1、热泵型二氧化碳储能技术研究现状及应用前景2023中国制冷展专题研讨会储能空调发展论坛张振涛 研究员 博导中国科学院理化技术研究所低温工程与系统应用研究中心长沙/北京博睿鼎能动力科技有限公司2023年4月2日中国科学院理化技术研究所中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry CAS中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistrycontents报告报告目录目录1.1.背景及意义背景及意义2.2.热泵型二氧化碳储能系统概述热泵型二氧化碳储能系统概述3.3.二氧化碳储

2、能技术研究现状二氧化碳储能技术研究现状5.5.二氧化碳储能产业化现状二氧化碳储能产业化现状4.4.二氧化碳储能技术多元应用场景二氧化碳储能技术多元应用场景目录6.6.团队介绍团队介绍中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry背景及意义背景及意义1.0CHAPTER中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry国家战略中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。习近平，第七十五届联

3、合国大会讲话积极稳妥推进碳达峰碳中和，立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动，深入推进加强煤炭清洁高效利用，加快规划建设新型能源体系，积极参与应对气候变化全球治理。习近平在中国共产党第二十次全国代表大会的报告（2022年10月16日）2020.9.22第七十五届联合国大会一般性辩论2022.1.24习近平在十九届中央政治局第三十六次集体学习时的讲话2022.1.17习近平在2022年世界经济论坛视频会议的演讲2021.1.25习近平在世界经济论坛“达沃斯议程”对话会上的特别致辞2021.3.15中央财经委员会第九次会议2022.3.5习近平在参加内蒙古代表团审议时的讲话

4、2022.10.16中国共产党第二十次人民代表大会2022.12.15中央经济工作会议2023年首届中国碳达峰碳中和行动峰会新闻发布会2021.12.8中央经济工作会议2020.12.12气候雄心峰会2021.4.22领导人气候峰会2021.9.21第七十六届联合国大会一般性辩论2022.5.23习近平发表正确认识和把握我国发展重大理论和实践问题中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry政策利好国家宏观政策地方储能规划储能行业热点大力发展新型储能技术研发应用，鼓励长时储能发展 中共中央 国务院 国家能源局 国家发改委 国家发

5、改委全国已有规划了“十四五”新型储能装机目标，总规模接近，根据CNESA预计“十四五”时期，新型储能年复合增长率保持在，市场规模将再创新高。山东省新型储能工程发展行动方案 全国构建鲁中先进压缩空气储能重点区。以超临界液态压缩二氧化碳储能等技术为重点，探索开发一批中小型储能电站。四川省新型储能发展规划(2022-2025)专栏5 新型储能重点项目建成压缩二氧化碳储能等示范项目，建成分布式供能系统储能、近零碳排放园区储能等项目。随着新型储能技术的飞跃式发展，二氧化碳储能凭借其等优势受到广泛关注。中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemi

6、stryCO2储能在物理特性、储能密度、投资成本、环保性能等方面具有较大优势，设备体型相对更小，对地理环境依赖小。储能形式多样，但禀赋特点不同2021年中国储能装机情况（来源：中关村储能产业技术联盟）抽水蓄能（PHS）电化学储能（BES）压缩空气储能（CAES）二氧化碳储能（CES）常见储能技术不同储能技术的放电时间和存储容量的比较（来源：RMIT）中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry热泵型二氧化碳储热泵型二氧化碳储能系统概述能系统概述2.0CHAPTER中国科学院理化技术研究所Technical Institute

7、of Physics and Chemistry二氧化碳是一种物性优良的储能工质二氧化碳的性质二氧化碳储能优势CO2临界压力与临界温度分别是7.39MPa和31.4，临界点容易到达，使得CO2可以实现常温液化，使得其整体流程设计相对灵活；CO2导热性好，跨临界转换时比热容处于较高范围，液体黏度低，系统寄生能耗相对较低；热源放热温度曲线和CO2吸热温度曲线匹配良好，主要热力过程的高效传热容易实现；储能密度高，一般可达到2060 kWh/m3，约为传统压缩空气储能的220倍。高临界温度气液密度变化跨临界比热容变化典型逆卡诺循环下的换热温度滑移中国科学院理化技术研究所Technical Instit

