中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：8月9—10日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)聯(lián)合中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司、西安北大科技園、中國科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)組、深圳市科陸電子科技股份有限公司等單位聯(lián)合主辦“第二屆全國發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)與應(yīng)用高層研討會(huì)”在陜西西安金磐酒店舉行。來自政府主管部門、能源監(jiān)管部門、行業(yè)專家、設(shè)計(jì)院、新能源發(fā)電業(yè)主單位、電力公司、系統(tǒng)集成商、項(xiàng)目承包商、投融資機(jī)構(gòu)等單位的260余位嘉賓出席了本次研討會(huì)。
主辦方邀請到中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司主任工程師趙曉輝就“配置大容量儲(chǔ)熱的光熱發(fā)電在提高新能源消納中的作用”做主題報(bào)告，以下為其報(bào)告主要內(nèi)容。
趙曉輝
大家好，我們公司是做電力行業(yè)工程設(shè)計(jì)和總包業(yè)務(wù)的工程公司，基于近兩年在工作中的體會(huì)，結(jié)合一些電池儲(chǔ)能電站和光熱電站的的設(shè)計(jì)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，今天跟大家匯報(bào)一下高溫熔鹽儲(chǔ)能的一些理解。我的題目是“配置大容量儲(chǔ)熱的光熱發(fā)電在提高新能源消納中的作用。”題目中的兩個(gè)關(guān)鍵詞，一是“消納”，二是“大容量儲(chǔ)熱”。
我的ppt大致由三個(gè)部分構(gòu)成，第一部分相關(guān)背景，第二部分應(yīng)用場景，第三部分結(jié)論展望。
新能源消納的目標(biāo)還是很艱巨，這第一張ppt個(gè)是2018年、2019年、2020年的國內(nèi)幾個(gè)典型區(qū)域風(fēng)電和光伏的消納的情況和消納控制目標(biāo)。可以看出，相對(duì)2017年，2018年、2019年棄電率有明顯緩和，這個(gè)除電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度外，過去兩三年在西北地區(qū)，比如甘肅、寧夏火電參與輔助服務(wù)調(diào)峰的貢獻(xiàn)不可忽視。在寧夏有一些區(qū)域燃煤電站負(fù)荷壓到30%左右的水平，調(diào)峰電價(jià)將近每度1塊錢人民幣，這就帶來了燃煤電站在低負(fù)荷下燃燒的消耗能源高很多，就是實(shí)際煤耗率較高，補(bǔ)貼負(fù)擔(dān)也較重。雖然消納很多的光伏，但間接的環(huán)境壓力，對(duì)火電站的補(bǔ)貼壓力都不容忽視。畢竟中國還是以燃煤電站為主要發(fā)電形式。
會(huì)議現(xiàn)場
第二頁ppt，政策層面，我注意到會(huì)議講到電池儲(chǔ)能產(chǎn)品比較多，儲(chǔ)熱比較少一些。2017年能源局發(fā)改委有一個(gè)《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》文件，這里面摘錄一些內(nèi)容，其中明確提出，推進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)裝備研發(fā)示范，重點(diǎn)包括高溫儲(chǔ)熱技術(shù)，10MW/100MWh級(jí)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、10MW/1000MJ級(jí)飛輪儲(chǔ)能陣列機(jī)組、100MW級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、大容量新型熔鹽儲(chǔ)熱裝置?？梢钥闯?，儲(chǔ)能的概念很廣，儲(chǔ)熱也是一個(gè)方向。
