中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：熱能存儲(chǔ)在全球熱能和電力脫碳上有著巨大潛力，并有助于能源系統(tǒng)在低成本下的可靠高效運(yùn)營。
作者：Ken Somers、汪小帆、洪晟、陳持平、朱文穎
本文參考麥肯錫作為知識合作伙伴為長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)（LDES Council）《凈零熱能報(bào)告》提供的研究和分析。
隨著全球能源系統(tǒng)脫碳的不斷推進(jìn)，人們的視線也逐漸轉(zhuǎn)移到最重要也最難脫碳的介質(zhì)之一——熱能。熱能主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、樓宇供熱/制冷和區(qū)域供暖，在全球終端能源消耗中的占比已超過50%（見圖1）。由于目前大多數(shù)熱能的來源仍是化石燃料，供熱與制冷占到了全球能源相關(guān)碳排放【1】的45%，加速熱能脫碳對實(shí)現(xiàn)凈零排放至關(guān)重要。
電氣化有助于絕大多數(shù)熱能應(yīng)用的脫碳，而熱能存儲(chǔ)（Thermal Energy Storage，TES）則進(jìn)一步為熱電聯(lián)動(dòng)提供了更加清潔、靈活的解決方案。儲(chǔ)熱技術(shù)可將介質(zhì)加熱到特定高溫（或冷卻到低溫）后保持溫度，并在需要時(shí)釋放（或吸收）熱能，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的目的。儲(chǔ)熱可通過兩種機(jī)制協(xié)助實(shí)現(xiàn)零碳排放：一是與具有波動(dòng)性的可再生能源協(xié)同，使更多熱能由清潔能源提供；二是在表后優(yōu)化熱能的使用，如在工業(yè)流程中儲(chǔ)存廢熱供后續(xù)使用，從而提高能效。
近日，長時(shí)儲(chǔ)能（LDES）理事會(huì)參考麥肯錫洞見發(fā)布了《凈零熱能報(bào)告》【2】，全面展示了熱能存儲(chǔ)在熱能脫碳中的作用、儲(chǔ)熱技術(shù)的成本與經(jīng)濟(jì)性、儲(chǔ)熱的典型商業(yè)用例、“風(fēng)+光+儲(chǔ)+熱”一體化能源系統(tǒng)，并總結(jié)了發(fā)展儲(chǔ)熱所需要的關(guān)鍵支持。本文將分享該報(bào)告中的部分重點(diǎn)內(nèi)容，并結(jié)合中國熱能存儲(chǔ)的實(shí)踐，以期為各位讀者帶來啟發(fā)與思考。
三種技術(shù)路線，應(yīng)用場景廣泛
儲(chǔ)熱技術(shù)包括顯熱儲(chǔ)能、潛熱儲(chǔ)能及熱化學(xué)儲(chǔ)能（見圖2），可滿足不同的儲(chǔ)能時(shí)長需求（從跨天到跨季）和溫度需求（從零下到2400°C）。其中，顯熱儲(chǔ)能的材料成本與設(shè)備成本較低、技術(shù)成熟，是目前較多商業(yè)化項(xiàng)目選擇的技術(shù)路線，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)窯爐和電采暖、居民采暖、光熱發(fā)電等。潛熱儲(chǔ)能由于相變材料的限制，材料成本較高，且對設(shè)備抗腐蝕性要求也高，導(dǎo)致總體造價(jià)高昂，商業(yè)化應(yīng)用以熔鹽式相變材料為主。熱化學(xué)儲(chǔ)能具有很高的儲(chǔ)能密度與較低的熱損失，但因工藝技術(shù)復(fù)雜、儲(chǔ)能材料循環(huán)性不佳等因素，目前仍處于示范階段。
熱能存儲(chǔ)技術(shù)主要有三大應(yīng)用場景，分別是電力、工業(yè)、區(qū)域和建筑供暖。
電力行業(yè)：熔鹽技術(shù)已經(jīng)在光熱電站中實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，通過晝間充電和夜間放電實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。其它熱能存儲(chǔ)技術(shù)也有望在未來逐漸成熟，從光熱、光伏和風(fēng)能電站中儲(chǔ)存多余能量，如使用混凝土的固態(tài)儲(chǔ)熱、高溫相變材料等。