8、ute of Physics and Chemistry基于热泵、热机循环的储能循环储能：半个逆卡诺（热泵）循环释能：半个布雷顿（热机）循环Ts1/52/43/3s0THTL0O0-1-2-3热泵压力势能压缩热能工质内能压缩膨胀耦合/解耦压缩储能：1-2 等熵压缩2-3 等压放热膨胀释能：3-4 等压吸热4-5 等熵膨胀3-4-5-0热机中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry热泵型二氧化碳储能（CES）的基本原理 储能过程储能侧CO2被压缩机压缩至超临界状态，利用再冷器吸收压缩热，即将电能以热能和势能形式储存。释能过程释

9、能侧CO2经再热器升温，进入透平中膨胀，推动透平发电，即将热能和势能转化为电能输出。CO2储存方式多样，可结合当地地理环境特点灵活选择高压液态低压液态气态低压液态地理空间小盐穴、洞窟地理空间大耐高压存储低压存储CO2压缩-用电低谷电力存储CO2膨胀-用电高峰中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry热泵型二氧化碳储能（CES）数学模型及评价指标系统循环效率=()(+)=+=()+=()()系统数学模型系统储能密度系统评价指标膨胀过程换热过程压缩过程系统热利用率中国科学院理化技术研究所Technical Institute o

10、f Physics and Chemistry二氧化碳储能二氧化碳储能系统研究现状系统研究现状3.0CHAPTER中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry二氧化碳储能系统的不同类型二氧化碳储能技术按照储能形式、介质储存形式、系统工作压力和储存设备形式可以细分为不同种类，但基本上都采用无需补燃的自回馈式储能技术，具体形式随着使用条件具有不同优势和劣势。以下从目前研究及应用相对较多的跨临界二氧化碳储能（TC-CES）、超临界二氧化碳（SC-CES）储能、液态二氧化碳储能（LCES）和新形式二氧化碳储能集成技术展开具体介绍。二氧

11、化碳储能技术分类中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry根据透平出口压力划分，若透平出口压力低于临界压力称为TC-CES系统，若高于临界压力则称为SC-CES系统。北京大学Zhang等人研究了两种系统，跨临界系统循环效率为60%，储能密度为2.6 kWh/m3；超临界系统循环效率为71%，储能密度为23 kWh/m3。相较于传统CES，TC-CES 拥有更高的循环效率和储能密度。ZHANG X R,WANG G B.Thermodynamic analysis of a novel energy storage syste

12、m based on compressed CO2 fluidJ.International Journal of Energy Research,2017,41(10):1487-1503.跨临界(TC-CES)和超临界二氧化碳(SC-CES)储能系统中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry跨临界(TC-CES)储能系统基于低压液态、高压超临界两态储存，压缩热回收-自回馈；设计工况下，系统循环效率63.8%，储能密度21.1kWh/m3，热利用效率可达77.9%Hao Jiahao,Yue Yunkai,Zhang Zh

13、entao,Zhang Jiajun,Yang Junling and Li Xiaoqiong.Thermodynamic analysis of a transcritical carbon dioxide energy storage systemC.2022 The 7th International Conference on Power and Renewable Energy.储能压力的提高对压缩机和膨胀机影响趋势不同一定压力范围内，储能压力对透平性能的影响较小针对循环效率和储能密度作用储能压力存在最优点通过节流控制释能压力使RTE从54.0%增加到55.2%CSSgCCOL,S

14、C,StVTRqPP22O滑压运行 理化所跨临界二氧化碳储能系统仿真模拟中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry结果参考案例和灵敏度分析，往返效率约77%（2%），20MW/100MWh系统占地21459m2=32.2亩；低压气态和高压液态储存，单位工质流量发电功率为130kW/1kg/s，所用工质总量较少，每MWh对应5万tCO2，但储存容积大；液罐173m3，气库12266m3（18亩）；系统限制：（1）低压储气库材料及滑压运行保证；（2）高温离心压缩机Marco Astolfi,et al.A Novel Energ

15、y Storage System Based on Carbon Dioxide Unique Thermodynamic PropertiesJ.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2022,144:081012.米兰理工大学复合多阶蓄热的二氧化碳储能系统跨临界(TC-CES)储能系统中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry双罐低压液态储存，储存容积小，以甲醇作为蓄冷介质，节流损失占比最大，储能侧相变蓄冷材料需要重点筛选；基本设计工况下，系统循环效率52.5

