纯氢补燃型和天然气补燃型压缩空气储能系统特性与㶲经济性对比

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24136

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 885-896.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24136

纯氢补燃型和天然气补燃型压缩空气储能系统特性与㶲经济性对比

马宁, 赵攀, 刘艾杰, 许文盼, 王江峰

西安交通大学能源与动力工程学院，陕西省西安市 710049

收稿日期:2024-07-08 修回日期:2024-08-08 出版日期:2025-10-31 发布日期:2025-10-23
作者简介:马宁(1998)，男，博士研究生，研究方向为压缩空气储能系统，4123303024@mail.xjtu.edu.cn；
赵攀(1983)，男，博士，教授，研究方向为物理储能技术、综合能源系统和可再生能源利用技术等，本文通信作者，panzhao@mail.xjtu.edu.cn；
刘艾杰(1998)，男，博士研究生，研究方向为压缩CO2储能系统等，2436303352@qq.com；
许文盼(1995)，男，博士研究生，研究方向为压缩CO2储能系统等，xiaoxwp@ stu.xjtu.edu.cn；
王江峰(1981)，男，博士，教授，研究方向为分布式能源系统和热力系统集成与动态特性等，jfwang@mail.xjtu.edu.cn。
基金资助:
国家科技重大专项智能电网项目(2024ZD0800502)

Comparison of Characteristics and Exergoeconomic Between Hydrogen and Natural Gas-Fueled Compressed Air Energy Storage Systems

Ning MA, Pan ZHAO, Aijie LIU, Wenpan XU, Jiangfeng WANG

School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China

Received:2024-07-08 Revised:2024-08-08 Published:2025-10-31 Online:2025-10-23
Supported by:
Smart Grid-National Science and Technology Major Project(2024ZD0800502)

摘要/Abstract

摘要：

目的天然气补燃型压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)系统存在环境污染问题，氢气作为替代燃料不会造成温室气体排放，但现阶段对纯氢补燃型CAES系统的技术经济可行性认识不足，因此有必要开展相关研究。方法基于㶲和㶲经济分析方法，进行了纯氢补燃型和天然气补燃型CAES系统的对比分析，重点关注其热力学性能、不可逆损失分布、经济性和㶲经济性的影响。此外，探讨了两者参数敏感性。结果纯氢补燃型CAES系统在放电时间、储能密度和㶲效率方面均优于天然气补燃型CAES系统；由于氢气成本高于天然气，纯氢补燃型CAES系统的产品平均㶲成本为155.62美元/GJ，显著高于天然气补燃型CAES系统对应的27.57美元/GJ；为使纯氢补燃型CAES系统具备与天然气补燃型CAES系统相同的商用竞争力，推荐售电价格为0.206 2美元/(kW⋅h)；此外，纯氢补燃型CAES系统对参数变化更加敏感，在高参数条件下可实现更好的性能提升和成本降低。结论研究成果揭示了纯氢补燃型CAES系统的应用潜力，并为其进一步商业推广提供了技术参考。

关键词: 储能, 氢燃料, 压缩空气储能(CAES), ?经济性分析, 敏感性分析

Abstract:

Objectives The natural gas-fueled compressed air energy storage (CAES) system presents environmental pollution challenges, and replacing natural gas with hydrogen as fuel cannot cause greenhouse gas emissions. However, there is currently insufficient understanding of the technical and economic feasibility of the hydrogen-fueled CAES system, so it is necessary to carry out relevant research. Methods Based on exergy and exergoeconomic analysis methods, a comparative analysis is conducted on the thermodynamic performance, distribution of irreversible losses, economic factors, and exergoeconomic performance of the hydrogen and natural gas fueled CAES systems. In addition, the sensitivity of two parameters is also discussed. Results The hydrogen-fueled CAES system outperforms the natural gas-fueled CAES system in terms of discharge time, energy storage density, and exergy efficiency. Due to the higher cost of hydrogen compared with natural gas, the levelized cost per unit exergy of the product for the hydrogen-fueled CAES system is $155.62/GJ, significantly higher than the corresponding cost of $27.57/GJ for the natural gas-fueled CAES system. In order to align the investment payback period of the hydrogen-fueled CAES system with the commercial competitiveness of the natural gas-fueled CAES system, the recommended selling price for electricity should reach $0.206 2/(kW⋅h). Additionally, the hydrogen-fueled CAES system is more sensitive to parameter changes and can achieve better performance improvement and cost reduction under high parameter conditions. Conclusions The research results reveal the potential applications of the hydrogen-fueled CAES system and provide a technical reference for its further commercial promotion.

Key words: energy storage, hydrogen fuel, compressed air energy storage (CAES), exergoeconomic analysis, sensitivity analysis

中图分类号:

TK 91

马宁, 赵攀, 刘艾杰, 许文盼, 王江峰. 纯氢补燃型和天然气补燃型压缩空气储能系统特性与㶲经济性对比[J]. 发电技术, 2025, 46(5): 885-896.

