邱健蓄电池还是筒仓：优化直接空气捕集工厂的存储容量以最大化可再生能源利用

二氧化碳的直接空气捕获（DAC）技能被预测将在完成全球气温上升控制在2100年前低于2摄氏度的宏伟方针中发挥重要作用。但是，DAC是一种高能耗的化学工艺，其现有规划与间歇性可再生动力（RE）存在兼容性问题。本研讨开发了一种完成DAC柔性工作的模型，以最大化可再生动力运用率。该研讨提出了一种包含碳酸钙贮存仓的新式液体溶剂DAC化学工艺流程模型引言3开发了一种包含CaO的线性规划优化模型，该模型在完成直接空气捕集(DAC)工厂CO₂捕集方针的一起完成动力本钱最小化。2情景剖析确认了所需贮存仓尺寸及电池储能体系可再生动力消减所需的存储容量。弃电量针对特定可再生动力发电曲线，模拟显示需求容量分别为660吨和370吨的两个储罐来支撑柔性直接空气捕集（DAC）工厂工作，并将可再生动力弃电量降至零。选用相同发电曲线时，需装备355兆瓦时/65兆瓦的电池储能体系才干完成可再生动力零弃电。研讨成果表明：DAC柔性工作具有可行性，且DAC工厂能习惯波动性可再生动力，无需额外电池储能此外，考虑到商业规划直接空气捕集（DAC）设施中为最小化可再生动力限电所需的存储规划，研讨成果表明选用物理存储仓可能比运用更具本钱效益电池储能.

Introduction

2015年《巴黎协议》旨在将2100年全球变暖幅度控制在2°C以内。现在已探究多种减排路径，包含：以可再生动力代替化石燃料动力、布置焚烧后碳捕集与封存技能（PCCS）、推行电动汽车等零排放交通工具。但是研讨者间逐渐构成共识：仅靠减排无法完成该方针[1][2]。这促进学界转向研讨铲除已排放CO2from the atmosphere, also called Negative Emission Technologies (NETs) [3]. One of the innovative solutions being proposed and piloted is direct air capture (DAC) of carbon dioxide, which involves the capture of existingCO2独立于出产来源的空气。
直接空气捕集（DAC）因其模块化、可扩展性、可控性及排放源独立性等优势，较大都负排放技能（NETs）更受喜爱[4][5]。从方针角度看，DAC工厂能供给捕获质量的可追溯性CO2且不会对工业流程构成已知干扰，因此被视为应对气候危机的全球紧急布置可行计划[6]。此外，与布置在排放源的焚烧后碳捕集体系（PCCS）不同，DAC使捕集进程与主电网部分解耦，从而缓解了新技能接入电网的相关技能限制[4]。现在文献提出的DAC技能中，已有两种完成工业级演示：固体吸附剂技能与液体溶剂技能。固态吸附剂工艺具有优越的能量特性，但其难点在于难以出产大型低本钱吸附剂，这些吸附剂在再生期间必须周期性地与周围空气阻隔[7]。%%水溶剂DAC工艺具有高负荷工作潜力，但其再生进程归于高能耗的高温工艺[5]。本研讨聚集液体溶剂DAC技能，因文献报道其均化捕集本钱更低。%%此外，考虑到商业规划DAC工厂为最小化可再生动力限电所需的存储规划，研讨成果表明选用物理存储仓可能比运用电池储能更具本钱效益CO2该体系相比固体吸附剂DAC可能完成更高的容量系数，且更易于大规划运营[8]。
虽然液体溶剂直接空气捕集技能(DAC)在助力净零排放任务方面潜力巨大，但该工艺能耗密集，需求很多安稳电力供给，导致其无法与间歇性可再生动力(RE)兼容。商业规划（百万吨级）的液体溶剂DAC工厂需200-300兆瓦继续电力以满意捕集方针[7][9][10]。若将DAC设施大规划接入电网，将需求进行贵重的电网升级，这可能不利于可再生动力出资。An等人[11]研讨了不同气候条件下的DAC能耗状况，成果表明：运用与电网阻隔的天然气为DAC工厂供能，其本钱比接入电网低近10%。 %%CO2这是因为高能耗的再生进程可经过直接焚烧天然气完成，避免了先将燃料费能量转化为电能所带来的功率损失[10]。%%大大都关于直接空气捕集（DAC）的研讨假设其设备可用率达90%，但若依赖太阳能、风能等低容量系数可再生动力供电且未布置贵重的储能技能，这一方针在技能上难以完成[7][11]。%%本研讨经过讨论两种最具可行性的存储计划（电池储能与筒仓固体存储），致力于使液体溶剂DAC技能习惯间歇性可再生动力。虽然溶剂型DAC选用钙循环（Ca-L）进行溶剂再生，但筒仓固体存储的整合计划——该技能已在燃煤电厂灵活化改造（PCCS）中进行测验——仍有待深化探究。