16、5%，储能密度23.94kWh/m3，热利用效率可达80.6%，效率51.69%理化所基于低压储存的液态二氧化碳储能系统研究Hao Jiahao,et al.Thermodynamic performance analysis of liquid carbon dioxide energy storage system based on double tank low pressure storage.(Under submit)CST：充电储罐；DST：放电储罐；LCS：相变蓄冷换热器；C1C2：压缩机；T1T2:膨胀机；HE1HE4:换热器；HWV：热水罐；NWV：常温水罐；SCS1SCS

17、2：显冷储存单元；SCU1SCU2：显冷回用单元；HMV：高温甲醇罐；NMV：常温甲醇罐；Separator：气液分离器；CP：低温泵；V1V2：减压（节流）阀储能：逆循环释能：正循环液态二氧化碳储能(LCES)中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and ChemistryHao Jiahao,et al.Thermodynamic performance analysis of liquid carbon dioxide energy storage system based on double tank low pressure stora

18、ge.(Under submit)典型LCES系统初始运行参数设置Initial operation parameters of typical LCES systemInitial operation parameters of typical LCES systemParametersUnitValueAmbient temperatureK298.15Ambient pressureMPa0.10Pressure in CST MPaPressure in CST MPa0.80.8Pressure in DST MPaPressure in DST MPa0.60.6Charging

19、pressure MPaCharging pressure MPa1414Discharging pressure MPaDischarging pressure MPa1515Compression stage2Expansion stage2Minimum temperature difference of heat exchangersK5Minimum temperature difference ofthe LCSK6Isentropic efficiency of compressors0.85Isentropic efficiency of turbines0.88Isentro

20、pic efficiency of cryogenic pump0.72COCO2 2mass flow rate kg/smass flow rate kg/s1.01.0ParametersUnit Value C1kW 143.72 C2kW 141.81 T1kW 66.33 T2kW 83.71 CPkW 15.52 1kW 160.16 2kW 367.75 3kW 302.14 4kW 123.39 Liquid%84.8 HR%80.6 Ex%51.69 RTE%52.55 ESDkWh/m3 23.94 典型LCES系统性能LCES system performance un

21、der default conditionsLCES system performance under default conditions 理化所基于低压储存的液态二氧化碳储能系统研究液态二氧化碳储能(LCES)中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and ChemistryHao Jiahao,et al.Thermodynamic performance analysis of liquid carbon dioxide energy storage system based on double tank low pressure stor

22、age.(Under submit)分析计算破坏最大出现在V2（节流损失），其次是C1、C2和末级冷却器HE2和一级加热器HE3；HE1、HE2、HE3、SCS1、SCU1、SCS2、SCU2、CP效率较小，主要是换热环节最小温差的存在导致。液态二氧化碳储能(LCES)理化所基于低压储存的液态二氧化碳储能系统研究中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and ChemistryHao Jiahao,et al.Thermodynamic performance analysis of liquid carbon dioxide energy sto

23、rage system based on double tank low pressure storage.(Under submit)换热性能计算亚临界CO2在传热过程中的温度匹配较有利；超临界CO2由于比热变化传热较差，最大温差在端部；较小的夹点温差意味着需要更多的换热面积，应通过平衡效率、成本、空间等各种因素，合理选择换热器的夹点温差。蓄热子系统四个换热器T-Q曲线（a）HE1（b）HE2（a）HE3（b）HE4SCS2 T-Q曲线及换热温差变化 理化所基于低压储存的液态二氧化碳储能系统研究液态二氧化碳储能(LCES)中国科学院理化技术研究所Technical Institute of

24、Physics and ChemistryHao Jiahao,et al.Thermodynamic performance analysis of liquid carbon dioxide energy storage system based on double tank low pressure storage.(Under submit)压缩机、膨胀机效率影响压缩机和膨胀机的等熵效率对系统性能有协同效应，储能效率与这两个参数呈正相关；反映了系统储能和释能过程中电能的转化极限，后续考虑和热能转化情况的关联性。等熵效率对RTE的影响液态二氧化碳储能(LCES)理化所基于低压储存的液态二

25、氧化碳储能系统研究中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry液态二氧化碳储能(LCES)与其他系统的对比Thermodynamic and economic analysis of compressed carbon dioxide energy storage systems based on different storage modes考虑到工作介质存储模式对系统性能的显著影响，本文提出了4种基于不同二氧化碳存储模式的CCES系统。分别从热力学性能和经济学指标评价不同系统的综合性能。中国科学院理化技术研究所Techni

