上看到各類大規(guī)模的停電事件對大量的住戶或是正在運作的工廠造成了巨大的經濟損失，如果此時電網的集配站配有二氧化碳“充電寶”，那么這時候我們就可以用二氧化碳所儲存的電能優(yōu)先給一部分關鍵的地區(qū)供電，挽回大量的經濟損失。
同理，我們也可以將二氧化碳儲能技術用在用戶側端，例如一些用電量大的工業(yè)園區(qū)和海洋平臺微電網等等場景。
二氧化碳儲能的未來
二氧化碳儲能是一種新型長時大規(guī)模儲能技術，且正處于技術示范推廣的關鍵時期。其背后蘊藏著萬億級的儲能市場，如果得到大規(guī)模的推廣將會產生巨大的經濟效益。
目前，意大利 Energy Dome 公司在 2022 年 6 月建成了一套 4MW?h 的“二氧化碳電池”試點項目；2023 年 8 月，中科院理化所科研團隊也在河北省廊坊市建設了國內首個百千瓦二氧化碳儲能示范驗證項目。除了示范項目，目前也有更大規(guī)模的、百兆瓦級的項目正在規(guī)劃中。百兆瓦級的二氧化碳儲能系統(tǒng)是什么概念呢？例如一套 100MW / 400MW?h 的二氧化碳儲能系統(tǒng)（100MW 指的是它的發(fā)電功率，400MW?h 指的是它的發(fā)電容量），400MW?h 的容量即該系統(tǒng)能夠發(fā)出 40 萬度電，按照每戶每月用電 350～450 度來算，該系統(tǒng)完成一次充放電可供近千戶用戶用電一個月。而該系統(tǒng)完成一次充電和一次放電均僅需幾小時。
目前，全球國家已陸續(xù)設立了符合各國國情的雙碳目標，中國也不例外。從技術先進性來看，二氧化碳儲能是一種可以支撐“碳達峰、碳中和”的新型技術，可保障高比例可再生能源并網及電網安全，也可以加速能源結構的轉型，同時還可以產生很好的經濟效益和生態(tài)效益。二氧化碳儲能除了從源頭上減少二氧化碳的排放，還可以和碳捕集技術相結合。壓縮二氧化碳儲能過程中要儲存大量的二氧化碳，將這些二氧化碳儲存起來作為“充電寶”使用，可以減少大氣層中的二氧化碳從而緩解溫室效應，維護生態(tài)環(huán)境。
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：郝佳豪
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