西安交通大学对于天然气/氢气燃料压缩空气储能系统的热力学研究
技术领域：压缩空气储能
开发单位：西安交通大学 赵攀
文章名称：Ning Ma，Pan Zhao，et al. Thermodynamic analysis of natural gas/hydrogen-fueled compressed air energy storage system, International Journal of Hydrogen Energy 2024.
技术突破：研究发现，将氢气混合比例从0.5增加到1，系统的往返效率，浑浊效率和能量密度可以得到显著提高，分别提高了约1.08%，3.88%以及1.24%。
应用价值：对CAES系统的设计和优化提供了理论依据，有助于推动储能技术的发展，特别是在可再生能源并网和电网规模应用方面。
近年来，全球对减少化石能源消耗和降低温室气体排放的需求日益增长，开发和利用可再生能源变得尤为重要。国际能源署（IEA）在其《Renewables 2022》报告中预测，2022年至2027年间，全球可再生能源的装机容量将增加2400吉瓦，预计到2040年，可再生能源将占全球能源消费的40%。然而，风能和太阳能等可再生能源的波动性和间歇性给电网安全带来了挑战，尤其是在高比例的可再生能源并网情况下。因此，开发适用于高比例可再生能源并网的储能技术变得至关重要。压缩空气储能（CAES）作为一种具有长期储能能力的机械储能技术，与抽水蓄能（PHS）是仅有的两种具有长期储能能力的商业技术。因其能够在废弃矿井、盐穴或人工空气罐中建立储气室，相比PHS技术，受地理条件限制较小。然而，现有的商用CAES技术主要依赖化石燃料的燃烧来提供能量，这不仅消耗了化石燃料，还产生了碳排放。为了解决这一问题，来自西安交通大学的研究团队提出了一种以天然气/氢气混合物为燃料的非等温压缩空气储能（D-CAES）系统，以期提高系统的环境友好性和热力学性能，并对该系统进行了全面的热力学分析，布局图如图1所示。研究结果表明，提高氢气混合比例可以显著提高系统的往返效率、浑浊效率和能量密度。当氢气混合比例从0.5增加到1时，往返效率提高了约1.08%，浑浊效率提高了约3.88%，能量密度提高了约1.24%。此外，他们还发现，燃烧器的浑浊破坏比例最大，通过增加氢气混合比例可以显著降低浑浊破坏。通过参数分析和敏感性分析，本研究确定了影响系统性能的关键因素，包括燃烧器出口温度和膨胀比。研究结果对于设计可持续的CAES系统具有重要的参考价值。本研究还探讨了在不同氢气混合比例下，系统在不同操作条件下的性能变化，为CAES系统的设计和优化提供了理论依据。总体而言，本研究不仅为CAES技术的发展提供了新的环境友好型解决方案，而且对于提高CAES系统的性能和降低环境影响具有重要意义。通过使用氢气作为燃料，D-CAES系统有望成为一种更加清洁、高效的储能技术，有助于推动能源转型和实现碳中和目标。（编译：王润泽，张新敬 INESA）
图1 天然气/氢燃料CAES系统布局图
来源：国际储能技术与产业联盟
