基于水下压缩空气储能的远海电淡冰冷热联产系统性能分析

作者: 杨毅 1,3 刘石 1,3黄正 1,3卜宪标 2 吴蔚 1温喆然 1徐军涛 1李士杰 4

单位：1. 广东新型储能国家研究院有限公司；2. 中国科学院广州能源研究所；3. 南方电网电力科技股份有限公司；4. 中国南方电网有限责任公司

引用本文：杨毅, 刘石, 黄正, 等. 基于水下压缩空气储能的远海电淡冰冷热联产系统性能分析[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(3): 1160-1167.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0168

本文亮点：提出了基于水下压缩空气储能的电淡冰冷热多联产系统，构建了热动力学数学模型，分析了发电、制冰制冷以及生产淡水和热水的性能。水下压缩空气储能进行电淡冰冷热联产技术思路可行，系统集成化程度高，适用于海洋环境。结合海上风电和光伏，依托水下压缩空气储能系统可以建立海上能源站，为远海岛屿、渔船、商船和浮动平台等提供电淡冰冷热供应，助力海洋经济高质量发展。

摘 要 提出了基于水下压缩空气储能的电淡冰冷热多联产系统，以解决海上可再生能源发电的配储难题以及远海对电、淡水、冰和冷热获取难的问题。构建了储释能过程以及多联产过程的热动力学数学模型，分析了发电、制冰、制冷以及生产淡水和热水的性能。结果表明：水下定压储能的储能密度和能量回收效率较定容储能实现大幅提高。另外，通过压缩空气储能以及级间压缩热和膨胀制冷，可以在海上同时生产电能、淡水、热水、冰和冷能；级间压缩热除了加热膨胀机进气，还可以驱动多效蒸馏海水淡化设备生产淡水同时生产60 ℃以上热水。对于深度500 m，容积10000 m3的储气罐，每天的淡水产量达51.45 t；抽取中间级膨胀机出口气体进行膨胀制冰制冷，当抽取50%空气流量(30.4 kg/s)时，每天可制冰30.72 t。水下压缩空气储能可以解决海上风电和光伏的不稳定难题，促进海上可再生能源发电更大规模的发展。依托水下压缩空气储能系统可以建立海上能源站，为远海岛屿、渔船、商船和浮动平台等提供电淡冰冷热供应，助力海洋经济高质量发展。

关键词 水下压缩空气储能；定压储能；冷热电淡冰多联产；电淡联产；海上能源站

习总书记指出，海洋经济发展前途无量，建设海洋强国，必须进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，加快海洋科技创新步伐。我国海域面积达300多万km²，海上风电和光伏的可装机容量分别为3009 GW和70 GW，大规模的海上可再生能源发电为“双碳”目标的实现提供了有力支撑，也为海洋经济的高质量发展提供了坚实的能源保障。《“十四五”可再生能源发展规划》提出，优化近海海上风电布局，开展深远海海上风电规划，推动近海规模化开发和深远海示范化开发。“十四五”期间，各地出台的海上风电发展规划规模已达8000万千瓦，到2030年累计装机将超过2亿千瓦。可再生能源发电具有间歇不稳定的特点，随规模的扩大，亟需大容量高效低成本长时储能技术。

水下压缩空气储能利用海水的静压，通过气水互驱实现定压压缩空气储能(isobaric compressed air energy storage, IBCAES)，与定容压缩空气储能(isochoric compressed air energy storage, ICCAES)相比，储能密度大，能量回收效率高。国内外学者从热动力学、影响参数、?分析、多目标优化、水下储气罐设计及性能测试、水下储气罐水动力学模拟及分析等角度对水下压缩空气储能开展了理论和模拟研究。2014—2019年，美国和加拿大分别在夏威夷、安大略和戈德里奇开展了6.6 MW、0.7 MW和2.2 MW/10 MWh的工程试验和示范，论证了IBCAES的可行性和可靠性。

远海岛屿、船舶以及漂浮平台不仅需要电能，而且对淡水、冰、冷、热也有迫切需求。水下压缩空气储能系统不仅有压缩热，而且有高压空气，因此可以通过热进行制淡水，通过气体膨胀进行制冰制冷。基于此，本工作提出了一种基于水下压缩空气储能的远海电淡冰冷热联产系统，构建了数学模型，开展了电淡冰冷热性能分析，以期为人类征服远海提供资源和能源支持。

1 物理及数学模型构建和求解

1.1物理模型

IBCAES系统如图1所示，主要包括压缩机和级间冷却器，膨胀机和级间加热器，以及水下储气罐和浮动平台。IBCAES可以与远海岛屿结合，也可以与远海浮动平台结合，主要解决海上可再生能源发电的储能问题，比如海上风电、光伏、波浪能以及潮流能等。IBCAES的工作原理为：用电低谷时，电能驱动压缩机，将低压空气压缩到高压储存在水下储气罐内，实现电能向高压空气势能的转换。在用电高峰时，水下储气罐的高压空气释放，驱动膨胀机和发电机发电，将高压空气的势能又转化为电能。