DAC与PCCS的区别在于，该技能用于捕集CO2环境空气中浓度仅为0.04%的[4]，而PCCS则捕获排放的CO2排放源（如化石燃料发电厂（FFPP），其浓度超越15%[12]）捕获二氧化碳。近期，研讨者们开端探究在PCCS中使用柔性钙循环技能[12]。这使得PCCS与同样选用钙循环的液态溶剂直接空气捕集体系（DAC）具有某些结构相似性[7][11]。钙循环是一种运用钙基化合物与混合物中其他化学成分产生可逆反响的循环进程，经过化学、电化学或热力学办法完成物质别离与再生。钙循环技能被使用于PCCS、DAC及热化学储能（TCES）体系。就PCCS而言，CaO与CO2化石燃料电厂（FFPP）烟气中的物质反响生成CaCO3在碳化器中构成，随后在约900°C高温的煅烧炉中热分解以开释CO2并开释氧化物以供循环中继续运用[13]。在液体溶剂直接空气捕集技能中，溶剂首先与CO2在接触器中构成溶液中的碳酸盐。随后使该碳酸盐与溶液反响CaOH2以沉淀CaCO3，后者在煅烧炉中加热生成CO2与CaO[7]。钙循环（Ca-L）技能在这些工艺中具有优势，因其运用的化学原料天然易得、无毒且具有高能量密度[14]。近期，如何使高能耗钙循环使用习惯当时动力环境已成为很多研讨重视的焦点，这些研讨成果为本文提出的计划供给了依据。
选用柔性Ca-L技能进行PCCS的动机在于：当时动力体系中化石燃料电厂（FFPP）更多被用作间歇性、不可调度的可再生动力（RE）的备用电源，而非传统意义上的基荷电源[12]。为使Ca-L工艺习惯新式可变输出电厂的需求，该范畴已引发广泛重视。例如2016年欧盟投入近150万欧元赞助FlexiCal项目，旨在完成钙循环技能的柔性化，使PCCS体系能在低容量系数工作的备用FFPP中灵活工作[15]。同样地，2020年美国动力部经过其高档动力研讨计划署（ARPA-E）启动了"柔性碳捕集与封存"（FLECCS）项目，致力于使PCCS工艺习惯可变输出FFPP的工作需求[16]。在这两个项目中，引进储料仓的构想均CaO并且CaCO3在Ca-L中添加存储功能以将其转化为具有存储才干的Ca-L（Ca-LS）已成为干流办法[13], [17], [18]。
通常状况下，钙循环（Ca-L）工艺选用两个流化床反响室，即碳酸化器和煅烧器。碳酸化器运用固体CaO捕集CO2来自化石燃料电厂（FFPP）烟气中约15%浓度的CO2。煅烧器则从反响产品中再生CaCO3约99%浓度的CaO。钙循环存储体系（Ca-LS）经过引进两个贮存仓（一个用于存储CaCO3两套体系均维持在选定温度下工作[17]。钙循环体系经过调节两个首要反响室之间的反响物流体动力学，使得煅烧炉能够在碳化器间歇性供给烟气的状况下继续工作。图1展示了该体系的简化流程图[12]。
在热化学储能范畴，钙循环体系被提出用于完成大规划储能，从而使聚光太阳能发电站具有可调度性。欧盟赞助的"太阳能钙循环热化学储能集成"(SOCRATCES)项目已经过63篇研讨论文对该理念进行了深化探究[19]。该项目提出并试点验证的核心解决计划是选用太阳能驱动的Calix闪速煅烧炉(CFC)来完成CaCO3在高太阳辐照时段的吸热分解反响，贮存生成的 %%CaO随后使两者在碳化器中产生反响，经过放热进程开释热量[20][21][22][23]。该进程中开释的热量被用于夜间发电。CO2, and later reacting the two in a carbonator to liberate heat in an exothermic process [20], [21], [22], [23]. The heat liberated in the process is used to generate electricity at night.
