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(diǎn)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(gè)負(fù)責(zé)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(shí)果真如此……嗎？
別急，咱有黑科技，把二氧化碳這廢物變成儲(chǔ)能的法寶，制作一個(gè)大號的二氧化碳“充電寶”，讓它也為實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”出把力。
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我們先來了解一下儲(chǔ)能的概念。
儲(chǔ)能的概念
儲(chǔ)能，即能量的儲(chǔ)存，是指通過介質(zhì)或設(shè)備把一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)再釋放的過程。儲(chǔ)能分為儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱和儲(chǔ)電，我們講的充電寶是一種電力的儲(chǔ)存。
把電能儲(chǔ)存起來這種想法并不是憑空出現(xiàn)的，早在遙遠(yuǎn)的古希臘，人們就已經(jīng)知道琥珀碎片在摩擦后可以產(chǎn)生電吸引輕質(zhì)顆粒。然而，由摩擦產(chǎn)生的電非常容易消逝。來自荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克因?yàn)榭吹胶貌蝗菀资占碾妳s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(chǔ)存電力的裝置。
技術(shù)總是隨著時(shí)間不斷地發(fā)展。到了當(dāng)代我們儲(chǔ)存電力的方式已經(jīng)變得多種多樣，比如電化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和二氧化碳儲(chǔ)能等。
為什么要儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)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(fēng)能、太陽能等可再生能源來實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)顯示，截至6月底我國可再生能源裝機(jī)達(dá)到13.22億千瓦，歷史性超過煤電，約占我國總裝機(jī)的48.8%。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全國發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到27.1億千瓦，同比增長10.8%。其中，水電裝機(jī)4.18億千瓦，風(fēng)電裝機(jī)3.89億千瓦，光伏發(fā)電裝機(jī)4.7億千瓦，生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)0.43億千瓦。相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2050年，可再生能源在我國能源體系中占比有望達(dá)到 78.0%。
然而，風(fēng)能和太陽能具有顯著的間歇性、波動(dòng)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(zhì)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(jù)調(diào)研，我國電力供需“平時(shí)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(jié)束的迎峰度夏，全國氣溫的不斷攀升和空調(diào)制冷負(fù)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(fèi)帶來不小的挑戰(zhàn)
這時(shí)候儲(chǔ)能系統(tǒng)就起到了為電網(wǎng)“削峰填谷”的作用，它就像一個(gè)大號的充電寶，當(dāng)用電少而發(fā)電多的時(shí)候就儲(chǔ)存起來，而用電多而發(fā)電不足時(shí)就釋放。如果我們在發(fā)電、輸電、配電、用電，每個(gè)環(huán)節(jié)都配上一個(gè)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(fèi)。
二氧化碳“充電寶”是什么技術(shù)？
前面我們提到了抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能以及二氧化碳儲(chǔ)能，這三種方式均是一種大規(guī)模、可用于調(diào)峰的長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。但不同的儲(chǔ)能方式也是各有利弊的。抽水蓄能是一種將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能儲(chǔ)存起來的儲(chǔ)能技術(shù)，其裝機(jī)比例大，應(yīng)用較為成熟，但存在著對地理環(huán)境要求較高、建設(shè)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(chǔ)能和二氧化碳儲(chǔ)能都是一種壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)。
從工質(zhì)物性上看，二氧化碳的臨界點(diǎn)(7.39 MPa和31.4 ℃)相對空氣(3.77 MPa 和-140.5 ℃)容易實(shí)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(xué)性質(zhì)：黏度小、密度大、導(dǎo)熱性能好。相同狀態(tài)和壓力下CO?儲(chǔ)存密度均大于空氣，其中液態(tài)儲(chǔ)存時(shí)最高，因此二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更高的儲(chǔ)能潛力。