1—第一级压缩机，2—第二级压缩机，3—第三级压缩机，4—第一级级间冷却器，5—第二级级间冷却器，6—第三级级间冷却器，7—气体阀门1，8—气体阀门2，9—第一级膨胀机，10—第二级膨胀机，11—第三级膨胀机，12—热水罐，13—热水泵，14—第三级级间加热器，15—第二级级间加热器，16—第一级级间加热器，17—输气管线，18—冷水泵，19—冷水罐，20—浮动平台，21—海水，22—水下空气储罐

远海岛屿以及船舶，不仅需要电能，也需要冷热、淡水和冰，而回收的级间压缩热可以通过低温多效蒸馏海水淡化技术制取淡水，同时，高压空气也可以通过膨胀技术进行制冷制冰。基于此，提出了面向远海的水下压缩空气储能电淡冰冷热多联产模式，如图2所示。

1～22同图1，23—制热换热器，24—低温多效蒸馏海水淡化设备，25—气体阀门3，26—制冷膨胀机，27—制冰机，28—制冷换热器

1.2数学模型

数学模型主要包括设备热动力学模型，比如压缩机、膨胀机、级间冷却器和加热器、冷热水泵、冷热水箱和制淡设备等，以及性能评价模型，比如储能密度和能量回收效率。

1.2.1 压缩机

压缩机出口温度和耗电功率

(1)

(2)

式中，为压缩机进口温度，K；为压缩机出口温度，K；为压缩机等熵效率；为压比；为空气绝热指数；为压缩机耗电功率，W；_c为压缩机空气质量流量，kg/s；为电动机效率；为气体常数，J/(kg/K)。

1.2.2 膨胀机

膨胀机出口温度和发电功率

(3)

(4)

式中，为膨胀机出口温度，K；为膨胀机进口温度，K；为膨胀机等熵效率；为膨胀比；为膨胀机发电功率，W；为膨胀机空气质量流量，kg/s；为发电机效率。

1.2.3 换热器

换热器主要包括级间加热器和级间冷却器，根据换热量相等以及换热器效能描述二者的性能。

(5)

(6)

式中，为实际换热量，W；为换热器中流体质量流量，kg/s；为换热流体比热容，J/(kg/K)；为流体进口温度，K；为流体出口温度，K；为最大换热功率，W；为换热器效能；为热流体进口温度，K；为冷流体进口温度，K。

1.2.4 能量回收效率

(7)

式中，为能量回收效率；_wp,hot为热水泵耗电量，kWh；_wp,cold为冷水泵耗电量，kWh；为储能和释能时间，h。

1.2.5 储能密度

(8)

式中，为储能密度，kWh/m³；为水下储气罐容积，m³。

1.2.6 海水淡化

低温多效蒸馏海水淡化系统，淡水产量和能耗之间的关系用下式表示：

(9)

式中，为海水的蒸发潜热，kJ/kg，此处取2358 kJ/kg；为海水淡化系统的效数，此处取4；为淡水产量，kg; 为海水淡化的热能消耗，kJ。

其他公式，请参考文献[26-27]。

1.3已知参数

相关的已知参数见表1。

表1   已知参数

1.4模型求解及验证

上述模型求解时，首先根据空气质量流量确定压缩机的功率分配，然后以最佳的能量回收效率作为目标函数，以级间冷却器中水流量和出口温度作为决策变量，确定最优工况下级间冷却器中水的质量流量和出口水温。采用Python语言进行编程，水和空气的物性调用Refprop。

文献[28]开展了ICCAES性能研究，压缩机等熵效率0.88，膨胀机等熵效率0.9，换热器效能0.85，储罐压力10 MPa。按照文献[28]的参数，利用本工作的数学模型开展ICCAES和IBCAES性能研究。计算结果表明，ICCAES的能量回收效率为63.60%，储能密度为6.89 kWh/m³，与文献中一致，论证了本工作模型的正确性。而对于IBCAES，同样工况下的能量回收效率为71.96%，储能密度为15.40 kWh/m³，较ICCAES实现大幅提高。

