《Energy》：Design of an artificial cavern compressed air energy storage in isobaric operation
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人工洞穴空气储能系统通过等压操作和水循环压力稳定技术，结合高温熔盐储热提升系统效率至70.15%，储气量减少至传统等容系统的五分之一，平准化储能成本降至0.7521元/kWh，显著优于同参数等容系统（0.8111元/kWh）。研究建立了包含能量平衡、熵产分析和成本模型的技术经济体系，系统效率有望未来提升至78%-80%。
Kaiyue Zheng|Xintao Fu|Chuangang Bai|Zhan Liu
青岛科技大学机电工程学院，中国青岛市
摘要
在压缩空气储能商业示范项目中，人工洞穴得到了广泛的应用。然而，一个紧迫的问题是如何显著减小空气洞穴的规模，因为缓冲空气的容量不可避免地较大。另一个问题是效率有限，典型情况下效率约为65%，这是由于热储存温度低和节流损失造成的。因此，研究人员有动力进一步开发这种储能方式，考虑到其不显眼的热力学和经济特性。本文介绍了三种以高温和等压运行为特征的人工洞穴空气储能系统。详细描述了一个技术经济模型，以准确评估这些系统的性能和资本成本。研究表明，在给定系统中，压缩空气的体积仅为等容系统的五分之一，节流压力为4 MPa时，对于一个300MW/1500MWh的系统，在200米深度下，压缩空气体积通常约为40000立方米。在这种情况下，使用Hitec盐的三阶段系统的效率为70.15%，当非高峰时段的电价为0.3元/千瓦时时，其平准化储能成本为0.7521元/千瓦时。相比之下，具有相同参数设置的等容系统的平准化储能成本高达0.8111元/千瓦时。压缩机和涡轮机是首先需要优化的关键部件，因为它们导致了大部分的熵损失和资本支出。展望未来，随着涡轮机和换热器的快速发展，系统效率有望达到78%-80%。这一效率相当于或高于新建的抽水蓄能电站的效率，这证明了所提出系统的巨大潜力。
引言
近年来，化石燃料的广泛使用对环境造成了巨大影响。化石燃料的燃烧产生了大量排放物，导致全球气候迅速变化，并严重影响了人类的生活标准。有效利用可再生能源（如风能和太阳能）是解决这些环境问题的有希望的方案[1]。提高可再生能源在电力系统中的渗透率是加速能源转型的有效途径。然而，可再生能源发电的间歇性和不确定性将导致电力质量问题，并使人们对高比例整合可再生能源的电力系统的可靠性产生担忧[2]、[3]。因此，迫切需要大容量、长期且绿色的储能技术来应对这些挑战[4]、[5]。
Hutchinson等人[6]比较了各种储能技术的特点。抽水蓄能和压缩空气储能（CAES）是两种最有前景的大规模商业化储能技术。抽水蓄能对地理位置有严格要求，并且明显的缺点是储能密度低[7]、[8]、[9]。相比之下，CAES具有使用寿命长、储能容量大和成本低的优点[10]。当电力过剩时，电能被转化为空气的内能，在放电期间高压空气被释放出来驱动发电[11]。
在传统的CAES系统中，空气储存容器通常是等容的。Liu等人[12]研究了其控制特性，并讨论了其作为可再生能源辅助储能的可能性。然而，储存压缩空气的容器体积固定，释放空气时需要经过节流过程。大量空气会残留在容器中，导致系统的能量密度较低[13]。通过采用可变容量的等压储存方案可以有效解决这一限制。在能量释放过程中，高压空气几乎可以被充分利用，从而有效提高系统的能量储存密度并大幅减少所需的高压储存容器的体积。将抽水蓄能与空气储存容器结合是构建等压CAES系统的有效方法[14]。Cao等人[15]设计了一个具有高背压的水循环系统。Yu等人[16]评估了一个多层次低温等压CAES系统以支持可再生能源系统。为了确保涡轮机在其设计点附近工作，压缩空气被存储在三个不同的压力下，每个阶段都分配了并行压缩管线。在忽略热损失和电气机械损失的理想化假设下，该系统的效率达到了大约83%。为了提高人工洞穴CAES的安全可靠性，Zhang等人[17]利用二氧化碳相变循环在空气储存洞穴上设计了一个压力稳定装置。与等容系统相比，洞穴体积可以减少32%。同样，他们[18]也在人工罐式CAES中使用了这项技术，系统效率提高了12%，储能的平准化成本（LCOS）降低了14.05%。此外，储存压力仅为等容系统的一半。Yang等人[19]比较了两种由CO2循环或水循环压力稳定装置辅助的等压系统，并提供了一个选择图。总体而言，文献表明等压CAES系统具有显著的优势，值得继续研究和开发。