二氧化碳儲(chǔ)能是一種很有前景的新型大規(guī)模長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，具有電-電轉(zhuǎn)換效率高、儲(chǔ)能密度大、壽命長、成本低等特點(diǎn)，能夠滿足可再生能源大規(guī)模電力消納、電網(wǎng)削峰填谷和火電蓄能調(diào)峰等龐大市場需求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
如圖所示，二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由二氧化碳高低壓儲(chǔ)罐、壓縮機(jī)、透平（汽輪機(jī)）、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(chǔ)能階段和釋能階段兩個(gè)過程。
儲(chǔ)能時(shí)，低壓儲(chǔ)罐中的低壓氣態(tài)二氧化碳經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮至超臨界狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)入中間冷卻器吸收壓縮熱并通過蓄熱介質(zhì)將熱量儲(chǔ)存在蓄熱罐中，最后二氧化碳被常溫水液化儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)罐中；
釋能時(shí)，高壓儲(chǔ)罐中的二氧化碳經(jīng)過加熱器升溫氣化，再進(jìn)入透平中推動(dòng)透平葉輪發(fā)電，同時(shí)再將加熱器出口的低溫蓄熱介質(zhì)冷量儲(chǔ)存在蓄冷罐中，末級透平出口的二氧化碳再返回低壓儲(chǔ)罐。
該系統(tǒng)通過輸入工業(yè)低谷電或風(fēng)光棄電，并將其以二氧化碳內(nèi)能、壓力能和蓄熱工質(zhì)熱能儲(chǔ)存，在用電高峰時(shí)釋放二氧化碳驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電，以實(shí)現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)和電網(wǎng)蓄能調(diào)峰，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行伴隨熱負(fù)荷也可實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱，依托區(qū)域分布式能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效多能聯(lián)供。
二氧化碳儲(chǔ)能可以應(yīng)用到哪些場景？
首先就是在發(fā)電側(cè)，二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)可以充當(dāng)為風(fēng)、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(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)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(yùn)作的工廠造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，如果此時(shí)電網(wǎng)的集配站配有二氧化碳“充電寶”，那么這時(shí)候我們就可以用二氧化碳所儲(chǔ)存的電能優(yōu)先給一部分關(guān)鍵的地區(qū)供電，挽回大量的經(jīng)濟(jì)損失。
同理，我們也可以將二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)用在用戶側(cè)端，例如一些用電量大的工業(yè)園區(qū)和海洋平臺微電網(wǎng)等等場景。
二氧化碳儲(chǔ)能的未來
二氧化碳儲(chǔ)能是一種新型長時(shí)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，且正處于技術(shù)示范推廣的關(guān)鍵時(shí)期。其背后蘊(yùn)藏著萬億級的儲(chǔ)能市場，如果得到大規(guī)模的推廣將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)項(xiàng)目；2023年8月，中科院理化所科研團(tuán)隊(duì)也在河北省廊坊市建設(shè)了國內(nèi)首個(gè)百千瓦二氧化碳儲(chǔ)能示范驗(yàn)證項(xiàng)目。除了示范項(xiàng)目，目前也有更大規(guī)模的、百兆瓦級的項(xiàng)目正在規(guī)劃中。百兆瓦級的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)是什么概念呢？例如一套100MW/400MW•h的二氧化碳儲(chǔ)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(gè)月。而該系統(tǒng)完成一次充電和一次放電均僅需幾小時(shí)。
?目前，全球國家已陸續(xù)設(shè)立了符合各國國情的雙碳目標(biāo)，中國也不例外。從技術(shù)先進(jìn)性來看，二氧化碳儲(chǔ)能是一種可以支撐“碳達(dá)峰、碳中和”的新型技術(shù)，可保障高比例可再生能源并網(wǎng)及電網(wǎng)安全，也可以加速能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，同時(shí)還可以產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。二氧化碳儲(chǔ)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(shù)相結(jié)合。壓縮二氧化碳儲(chǔ)能過程中要儲(chǔ)存大量的二氧化碳，將這些二氧化碳儲(chǔ)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(yīng)，維護(hù)生態(tài)環(huán)境。
來源：中科院物理所