26、cal Institute of Physics and Chemistry采用系统D高、低压液相存储的系统综合性能最好。在最优参数设置下，系统的RTE、HUE和ESD可分别达到56.20%、85.81%、16.23 kW h/m3。在经济特征方面，在设计条件下，ROI、LCOE、CCOE分别为8.72年、11.47%、0.123$/kW h、255.92$/kW h；气态储存储气罐成本占比最大，液态存储相变材料成本占比最大；购电成本较高，需要一定政策利好。四种系统的经济性指标初投资占比分析运营成本分析结论四种系统的热力学指标液态二氧化碳储能(LCES)与其他系统的对比中国科学院理化技术研究所

27、Technical Institute of Physics and Chemistry能量密度高，在20kWh/m3以上，储罐体积小实现单体MW级及以上大规模储能需求，储能时长可达数小时以上，响应时间短，系统运行寿命长达3050年CO2低压液态储存，液化问题显著高于液态空气（-30左右），安全性高有效利用余热和输出热量和冷量，可实现冷热电联供兼顾CO2工质化利用，具有较好工程应用前景蓄冷液化流程机理研究液态CO2需要匹配低温液化设备，降压液化过程将造成较大能量损失，所以需要对流程参数和工艺流程做出细致分析，提高冷回收效率和蓄冷效率。液态二氧化碳储能(LCES)下一步需要系统性工程化验证基于系

28、统工艺、动力装备、换热蓄冷装备，仍需要进行系统性的实验验证。LCES优势 LCES挑战中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry二氧化碳高效液化工艺研究现状 高品位冷量获取利用LNG的高品位冷能新加坡液化天然气公司（SLNG）利用终端冷量液化CO2寻找恰当的使用场景低温液体工质，如甲醇等优选换热工质；多工质联合使用相变蓄冷寻找适宜的相变材料，优化换热器结构固相蓄冷蓄冷材料筛选；优化填充床结构；分析斜温层特性填充床蓄冷流程示意图相变蓄冷示意图 混合储能工质混合储能工质采用有机工质与CO2混合可以显著提高工作介质的临界温度，解决

29、LCES系统中CO2的冷凝问题；如CO2与R32/R161中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry二氧化碳储能技术二氧化碳储能技术多元应用场景多元应用场景4.0CHAPTER中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry二氧化碳储能热电联供可行性研究压缩二氧化碳储能（CCES）通过将电能以热能、势能形式储存并释放，从而使系统具备热电联供的能力，这对于实现能量高效综合利用和促进储能技术发展具有积极意义。构建了一种基于压缩二氧化碳储能的热电联供（CCES-CHP

30、）系统及其数学计算模型，根据系统多工况运行特点，建立了反映系统储/释能功率和冷却/放热功率耦合关系的无量纲因数1、2，提出了一种针对该系统的运行可行域分析方法，并进一步研究了热电联供模式下运行可行域的形状和特征，分析了热电分配比变化和考虑宽工况运行的运行可行域影响规律，从而为评价系统运行热电联供能力和灵活性提供了一种思路。CCES-CHP系统原理图CCES-CHP系统双SOC模型中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry二氧化碳储能热电联供可行性研究充电-供热工况储热SOC和储气SOC表达式压缩机功率和透平功率都存在上限值，

31、且与换热功率、设备做功能力和CO2高压储罐压力密切相关储热SOC以高温储热罐储热量QHTV来描述 condition Heating-Disharging ttQtQtW1-tQcondition Heating-Charging ttQtQtW1-tQtQHE-LGHE-HGE,T2HTVHE-LGHE-HGE,C1HTVHTV储气SOC以CO2高压储罐储存压力pHPT来描述 condition HeatingingarghDis ttWTVR1-tp condition HeatingingargCh ttWTVR1-tptpE,T2HPTHPTgHPTE,C1HPTHPTgHPTHPT约

32、束条件 maxHPTHPTupperEC,min,E,CmaxC1maxICupperE,CE,CPtp WhenW,W,QminWtW inmHPTHPTupperET,max,E,TmaxT2maxHRupperE,TE,TPtp WhenW,W,QminWtWCCES-CHP系统运行可行域刻画放电-供热工况中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry基于火电烟气余热补热的二氧化碳储能系统热力学分析基于火电烟气余热补热的二氧化碳储能系统原理为了提高火电厂发电机组调峰灵活性，解决火电厂烟气余热及碳排放处理等问题，提出了一种基

