中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：熱能是能源的重要組成部分，全球約90%能源是熱能的轉(zhuǎn)換、傳輸和儲(chǔ)存。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，儲(chǔ)能成為促進(jìn)新能源大規(guī)模、高質(zhì)量發(fā)展的新動(dòng)能，其中熱儲(chǔ)能是儲(chǔ)能中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。分析國內(nèi)外熱儲(chǔ)能最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，重點(diǎn)介紹熔鹽儲(chǔ)熱和固體儲(chǔ)熱的典型應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展建議。熱儲(chǔ)能可為綠電供熱提供熱能儲(chǔ)存，解決綠電供熱成本高的問題，也為新型電力系統(tǒng)提供巨大的可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源。
隨著以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，儲(chǔ)能成為清潔能源和可再生能源全面開發(fā)與利用的關(guān)鍵技術(shù)。為新能源發(fā)電系統(tǒng)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效解決電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、電量平衡、可再生能源消納等領(lǐng)域的技術(shù)難題，在促進(jìn)能源變革和新的能源商業(yè)形態(tài)及商業(yè)模式發(fā)展方面起著重要作用。
《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中指出，要加大力度發(fā)展電源側(cè)新型儲(chǔ)能，因地制宜發(fā)展電網(wǎng)側(cè)新型儲(chǔ)能，合理疏導(dǎo)新型儲(chǔ)能成本，強(qiáng)化儲(chǔ)能前沿科技攻關(guān)，實(shí)施科技創(chuàng)新示范工程。本文分析了國內(nèi)外熱儲(chǔ)能的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，重點(diǎn)介紹熔鹽儲(chǔ)熱和固體儲(chǔ)熱的典型應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展建議。
1 儲(chǔ)能分類及特點(diǎn)
儲(chǔ)能可將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、動(dòng)能、電磁能、熱能等形態(tài)儲(chǔ)存，分為機(jī)械物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能及熱儲(chǔ)能，如表1所示。
抽水儲(chǔ)能在電站中配有上游和下游2個(gè)蓄水池，在用電低谷期抽水蓄能裝置工作在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，將下游蓄水池中的水抽到上游蓄水池中儲(chǔ)存;在用電高峰期抽水蓄能裝置工作在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游蓄水池中的水發(fā)電。該技術(shù)已發(fā)展成熟，但在建造初期選址時(shí)對(duì)地形地貌要求嚴(yán)格，在施工時(shí)有一定的難度，建設(shè)周期長，資源總量不足以支撐“雙碳”需求。
壓縮空氣儲(chǔ)能是將剩余電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在地下儲(chǔ)能系統(tǒng)中，如廢棄礦井、天然洞穴中，在用電高峰期通過高壓空氣膨脹做功來發(fā)電。該技術(shù)安全系數(shù)高，成本低于抽水儲(chǔ)能，但能量密度低、效率低。
飛輪儲(chǔ)能是利用剩余電能驅(qū)動(dòng)飛輪快速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能儲(chǔ)存，在用電高峰期通過飛輪慣性帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將儲(chǔ)存動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┙o外部負(fù)荷。該技術(shù)要求空載損耗率非常小，功率密度高、響應(yīng)速度快，但成本高，現(xiàn)處于示范項(xiàng)目階段，未來應(yīng)用有待突破。
鋰離子電池儲(chǔ)能利用Li+向正極或負(fù)極遷移實(shí)現(xiàn)充放電。該技術(shù)能量密度高、技術(shù)成熟、安裝維護(hù)工作量小，但安全性方面仍需進(jìn)一步提升。
液流電池儲(chǔ)能主要由電解液罐、電堆、泵等組成，利用電解液流過電池正負(fù)極表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能功能。該技術(shù)配置靈活、循環(huán)壽命長、安全性高，但造價(jià)成本高。
鉛炭電池儲(chǔ)能是在傳統(tǒng)的鉛酸電池負(fù)極中添加活性炭，使鉛酸電池和超級(jí)電容器技術(shù)合二為一，可以有效提高鉛酸電池使用壽命。該技術(shù)充放電速度快、壽命長，但售價(jià)比鉛酸電池高。
氫儲(chǔ)能是利用多余電能制氫，將氫能儲(chǔ)存，需要時(shí)利用燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能，再反饋到電網(wǎng)。該技術(shù)成本高、整體效率低，但無污染，未來應(yīng)用前景廣闊。