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图/表 10

图1 压缩空气储能系统示意图a1—a9为空气流股的编号；a10—a14为燃气流股的编号；w1—w9为水流股的编号。

Fig. 1 Schematic diagram of compressed air energy storage system

表1 经济分析有关参数

Tab. 1 Parameters related to economic analysis

参数	数值
高峰电价/[美元/(kW⋅h)]	0.118
低谷电价/[美元/(kW⋅h)]	0.035
热水价格/[美元/(kW⋅h)]	0.022
氢气价格/(美元/GJ)	30.638
天然气价格/(美元/GJ)	6.157
CO₂排放成本/(美元/kg)	0.024
年工作时间/d	350
平均年利率/%	12
电厂运行年限/a	25
贴现率/%	10
通货膨胀率/%	5
实际利率/%	3
运行维护系数	1.06

表2 系统参数设置

Tab. 2 System parameter setting

参数	数值
理想气体常数/[J/(mol⋅K)]	8.314
环境温度/K	298.15
环境压力/MPa	0.1
透平效率/%	90
高压透平入口温度/K	823
低压透平入口温度/K	1 023
高压透平膨胀比	3.82
低压透平膨胀比	10.86
透平机组额定功率/MW	290
压缩机效率/%	88
压缩机压比	8.43
压缩机组额定功率/MW	60
储气洞穴温度/K	298.15
储气洞穴压力/MPa	4.2~7.2
储气洞穴容积/m³	180 000
冷却水温/K	293.15
机械效率/%	97
甲烷热值/(kJ/kg)	50 179
氢气热值/(kJ/kg)	120 994

表3 天然气型和纯氢型CAES系统性能比较

Tab. 3 Performance comparison between natural gas and hydrogen-fueled CAES systems

性能指标	天然气型	纯氢型
燃料消耗量/t	97.23	40.21
充电时间/h	17.26	17.26
放电时间/h	4.25	4.32
储能密度/(kW⋅h/m³)	6.87	6.95
㶲效率/%	53.41	55.04
产热平均㶲成本/(美元/GJ)	20.58	20.89
发电平均㶲成本/(美元/GJ)	30.64	210.69
产品平均㶲成本/(美元/GJ)	27.57	155.62
CO₂排放量/t	14.08	0

图2 天然气型和纯氢型CAES系统各部件㶲损失和㶲效率情况a—低压压缩机；b—高压压缩机；c—间冷器；d—后冷器；e—节流阀；f—回热器2；g—回热器1；h—燃烧室1；i—高压透平；j—燃烧室2；k—低压透平。

Fig. 2 Exergy destruction and exergy efficiency of each component of natural gas and hydrogen-fueled CAES systems

表4 天然气型和纯氢型CAES系统各项投资成本

Tab. 4 The investment costs for natural gas and hydrogen-fueled CAES systems

参数	天然气型	纯氢型
总投资成本/万美元	1 380	1 375
运行维护成本/万美元	2 071	2 063
购电成本/万美元	3 172	3 172
燃料成本/万美元	2 628	13 044
环境惩罚成本/万美元	564	0
生命周期总成本/万美元	9 815	19 654

图3 售电价格对纯氢型CAES系统投资回收期和净现值的影响

Fig. 3 Influence of electricity sale price on the payback period and net present value of hydrogen-fueled CAES system

表5 天然气型CAES系统各部件的㶲经济性分析

Tab. 5 Exergoeconomic analysis of various components in natural gas-fueled CAES system

部件	c_f_{, i} /(美元/GJ)	c_p_{, i} /(美元/GJ)	$C ˙ D,$ _i /(美元/h)	$Z ˙ i$ /(美元/h)	$C ˙ D, i$ + $Z ˙ i$ /(美元/h)	f_i
低压压缩机	9.72	13.81	95.25	300.03	395.28	75.90
高压压缩机	11.26	13.75	111.90	300.03	411.93	72.84
间冷器	13.81	17.70	288.38	6.67	295.04	2.26
后冷器	13.75	16.00	319.50	6.51	326.01	2.00
空气洞穴	13.75	5.79	0	1 286.39	1 286.39	100
热水罐	46.33	22.78	0	0.06	0.06	100
冷水罐	0	0	0	0.06	0.06	100
节流阀	5.79	6.63	389.22	5.61	394.84	1.42
回热器1	7.21	7.62	160.50	133.64	294.14	45.43
回热器2	6.56	6.73	12.48	66.82	79.30	84.26
燃烧室1	6.94	8.43	1 329.15	3.78	1 332.93	0.28
燃烧室2	7.03	8.09	1 151.23	3.80	1 155.03	0.33
高压透平	8.43	10.50	261.96	1 393.11	1 655.07	84.17
低压透平	8.09	11.73	506.56	790.28	1 296.83	60.94

