在11月24日于江苏常州召开的2023首届中国长时储能大会上，江苏金合能源科技有限公司技术总监金翼作《液态压缩空气储能技术——开辟长时储能新路径》的主题演讲。
▲江苏金合能源科技有限公司技术总监金翼
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液态压缩空气储能技术背景
金翼指出，能源网络在电源侧、电网侧和负荷侧中对长时储能技术都有着特征性的需求。
电源侧，随着新能源发电装机占比的快速提升，新能源发电在低碳转型中将发挥重要作用，这些都将对电网提出更高的要求，对构网型的大容量、长时储能的需求也在不断增加。与此同时，随着新能源渗透率的不断提高，传统火电机组的调峰能力要求日益提高，对火电机组深度调峰能力和灵活性提出了更高的要求，建立与火电厂深度调峰相适应的储能技术，也将成为未来储能尤其是长时储能发展的趋势之一。金翼认为，压缩空气储能以及液态空气储能都可以为构网型储能技术提供支撑。
电网侧储能是直接接入公用电网的储能系统，主要承担保障故障或异常运行下的系统安全、提升输配电效率、助力调峰调频和提高新能源利用水平等功能，是提高电网利用率、发展高质量电网的关键举措之一。电网侧配置储能较电源侧和用户侧配置储能更能体现规模效益和集中调度的整体优势。
用户侧储能（即工商业储能）应用的本质是利用储能系统既能充电又能放电的性能，既可以作为“电源”，也可以作为“负荷”，帮助用户获利或省钱。近年来，关于工商业侧如何开展储能技术推进的探讨之声时常响起。一方面，储能可为工商业用户提供峰谷套利盈利模式并因此受到了持续的关注，另一方面，金翼认为“用户侧往往是一个热冷电联供系统，且存在大量的余热余冷资源，如何把这些余热余冷应用到储能系统里面，提升整体发电效率和能源综合利用率，是一个值得探讨的模式。”
液态压缩空气储能技术（LAES）衍生于压缩空气储能技术，改进了储气方式，提升了储能系统的灵活性，利用空气压缩-液化-膨胀过程，完成电能-热能与压力能-电能的转换。
▲液态压缩空气储能技术原理图
液态压缩空气储能具备长时、大容量的特质，综合性能全面、选址灵活、安全可靠、可提供转动惯量等特征，同时还可以兼顾冷能和热能的利用，使得液化空气储能具有丰富的应用场景，易于在发电侧、电网侧、用户端各种场景配置。
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金合能源液态压缩空气储能技术方案
江苏金合能源科技有限公司（以下简称金合能源）由英国皇家工程院院士、液态压缩空气储能技术发明人丁玉龙创建，因此液态压缩空气储能是金合能源的主体发展路线。目前，金合能源的液态压缩空气储能已经形成了比较完整的工艺包。
▲液态压缩空气储能（LAES）系统工艺流程图
LAES系统充电过程采用储热系统回收压缩热，采用空分成熟工艺的液化空气，放电过程采用储冷系统回收液化空气蒸发产生的冷量。通过对压缩机、透平膨胀机和系统液化压力等多轮优化和设计，形成了完整的工艺包文件和技术方案，设计工况下储能效率达到55~65%。
与压缩空气储能相比略有差异的是，液化的模式使得空气的体积密度得到了较大的改善（液化空气相当于常压空气的1/700），可以采用低压储罐进行储存，因此液态压缩空气储能技术除了兼顾压缩空气储能的众多优势以外，还有效地解决了选址灵活性的问题。尤其在市场经济发达地区，其负荷波动较大、调峰需求旺盛，但受到人口密度高和地价等问题的影响，对于长周期、占地小和安全性高的储能技术需求极为明显。
提起液态压缩空气储能设备，金翼说道：“液态压缩空气储能早年系统设计和设备选型依赖国外的厂家，但得益于近年来压缩空气储能行业技术的发展，设备国产化率得到了极大的提升，目前的主设备已可以实现全国产化。”
▲液态压缩空气储能关键设备
此外，金合能源也在持续积极推进液态压缩空气储能和其他能源系统的结合工艺方案。
▍耦合LNG冷能液空系统
▲耦合LNG冷能液空系统工艺流程图
该系统使用谷电压缩空气的同时利用储冷子系统与LNG供应产生的余冷液化空气，实现电能存储；释能时液态空气汽化冷能存储在储冷系统中，使用储热系统储存的压缩热对空气进行再热膨胀发电。剩余低品位LNG冷能用于末冷器及分子筛空气冷却等冷量供应，发电效率可超过70%。
目前金合能源已在福建莆田开展相关项目的可研设计工作。