接下來，簡單介紹一下太陽能熱發(fā)電的概念，這是一個(gè)塔式光熱電站的技術(shù)路線，光熱發(fā)電主要包括光場、儲(chǔ)換熱區(qū)、發(fā)電單元。發(fā)電單元和火電站類似，把熱能轉(zhuǎn)換成電能。中間是儲(chǔ)換熱區(qū)，是將來自太陽能量以熱能形式存儲(chǔ)到儲(chǔ)換熱區(qū)里面來。槽式電站類似。我接下來的內(nèi)容就是試圖找一個(gè)切入點(diǎn)，將棄電的能量存儲(chǔ)到光熱電站既有的儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)和發(fā)電單元的利用率，比較這種儲(chǔ)能模式在解決清潔能源消納中的經(jīng)濟(jì)性和可行性。
這張幻燈片分別給出了塔式和槽式電站的基本流程以及出力特性，看左上角這組曲線，橫坐標(biāo)是連續(xù)三天的小時(shí)數(shù)，縱坐標(biāo)四條曲線分別是太陽能輻射隨時(shí)間變化，稱之為DNI，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量狀態(tài)；還有集熱場輸出的功率和發(fā)電機(jī)組發(fā)電量。這組曲線信息量比較多，我們關(guān)注的重點(diǎn)是什么？左上角藍(lán)色曲線是代表太陽輻射變化情況，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是數(shù)值，可以看出資源波動(dòng)間歇性比較突出，這個(gè)類似于光伏電站發(fā)電出力特性。但是從這根跟綠色的代表發(fā)電機(jī)出力的曲線，可以看出太陽能熱發(fā)電相對(duì)于光伏發(fā)電，最大區(qū)別在于綠色的線可以平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)電輸出，如果配置足夠大的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，太陽能熱發(fā)電可以達(dá)到火電發(fā)電出力平穩(wěn)的特性，這是太陽能熱發(fā)電相當(dāng)于光伏發(fā)電的特點(diǎn)?；谶@種特點(diǎn)把光伏能量回收到儲(chǔ)電系統(tǒng)，利用光熱發(fā)電的發(fā)電單元在需要時(shí)段將電能送出，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的友好性。
這張幻燈片兩組柱狀圖分別是塔式電站和槽式電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)全年利用能力的統(tǒng)計(jì)。當(dāng)對(duì)儲(chǔ)罐狀態(tài)做8670個(gè)小時(shí)狀態(tài)分析，橫坐標(biāo)是儲(chǔ)熱系統(tǒng)能力的百分比，可以看出儲(chǔ)熱系統(tǒng)達(dá)到額定容量10%及以下的時(shí)間點(diǎn)達(dá)到60%以上，槽式更高。橫坐標(biāo)1意味著儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量用到百分之百，這個(gè)狀態(tài)是很低的，大概全年8750小時(shí)的2%。意味著對(duì)于太陽能熱發(fā)電電站儲(chǔ)熱很多情況下是沒有用滿的，沒有充分利用的。針對(duì)光熱發(fā)電儲(chǔ)能這部分系統(tǒng)，基于對(duì)既有固定資產(chǎn)深度挖掘它的潛力的思路，我們有必要進(jìn)一步提高光熱電站的儲(chǔ)能利用率。也就是將棄電回收進(jìn)來，環(huán)節(jié)新能源消納壓力。