工業(yè)領(lǐng)域：熱能存儲(chǔ)可以支持存儲(chǔ)大部分常見的工業(yè)熱能，包括熱水、蒸汽及熱空氣等典型用熱場景。例如，熱空氣及熱水（低于100℃的熱能）可用于工業(yè)生產(chǎn)中的干燥過程；低壓低溫蒸汽（約0.1兆帕，100°C）可用于食品加工消毒和清潔，而高壓高溫蒸汽（約10兆帕，320°C）則可用于金屬精煉和石油加工；熱空氣還通常用于高溫工藝，如溫度高達(dá)800°C至900°C的乙烯裂解過程。
區(qū)域和建筑供暖：熱能存儲(chǔ)提供了一種將熱能生產(chǎn)與消費(fèi)脫鉤的解決方案，從而有可能在小時(shí)級甚至季節(jié)性的時(shí)間范圍內(nèi)儲(chǔ)存熱量。通過谷電蓄熱，熱能存儲(chǔ)可將富余的低價(jià)可再生能源電力轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，并在發(fā)電基載無法滿足熱能峰值需求時(shí)進(jìn)行放熱，實(shí)現(xiàn)熱能供求的時(shí)空匹配優(yōu)化。
部分商業(yè)用例和場景應(yīng)用已具盈利性
儲(chǔ)熱有助于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的清潔熱能供應(yīng)?！秲袅銦崮軋?bào)告》顯示，根據(jù)2022年長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)的成本對標(biāo)結(jié)果，對于工業(yè)過程中最常見的蒸汽或熱空氣這兩種熱能形式，儲(chǔ)熱已經(jīng)可以提供具有成本競爭力的電氣化與脫碳解決方案。如圖3所示，在燃?xì)忮仩t脫碳的應(yīng)用中，相比燃?xì)忮仩t疊加碳捕捉與存儲(chǔ)技術(shù)、氫能鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、結(jié)合鋰電儲(chǔ)能的電鍋爐或熱泵等脫碳選項(xiàng)，結(jié)合了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的電鍋爐或熱泵更具經(jīng)濟(jì)性。
《凈零熱能報(bào)告》還詳細(xì)分析了熱能存儲(chǔ)的四個(gè)商業(yè)用例。結(jié)果顯示，部分用例已具備可盈利性，內(nèi)部收益率（IRR）最高可達(dá)28%。評估用例包括化工廠中的中壓蒸汽、區(qū)域供熱、煉鋁廠中的高壓蒸汽、離網(wǎng)溫室所需的熱電聯(lián)產(chǎn)。以中壓蒸汽為例，將原有的燃?xì)忮仩t替換為電鍋爐配合熱能存儲(chǔ)，提供蒸汽用于石油煉化和化工產(chǎn)品生產(chǎn)，每年可減少4.7萬噸二氧化碳排放。通過鍋爐改造可帶來的收益包括節(jié)省燃料費(fèi)用和碳排放相關(guān)成本，內(nèi)部收益率在基礎(chǔ)情形下為6%（考慮碳價(jià)及電網(wǎng)收費(fèi)），最高可達(dá)28%（考慮電網(wǎng)收費(fèi)免除、靈活性獎(jiǎng)勵(lì)）。當(dāng)然，這些用例的可行性及收益率會(huì)顯著受到當(dāng)?shù)厥袌銮闆r與機(jī)制設(shè)計(jì)的影響。比如，在太陽能和風(fēng)能充足的地區(qū)或當(dāng)前自有熱能供給的地區(qū)，儲(chǔ)熱最有可能蓬勃發(fā)展；此外，針對儲(chǔ)熱所帶來的系統(tǒng)靈活性，電力市場也需為其提供降低電網(wǎng)費(fèi)等回饋。
隨著市場成熟、規(guī)模擴(kuò)大，儲(chǔ)熱和其他形式的長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)一樣，都將變得更具成本競爭力。長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)的數(shù)據(jù)表明，預(yù)計(jì)從目前到2040年，熱能存儲(chǔ)的單位資本成本將下降，其中熱能釋放設(shè)備成本將降低5%~30%，儲(chǔ)能介質(zhì)成本降低15%~70%。技術(shù)降本將進(jìn)一步推動(dòng)更多商業(yè)用例的發(fā)展及落地。
脫碳綜合方法與實(shí)際案例
