郝佳豪
中国科学院大学未来技术学院
培养单位：中国科学院理化技术研究所
众所周知，二氧化碳是全球工业排放的主要废气，更是一种典型的温室气体，从这点来看，可以说是妥妥的废物了。
众所又周知，咱们在控制碳排放方面可以说是走在世界前列的，主打的就是一个负责任的大国。那照此看来，这二氧化碳对我们来说是有害而无利啊，事实果真如此…… 吗？
别急，咱有黑科技，把二氧化碳这废物变成储能的法宝，制作一个大号的二氧化碳“充电宝”，让它也为实现“双碳目标”出把力。
我们先来了解一下储能的概念。
储能的概念
储能，即能量的储存，是指通过介质或设备把一种形式的能量转化为另一种形式的能量储存起来，在需要时再释放的过程。储能分为储冷、储热和储电，我们讲的充电宝是一种电力的储存。
把电能储存起来这种想法并不是凭空出现的，早在遥远的古希腊，人们就已经知道琥珀碎片在摩擦后可以产生电吸引轻质颗粒。然而，由摩擦产生的电非常容易消逝。来自荷兰莱顿大学的马森布罗克因为看到好不容易收集的电却很容易地在空气中逐渐消失，力求找到一种保存电的方法，于是在 1746 年，发明了收集电荷的“莱顿瓶”。这便是最早储存电力的装置。
技术总是随着时间不断地发展。到了当代我们储存电力的方式已经变得多种多样，比如电化学储能、抽水蓄能、压缩空气储能和二氧化碳储能等。
为什么要储能？
目前，我们用的电很多都来自于燃煤发电。燃烧煤炭发电会产生大量的二氧化碳，而二氧化碳是温室气体，对于我们的环境并不友好。于是，我们想到了使用风能、太阳能等可再生能源来实现能源的转型，从源头上减少二氧化碳的排放。
国家能源局 7 月 31 日发布的数据显示，截至 6 月底我国可再生能源装机达到 13.22 亿千瓦，历史性超过煤电，约占我国总装机的 48.8%。数据显示，当前全国发电总装机达到 27.1 亿千瓦，同比增长 10.8%。其中，水电装机 4.18 亿千瓦，风电装机 3.89 亿千瓦，光伏发电装机 4.7 亿千瓦，生物质发电装机 0.43 亿千瓦。相关机构预测，到 2050 年，可再生能源在我国能源体系中占比有望达到 78.0%。
然而，风能和太阳能具有显著的间歇性、波动性和不确定性等不利因素，发出来的电并不稳定，很难与用户白天、晚上用电量不同的特质相匹配。并且，用户的用电量不仅在白天和晚上具有差异，在不同的季节所用的电也是不同的。
据调研，我国电力供需“平时充裕、尖端紧张”和“整体充裕、局部紧张”的特征日益明显。刚刚结束的迎峰度夏，全国气温的不断攀升和空调制冷负荷不断释放；马上到来的迎峰度冬，气温降低带来的取暖需求，都为能源消费带来不小的挑战
这时候储能系统就起到了为电网“削峰填谷”的作用，它就像一个大号的充电宝，当用电少而发电多的时候就储存起来，而用电多而发电不足时就释放。如果我们在发电、输电、配电、用电，每个环节都配上一个充电宝，就可以使发电和用户用电相匹配，既满足我们的用电需求，又可以减少多余电力的浪费。
二氧化碳“充电宝”是什么技术？
前面我们提到了抽水蓄能、压缩空气储能以及二氧化碳储能，这三种方式均是一种大规模、可用于调峰的长时储能技术。但不同的储能方式也是各有利弊的。抽水蓄能是一种将电能转化为水的势能储存起来的储能技术，其装机比例大，应用较为成熟，但存在着对地理环境要求较高、建设周期长、初期投资大、破坏生态环境等客观问题。
压缩空气储能和二氧化碳储能都是一种压缩气体储能技术。
从工质物性上看，二氧化碳的临界点 (7.39 MPa 和 31.4 ℃) 相对空气 (3.77 MPa 和-140.5 ℃) 容易实现液化，且二氧化碳无毒、不易燃、安全等级为 A1，且超临界二氧化碳 (S-CO₂) 具有优良的热力学性质：黏度小、密度大、导热性能好。相同状态和压力下 CO₂储存密度均大于空气，其中液态储存时最高，因此二氧化碳储能系统具有更高的储能潜力。