這是全球儲(chǔ)能背景情況，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑不太一樣可能結(jié)論有一定區(qū)別，這是美國能源局官網(wǎng)上的數(shù)據(jù)。柱狀圖顯示，堆積柱狀圖中，最頂部的青色部分是電化學(xué)儲(chǔ)能，綠色是電能-機(jī)械能的儲(chǔ)能，比如抽水尋，紫色是儲(chǔ)熱?？梢钥闯鰪?011年以后儲(chǔ)熱市場總?cè)萘砍尸F(xiàn)出比較明顯的增長趨勢，這里面儲(chǔ)熱是全口徑的儲(chǔ)熱，存儲(chǔ)溫度水平不太一樣，還有民用儲(chǔ)熱，洗澡、生活用水等等?？梢钥闯觯穗娀瘜W(xué)儲(chǔ)能，還有一些其他的儲(chǔ)能型式，包括我們講的儲(chǔ)熱。我們想介紹的觀點(diǎn)，國外也有研究過，這是一個(gè)諾貝爾得獎(jiǎng)主，他是項(xiàng)目帶頭人，羅伯特羅琳，谷歌等主導(dǎo)的馬爾他（英文）能量存儲(chǔ)項(xiàng)目也是研究高溫熔鹽儲(chǔ)熱在新能源消納方面的可行性。
剛才談了一些熱發(fā)電的情況，還有解決新能源消納的背景?，F(xiàn)在看第二部分應(yīng)用場景。這個(gè)觀點(diǎn)思路也很簡單，通過電加熱器的設(shè)備，在低谷時(shí)段內(nèi)回收利用，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，電網(wǎng)需要負(fù)荷的時(shí)候，利用蒸汽發(fā)生器設(shè)備將高溫熔鹽轉(zhuǎn)化成水蒸氣的熱能，然后去汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。這個(gè)圖里面除了左側(cè)的變壓器和電加熱器設(shè)備之外，其他都是光熱電站固有的投資，和太陽能結(jié)合需要建立附屬配電系統(tǒng)，如果儲(chǔ)熱系統(tǒng)做的比較大，可以做一套獨(dú)立的高低溫罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)以及它配套的輔助設(shè)備，包括熔鹽輸送泵，電加熱器等。
儲(chǔ)能在光伏風(fēng)電系統(tǒng)的作用都說了很多了，我這里提到一個(gè)更大的作用，不完全是移峰填谷，峰到底有多高？一個(gè)山頭，尖削掉峰頂填到坑里也算移峰填谷，把整座山移平填到神坑也算移峰填谷。那么我們這里說的棄電回收已儲(chǔ)熱形式存儲(chǔ)，后續(xù)發(fā)電，這種應(yīng)用場景經(jīng)濟(jì)可行性和價(jià)值在于大容量解決清潔能源消納的問題，不是短期的調(diào)頻，平滑出力這個(gè)范疇。說到這里大家應(yīng)該知道這幾個(gè)數(shù)字，2018年年底中國全口徑裝機(jī)電力19億千瓦，相應(yīng)光伏和風(fēng)電總裝機(jī)是3.6億千瓦，其中風(fēng)力1.84億，光伏是1.75億；2020年的目標(biāo)比去年也就是2018年增長33%，達(dá)到總裝機(jī)容量4.8億千瓦，風(fēng)電和光伏幾乎對(duì)半。國家更宏偉的目標(biāo)2030年實(shí)現(xiàn)光伏和風(fēng)電的總裝機(jī)容量較2018年增長333%，達(dá)到12億千瓦?，F(xiàn)在裝機(jī)容量3.6億，2030年達(dá)到12億千瓦風(fēng)電和光伏，有個(gè)問題比較突出，我們社會(huì)用電是否能保持高效增長？所以風(fēng)電光伏的消納是很嚴(yán)肅的問題。
這個(gè)幻燈片看看主要的設(shè)備，也就是電加熱器。應(yīng)用場景剛才圖里面也跟大家說了，很簡單的設(shè)備，熔鹽電加熱器有兩種形式：一個(gè)是高溫儲(chǔ)灌底部布置的浸沒式加熱器。還有一個(gè)是布置在管道上的熔鹽流過的循環(huán)式加熱器。浸沒式加熱器的機(jī)理不是強(qiáng)制對(duì)流換熱，后面這種形式換熱系數(shù)比較高，是強(qiáng)制對(duì)流換熱。所以在回收棄電至熔鹽儲(chǔ)熱的場景中，使用的電加熱器應(yīng)該是后一種，有圖這個(gè)。前一段時(shí)間也在國內(nèi)項(xiàng)目上有所應(yīng)用，總的容量大概25兆瓦的功率，也是低谷用電時(shí)段棄電回收，通過換熱向外提供蒸汽的熱負(fù)荷需求。