超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能是將電磁能直接儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈中，需要時(shí)再將電磁能反饋到電網(wǎng)。該技術(shù)充放電速度快、功率密度高，但使用的材料價(jià)格昂貴、成本較高。
超級(jí)電容器儲(chǔ)能根據(jù)電化學(xué)雙電層理論設(shè)計(jì)，該技術(shù)使用壽命長、充放電速度快、效率高，但儲(chǔ)存能量較少、投資成本高，并有一定的自放電率。
2 熱儲(chǔ)能重要性
熱儲(chǔ)能是儲(chǔ)能中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一，以各種儲(chǔ)熱材料為介質(zhì)，將太陽光熱、地?zé)?、工業(yè)回收的余熱、生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能儲(chǔ)存，或者將剩余電能轉(zhuǎn)換為熱能儲(chǔ)存，需要時(shí)再釋放出來。該技術(shù)可以有效解決熱能供給和需求不匹配的問題，提高系統(tǒng)能源利用率。
熱儲(chǔ)能儲(chǔ)放過程無化學(xué)反應(yīng)、技術(shù)參數(shù)及過程可控、系統(tǒng)安全性高及儲(chǔ)能密度高，可用于以清潔能源和新能源為主的新型電力系統(tǒng)，通過大容量?jī)?chǔ)熱可以實(shí)現(xiàn)熱電解耦，增加火電機(jī)組靈活性，還可以消納間歇性、隨機(jī)性、波動(dòng)性的新能源裝機(jī)出力，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷移峰填谷的作用。
此外，熱儲(chǔ)能還可應(yīng)用在太陽能跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，將夏天的太陽光熱儲(chǔ)存，用于冬天供暖使用，實(shí)現(xiàn)“零碳供熱”。
3 新型電力系統(tǒng)的熱儲(chǔ)能技術(shù)
儲(chǔ)熱可分為顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱。其中，顯熱儲(chǔ)熱是利用介質(zhì)溫度變化過程中吸收與釋放熱量來實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)放，該技術(shù)成熟度高、價(jià)格低、應(yīng)用廣泛;相變儲(chǔ)熱是目前研究熱點(diǎn)，是利用介質(zhì)物態(tài)變化過程中吸收和釋放的大量潛熱來儲(chǔ)放熱能;熱化學(xué)儲(chǔ)熱尚處于研究階段，是利用介質(zhì)在接觸時(shí)發(fā)生的可逆化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)放。
3.1熔鹽儲(chǔ)熱
熔鹽是一種導(dǎo)熱介質(zhì)，為在標(biāo)準(zhǔn)溫度和大氣壓下呈固態(tài)，溫度升高后呈液態(tài)的鹽類。通過對(duì)熔鹽進(jìn)行加熱、升溫、取熱、降溫的一系列操作實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)放，屬于顯熱儲(chǔ)熱和相變儲(chǔ)熱的結(jié)合，該技術(shù)傳熱性能好、穩(wěn)定性好、儲(chǔ)熱密度高、系統(tǒng)安全可靠，可廣泛應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電、火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻、供暖與余熱回收利用等領(lǐng)域。
電網(wǎng)側(cè)熔鹽儲(chǔ)能由于規(guī)模較大，可儲(chǔ)存棄風(fēng)電力、棄光電力和低谷電力，進(jìn)行新能源消納，提高電廠靈活性;用戶側(cè)可直接參與清潔供熱和工業(yè)供汽。經(jīng)過光熱電站配套儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場(chǎng)培育，熔鹽儲(chǔ)熱現(xiàn)已發(fā)展成熟。
該技術(shù)已成功應(yīng)用于天圣集團(tuán)綠電熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目，為全國首例將谷電轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存，在峰電時(shí)再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目，是規(guī)模化熔鹽儲(chǔ)能在用戶側(cè)的示范性探索。熔鹽儲(chǔ)能可在低谷時(shí)段消納富余電能，尖、高峰時(shí)段對(duì)外供熱、供電，為保障民生可靠用電安上“雙保險(xiǎn)”。
3.2固體儲(chǔ)熱
固體儲(chǔ)熱屬于顯熱儲(chǔ)熱，包括基巖儲(chǔ)熱、硅儲(chǔ)熱、鋼儲(chǔ)熱、混凝土儲(chǔ)熱和巖石儲(chǔ)熱等。
a.基巖儲(chǔ)熱
基巖儲(chǔ)熱是在地下的基巖上埋管敷設(shè)換熱器，將太陽能集熱器捕捉到的熱量?jī)?chǔ)存在基巖中，通過循環(huán)流體與土壤換熱，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和提取。適用于大規(guī)模、長時(shí)間、季節(jié)性儲(chǔ)能，可有效解決太陽能季節(jié)性差異問題，提高太陽能利用率。該技術(shù)已成功應(yīng)用于廣州南沙“多位一體”微能源網(wǎng)示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首套基巖儲(chǔ)能系統(tǒng)在跨季節(jié)儲(chǔ)能上的應(yīng)用。
b.硅儲(chǔ)熱