目前，绝热CAES系统已经得到了广泛的发展和应用，特别是在中国的许多工程CAES项目中。在这种系统中，压缩阶段产生的热量被储存并在放电阶段重新利用。压缩热对系统设计和性能有重大影响。通常，较高的储存温度会单调提高特定输出功率和系统效率，从而减少所需的储存体积和相关成本。Houssainy等人[20]提出并评估了一种高温CAES系统，其热储存温度高达1300°C。然而，其高温热储存装置是固体类型的，通过焦耳加热直接将电能转化为热能。尽管特定功率输出显著提高，但系统效率仅限于约55%。Zhu等人[21]将太阳能收集系统集成到CAES系统中，将热储存温度提高到560°C，但由于精确集成的需求，这种配置的适用范围受到限制。
作为CAES电站的关键组成部分，气体储存设施不仅是确保系统安全稳定运行的关键要素，也对电站的经济可行性有重大影响。天然地质构造往往稀少且难以找到，严重限制了电站选址和大规模建设。因此，在硬岩中人工挖掘地下洞穴以创建地下气体储存库已成为一种重要的替代方法。自20世纪80年代中期以来，瑞典开始关注衬砌岩石洞穴的概念，并于2002年建成了一个天然气储存的试点设施。该储存设施埋设在115米的深度，腔室体积为40000立方米，最大内部压力在20至25 MPa之间[22]。韩国在2011年建造了一个100米深的CAES电站测试储存设施[23]。该地下洞穴由四个主要的隧道状腔室组成，通过气体传输通道相互连接，形成一个集成储存系统。洞穴采用混凝土衬砌并密封钢板，工作压力范围为5-8 MPa。Perazzelli等人[24]指出，在压缩强度在5至60 MPa之间、内摩擦角在30°至40°之间的岩石构造中建造直径为4米的隧道型气体储存设施，只需60-120米的埋设深度。Hori等人[25]在日本北海道建造了一个内部压力为8 MPa的气体储存腔室，使用合成橡胶作为密封材料。测量到的气体泄漏率为0.2%，满足密封材料的要求，验证了聚合物材料的可行性。
中温和低温的等容绝热CAES系统在中国许多商业示范项目中得到了广泛应用。然而，由于压缩热和节流损失，系统效率通常限制在65%左右。这个值明显低于新建的抽水蓄能电站，这是CAES电站大规模发展的主要限制因素之一。更重要的是，由于储存体积固定，需要大量的缓冲空气。因此，空气洞穴的体积必然很大。此外，洞穴内的压力和温度波动对CAES电站的长期安全性构成高风险。
因此，本文设计和探讨了高温等压人工洞穴CAES系统。所提出的系统将抽水蓄能与人工洞穴气体储存相结合。该系统通过利用水来约束洞穴内的压力，实现等压运行。这消除了固定体积储存中固有的压力波动，消除了节流损失，并实现了压缩空气的充分利用。此外，利用熔盐的高沸点和热稳定性来提高压缩热的回收和利用效率。这大大提高了储存温度，从而提高了涡轮机入口空气温度，有效提高了系统效率和特定功率输出。建立了适当的热力学和经济模型来分析所提出系统的效率、熵损失、投资成本和储能的平准化成本。系统性能受到关键参数（如空气储存压力和洞穴深度）的影响进行了系统性的检查和分析。本研究为开发高效且低成本的CAES技术提供了有用的指导。
部分摘录
分析模型
整个系统模型包括系统物理模型，以及每个组件的标准能量、熵平衡方程和成本方程。使用建立的能量平衡方程和运行条件计算系统状态点。然后确定每个组件的熵损失和体积。随后，使用选定的相关系数评估成本。
结果与讨论
使用在MATLAB平台上编译的内部代码和建立的模型对所提出的系统进行了模拟。首先使用适当的输入参数分析了系统在标称设计下的性能。然后，完成了对系统效率、储能密度和LCOS与关键设计参数的敏感性分析。当检查特定参数时，其他变量保持标称值不变。表4列出了
结论
本文首次设计了高温等压人工洞穴CAES系统。水压稳定循环与空气洞穴相结合，实现等压储能，从而可以充分利用加压空气，且不存在节流损失。通过压缩产生的热量显著提高了绝对储存温度，从而提高了系统效率和特定功率输出。详细开发了一个技术经济模型
CRediT作者贡献声明
Kaiyue Zheng：撰写——初稿，调查。Zhan Liu：撰写——审阅与编辑，方法论，概念化。Chuangang Bai：验证，形式分析。Xintao Fu：撰写——审阅与编辑
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作
