二氧化碳也能助力碳中和？二氧化碳“充電寶”瞭解一下_風聞

原創：中科院物理所

郝佳豪

中國科學院大學未來技術學院

培養單位：中國科學院理化技術研究所

眾所周知，二氧化碳是全球工業排放的主要廢氣，更是一種典型的温室氣體，從這點來看，可以説是妥妥的廢物了。

眾所又周知，咱們在控制碳排放方面可以説是走在世界前列的，主打的就是一個負責任的大國。那照此看來，這二氧化碳對我們來説是有害而無利啊，事實果真如此……嗎？

別急，咱有黑科技，把二氧化碳這廢物變成儲能的法寶，製作一個大號的二氧化碳“充電寶”，讓它也為實現“雙碳目標”出把力。

可不是這樣的充電寶哦 | 圖源自網絡

我們先來了解一下儲能的概念。

儲能的概念

**儲能，即能量的儲存，是指通過介質或設備把一種形式的能量轉化為另一種形式的能量儲存起來，在需要時再釋放的過程。**儲能分為儲冷、儲熱和儲電，我們講的充電寶是一種電力的儲存。

把電能儲存起來這種想法並不是憑空出現的，早在遙遠的古希臘，人們就已經知道琥珀碎片在摩擦後可以產生電吸引輕質顆粒。然而，由摩擦產生的電非常容易消逝。來自荷蘭萊頓大學的馬森布羅克因為看到好不容易收集的電卻很容易地在空氣中逐漸消失，力求找到一種保存電的方法，於是在1746年，發明了收集電荷的“萊頓瓶”。這便是最早儲存電力的裝置。

萊頓瓶 | 圖片來源：Wikipedia

技術總是隨着時間不斷地發展。到了當代我們儲存電力的方式已經變得多種多樣，比如電化學儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能等。

為什麼要儲能？

目前，我們用的電很多都來自於燃煤發電。燃燒煤炭發電會產生大量的二氧化碳，而二氧化碳是温室氣體，對於我們的環境並不友好。於是，我們想到了使用風能、太陽能等可再生能源來實現能源的轉型，從源頭上減少二氧化碳的排放。

西藏措美哲古風電場

國家能源局7月31日發佈的數據顯示，截至6月底我國可再生能源裝機達到13.22億千瓦，歷史性超過煤電，約佔我國總裝機的48.8%。數據顯示，當前全國發電總裝機達到27.1億千瓦，同比增長10.8%。其中，水電裝機4.18億千瓦，風電裝機3.89億千瓦，光伏發電裝機4.7億千瓦，生物質發電裝機0.43億千瓦。相關機構預測，到2050年，可再生能源在我國能源體系中佔比有望達到 78.0%。

然而，風能和太陽能具有顯著的間歇性、波動性和不確定性等不利因素，發出來的電並不穩定，很難與用户白天、晚上用電量不同的特質相匹配。並且，用户的用電量不僅在白天和晚上具有差異，在不同的季節所用的電也是不同的。

每年冬夏兩季為電力需求高峯期

據調研，我國電力供需“平時充裕、尖端緊張”和“整體充裕、局部緊張”的特徵日益明顯。剛剛結束的迎峯度夏，全國氣温的不斷攀升和空調製冷負荷不斷釋放；馬上到來的迎峯度冬，氣温降低帶來的取暖需求，都為能源消費帶來不小的挑戰

這時候儲能系統就起到了為電網“削峯填谷”的作用，它就像一個大號的充電寶，當用電少而發電多的時候就儲存起來，而用電多而發電不足時就釋放。如果我們在發電、輸電、配電、用電，每個環節都配上一個充電寶，就可以使發電和用户用電相匹配，既滿足我們的用電需求，又可以減少多餘電力的浪費。

二氧化碳“充電寶”是什麼技術？

前面我們提到了抽水蓄能、壓縮空氣儲能以及二氧化碳儲能，這三種方式均是一種大規模、可用於調峯的長時儲能技術。但不同的儲能方式也是各有利弊的。抽水蓄能是一種將電能轉化為水的勢能儲存起來的儲能技術，其裝機比例大，應用較為成熟，但存在着對地理環境要求較高、建設週期長、初期投資大、破壞生態環境等客觀問題。

抽水蓄能 | 圖片來源：通山縣人民政府

壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能都是一種壓縮氣體儲能技術。

壓縮空氣儲能儲罐 | 圖片來源：中儲國能

二氧化碳儲能系統 | 圖片來源：北京博睿鼎能動力科技有限公司

從工質物性上看，二氧化碳的臨界點(7.39 MPa和31.4 ℃)相對空氣(3.77 MPa 和-140.5 ℃)容易實現液化，且二氧化碳無毒、不易燃、安全等級為A1，且超臨界二氧化碳(S-CO₂)具有優良的熱力學性質：黏度小、密度大、導熱性能好。相同狀態和壓力下CO₂儲存密度均大於空氣，其中液態儲存時最高，因此二氧化碳儲能系統具有更高的儲能潛力。

