液体空气储能：用于能源转换的低温储能

可再生能源对发电的贡献越来越大。与此同时，“万物电气化”是脱碳的基本口号。这些意味着长期、大容量的储能将成为平衡输电网供需的关键。为此，液态空气储能（LAES）作为一种高潜力的清洁能源存储技术正在兴起。

关于液态空气储能（LAES）技术

LAES 依赖于处于工业气体领域核心的低温工程和专业知识。在 LAES 中，液化空气在液化装置上产生，并作为低温液体储存在高度绝缘的罐中。液态空气的产生可能与电网中可再生能源过剩的时期相吻合，例如在夜间风大而消费者需求低的时候，或者在一天中的日照高峰时段。当电网需要支持时，例如在几乎没有风能或太阳能发电的日子里，液态空气被泵入高压、汽化并释放到膨胀涡轮机，从而为电网发电。

世界上第一个 LAES 示范工厂由 Highview Power 在英国曼彻斯特附近的 Pilsworth 垃圾填埋场建造，并于 2018 年开始运营。Highview Power 此后宣布在美国佛蒙特州和英国卡灵顿建立两个商业规模的装置。每个都将有能力产生 50 兆瓦的电力，并且将具有超过 250 兆瓦时的能量存储容量，相当于 5 小时的连续放电。

压缩空气储能 (CAES) 的工作方式与 LAES 类似，但空气只是被压缩到一个非常大的储存室（例如地下洞穴）中，然后通过涡轮机释放。在 CAES 中，不会发生空气液化。CAES 和抽水蓄能方案可以在数小时内释放数千兆瓦时 (GWh) 的电力。

当需要按季节释放太瓦时 (TWh) 能量储存时，盐穴中的地下储氢 (UHS) 是有效的。液化空气和林德在德克萨斯州运营 UHS 设施，以平衡其向客户提供的氢气管道供应计划。Moss Bluff 的 Linde 洞穴可储存 6,000 吨氢气，相当于大型蒸汽甲烷重整器 (SMR) 的两周产量。

同样，天然气地下储存 (UGS) 用于季节性能源需求平衡。由 NAM（一家勘探和生产公司）在荷兰 Norg 运营的 UGS 设施在一个枯竭的气田中储存了 70 亿立方米的天然气，在高峰期可以每小时 300 万立方米的速度释放天然气需求——例如在寒冷的冬天，供暖需求最高。

LAES 适合这种接近中间的储能技术连续体，与 CAES 或抽水蓄能储能技术相似。LAES 相对于这些技术的优势在于它几乎可以在任何地区实施。抽水蓄能需要在自然地理中具有合适的等高线，以使水能够以合适的高度差储存在附近的两个湖泊中。CAES 只能在地下地质条件允许以具有成本效益的方式创建压缩空气储存洞穴的情况下大规模实施。

与存储容量连续体一样，LAES 位于这些效率和 CAPEX 指标的中点附近。如果液态空气蒸发所需的热能可从附近的“废热”源（例如热电联产厂）获得，则往返效率可高达 70%。

除了可用的地质、存储容量、发布速度和存储持续时间，还必须考虑其他性能指标。能量密度可能很重要，从长远来看，往返效率至关重要。当两个储能系统具有相似的运行特性时，每 MWh 储能的 CAPEX 成本通常是一个决定性因素。

从可持续性的角度来看，还必须考虑建筑材料。LAES 设施的建设使用钢，并避免生产锂离子电池所需的锂和钴。锂的价格在 2021 年上涨了 400%，因此避免对这种商品的依赖也具有良好的经济意义。

虽然盐穴中的 UHS 在公用事业规模上提供低成本、低碳、季节性的储能，但效率较低，在 40%左右 ，每天泄漏大约 10% 的储存能量，其 CAPEX 成本约为 100,000 倍以上地下储氢，每单位储存的能量。

LAES – 利用 ASU 技术

LAES 的运行方式与低温空气分离装置 (ASU) 非常相似。典型的 ASU 配置包括带有冷却塔的空气压缩机，以去除压缩热能。暖空气通过与离开 ASU 的冷气体进行逆流热交换而冷却。在 ASU 内部，冷空气通过高速膨胀涡轮机的膨胀进一步冷却。涡轮机产生电能，提高了 ASU 的能源效率。

液态氧和液态氮等低温气体从 ASU 流出，并储存在大型绝缘罐中。此外，来自 ASU 的氮气可以在单独的氮气液化装置 (NLU) 中液化。如果需要大量的液氮，NLU 的热力学效率可能会超过空气分离装置的热力学效率，并证明该单独处理装置的额外资本支出是合理的。

来自 ASU 和 NLU 的液氧和液氮可以通过公路罐车分发给客户。或者，它们通过低温泵被泵送到约 30 bar，然后在热水浴中蒸发，并引入高压管道网络，以供应给工业气体吨位客户。该设备被称为 TPV，或罐、泵和蒸发器系统。它仅在需要补充来自 ASU 的气体生产时使用。

汽化也是 LAES 循环的关键部分，与 ASU 运行中的 TPV 系统一样，它仅在电网需要升压时激活。然而，在 LAES 中，汽化气体在涡轮机上的膨胀对于产生已实施该系统的电力至关重要 - 液体被泵送到约 150 bar 以最大限度地通过膨胀涡轮机进行能量回收。

高速旋转机械

在 LAES 循环中，对高速旋转机械有四个要求。第一步是将空气压缩到 15 bar 左右。四级离心压缩机将是理想的，可用作空气分离装置的主空气压缩机。下一步是干燥空气和去除二氧化碳，以避免在后续工艺阶段出现固体和堵塞。

然后，第二台两级或三级离心式空气压缩机将主入口空气以及来自冷箱的一些蒸发空气增压至 60 bar 左右。然后使用冷箱内的膨胀涡轮机实现空气的液化。

除了生产液态空气所需的压缩机和透平膨胀机外，LAES 核心是涡轮发电机。LAES 设施上的主涡轮机分四个阶段将加压空气从大约 150 bar 膨胀到大气压，每个涡轮级之间有三个级间空气再热器，以最大限度地提高功率回收和效率。

膨胀涡轮机的选择取决于 LAES 设施的规模。高达 20 MW 左右的多级径向膨胀涡轮机需要以高达 10,000 RPM 的速度旋转。对于更大的尺寸，轴向涡轮膨胀机会更合适。这些机器直接连接到同步发电机并以同步速度（3,000 或 3,600 RPM）运行，无需变速箱。