33、于火电烟气余热补热的二氧化碳储能系统。建立了该储能系统的热力学模型，通过模型研究了高压储气室压力、低压储气室压力、补热温度、压缩比和膨胀比分配以及分流器分流分率等关键参数对系统性能的影响，获得系统最优储能效率，为67.89%；同时对关键部件进行分析，结果表明，压缩机和膨胀机、第一级再热器以及混流器占损失的主要部分，其效率的提高更有利于系统的优化。研究分析思路中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry基于火电烟气余热补热的二氧化碳储能系统热力学分析系统关键部件损分布分析储能压力敏感性分析压缩机入口压力压缩机和膨胀机压力分配储冷

34、分流器分流分率储热分流器分流分率补热温度06668 储能效率 储能密度蓄热温度()储能效率(%)6.06.46.87.27.68.0 储能密度(kWh/m3)T1T2压缩机、C1C2膨胀机、I1I2级间冷却器、R1R2级间再热器、COND冷凝器、MIX1MIX2混流器将火电烟气余热用于二氧化碳储能系统可增加膨胀阶段二氧化碳做功，提高系统储能效率，同时对烟气余热也有较好的利用。中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry二氧化碳储能产业二氧化碳储能产业化现状化现状5.0CHAPTER中

35、国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry 意大利Energy Dome公司二氧化碳电池技术 百穰新能源西安交大二氧化碳压缩储能技术 博睿鼎能中科院理化所液态二氧化碳储能技术2013年，瑞士Auwiesen 二氧化碳热电储能电站2022年6月，意大利撒丁岛二氧化碳储能2.5MW项目（气液两相储存）2022年8月，四川德阳二氧化碳储能10MW项目（气液两相储存）2022年11月，河北唐山曹妃甸TIPC液态二氧化碳储能项目（已开工建设）2014年，十二五”新疆重大专项：中科院理化所：移动式二氧化碳压缩储能装置二氧化碳储能技术研发积

36、累阶段产业化前景系统示范及关键性能指标进一步提升系统单位投资成本进一步降低源网荷多场景应用集成技术研发受到新型储能政策大力支持国际现状：从TE-CES（热电）到CES（电电）的转变国内现状：样机开发与探索研究，商业化即将来临瓶颈问题：技术路线尚无标准，设备初投资有待降低产业化现状二氧化碳储能产业化现状中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry团队介绍团队介绍6.0CHAPTER中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry团队负责人 中国科学院关键技术人才 国

37、家重点研发专项“农特产品绿色节能干燥技术装备研发（2018YFD0700200）”首席科学家 中国轻工业食品药品保质加工储运装备与节能技术重点实验室主任 中国高技术产业发展促进会副秘书长 中国农业机械学会能源环境委员会副主任委员 太湖人才、锡山英才、龙城英才团队负责人 张振涛十四届全国政协委员博士，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师河南省科技进步三等奖(第一完成人)国家烟草局河南省公司科技进步特等奖(第二完成人)制定团体标准8项，烟草局标准4项出版学术专著1部授权与申请专利220余项发表学术论文（含SCI)150余篇技术孵化企业10多家，新三版挂牌企业一家研究方向传热传质机理绿色流程工

38、业科研业绩二氧化碳储能技术及装备自然工质利用及节能设备中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry团队成员李晓琼助理研究员，博士，主要研究高效新型制冷热泵技术。主持国家重点研发子课题、省部级重点研发课题4项，西安与项目10余项，发表论文10余篇等。杨俊玲副研究员，博士，主要研究高效换热技术。主持国家自然科学基金2项、国家重点研发项目等项目共计10余项。越云凯助研，博士，主要研究高效分离和高效传热传质技术，参与国家自然科学基金和重点研发计划等多个科研项目。李亚南博士，主要研究方向为单螺杆压缩机的结构优化及性能提升，参与北京市自然

39、科学基金等多个科研项目。于泽工程师，有丰富的机械与压力容器结构强度计算、设计和制作经验，参与了30多项项目。王有栋博士研究生、机电控制设计工程师，主要研究热工优化控制方向，曾参与多项项目的研发。郝佳豪博士研究生，主要研究二氧化碳储能性能优化技术，参与国家自然科学基金等多个科研项目。郑平洋博士研究生，主要研究二氧化碳储能系统蓄冷液化技术，参与多个科研项目。张家俊硕士研究生，主要从事二氧化碳储能高效蓄热技术研究，参与国家自然科学基金等科研项目。中国科学院理化技术研究所Technical Institute of Physics and Chemistry谢谢大家张振涛，微信