表5 天然气型CAES系统各部件的㶲经济性分析

Tab. 5 Exergoeconomic analysis of various components in natural gas-fueled CAES system

部件	c_f_{, i} /(美元/GJ)	c_p_{, i} /(美元/GJ)	$C ˙ D,$ _i /(美元/h)	$Z ˙ i$ /(美元/h)	$C ˙ D, i$ + $Z ˙ i$ /(美元/h)	f_i
低压压缩机	9.72	13.81	95.25	300.03	395.28	75.90
高压压缩机	11.26	13.75	111.90	300.03	411.93	72.84
间冷器	13.81	17.70	288.38	6.67	295.04	2.26
后冷器	13.75	16.00	319.50	6.51	326.01	2.00
空气洞穴	13.75	5.79	0	1 286.39	1 286.39	100
热水罐	46.33	22.78	0	0.06	0.06	100
冷水罐	0	0	0	0.06	0.06	100
节流阀	5.79	6.63	389.22	5.61	394.84	1.42
回热器1	7.21	7.62	160.50	133.64	294.14	45.43
回热器2	6.56	6.73	12.48	66.82	79.30	84.26
燃烧室1	6.94	8.43	1 329.15	3.78	1 332.93	0.28
燃烧室2	7.03	8.09	1 151.23	3.80	1 155.03	0.33
高压透平	8.43	10.50	261.96	1 393.11	1 655.07	84.17
低压透平	8.09	11.73	506.56	790.28	1 296.83	60.94

表6 纯氢型CAES系统各部件的㶲经济性分析

Tab. 6 Exergoeconomic analysis of various components in hydrogen-fueled CAES system

部件	c_f_{, i} /(美元/GJ)	c_p_{, i} /(美元/GJ)	$C ˙ D,$ _i /(美元/h)	$Z ˙ i$ /(美元/h)	$C ˙ D, i$ + $Z ˙ i$ /(美元/h)	f_i
低压压缩机	9.72	13.81	95.25	300.03	395.28	75.90
高压压缩机	11.26	13.75	111.90	300.03	411.93	72.84
间冷器	13.81	17.70	288.38	6.67	295.04	2.26
后冷器	13.75	16.00	319.50	6.51	326.01	2.00
空气洞穴	13.75	5.87	0	1 282.61	1 282.61	100
热水罐	46.33	23.12	0	0.06	0.06	100
冷水罐	0	0	0	0.06	0.06	100
节流阀	5.87	6.72	388.75	5.45	394.20	1.38
回热器1	15.71	16.39	337.80	134.31	472.11	28.45
回热器2	6.65	6.82	12.46	65.56	78.02	84.03
燃烧室1	20.45	24.62	3 218.92	3.67	3 222.58	0.11
燃烧室2	28.32	32.47	3 352.87	3.68	3 356.54	0.11
高压透平	24.62	27.28	758.53	1 347.88	2 106.41	63.99
低压透平	32.47	46.24	2 041.47	760.32	2 801.79	27.14

表6 纯氢型CAES系统各部件的㶲经济性分析

Tab. 6 Exergoeconomic analysis of various components in hydrogen-fueled CAES system

部件	c_f_{, i} /(美元/GJ)	c_p_{, i} /(美元/GJ)	$C ˙ D,$ _i /(美元/h)	$Z ˙ i$ /(美元/h)	$C ˙ D, i$ + $Z ˙ i$ /(美元/h)	f_i
低压压缩机	9.72	13.81	95.25	300.03	395.28	75.90
高压压缩机	11.26	13.75	111.90	300.03	411.93	72.84
间冷器	13.81	17.70	288.38	6.67	295.04	2.26
后冷器	13.75	16.00	319.50	6.51	326.01	2.00
空气洞穴	13.75	5.87	0	1 282.61	1 282.61	100
热水罐	46.33	23.12	0	0.06	0.06	100
冷水罐	0	0	0	0.06	0.06	100
节流阀	5.87	6.72	388.75	5.45	394.20	1.38
回热器1	15.71	16.39	337.80	134.31	472.11	28.45
回热器2	6.65	6.82	12.46	65.56	78.02	84.03
燃烧室1	20.45	24.62	3 218.92	3.67	3 222.58	0.11
燃烧室2	28.32	32.47	3 352.87	3.68	3 356.54	0.11
高压透平	24.62	27.28	758.53	1 347.88	2 106.41	63.99
低压透平	32.47	46.24	2 041.47	760.32	2 801.79	27.14

图4 参数变化对CAES系统性能评价指标的影响

Fig. 4 The effect of parameters change on the performance evaluation indicators of CAES systems

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纯氢补燃型和天然气补燃型压缩空气储能系统特性与㶲经济性对比

Comparison of Characteristics and Exergoeconomic Between Hydrogen and Natural Gas-Fueled Compressed Air Energy Storage Systems

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图/表 10

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