中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著新能源滲透率的不斷提升，火電、水電、抽蓄等調(diào)節(jié)資源容量占比下降，一方面帶來(lái)了長(zhǎng)時(shí)間尺度下的源荷兩側(cè)供需矛盾問(wèn)題，另一方面存在頻率失衡、電壓失穩(wěn)、慣量失缺的供電安全問(wèn)題，亟需新型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)模化發(fā)展，提升新能源消納水平，補(bǔ)齊電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力缺口。根據(jù)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建需求，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能有望成為新藍(lán)海市場(chǎng)。在國(guó)家層面，2024年國(guó)家能源局1號(hào)公告，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)路線在新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范項(xiàng)目中的占比已接近50%。在地方層面，2024年上半年源網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能中標(biāo)公示項(xiàng)目中，4h以上儲(chǔ)能占比已接近40%；山東、內(nèi)蒙古等多地持續(xù)加大長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能政策扶持力度。熱泵儲(chǔ)能技術(shù)以其選址靈活、具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐能力、低成本、高安全、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，契合未來(lái)儲(chǔ)能需求導(dǎo)向，將成為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的主要部署方式之一。
01.技術(shù)簡(jiǎn)介
熱泵儲(chǔ)能將電能以熱量和冷量的形式儲(chǔ)存，是一種通過(guò)熱泵循環(huán)建立高低溫差、再通過(guò)溫差驅(qū)動(dòng)熱機(jī)循環(huán)發(fā)電的規(guī)模化長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，采用熱力學(xué)閉式循環(huán)。（循環(huán)原理如圖1所示）國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中央研究院”）自2018年起，在國(guó)內(nèi)率先布局、開(kāi)發(fā)安全可靠高效的熱泵儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)具有不受地理?xiàng)l件限制、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)（4-24h）、系統(tǒng)效率高（高功率等級(jí)系統(tǒng)電電效率≥65%，系統(tǒng)綜合效率≥95%，20-110%負(fù)荷區(qū)間效率不變）、高品質(zhì)冷熱電聯(lián)供、物理轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐、擴(kuò)容邊際成本低等顯著優(yōu)勢(shì)。
圖1 熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)基本原理圖
02.研發(fā)與示范
中央研究院依托國(guó)家級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)，匯聚我國(guó)新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)資源，打造“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合創(chuàng)新體系，整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈，加快推動(dòng)熱泵儲(chǔ)能持續(xù)降本與技術(shù)示范。中央研究院在熱泵儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備攻關(guān)和示范建設(shè)等方面已建立完善的研發(fā)和設(shè)計(jì)體系，擁有布雷頓熱泵儲(chǔ)能技術(shù)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)全生命周期穩(wěn)步孵化。
在系統(tǒng)研發(fā)方面，中央研究院逐步開(kāi)展了百千瓦級(jí)系統(tǒng)研發(fā)、兆瓦級(jí)中試系統(tǒng)研發(fā)、50-100兆瓦及以上高功率系統(tǒng)研究及優(yōu)化，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備攻關(guān)多線并行，開(kāi)發(fā)了熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行仿真平臺(tái)和工藝方案優(yōu)化平臺(tái)，掌握了熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和變工況運(yùn)行特性、基于全工況的控制策略方案、多影響因子耦合下參數(shù)敏感性協(xié)同機(jī)理、循環(huán)工質(zhì)與儲(chǔ)能介質(zhì)適用性分析技術(shù)、多場(chǎng)景經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化方案等核心技術(shù)。完成全球首套熱泵儲(chǔ)能中試系統(tǒng)研制并全面啟動(dòng)項(xiàng)目建設(shè)，同步推動(dòng)高功率熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)可行性研究以及工藝包開(kāi)發(fā)，陸續(xù)建立相關(guān)設(shè)計(jì)體系與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，快速推動(dòng)熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