二氧化碳三相圖及密度變化圖

二氧化碳儲能是一種很有前景的新型大規模長時儲能技術，具有電-電轉換效率高、儲能密度大、壽命長、成本低等特點，能夠滿足可再生能源大規模電力消納、電網削峯填谷和火電蓄能調峯等龐大市場需求，具有較好的經濟效益和社會效益。

二氧化碳儲能系統沙盤模型圖 | 圖片來源：北京博睿鼎能動力科技有限公司

如圖所示，二氧化碳儲能系統主要由二氧化碳高低壓儲罐、壓縮機、透平（汽輪機）、蓄冷換熱器和蓄熱蓄冷子系統組成。其工作原理可分為儲能階段和釋能階段兩個過程。

二氧化碳儲能系統基本原理圖 | 圖片來源：中國科學院理化技術研究所

儲能時，低壓儲罐中的低壓氣態二氧化碳經過壓縮機壓縮至超臨界狀態，同時進入中間冷卻器吸收壓縮熱並通過蓄熱介質將熱量儲存在蓄熱罐中，最後二氧化碳被常温水液化儲存在高壓儲罐中；

釋能時，高壓儲罐中的二氧化碳經過加熱器升温氣化，再進入透平中推動透平葉輪發電，同時再將加熱器出口的低温蓄熱介質冷量儲存在蓄冷罐中，末級透平出口的二氧化碳再返回低壓儲罐。

該系統通過輸入工業低谷電或風光棄電，並將其以二氧化碳內能、壓力能和蓄熱工質熱能儲存，在用電高峯時釋放二氧化碳驅動透平發電，以實現可再生能源併網和電網蓄能調峯，同時系統運行伴隨熱負荷也可實現區域供熱，依託區域分佈式能源系統實現高效多能聯供。

二氧化碳儲能可以應用到哪些場景？

首先就是在發電側，二氧化碳儲能系統可以充當為風、光等新能源電站的充電寶和燃煤的火力發電廠的充電寶。

風、光可再生能源 | 圖片來源：人民網

二氧化碳儲能技術在電網側也大有用處，我們常常在新聞上看到各類大規模的停電事件對大量的住户或是正在運作的工廠造成了巨大的經濟損失，如果此時電網的集配站配有二氧化碳“充電寶”，那麼這時候我們就可以用二氧化碳所儲存的電能優先給一部分關鍵的地區供電，挽回大量的經濟損失。

電網 | 圖片來源：網絡

同理，我們也可以將二氧化碳儲能技術用在用户側端，例如一些用電量大的工業園區和海洋平台微電網等等場景。

海上風電場 | 圖片來源：人民網二氧化碳儲能的未來

二氧化碳儲能是一種新型長時大規模儲能技術，且正處於技術示範推廣的關鍵時期。其背後藴藏着萬億級的儲能市場，如果得到大規模的推廣將會產生巨大的經濟效益。

目前，意大利Energy Dome公司在2022年6月建成了一套4MW·h的“二氧化碳電池”試點項目；2023年8月，中科院理化所科研團隊也在河北省廊坊市建設了國內首個百千瓦二氧化碳儲能示範驗證項目。除了示範項目，目前也有更大規模的、百兆瓦級的項目正在規劃中。百兆瓦級的二氧化碳儲能系統是什麼概念呢？例如一套100MW/400MW•h的二氧化碳儲能系統（100MW指的是它的發電功率，400MW•h指的是它的發電容量），400MW•h的容量即該系統能夠發出40萬度電，按照每户每月用電350～450度來算，該系統完成一次充放電可供近千户用户用電一個月。而該系統完成一次充電和一次放電均僅需幾小時。

將碳中和碳減排目標加入立法的國家（部分表格） | 圖片來源：網絡

目前，全球國家已陸續設立了符合各國國情的雙碳目標，中國也不例外。從技術先進性來看，二氧化碳儲能是一種可以支撐“碳達峯、碳中和”的新型技術，可保障高比例可再生能源併網及電網安全，也可以加速能源結構的轉型，同時還可以產生很好的經濟效益和生態效益。二氧化碳儲能除了從源頭上減少二氧化碳的排放，還可以和碳捕集技術相結合。壓縮二氧化碳儲能過程中要儲存大量的二氧化碳，將這些二氧化碳儲存起來作為“充電寶”使用，可以減少大氣層中的二氧化碳從而緩解温室效應，維護生態環境。