论文标题：Analysis of heat transfer characteristics of a novel liquid CO2 energy storage system basedon two-stage cold and heat storage

期刊：Frontiers in Energy

作者：Pingyang Zheng, Jiahao Hao, Zhentao Zhang, Junling Yang, Xiaoqiong Li, Yunkai Yue

发表时间：24 Sep 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0963-3

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文章简介

随着风能、太阳能等可再生能源装机容量的不断增加，储能技术变得越来越重要，可有效平衡电力供需，增强分配灵活性，改善电能质量。在各种储能技术中，液态二氧化碳储能（LCES）具有储能效率（RTE）高、储能密度（ESD）大、安全稳定、使用寿命长等优势，是当前最有前途的储能技术之一。而在储能系统中，蓄冷蓄热装置至关重要，对于系统整体性能影响巨大。

本文提出了一种新型LCES系统，并对其传热特性进行了详细分析。讨论了关键参数对液化比和储能效率的影响。结果表明：在设计条件下，系统的RTE、ESD和效率分别为56.12%、29.46 kW·h/m³和93.73%。当二氧化碳处于气液相变过程或超临界状态时，其传热过程变得更加复杂，能量损失显著增加。对Linde-Hampson液化装置关键参数的分析表明，随着液化温度的降低，液化比和RTE均增大。虽然液化压力对液化比的影响很小，但对RTE的影响很大，并最终确定了最佳液化压力。

研究背景及意义

在新能源体系建设的指导下，可再生能源正在成为电力的主要来源。考虑到可再生能源发电的波动性、间歇性和不可预测性，大规模长时储能技术发挥着越来越重要的作用。二氧化碳储能（CES）因其高往返效率（RTE）、安全稳定、长寿命、灵活性强等特殊优势，近年来备受关注。到2023年底，世界上已有几个成熟的CES项目完成。然而，常用的技术方法主要是利用气液两相状态来存储工质。低压气态二氧化碳体积大，系统的储能密度（ESD）过小，限制了其广泛应用。因此研究双侧液相存储的二氧化碳储能系统意义重大。然而当前大多数研究主要集中在宏观工艺或结构设计上，缺乏对内在传热特性的详细分析。此外关键参数对系统性能的影响尚不清楚。为了解决这一问题，本文建立了一种新型LCES系统，该系统结合了林德-汉普森液化循环和两级冷/热储存装置。首先对各种储存方法和材料进行了比较和选择。然后对其传热特性进行了详细分析。最后探讨了关键参数对系统性能的影响及其作用机制。

主要研究内容

文章选择了双罐式液态介质存储策略。考虑到冷库温度范围约为-50℃~-20℃，潜在冷库介质的主要热物理性质如图1所示。虽然可以明显看出丙烷的粘度明显低于其他液体，这有助于降低流动阻力，但根据工程经验，这不能显著降低泵的功耗。而甲醇具有密度大、导热系数高、比热高、成本低等优点，有利于提高系统的热能效率，同时降低成本和占用土地。因此，综合考虑，甲醇是最佳选择。常用的高温储热材料如表1所示。考虑到运行温度和比热容大，选择导热油和加压水建立两级蓄热工艺，提高热利用效率，但导热油在价格上不具有优势。

图1 甲醇、乙醇和丙烷的主要热物理性质

建立了基于级联冷热储存和Linde-Hampson液化循环的新型LCES系统，其原理如图2所示。为降低换热器设计难度，减少冷却损失，提高冷库效率，将蓄冷单元设计为显热和潜热两级交换过程。此外，考虑到储热的温度范围过大，设计了热油和水两级储热工艺，实现了能量梯级利用。整个系统的工作原理包括充电和放电两个过程。

图2 LCES系统原理图

在设计工况下，系统的RTE为56.12 %，ESD为29.46 kW·h/m³，火用效率为93.73 %。在CO₂的许多物理性质中，比热是影响传热过程的最重要因素。CO₂的比热随不同状态而变化，特别是在临界点附近（7.38 MPa, 31℃）变化显著，如图3所示。

图3 CO₂比热容

为了更好地阐明传热特性，挖掘节能潜力，获得进一步优化方向，系统的复合T-Q曲线如图4所示。蓄冷过程由显热和潜热两部分组成。在MH1和MC1中，CO₂发生气液相变，而在MH2和MC2中仅存在单相流动和换热现象。