能源系統(tǒng)正在快速變得更加復(fù)雜、更加互聯(lián)互通，以綜合視角進(jìn)行分析有助于更快發(fā)揮熱能存儲(chǔ)的潛在優(yōu)勢。例如，初步跡象表明，通過熱泵、電解槽或氫能鍋爐等技術(shù)，電力和熱能領(lǐng)域以及新興的氫能行業(yè)之間互聯(lián)程度越來越高，儲(chǔ)能技術(shù)對于整合復(fù)雜的能源系統(tǒng)和脫碳可發(fā)揮重要作用。
《凈零熱能報(bào)告》中展示了熱能存儲(chǔ)可與電力長時(shí)儲(chǔ)能相結(jié)合的用例，將鄰近海上風(fēng)電場的可變輸出轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的工業(yè)清潔熱能供給，既為海上風(fēng)能開發(fā)商創(chuàng)造了額外的需求來源，也為工業(yè)能源用戶提供了更具成本效益的脫碳路徑。
正是通過類似的舉措，熱能存儲(chǔ)得以加速全球減排并接近凈零目標(biāo)。報(bào)告顯示，通過提供高溫?zé)崮軕?yīng)用等成本效益更高的熱能脫碳工藝，熱能存儲(chǔ)可使全球長時(shí)儲(chǔ)能產(chǎn)能翻倍。全球系統(tǒng)成本每年有望因此降低高達(dá)5400億美元，賦能更快速的可再生能源建設(shè)，并優(yōu)化電網(wǎng)利用率。
專題一：國內(nèi)外儲(chǔ)熱項(xiàng)目實(shí)踐案例
工業(yè)應(yīng)用：
位于浙江某工業(yè)園區(qū)的熔鹽顯熱儲(chǔ)能項(xiàng)目利用來自西部地區(qū)的清潔風(fēng)光電力以及較為廉價(jià)的谷電進(jìn)行儲(chǔ)能，在電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)段取電、轉(zhuǎn)化為熱能存儲(chǔ)于熔鹽罐內(nèi)，在高峰時(shí)段則對外供熱或發(fā)電，既可用清潔熱能替代園區(qū)內(nèi)目前使用的燃?xì)鉄崮?，也可協(xié)助電力供需實(shí)現(xiàn)削峰填谷。項(xiàng)目可滿足園區(qū)內(nèi)30余家印染加工企業(yè)的熱能和蒸汽需求，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤7.75萬噸，減排二氧化碳約14.5萬噸；2023年，該項(xiàng)目還將新增發(fā)電功能，滿足園區(qū)耗能之外的多余熱能可用于發(fā)電。屆時(shí)，項(xiàng)目每年可發(fā)電3200萬千瓦時(shí)，節(jié)約動(dòng)力煤13.9萬噸，減排二氧化碳36萬噸，每月可產(chǎn)生300萬元的經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目預(yù)期投資回收期6年，內(nèi)部收益率可達(dá)約15%。
一些規(guī)劃中的國內(nèi)熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目包括：內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)拉特經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)配置61兆瓦熔鹽儲(chǔ)能，預(yù)計(jì)2023年底建成投產(chǎn)；江蘇省淮安市洪澤經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)預(yù)計(jì)將建設(shè)150t/h的綠電熔鹽供熱儲(chǔ)能項(xiàng)目，滿足開發(fā)區(qū)內(nèi)的熱負(fù)荷和清潔能源需求；杭州醫(yī)藥港零碳電廠的200兆瓦熔鹽儲(chǔ)能示范項(xiàng)目將于2025年建成。
電力應(yīng)用：
阿聯(lián)酋迪拜的穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆光伏電站配套了700兆瓦的熔鹽儲(chǔ)能，2022年底有300兆瓦可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，剩余容量也將進(jìn)入建設(shè)安裝階段。
