近十多年来，我国新能源发电规模持续快速增长，截至2023年底，风光发电装机容量达到10.5亿千瓦，同比增长38.6%，占国内发电总装机容量的36%。伴随着新能源的快速增长，其间歇性、波动性特点对电网的安全影响越来越大，急需新型储能发挥稳定调节作用。二氧化碳储能（carbon dioxide energy storage, CES）是近年来兴起的一项新型大规模长时储能技术，因其储能效率高、使用寿命长、不受地理条件限制、安全环保等优势广受关注。
近期，中国科学院理化技术研究所低温工程与系统应用研究中心张振涛研究员团队针对二氧化碳储能工质机理、系统优化、装备开发和实验验证等方面展开研究，取得了一系列研究成果。
二氧化碳在储/释能过程中存在气、液、超临界等多态转换，其热力学特性不断变化，对关键设备运行与系统动态特性都具有明显影响。而当前研究往往基于单一组分理想气体假设，对二氧化碳物性变化和以二氧化碳为主体的非理想混合组分体系特性尚不清晰。团队首次提出了基于m-n Mie势能函数的SAFT-VR-Mie方程，考虑了相对作用因子对物质热力学性质预测的影响，对大跨度多相态转变过程中的工质物性参数进行了预测，并进一步创新性提出了含二氧化碳非理想混合组分体系参数化模型，引入分子体积效应与原子势能函数进行了多元组分体积相平衡计算。与常规计算方法相比，SAFT-VR-Mie方程的预测范围和精度均有明显改进，达到该领域国际领先水平（Energy, 2024, 294:130838）。
基于二氧化碳存储状态以及不同工质储存模式对系统性能的显著影响，研究团队进一步研究了低压气态-高压液态、低压气态-低压液态、低压液态-高压液态、低压液态-低压液态不同工质储存方式的四种二氧化碳储能系统，开展了详细的热力学和经济学性能对比分析，并进一步对系统关键运行参数进行了敏感性分析。结果表明，采用低压气态-高压液态模式储能效率达68%以上，低压液态-高压液态模式系统综合性能最优，也是未来的重要发展方向（Applied Thermal Engineering, 2024, 243:122669）。
团队针对二氧化碳储能系统能量动态调度和运行评价问题，构建了一种基于压缩二氧化碳储能的热电联供（CCES-CHP）系统及其数学模型，基于系统多工况运行特点，定义了反映系统储/释能功率、质量流量和冷却/放热功率耦合关系的无量纲因数γ1、γ2和比参数α1、α2，并且构建了储热、储气双SOC模型，提出了一种针对该系统的运行可行域分析方法，并进一步研究了热电联供模式下运行可行域的形状和特征，分析了热电分配比调度变化和考虑宽工况运行的运行可行域影响规律，从而为评价系统运行热电联供能力和响应跟踪的灵活性提供了一种思路（Energy, 2024, 291:130122）。
此外，团队还研究了二氧化碳液化（CEC/ICMC 2023）、跨临界二氧化碳储能（2022 IEEE ICPRE:1135-1139, 2022）和二氧化碳热泵储能（2023 IEEE SPEC: 6-12, 2023）等相关工作。
在实验平台建设方面，由中国科学院理化所、博睿鼎能动力科技有限公司共同研制的“百千瓦液态二氧化碳储能示范验证系统”在河北廊坊顺利发电运行，团队研究了油、水双工质双级高效蓄热、恒压进气稳态压缩/膨胀和跨临界二氧化碳相变调控等关键技术，系统理论储能效率55%，实验热回馈效率在87%以上。该项目的成功运行打通了二氧化碳储能系统全流程，为全国产化关键装备开发和应用提供了重要支撑，也为更大规模级二氧化碳储能系统开发提供了有效经验。
以上研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划项目和中央引导地方科技发展资金支持资助。同时也感谢博睿鼎能动力科技有限公司的合作与支持。
图1 基团贡献法与SAFT-VR-Mie方程法对临界参数预测对比
图2 不同温度下相对作用因子对二氧化碳溶解弛豫特性影响
图3 CO2与润滑油溶解度以及与实验数据的相对偏差
图4 系统性能随压缩机出口压力的变化
图5 考虑实时调度的运行可行性域变化
图6 百千瓦液态二氧化碳储能示范验证系统
图7 科研人员在现场调试测试
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