二氧化碳储能是一种很有前景的新型大规模长时储能技术，具有电-电转换效率高、储能密度大、寿命长、成本低等特点，能够满足可再生能源大规模电力消纳、电网削峰填谷和火电蓄能调峰等庞大市场需求，具有较好的经济效益和社会效益。
如图所示，二氧化碳储能系统主要由二氧化碳高低压储罐、压缩机、透平（汽轮机）、蓄冷换热器和蓄热蓄冷子系统组成。其工作原理可分为储能阶段和释能阶段两个过程。
储能时，低压储罐中的低压气态二氧化碳经过压缩机压缩至超临界状态，同时进入中间冷却器吸收压缩热并通过蓄热介质将热量储存在蓄热罐中，最后二氧化碳被常温水液化储存在高压储罐中；
释能时，高压储罐中的二氧化碳经过加热器升温气化，再进入透平中推动透平叶轮发电，同时再将加热器出口的低温蓄热介质冷量储存在蓄冷罐中，末级透平出口的二氧化碳再返回低压储罐。
该系统通过输入工业低谷电或风光弃电，并将其以二氧化碳内能、压力能和蓄热工质热能储存，在用电高峰时释放二氧化碳驱动透平发电，以实现可再生能源并网和电网蓄能调峰，同时系统运行伴随热负荷也可实现区域供热，依托区域分布式能源系统实现高效多能联供。
二氧化碳储能可以应用到哪些场景？
首先就是在发电侧，二氧化碳储能系统可以充当为风、光等新能源电站的充电宝和燃煤的火力发电厂的充电宝。
二氧化碳储能技术在电网侧也大有用处，我们常常在新闻上看到各类大规模的停电事件对大量的住户或是正在运作的工厂造成了巨大的经济损失，如果此时电网的集配站配有二氧化碳“充电宝”，那么这时候我们就可以用二氧化碳所储存的电能优先给一部分关键的地区供电，挽回大量的经济损失。
同理，我们也可以将二氧化碳储能技术用在用户侧端，例如一些用电量大的工业园区和海洋平台微电网等等场景。
二氧化碳储能的未来
二氧化碳储能是一种新型长时大规模储能技术，且正处于技术示范推广的关键时期。其背后蕴藏着万亿级的储能市场，如果得到大规模的推广将会产生巨大的经济效益。
目前，意大利 Energy Dome 公司在 2022 年 6 月建成了一套 4MW・h 的“二氧化碳电池”试点项目；2023 年 8 月，中科院理化所科研团队也在河北省廊坊市建设了国内首个百千瓦二氧化碳储能示范验证项目。除了示范项目，目前也有更大规模的、百兆瓦级的项目正在规划中。百兆瓦级的二氧化碳储能系统是什么概念呢？例如一套 100MW / 400MW・h 的二氧化碳储能系统（100MW 指的是它的发电功率，400MW・h 指的是它的发电容量），400MW・h 的容量即该系统能够发出 40 万度电，按照每户每月用电 350～450 度来算，该系统完成一次充放电可供近千户用户用电一个月。而该系统完成一次充电和一次放电均仅需几小时。
目前，全球国家已陆续设立了符合各国国情的双碳目标，中国也不例外。从技术先进性来看，二氧化碳储能是一种可以支撑“碳达峰、碳中和”的新型技术，可保障高比例可再生能源并网及电网安全，也可以加速能源结构的转型，同时还可以产生很好的经济效益和生态效益。二氧化碳储能除了从源头上减少二氧化碳的排放，还可以和碳捕集技术相结合。压缩二氧化碳储能过程中要储存大量的二氧化碳，将这些二氧化碳储存起来作为“充电宝”使用，可以减少大气层中的二氧化碳从而缓解温室效应，维护生态环境。
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：郝佳豪
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