在設(shè)備研制方面，聯(lián)合國(guó)內(nèi)頭部旋轉(zhuǎn)機(jī)械企業(yè)開(kāi)展核心設(shè)備專項(xiàng)研發(fā)工作。聚焦熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)型匹配及參數(shù)優(yōu)化、高低溫壓縮機(jī)/膨脹機(jī)方案設(shè)計(jì)及設(shè)備集成、高效儲(chǔ)熱與強(qiáng)化換熱方案設(shè)計(jì)，突破現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，攻克了高集中熱應(yīng)力下材料蠕變疲勞及低溫冷脆材料體系關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首套600℃高溫壓縮機(jī)單體設(shè)備設(shè)計(jì)、首套-100℃低溫膨脹機(jī)單體設(shè)備設(shè)計(jì)、高效氣動(dòng)方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，引領(lǐng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備高低溫適應(yīng)性技術(shù)開(kāi)發(fā)；并針對(duì)高效儲(chǔ)熱與強(qiáng)化換熱，開(kāi)發(fā)了小端差、低壓降、緊湊式高效換熱方案。
圖2 設(shè)備仿真分析
圖3 設(shè)備研制與試驗(yàn)
在試驗(yàn)及示范建設(shè)方面，中央研究院首先開(kāi)展了百千瓦熔鹽-空氣儲(chǔ)換熱一體化系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)高溫熔鹽系統(tǒng)儲(chǔ)熱-換熱多過(guò)程高效技術(shù)、儲(chǔ)換熱系統(tǒng)關(guān)鍵部件熱-力耦合特性分析、熔鹽儲(chǔ)換熱系統(tǒng)穩(wěn)/瞬態(tài)過(guò)程靈活高效運(yùn)行及調(diào)控策略等方面開(kāi)展了實(shí)證研究，實(shí)現(xiàn)了熔鹽儲(chǔ)換熱系統(tǒng)靈活高效運(yùn)行及能流與物質(zhì)流的瞬態(tài)過(guò)程能勢(shì)動(dòng)態(tài)匹配，為熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成與建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
圖4 百千瓦儲(chǔ)換熱一體化系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)
為驗(yàn)證技術(shù)方案、積累設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為高功率熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，中央研究院于2023年在云南省陸良縣正式啟動(dòng)了全球首套兆瓦級(jí)熱泵儲(chǔ)能中試系統(tǒng)的建設(shè)工作。該中試系統(tǒng)熔鹽儲(chǔ)熱溫度達(dá)560℃，儲(chǔ)能容量為1 MW/4 MWh，綜合效率達(dá)80%以上。建成后，針對(duì)園區(qū)冷熱電需求，將開(kāi)展熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)各典型工況下全體系測(cè)試驗(yàn)證，有效積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以指導(dǎo)高功率系統(tǒng)優(yōu)化、推動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范推廣。
（a）核心設(shè)備就位
（b）廠房搭建施工現(xiàn)場(chǎng)
圖5 兆瓦級(jí)熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)展
03.應(yīng)用場(chǎng)景及產(chǎn)業(yè)價(jià)值
“雙高”背景下，熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)可作為靈活性調(diào)峰資源參與支撐源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化能源體系建設(shè)，具有較為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。
電源側(cè)。大基地配建（如內(nèi)蒙、青海、新疆、甘肅等光照條件優(yōu)越地區(qū)），消納棄電、滿足夜間供電，解決頻率、電壓失穩(wěn)等供電安全問(wèn)題，提升送電質(zhì)量，支撐大規(guī)模高比例新能源外送。
電網(wǎng)側(cè)。峰谷價(jià)差較高、調(diào)峰能力不足地區(qū)（廣東、山西、山東等），應(yīng)用于電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻等功能。以蒙西電力市場(chǎng)為例，收益模式“容量補(bǔ)償+現(xiàn)貨市場(chǎng)”，補(bǔ)償期按10年考慮，現(xiàn)貨市場(chǎng)平均度電價(jià)差為0.51元/kWh，100MW/6h熱泵儲(chǔ)能獨(dú)立儲(chǔ)能電站，年等效利用1980h，則其項(xiàng)目資金IRR為32.8%，經(jīng)濟(jì)效益較為可觀。
用戶側(cè)。圍繞大數(shù)據(jù)中心、電解鋁、化工行業(yè)等高耗能終端用戶，提供零碳高品質(zhì)冷熱電聯(lián)供，提升綠電供給可靠性和分布式新能源就地消納能力。
此外，熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)可與火電、核電、光熱及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行耦合，根據(jù)不同地域特點(diǎn)需求進(jìn)行綜合性系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電源調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)能力提升、退役機(jī)組延壽改造、機(jī)組供熱能力增強(qiáng)等目的。
熱泵儲(chǔ)能技術(shù)高度契合我國(guó)當(dāng)前的能源發(fā)展形勢(shì)，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面能夠發(fā)揮重要作用，是未來(lái)規(guī)?；L(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的中堅(jiān)力量，具有廣闊的發(fā)展前景。后續(xù)，中央研究院將堅(jiān)持科技引領(lǐng)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，在熱泵儲(chǔ)能領(lǐng)域持續(xù)投入科研力量，助力推動(dòng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”建設(shè)以及新型電力系統(tǒng)構(gòu)建。