图4 换热器的T-Q曲线

因此，在第一级换热过程中，CO₂的温度几乎保持不变，而甲醇的温度不断变化，温度曲线的不匹配导致了相对较大的?损失。换热温差范围为3~10 ℃。在第二阶段换热过程中，CO₂和甲醇的温度都在变化，传热曲线匹配较好，换热温差范围为4~7 ℃。采用导热油与加压水相结合的两级蓄热工艺。两级的储热温度范围分别约为200~340 ℃和20~170 ℃。在第一阶段蓄热过程中，放电过程中换热温差逐渐增大，达到最大值约45 ℃。充电过程中，换热温差先减小后略有升高。这主要是由于导热油的比热容随着温度的升高而降低。另一方面，二氧化碳的比热在高温高压下变化很小。而在第二阶段，随着温度的升高，CO₂的比热先增大后减小。当温度接近临界点时出现峰值，在相同的换热能力下，温度变化较小。但是水的比热容呈线性变化。由于可能存在的温度夹点，传热过程更加困难。充、放电阶段的换热温差呈现相反的趋势，换热夹紧点一般出现在WC的中间和WH的两端，在换热器设计过程中应分别考虑。总的来说，当两种流体的比热容变化相似时是最有利的。此外，热交换器的详细离散设计是至关重要的，特别是当二氧化碳比热容变化显著时。MHX中发生的是三种流体流之间的热交换过程。冷流体包括低温甲醇和返回的气态CO₂，热流体是主流CO₂。在设计条件下，传热温差维持在5 ℃左右，温度夹点位于MHX热端附近。最后，一个简单的流动和传热过程发生在MH3中，主要用于甲醇复温。

主要结论

本文提出了一种具有Linde-Hampson液化循环和两级冷/热储存过程的新型LCES系统。介绍了冷/热储存方法和可能的材料，对换热器的传热特性进行了详细的分析。此外，还讨论了关键参数对林德-汉普森循环液化比和系统储能的影响。主要结论如下：

(1)综合考虑各因素，设计了显热和潜热分离的液相蓄冷工艺以及导热油和加压水两级蓄热方案。在给定的设计条件下，系统的RTE为56.12 %，ESD为29.46 kW·h/m³，效率为93.73 %。

(2)?破坏最高的前5位换热器分别是WH、MH1、MH2、WC和MHX，分别占总?破坏的28.64 %、18.91 %、12.35 %、11.81 %和7.51 %。这些热交换器需要更精细的结构设计，应优先进行优化。

(3)液化比与RTE呈正相关。因此有必要在综合评价系统热力学性能和实际可行性的基础上，综合确定液化压力、液化温度和储存压力。

原文信息

Analysis of heat transfer characteristics of a novel liquid CO2 energy storage system basedon two-stage cold and heat storage

Pingyang Zheng, Jiahao Hao, Zhentao Zhang, Junling Yang, Xiaoqiong Li, Yunkai Yue*

Abstract：

As the installed capacity of renewable energy such as wind and solar power continues to increase, energy storage technology is becoming increasingly crucial. It could effectively balance power demand and supply, enhance allocation flexibility, and improve power quality. Among various energy storage technologies, liquid CO₂ energy storage (LCES) stands out as one of the most promising options due to its advantages such as high round-trip efficiency (RTE), high energy storage density (ESD), safety, stability, and longevity. Within the system, the cold and heat storage units play a critical role in determining the overall performance of the system and are particularly important among its various components. In this paper, a novel LCES system is proposed and the heat transfer characteristics are analyzed in detail. Then, the impact of key parameters on the liquefaction ratio and RTE is discussed. The results indicate that the RTE, ESD, and exergy efficiency of the system are 56.12%, 29.46 kWh/m3, and 93.73% under specified design conditions, respectively. During the gas–liquid phase change process of carbon dioxide or when it is in a supercritical state, the related heat transfer processes become more complex, leading to increased energy loss. The analysis of key parameters of the Linde-Hampson liquefaction unit reveals that as the liquefaction temperature decreases, both the liquefaction ratio and RTE increase. While the liquefaction pressure has a minimal impact on the liquefaction ratio, it significantly affects RTE, with an optimal liquefaction pressure identified.

Cite this article

Pingyang Zheng, Jiahao Hao, Zhentao Zhang, Junling Yang, Xiaoqiong Li, Yunkai Yue. Analysis of heat transfer characteristics of a novel liquid CO2 energy storage system basedon two-stage cold and heat storage. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0963-3

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