2 结果与分析

2.1IBCAES与ICCAES性能对比

按表1中的数据，分别计算500～1000 m储能深度时ICCAES和IBCAES的性能，结果如图3所示。

定压储能的性能与储能水深密切相关，而定容储能的性能跟储能压力密切相关。储能水深100 m基本对应储能压力1 MPa，500 m近似5 MPa，以此类推。为了将定压储能和定容储能的性能反映在一张图上，图3中的横坐标用水深代表储能压力。由图3可知，IBCAES的储能密度和能量回收效率均高于ICCAES，主要原因在于，IBCAES不论是储能还是释能过程，储气罐的压力均是恒定不变，这导致设备运行工况稳定，而且储气罐内残余气很少。而对于ICCAES，不论是储能还是释能，储气罐的压力总是变化的，这导致两个结果，一是储能和释能过程，压缩机和膨胀机的压比和膨胀比总是变化的，导致设备变工况大，系统效率低；二是随着释能的进行，储气罐内压力逐渐降低，当压力低于膨胀机进口压力限制时，大量的气体仍残留在储气罐内无法参与做功。

2.2基本型IBCAES性能分析

基本型IBCAES系统如图1所示，分析其性能可为后续IBCAES多联产模式提供设计和运行指导。

为了实现高压比，采用三级压缩，两个压缩机之间设置级间冷却器，一方面用来为高温空气降温，另一方面用来回收级间压缩热。用水作为工质回收级间压缩热，回收的热量进入热水箱储存。由图4可知，热水箱水温以及热水总流量随储能深度的增加而增加。这是因为，在储气罐容积不变的情况下，深度增加储能密度和储罐内气体的总质量增大，在储能时长不变的工况下，单位时间内空气流量增加，而且压比也增加，由公式(1)可知，压缩机出口温度和总压缩热增加，因此导致水温和水量增加。在深度500 m时，级间冷却器回收的热水温度180.36 ℃，热水箱内水的总质量483.04 t，而在深度1000 m时，热水温度215.34 ℃，总质量958.87 t。流量如此大的高温水，除了进入级间加热器用来加热膨胀机进气外，还可以驱动低温多效蒸馏海水淡化设备制取淡水，同时生产生活热水。

由图5可知，第二级膨胀机进口温度，出口温度和压力随深度的增加而增加，特别是出口温度，变化幅度很小，在39~42 ℃之间变化。以深度500 m为例，第二级膨胀机的进口温度为165.54 ℃，经膨胀后，出口温度为39.23 ℃。如果第二级膨胀机的出口气体不经过第三级级间加热器，而是直接再次进入膨胀机进行膨胀，在与第三级膨胀机同样膨胀比的工况下，那么可以将40 ℃左右的空气进一步膨胀到更低温度，可以用来制冰和制冷，如图2所示。

2.3电冰冷联产性能分析

图2中，如果不设置低温多效蒸馏海水淡化设备和制热换热器，仅从第二级膨胀机出口引出一路气体连接到制冷膨胀机、制冰机和制冷换热器上，那么该系统仅能生产电、冰和冷。制冷膨胀机出口空气首先进入制冰机，然后再进入制冷换热器。温度低于-20 ℃的空气用于制冰，-20~0 ℃的空气用于制取7 ℃/14 ℃的冷冻水。制取的冰可用于渔船或者其他商用，而冷冻水可用于渔船、远洋平台以及过往船只。表2中，储能深度为500 m，其他参数见表1。表2中的引出气体指的是进入制冷膨胀机的气体。

表2   电冰冷联产性能

按表1中的参数，储能9小时，释能3小时，膨胀机的空气质量流量为60.85 kg/s。由表2可知，随着引出气体质量分数的增加，总发电功率在逐渐降低。这主要是因为，用于制冰制冷的引出气，没有经过第三级级间加热器加热，做功发电的能力降低，导致第三级膨胀机与制冷膨胀机的发电功率总和随引出气质量分数的增加而降低。对于远海渔船来说，鱼的保存需要大量的冰，如果能在远海直接为渔船提供冰，意义重大，特别是用海水直接制冰，原料丰富且基本没有费用。制冰量和制冷量随引出气质量分数的增加而增大，在实际工程设计时，可以根据需要选择引起气体质量。对于制冰量，在引出气质量分数为10%时，每天的制冰量为6.14 t，随着引出气质量分数的增加，制冰量的增加与引出气质量分数的增加成正比，引出气质量分数每增加10%，制冰量增加6.14 t/d。而对于总发电功率，引出气质量分数每增加10%，发电功率降低0.22 MW。制冰设备的功率与发电功率之间的配比，既可以根据需求设计，也可以根据经济性进行权衡设计。当然也可以采用电驱动的机械制冰，即先发电，然后用电能驱动机械制冰机，如何选择要根据设备投资，海上运维等因素决定。