▍耦合外部余热液空系统
▲耦合外部余热液空系统工艺流程图
该技术方案可耦合外部的热源（如高温余热），通过热能资源的高效利用改善液空储能系统的效率。该技术方案在包括钢厂、火电厂等等余热资源丰富且对调峰需求较大的行业将有望发挥重要作用。金翼举例，钢厂拥有大量的余热，再加上钢厂本身有空分系统，空分过程中产生大量的氧和氮，氧作为生产性原料，而空分过程的副产品液氮与工业余热结合并用于液空储能系统发电，可有效提高用户侧的能源利用率。
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液态压缩空气储能关键技术攻克
金翼表示，虽然金合能源成立之初便瞄准了液态压缩空气储能，但受限于当时的市场环境，想要做液态压缩空气储能并不容易。
他说道：“新能源靠补贴过日子的时候何谈储能推广？储能的经济性更是没办法探讨，而储热储冷技术作为液化空气储能技术的核心关键技术之一，成为了公司早期发展的重点方向和目标。前期专注于推进储热和储冷相关的工作，为液空储能的储热冷技术累计了大量的工程和实践经验，现如今在双碳目标、新能源大发展的契机下，我们也将把原有的工程积累应用到液空储能工程项目上去。”
在深冷储冷技术领域，对比安全性和成本等多个因素后，金合能源固定床结构的蓄冷技术发展作为重点研发产品对象。
针对深冷（≤-150℃）条件下的冷能储存过程，金合能源搭建了基于固定床结构的储冷装置和测试平台，用于研究低温下的储冷过程，重点分析斜温层在固定床结构中的移动状态和变化，为固定床结构下的储冷效率和储冷能力优化提供支撑。平台可完成约30MJ的冷能测试分析研究，提供最低可达-170℃的储冷和释冷过程的分析研究工作，为后续固定床结构的储冷填充装置设计提供实验结论和基本输入。
▲储冷实验测试平台
结合实验测试研究工作，金合能源建立固定床储冷仿真计算模型和计算方法，为工程化的储冷装置结构设计提供全面的设计指导，并建立了多罐联合运行的控制策略和运行方案。
针对压缩空气储能的储热部分项目，金合能源也做了相关工作。重点针对液/压空气储能储热工艺过程的特点（高温、高压，变工况），金合能源建立了最高温度300℃和最高压力4MPa的高温双罐式储热装置，分析了储罐内部温度压力波动下内部流场、温度场等变化情况，研究了高压饱和状态下水汽化反应过程对腔体内压力和温度的变化影响。
▲储热实验测试平台
金翼介绍，基于压缩空气储能压缩热高温储存的需求，金合能源也开展了储热系统高温高压液态储存技术研究，提出以气态介质为定压媒介的技术路线，形成了全套的设计工艺方案和完整的储热系统解决方案。
在其他关键设备方面，因为压缩空气储能技术的发展，针对压缩空气储能而发展起来的压缩机、膨胀机日趋完善。金翼认为，液态压缩空气储能低温泵、换热器这些在日常化工工程中常规的设备，仍然就其在液态压缩空气储能使用过程中的特殊工况下的性能指标和运行控制开展相关的研究工作。
比如低温泵如何把液态的空气以不汽化的方式从低压达到高压（≥10MPa）状态，进而满足液化空气储能系统的释能发电的温度压力参数需求。此外，目前的储能项目大多采用发卡式的换热器结构，能够满足工程应用的要求，但实际上整个设计非常大，是不是有可能再通过其他形式换热器的选型优化换热结构，减少过程当中换热的㶲损，也需要优化设计和探讨的。
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液态压缩空气储能工作进展
在报告的最后，金翼对其前期参与的液态压缩空气储能方面的工作进展进行了简单的汇报。
液化压缩空气储能中试示范装置（350kW）是最早的液态空气储能系统——2009年在伦敦附近首次搭建，并验证了技术路线的可行性，2015年作为试验平台迁移至伯明翰大学内。金翼曾参与了该系统在伯明翰大学期间的调试运行和测试分析等工作。
▲英国Highview液化空气储能系统的实景图和流程示意图
目前，金翼参与了包括国网同里小镇液空储能系统装置的整体设计研究，并重点负责储热和储冷两个板块的工程化实施以及廊坊1.5MW超临界压缩空气储能系统内部的储冷装置的设计和研制工作。
为了液空储能技术的持续推广落地，金合能源目前正与国内多个企业就示范项目落地推广开展联合工作，加强液空储能技术在电源侧和用户侧的落地实施。