前面老師講過高壓儲(chǔ)能，我是搞工藝背景的，我第一反應(yīng)是壓力也就是壓強(qiáng)，單位是帕斯卡，后來聽下來高壓儲(chǔ)能是電壓，單位是伏特。這張幻燈片簡單對(duì)比了一下電加熱器的電壓等級(jí)，關(guān)系到上游變壓器的成本，比較認(rèn)為，目前國產(chǎn)的低壓等級(jí)加熱器國產(chǎn)較成熟，配備成熟的變壓器，較進(jìn)口的高壓電加熱器還是便宜。電加熱器成本很高，1千瓦成本大概200塊錢人民幣。這里面也有一個(gè)概念，儲(chǔ)能最終推向市場應(yīng)用關(guān)鍵問題還是成本，在行業(yè)內(nèi)老說儲(chǔ)能有很多關(guān)鍵要素，比如效率、安全性、成本，壽命等，我認(rèn)為從工程應(yīng)用來講只有一個(gè)因素最重要，就是成本，這個(gè)成本要站在同一個(gè)邊界條件下，比如25年綜合成本，而不是簡單的初投資，這里面包含了可靠性問題，還有儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命等。
如果新增儲(chǔ)罐，不利用光熱電站的既有儲(chǔ)熱系統(tǒng)，成本也是比較可接受的。這個(gè)餅狀圖是基于工程實(shí)施的統(tǒng)計(jì)是基于我們做過幾個(gè)工程時(shí)間，這是一個(gè)一萬六千噸熔鹽等級(jí)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)投資構(gòu)成餅狀圖，包括儲(chǔ)罐基礎(chǔ)、安裝工程費(fèi)、硝酸鈉、硝酸鉀儲(chǔ)熱材料，還有熔鹽泵。綜合下來評(píng)估，大概是80到90人民幣每千瓦時(shí)熱能，這個(gè)數(shù)據(jù)后邊經(jīng)濟(jì)比較時(shí)會(huì)用到，注意是80-90元每千瓦時(shí)熱能存儲(chǔ)成本，不是電能。
這張幻燈片曲線是仿真計(jì)算的結(jié)果，目的是確定電加熱器功率和儲(chǔ)能容量，是基于既有光熱電站的，不新增儲(chǔ)能模塊，可以認(rèn)為是棄電回收與光熱電站耦合的。
接下來，基于如下場景背景，800MW風(fēng)電，400MW光伏，同時(shí)有50兆瓦的光熱發(fā)電機(jī)組，要建設(shè)一個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能系統(tǒng)，不是利用光熱機(jī)組配置的儲(chǔ)能，那么什么樣的儲(chǔ)能容量和電加熱器配置合適呢？橫坐標(biāo)配置組合，功率兆瓦是指電加熱器的功率，小時(shí)h是能量存儲(chǔ)容量，?？v坐標(biāo)是棄風(fēng)和棄光的百分比。這兩條線分別是棄風(fēng)率和棄光率變化情況。隨著橫坐標(biāo)的推移不同電加熱器和儲(chǔ)能容量，可以看出，近似的，變壓器容量增大且儲(chǔ)能部分容量增大，10小時(shí)、12小時(shí)，棄風(fēng)率和棄光率有較好改善，其中在200MW加熱器和12個(gè)小時(shí)儲(chǔ)熱（這是對(duì)應(yīng)汽輪機(jī)50MW電功率的時(shí)間），棄光率達(dá)到最低程度，棄風(fēng)率達(dá)到較低程度不是最低。這是基于整個(gè)西北某地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行真實(shí)模式，包含了火電和抽水蓄能等等，是一個(gè)真實(shí)模擬。右邊曲線是相應(yīng)輸出電量增加情況?？梢钥闯鲭S著配置儲(chǔ)熱和電加熱容量的增大，對(duì)于解決風(fēng)電和光伏棄光，提高清潔能源的消納是有明顯緩和的。
接下來做一個(gè)成本分析，橫坐標(biāo)是剛才的場景，我的配置達(dá)到200兆瓦時(shí)電加熱器功率，儲(chǔ)熱10h，項(xiàng)目凈現(xiàn)值是正值，這一財(cái)務(wù)指標(biāo)表明項(xiàng)目盈利。還有一些邊界條件說明一下，這個(gè)分析是基于棄電回收電價(jià)大概0.23元每千瓦時(shí)，售電參照國家光熱發(fā)電電價(jià)1.15元每千瓦時(shí)。當(dāng)然了，國家會(huì)不會(huì)給這么高的電價(jià)，政策層面還存在一些爭議。如果棄電回收的電價(jià)低一些，盈利的售電電價(jià)會(huì)低。