遼寧省風(fēng)力電熱聯(lián)供項(xiàng)目已經(jīng)從試點(diǎn)走向全面推廣。截至2018年底，國網(wǎng)遼寧電力已經(jīng)構(gòu)建了一體化源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)系統(tǒng)，遼寧地區(qū)利用風(fēng)電蓄熱供熱面積近1000萬平方米，服務(wù)約10萬戶居民。供熱期供熱機(jī)組運(yùn)行容量1850萬千瓦左右，利用棄風(fēng)電量11.6億千瓦時(shí)，將棄風(fēng)率降低了7.1個(gè)百分點(diǎn)。以某市電蓄熱調(diào)峰項(xiàng)目為例，項(xiàng)目供暖期可為清潔能源讓出2.1億千瓦時(shí)的發(fā)電空間，可獲得調(diào)峰收入約1.3億元，減少散煤燃燒量4.55萬噸，減排二氧化碳約8萬噸。
國內(nèi)還在規(guī)劃一些表前新能源發(fā)電端項(xiàng)目。將于“十四五”內(nèi)建成的青海省格爾木市烏圖美仁光伏光熱園區(qū)，配套600兆瓦熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)；德令哈光熱儲(chǔ)一體化項(xiàng)目配套光熱熔鹽儲(chǔ)能400兆瓦，是國內(nèi)儲(chǔ)能配比率最高的光熱儲(chǔ)多能互補(bǔ)項(xiàng)目，配比達(dá)到25%。
建筑和區(qū)域供暖應(yīng)用：
歐洲最大的儲(chǔ)熱裝置將于2023年在德國柏林投入使用。該儲(chǔ)熱項(xiàng)目主要由一個(gè)高45米、可容納5600萬升水的罐體組成，功率可達(dá)200兆瓦。該項(xiàng)目利用當(dāng)?shù)囟嘤嗟娘L(fēng)電加熱罐中的水，罐體與當(dāng)?shù)貐^(qū)域供熱管道相連，可為居民和工業(yè)用戶供暖供熱。
克服潛在挑戰(zhàn)，助推熱能存儲(chǔ)應(yīng)用
熱能存儲(chǔ)要獲得廣泛應(yīng)用仍需克服多項(xiàng)潛在挑戰(zhàn)。提高商業(yè)領(lǐng)袖、政策制定者和投資者對熱能存儲(chǔ)潛力的認(rèn)知，并讓他們了解儲(chǔ)熱技術(shù)如何為能源系統(tǒng)創(chuàng)造成本效益更優(yōu)的凈零路徑，可能有助于克服這些挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，行業(yè)處于相對初期階段，熱能存儲(chǔ)技術(shù)的商業(yè)成熟度不一，且項(xiàng)目投資周期較長、投資金額較大，意味著潛在商務(wù)風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。
對此，《凈零熱能報(bào)告》提出了幾項(xiàng)建議。首先，商業(yè)領(lǐng)袖可以投資于試點(diǎn)和示范工廠，提高對于儲(chǔ)熱的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱項(xiàng)目在商業(yè)模式上的驗(yàn)證與跑通，并與供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵相關(guān)方聯(lián)合行動(dòng)。其次，政策制定者可以設(shè)計(jì)長期框架與激勵(lì)機(jī)制，減少不確定性（見專題二）。此外，投資者也可通過持續(xù)關(guān)注熱能存儲(chǔ)，深化對儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用和機(jī)遇的理解，對熱能存儲(chǔ)的進(jìn)一步發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
專題二：熱能存儲(chǔ)需要的政策支撐
政策制定者可在五大方面協(xié)助包括熱能存儲(chǔ)在內(nèi)的儲(chǔ)能技術(shù)推廣應(yīng)用，包括建立與完善市場化機(jī)制、協(xié)助降低初期投資風(fēng)險(xiǎn)、出臺相關(guān)政策與標(biāo)準(zhǔn)體系、協(xié)調(diào)減碳規(guī)劃與路徑，并提供公平的競爭環(huán)境。