上述项目为开发习惯性强的PCCS和TCES体系奠定了良好基础。本文讨论使用Ca-LS概念以完成高能耗液体溶剂DAC工艺的柔性化。在此类DAC工厂中，用于从空气中捕获CO2的接触器需继续不间断工作，才干取得经济可行的成果。随后煅烧炉将高浓度（约99%）的捕获CO2再生用于封存。驱动DAC工厂面临的首要问题在于：再生作为高能耗进程，消耗工厂总能耗的90%以上[7]。研讨预算表明，维持这两个工艺流程需求超越200MW的继续电力供给，以完成百万吨级CO2DAC工厂[7][9][10][24]。现在从技能层面看，可再生动力（RE）因其间歇性实质无法供给此类规划电力。此外，将如此高功率负荷接入现有电网不仅存在技能难题，更会拔苗助长——因为现代电网仍属高碳排体系。
本研讨根据钙循环溶剂（Ca-LS）理念，开发了带储能的液体溶剂直接空气捕集（LSDAC-S）工艺的能量优化模型，旨在使DAC工厂工作能够习惯当时及未来以可再生动力为主导的动力基础设施。关于Ca-LS的其他优化办法（如节能工艺与进程动力学优化）已在文献[22][25]中有所报道。Astolfi等人[26]选用根据简单规矩的控制办法，规划了燃煤电厂（FFPP）中碳捕集与封存体系（PCCS）集成固体料仓流量的控制模型。近期研讨选用数学规划办法优化PCCS（碳捕集与封存体系）的规划与工作，聚集于进程热力学剖析，但未考虑筒仓内固体物料的存储环节[27][28][29]。此外，大都将DAC（直接空气捕集）归入动力体系调度的研讨均默认其具有工作灵活性，却未说明完成该灵活性的详细途径[9][30]。本研讨经过引进钙循环存储机制，并选用线性规划（LP）模型进行工作优化，旨在完成DAC体系对间歇性可再生动力的灵活呼应。与先前针对低容量因子备用化石燃料电厂PCCS的灵活模型，或聚集于聚光太阳能与热化学储能（TCES）的研讨不同，本研讨深化讨论了由混合动力体系（配备两种不同储能技能）供电的独立式LSDAC-S体系的工作柔性化与优化问题。本文的立异点首要体现在以下方面：

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  改造液体溶剂直接空气捕集（DAC）工厂的化学工艺流程网络，在钙循环中增设储料仓并完成灵活操作；
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  开发线性规划优化模型，经过储料仓中的固体物料存储与电池储能体系（BESB）中的能量存储，完成液态溶剂DAC体系（LSDAC-S）中动力供给与物料流的匹配；
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  为LSDAC-S工厂的物料流建立新式质量平衡约束条件，确保体系达到预设的CO2脱除率方针，使该线性规划模型易于整合至更大型的净零扩展包与电力网络规划模型中；