2.4电淡联产性能分析

图2中，如果不设置制冷膨胀机、制冰机和制冷换热器，只设置低温多效蒸馏海水淡化设备和制热换热器，那么该系统仅能生产电能、淡水和热量。来自级间加热器80 ℃的热水进入低温多效蒸馏海水淡化设备进行制淡水，降温后的热水温度达到65 ℃，然后再进入制热换热器，制取60 ℃的生活热水。表3中，储能深度为500 m，其他参数见表1。表3中，制淡热源0表示淡水和热水产量为零，1表示用第三级级间加热器的热量制取淡水和热水，2表示用第二和第三级级间加热器的热量制取淡水和热水，3表示用第一、第二和第三级级间加热器的热量制取淡水和热水。

表3   电淡热联产性能

释能期间，三个级间加热器的热水流量相等，均为14.91 kg/s。由表3可知，随来自级间加热器热水流量的增加，总发电功率在减少，淡水产量和制热量在增加。淡水产量与来自级间加热器的热水质量流量成正比，热水质量流量每增加14.91 kg/s，淡水产量就增加17.15 t/d。制热换热器热量与淡水产量有同样的变化趋势，热水质量流量每增加14.91 kg/s，制热换热器热量就增加16.85 GJ/d。而总发电功率随淡水产量的增加而降低，特别是第一级级间加热器的热水用于制淡后，对后续膨胀机的发电功率影响更大。从第三级级间加热器抽取温度80 ℃流量14.91 kg/s的热水用于制淡水后，总发电功率从21.97 MW降低到21.53 MW，降低了0.44 MW；从后两级级间加热器分别抽取14.91 kg/s的热水用于制淡后，总发电功率从21.97 MW降低到20.57 MW，降低了1.40 MW；从三个级间加热器分别抽取14.91 kg/s的热水用于制淡后，总发电功率从21.97 MW降低到18.56 MW，降低了3.41 MW。总发电功率降低的主要原因是，级间加热器的部分热量被用于制淡，而没有被用于加热膨胀机进口空气，导致膨胀机进气温度降低，做功能力下降。在不制取淡水的工况下，第一、第二和第三级级间加热器的进水温度都为180.36 ℃，排出水温度分别为27.04 ℃、47.03 ℃和54.65 ℃，而在制淡工况下，级间加热器的排出水温度为80 ℃，排出水温度高，大量的热量用于制淡而没有加热膨胀机进气。

在远海，电、淡水和冰资源极其重要，利用远海风电、光伏和波浪能，结合水下压缩空气储能系统生产电淡冰冷热，可以建立海上能源站或者远海漂浮能源站，为岛屿、海上漂浮平台、渔船和远洋轮船提供补给保障，支撑海洋经济高质量发展。

3 结论

水下压缩空气储能属于定压储能，相比于定容储能，具有储能密度和能量回收效率大的特点。由于远海对电、冰、淡水等有迫切需求，而水下压缩空气储能系统利用级间压缩热和空气膨胀制冷可以生产淡水和冰。基于此，本工作提出了基于水下压缩空气储能的远海电淡冰冷热联产系统，并对性能进行了分析，得出以下结论：

（1）水下压缩空气储能高效利用了海水的静压，通过气水互驱实现定压储能。由于储能释能过程中储气罐内压力恒定且释能结束残余气少，其储能密度和能量回收效率较定容储能有大幅提高；

（2）远海对电、淡水、冰、冷和热需求迫切，提出了基于水下压缩空气储能的电淡冰冷热多联产系统，通过级间压缩热驱动多效蒸馏海水淡化设备制淡水同时生产热水，通过空气的膨胀制冰制冷。数值模拟表明依托水下压缩空气储能进行电淡冰冷热联产技术思路可行，系统集成化程度高，适用于海洋环境。

（3）对于深度500 m，容积10000 m³的水下储气罐，回收级间压缩热得到的热水温度为180.36 ℃，总质量为483.04 t。高温段180～80 ℃的热水用于加热膨胀机进气，而80 ℃的热水用于驱动多效蒸馏海水淡化设备生产淡水，每天淡水产量达51.45 t；

（4）对于深度500 m，容积10000 m³的水下储气罐，第二级膨胀机的出口压力377.78 kPa，温度39.23 ℃，空气质量流量60.85 kg/s。抽取50%空气流量(30.4 kg/s)进一步膨胀，每天可制冰30.72 t。

远海对电能、淡水和冰需求迫切，结合海上风电和光伏，依托水下压缩空气储能系统可以建立海上能源站，为远海岛屿、渔船、商船和浮动平台等提供电淡冰冷热供应，助力海洋经济高质量发展。

第一作者：杨毅（1987—），男，硕士，高级工程师，研究方向为先进物理储能技术；

通讯作者：卜宪标，研究员，研究方向为水下地下压缩气体储能。

基金信息：南方电网科技创新项目（ZBKJXM20240191）。

中图分类号：TK 123

文章编号：2095-4239（2025）03-1160-08

文献标识码：A

收稿日期：2025-02-22

修回日期：2025-03-12

出版日期：2025-03-28

网刊发布日期：2025-05-07