例如，英國政府推出了一系列政策消除儲(chǔ)能商業(yè)化的發(fā)展障礙，包括不斷完善容量市場、平衡機(jī)制規(guī)則及輔助服務(wù)市場以激勵(lì)儲(chǔ)能為電網(wǎng)帶來靈活性，取消儲(chǔ)能充電時(shí)需支付的過網(wǎng)費(fèi)電價(jià)避免“雙重收費(fèi)”，不斷優(yōu)化儲(chǔ)能項(xiàng)目的規(guī)劃審批制度等。如今，英國擁有歐洲最大的表前儲(chǔ)能容量，并且還在不斷建設(shè)30兆瓦以上的大容量獨(dú)立儲(chǔ)能項(xiàng)目。在熱能存儲(chǔ)方面，英國也是世界上首個(gè)打造電網(wǎng)級蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目的國家。
我國政府也在不斷推動(dòng)包括熱能存儲(chǔ)在內(nèi)的新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。例如，《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》提及，到2025年，氫儲(chǔ)能、熱（冷）儲(chǔ)能等長時(shí)間尺度儲(chǔ)能技術(shù)要取得突破，并推動(dòng)關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與攻關(guān)。其中，“新型儲(chǔ)能區(qū)域示范”也包含了熱儲(chǔ)能技術(shù)與新能源應(yīng)用場景的結(jié)合，例如青海省國家儲(chǔ)能發(fā)展先行示范區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目中的烏圖美仁鄉(xiāng)“風(fēng)光熱儲(chǔ)”一體化示范項(xiàng)目。
研究表明，熱能存儲(chǔ)如果得到大規(guī)模應(yīng)用，可成為熱能脫碳最具成本效益的路徑，同時(shí)為熱能和電力領(lǐng)域的凈零轉(zhuǎn)型提供穩(wěn)定性和韌性。熱能存儲(chǔ)技術(shù)前景廣闊，行業(yè)應(yīng)即刻采取行動(dòng)，盡早實(shí)現(xiàn)技術(shù)推廣，方能充分發(fā)揮熱能存儲(chǔ)潛力，推動(dòng)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。
麥肯錫聯(lián)合長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)，在零碳電力、全天候綠電、技術(shù)對標(biāo)、政策分析、投融資平臺等相關(guān)話題下均有洞見或詳細(xì)報(bào)告，詳情請參照長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)網(wǎng)站【3】 或聯(lián)系麥肯錫gcr_sustainability@mckinsey.com；同時(shí)，我們也將組織儲(chǔ)能相關(guān)的行業(yè)論壇與專家研討（如歐洲儲(chǔ)能峰會(huì)、長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)澳大利亞戰(zhàn)略圓桌討論會(huì)等，詳情參見理事會(huì)網(wǎng)站【4】 ），歡迎和我們聯(lián)系獲取參會(huì)鏈接。
注釋：
【1】碳排放基線包括來自供暖、工業(yè)加工、運(yùn)輸和其他能源部門的排放，不包括發(fā)電碳排放。
【2】 《凈零熱能：長時(shí)儲(chǔ)能加速能源系統(tǒng)脫碳》英文版報(bào)告全文請見：https://www.ldescouncil.com/assets/pdf/221108_NZH_LDES%20brochure.pdf；英文版報(bào)告摘要文章請見：https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/net-zero-heat-long-duration-energy-storage-to-accelerate-energy-system-decarbonization。
【3】 更多報(bào)告請參見長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)網(wǎng)站：https://www.ldescouncil.com/insights/
【4】 詳細(xì)會(huì)議安排請參見長時(shí)儲(chǔ)能理事會(huì)網(wǎng)站：https://www.ldescouncil.com/events/