硅是儲(chǔ)量第二多的元素，因?yàn)閮?chǔ)量大所以價(jià)格便宜，該技術(shù)是用熔點(diǎn)高達(dá)1414℃的熔融硅儲(chǔ)存間歇性的可再生能源的熱量，儲(chǔ)存溫度比鹽高得多，容量和效率更高。但純硅特性是在熔化時(shí)體積縮小、凝固時(shí)體積膨脹，對(duì)此需要研發(fā)出限制體積膨脹的相變材料，從而增加潛熱值降低熔點(diǎn)。澳大利亞1414 Degrees公司正在開發(fā)以熔融硅為主要材料的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)SiBox，該系統(tǒng)由存儲(chǔ)介質(zhì)的模塊、加熱元件和熱交換器等組成，用熱空氣形式回收儲(chǔ)存熱能，SiBox從電網(wǎng)吸收低成本的可再生能源，將其作為熱能存儲(chǔ)在硅存儲(chǔ)介質(zhì)SiBrick中。與其他相變材料相比，硅的能量密度高、占地面積小，不需要恒定的輸入功率，使其成為替代化石燃料的理想材料之一。
c.鋼儲(chǔ)熱
鋼儲(chǔ)熱核心模塊由結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)成，該技術(shù)可將剩余的、波動(dòng)性的風(fēng)電和光電儲(chǔ)存為熱能。該熱能既可用于工業(yè)高溫蒸汽，也可用在區(qū)域供熱中。
德國Lumenion公司生產(chǎn)的以鋼制儲(chǔ)存模塊為核心的高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)(thermal energy storage，TES)，可同時(shí)充電和放電，具有極高的效率。在非用電高峰期時(shí)，電阻加熱器將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過氣體回路傳遞到鋼金屬存儲(chǔ)單元。鋼金屬可加熱到600℃，并且每天能量損失不足1%，熱能幾乎可以完全回收利用，具有很高的剩余價(jià)值。儲(chǔ)存的熱能可在需要時(shí)釋放，除了滿足峰值需求還可作為備用系統(tǒng)使用。
d.混凝土儲(chǔ)熱
混凝土儲(chǔ)熱以混凝土為主要材料構(gòu)成，該技術(shù)材料成本低、儲(chǔ)熱性能好，是太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的理想儲(chǔ)熱介質(zhì)之一。
混凝土儲(chǔ)熱是冷熱流體交替的周期性循環(huán)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在混凝土中安裝金屬管作為傳熱流體管道。在吸熱階段熱流體加熱儲(chǔ)熱體，混凝土儲(chǔ)熱;在放熱階段冷流體流過儲(chǔ)熱體，混凝土放熱。
北京兆陽光熱技術(shù)有限公司開發(fā)的混凝土熱儲(chǔ)能系統(tǒng)由配方混凝土、換熱管道、保溫系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)耐高溫、安全可靠、低成本、無污染、模塊化結(jié)構(gòu)、無易燃易爆。由該公司承建的華強(qiáng)兆陽張家口1號(hào)15 MW光熱電站采用混凝土儲(chǔ)能，該項(xiàng)目成功投運(yùn)標(biāo)志著大規(guī)模儲(chǔ)能輸出穩(wěn)定可靠的平價(jià)清潔能源時(shí)代已經(jīng)到來。
e.巖石儲(chǔ)熱
巖石儲(chǔ)熱是一種高溫?zé)崮艽鎯?chǔ)技術(shù)，采用價(jià)格便宜、易于獲取且潔凈環(huán)保的固態(tài)碎石為原料，將熱能儲(chǔ)存在固態(tài)碎石中。
以色列Brenmiller Energy公司生產(chǎn)制造的bGen采用巖石儲(chǔ)熱，該技術(shù)能夠存儲(chǔ)多種形式的熱或電，分為電源充電和熱源充電。用電低谷時(shí)，光電和風(fēng)電產(chǎn)生的剩余電力可以為bGen充電，嵌入式電加熱器再將電輸入轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崮軆?chǔ)存，這是電源充電過程。熱源充電過程是將工業(yè)余熱，生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能或其他熱源給bGen充電，將熱量?jī)?chǔ)存在bGen TM模塊化的子單元中，并根據(jù)需要提供水蒸氣或熱空氣。這種可持續(xù)的TES產(chǎn)品能夠降低發(fā)電廠、制造業(yè)和商業(yè)設(shè)備的碳排放，稱為無碳熱儲(chǔ)存，可以無限循環(huán)使用30年，其性能不會(huì)下降。
4 結(jié)語
目前，熱儲(chǔ)能技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣、綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定等特點(diǎn)，不僅用于太陽能熱發(fā)電、火電機(jī)組改造，還可通過回收余熱實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)熱，夏儲(chǔ)冬用，解決季節(jié)供需不平衡的問題。將風(fēng)電、光電、光熱、熱泵等多種能源有機(jī)耦合，實(shí)現(xiàn)能源的長期高效儲(chǔ)存，達(dá)到最優(yōu)化清潔供熱供電的目的。
未來，熱儲(chǔ)能技術(shù)將繼續(xù)朝著高效率、低成本、安全性能高、長壽命、規(guī)?；较虬l(fā)展，助力形成以電能為核心、多種能源為一體的能源互聯(lián)網(wǎng)，為大型可再生能源消納和一體化能源服務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
本文轉(zhuǎn)自《東北電力技術(shù)》，作者：王芳/新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院。
