来源：储能科学与技术近年来，液态空气储能技术凭借其在提升电网稳定性方面的独特优势，正日益受到关注。液态空气储能(liquid air energy storage，LAES)技术作为压缩空气储能技术的分支，克服了传统压缩空气储能技术储能密度低和依赖于特定地理条件的缺点，其单位储能密度为压缩空气储能技术的15~20倍。具有储能容量大、适用性广和环境友好等优势。与其他储能技术相比，LAES系统具有良好的适应性和交互性，特别适用于大规模可再生能源并网消纳并在实现综合能源体系内多能转化和输出方面具有显著优势，被视为未来储能领域的潜在解决方案。本文对LAES技术的发展进行了系统总结，重点介绍了该技术的基本原理、关键组成及其在储能领域的研究现状。通过对近年来国内外相关研究成果的分析，本文进一步探讨了LAES系统在效率提升、系统优化及成本控制等方面的进展与挑战。最后，为LAES技术的进一步发展及其在大规模储能中的工程化应用提供了参考和借鉴，旨在为未来该技术的推广应用奠定理论基础。1 液态空气储能技术原理与电化学电池逻辑类似，LAES系统的运行分为三个阶段：空气液化(冲能过程)、液态空气储存(储能过程)和能量释放(发电过程)，如图1所示。在液化阶段，空气经过净化过滤后，在压缩机内进行多级绝热压缩，使空气温度和压力显著升高，随后通过一系列热交换器进行等压冷却，逐步降温并完成液化。液化后的空气以液态储存，实现电能向液态空气内能的高效转换]。在储存阶段，液态空气在低温常压储罐中长期存储，保持其高能量密度和低损耗的稳定状态。在释能阶段，当电力需求增加时，液态空气被加热气化，通过膨胀机进行绝热膨胀，驱动发电机发电，实现内能向电能的转化。图1 LAES系统基本原理图1.1空气液化(充能过程)储能过程通过液化循环，利用可再生能源的富余电力或低峰时段的廉价电力，将空气压缩并冷却至液态，形成液态空气。当前，气体液化已经是应用较为成熟的工业技术，其主要目的是为了压缩气体体积，提高单位能量密度，进而实现更高效的长时间存储和跨区域运输。完成空气液化过程需要的设备通常包括压缩机、换热器和膨胀装置(节流阀/膨胀机)等部件。在进行空气压缩之前，还需要对空气进行预处理以降低空气含湿量和提升空气纯度，避免产生冻结问题。为实现更高效的液化并减少能量损耗，通常需要进行多级压缩和冷却。由于要尽可能减少操作过程中的温差，因此换热器的选型设计对于空气液化效果的影响也至关重要。空气液化过程所涉及的热力学循环主要分为两大类，即Linde-Hampson循环和Claude循环。在1895年Linde通过Linde-Hampson循环建立了第一个工业级的空气液化装置，因此该循环是最简单也是最早实现工业化流程的液化工艺，其主要是通过节流阀的等焓膨胀来实现空气液化，图2显示了Linde-Hampson循环的基本原理。由于在该循环过程中液体的节流主要通过焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson，J-T)阀来实现，导致节流膨胀中会产生严重的节流损失，使得系统效率不高。通过使用等熵膨胀(涡轮机或两相/低温膨胀机)来代替等焓膨胀可以显著提升系统的效能。图2 Linde-Hampson循环原理图Claude循环是由法国工程师George Claude于20世纪初提出的一种改进型气体液化循环，现已广泛应用于液态空气储能(LAES)系统的液化阶段。其主要目的是克服Linde-Hampson循环中J-T阀带来的节流损失，原理是在传统Linde-Hampson循环的基础上引入等熵膨胀机，使高压气体通过膨胀机膨胀时温度显著降低，从而实现部分气体液化，如图3所示。同时，膨胀过程中释放的功可回收用于辅助驱动压缩机，有效提高整个系统的热力学效率。Claude循环的功能在于提升空气液化过程的能效，减小系统能耗。