這張幻燈片是和50兆瓦磷酸鐵鋰電池，2小時(shí)容量也就是100MWh容量做的比較。這是真實(shí)的案例。這個(gè)項(xiàng)目總工程費(fèi)用折合到每千瓦時(shí)儲(chǔ)熱存儲(chǔ)是2000多塊錢，我們做了兩三年的技術(shù)革新預(yù)測會(huì)成本會(huì)降低，按2000元/kWh吧。這個(gè)投資包含了所有工程費(fèi)用。右邊這一塊是按照剛才分析的熱能轉(zhuǎn)化電加熱器和高溫熔鹽儲(chǔ)熱的費(fèi)用，有變壓器、電加熱器控制柜，電加熱器和獨(dú)立新建的熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)。注意這里的比較時(shí)獨(dú)立新建熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，沒有利用光熱電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)。那么棄電回收已高溫熔鹽儲(chǔ)熱形式儲(chǔ)能，這個(gè)成本是250元每千瓦時(shí)+240元每千瓦時(shí)，250元每千瓦時(shí)，意思是和前面的50MW*2h比較，也就是我按照前面提到的電加熱器及電氣設(shè)備千瓦投資500元，50MW就是2500萬元，平攤到500MW*2h=100MWh，每千瓦時(shí)就是250元，意味著吸收棄電的功率和左邊電池儲(chǔ)能相當(dāng)，都是50MW，240元是將單位kWh的熱能按照熱電轉(zhuǎn)換效率0.33，折合到存儲(chǔ)100MWh電能，也就是前面80元/kWh大概乘以3得到240元/kWh電。和左邊拉平了。實(shí)際中汽輪發(fā)電機(jī)熱電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到0.4，保守期間，按0.33計(jì)算。我的目的是跟50MW*2h儲(chǔ)電比較，把所有的都拉齊。同樣的道理，不考慮發(fā)電系統(tǒng)投資。這樣比較下來，儲(chǔ)能部分和光熱機(jī)組結(jié)合吸收棄電再發(fā)電，單位投資只有490元/kWh，不到五百元！提高新能源消納比例，這是一個(gè)很有經(jīng)濟(jì)競爭力的選擇。
結(jié)論與展望部分，關(guān)鍵點(diǎn)是清潔能源消納，國家有宏偉的清潔能源發(fā)展目標(biāo)，2020年光伏風(fēng)電總裝機(jī)4.8億千瓦，2030年12億千瓦。不論做儲(chǔ)能技術(shù)集成也好，相關(guān)電池等設(shè)備也好，儲(chǔ)能市場需求非常大，有電源側(cè)、用戶側(cè)等等，有調(diào)頻，平滑出力等，也有有真正解決消納的目標(biāo)，不依靠犧牲主體火電的效益和環(huán)保指標(biāo)為代價(jià)，我相信這個(gè)清潔能源消納解決手段應(yīng)該也是多元化的。大概做了分析，在新疆和甘肅地區(qū)僅需要建設(shè)兩座100兆瓦級(jí)的儲(chǔ)能電站，同時(shí)承擔(dān)一部分的儲(chǔ)熱，即刻減少棄風(fēng)棄光率60%，風(fēng)電和光伏棄電率15%+10%等于25%，這個(gè)棄電率的60%，15個(gè)百分點(diǎn)。還有一個(gè)場景，100兆瓦熔鹽儲(chǔ)能電站核算，在滿足資本金IRR為8%和10%情況下，不收取過網(wǎng)費(fèi)時(shí)儲(chǔ)能消納清潔能源的電價(jià)在0.5-0.52元每千瓦時(shí)，在滿足資本金8%和10%的情況下，過網(wǎng)費(fèi)8分錢的時(shí)候電價(jià)在0.75-0.78元千瓦時(shí)。這個(gè)應(yīng)該是比較合理的，我們增加了一套系統(tǒng)電加熱器和熔鹽儲(chǔ)熱，如此明顯地提高了新能源消納。
總結(jié)一下，高參數(shù)熔鹽儲(chǔ)熱提高光伏風(fēng)電的消納比例，與既有光熱機(jī)組結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)較低的儲(chǔ)能投資。同時(shí)最后一條抽水蓄電進(jìn)行比較，抽水蓄能是目前全球范圍內(nèi)最認(rèn)可的，成本比最低的，而且壽命比較長的，五六十年都沒有問題。當(dāng)然我提到的起點(diǎn)回收和抽水蓄能沒法比經(jīng)濟(jì)性，但是抽水蓄能的建設(shè)條件有限。
我的匯報(bào)就是這些，謝謝大家。