其特点是液化效率高、节流损失小、系统结构相对紧凑，特别适合大规模气体液化场景，是现代LAES高效液化环节的核心技术之一。3 Claude循环原理图Claude循环还包括两个变体，即Kapitza循环和Heylandt循环，如图4所示，Kapitza循环进一步简化了Claude循环，该循环通常在较低压力下运行，适用于较低温度下的气体液化。并且该循环使用涡轮膨胀机(旋转式)代替往复式膨胀机，因为涡轮膨胀机对于高流速的气体具有更好的适应性。同时，由于在Claude循环中第三级换热器达成的温降较小，因此移除了第三级换热器。图4 Kapitza循环原理图如图5所示，Heylandt循环将Claude循环中的第一个换热器用一段旁路管线代替，部分空气通过旁路管线绕过一级换热器直接进入涡轮机膨胀做功，从膨胀机做功之后的气体则直接进入一级换热器用于冷却空气。图5 Heylandt循环原理图研究结果表明Claude循环、Kapitza循环和Heylandt循环相较于其他循环具有更好的性能表现，并且也是目前工业生产中较为成熟的方案；Claude循环和Kapitza循环在空气液化率和㶲效率等指标方面表现出了明显的优越性；采用Claude循环、Kapitza循环和Heylandt循环的LAES系统效率随分流比的增加而增加。1.2液态空气储存(储能过程)在LAES系统动态运行过程中，主要通过填充床储能单元进行冷量/热量的存储与提取，工质通过直接接触或间接接触换热的形式与填充床中的储能介质实现能量交换，图6展示了这一循环过程。从图中可以清晰看出，无论是冷能还是热能的存储，都是为了给空气液化和液态空气汽化提供所需要的能量，因此冷能和热能的有效回收直接决定系统的往返效率，这对于LAES系统高效运行至关重要。Hamdy等研究了冷能存储对不同液化工艺的影响。对于所分析的液化循环而言，冷能存储的集成对系统都具有积极影响，不仅提高了液化空气的产率，同时系统的比功率和㶲效率还分别降低了50%~70%和提高了30%~100%。图6 冷能/热能存储循环示意图1.3能量释放(发电过程)当需要LAES系统出力或者在电网用电高峰期时，储罐中的液态空气在深冷泵的驱动下被加压泵送至气化器进行气化，并利用储热模块中存储的热量将空气进一步加热至高温高压状态，此后气体进入膨胀机做功并产生电能。一般而言，释能过程主要通过以下三种方式实现：直接膨胀做功，Rankine循环和Brayton循环。液态空气直接膨胀做功是最简单的释能实现方式。在这种方式中，储罐中的低温液态空气被泵送并加热到等于或高于环境温度的工况，之后送到发电装置中进行膨胀做功，其基本原理如图7所示。但是由于该过程回收损失较大且效率较低，因此在工业过程中应用较少。图7 直接膨胀回收系统示意图Rankine循环是一种成熟的闭式热力循环系统，在LAES系统的能量释放阶段起到关键作用。其原理是利用液态空气气化过程中释放的低温冷能，通过换热器加热Rankine循环工质，使工质蒸发后推动汽轮机发电，但Rankine循环还需要额外的热源以提供循环工质蒸发所需要的能量。Rankine循环的功能不仅限于电力输出，还能与储热单元协同运行，实现冷能与热能的高效回收与综合利用。其特点包括适用于中低温热源、结构成熟、运行稳定、效率较高，并且易于与LAES系统及其他能源转换系统(如Brayton循环)耦合，为大规模长时储能系统提供可靠的释能解决方案，其示意图如图8所示。图8 Rankine循环回收系统示意图Brayton循环作为一种开放式或闭式气体热力循环，在LAES系统中主要应用于膨胀阶段。相比于Rankine循环，Brayton循环本质上是带有回热式的燃气轮机循环，使用压缩机代替循环泵来加压循环流体，液态空气携带的冷量主要用于冷却循环流体并降低压缩机入口处的温度，以减小其压比。其原理是通过高温高压气体膨胀驱动气体涡轮机做功，实现机械能或电能输出，其基本系统原理如图9所示。Brayton循环具有快速启动、动态响应能力强、结