中國儲能網(wǎng)訊：顧名思義，“電-熱-電”模式即將電能轉(zhuǎn)換為熱能，然后再將熱能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)模式。這一技術(shù)模式在作者十年前提出時曾作為笑談，因為根據(jù)熱工原理這一技術(shù)模式能效顯然太低了，簡直可視為對能源的浪費。毋庸諱言，在倡導(dǎo)節(jié)能減排、增效降耗大環(huán)境中，突然冒出這么個技術(shù)著實讓人覺得可笑。其實，現(xiàn)在仍有很多科班出身的熱工技術(shù)人員對此不屑一顧。“碳達峰·和碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，為中國未來的綠色能源發(fā)展指明了方向，特別是未來可再生能源在我國能源領(lǐng)域逐漸由配角轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹘?，“?熱-電”技術(shù)模式的優(yōu)點逐漸顯現(xiàn)。
舊題新解
毫無疑問，“電-熱-電”技術(shù)模式針對的應(yīng)用場景是不穩(wěn)定不連續(xù)的可再生能源及電力，特別是風(fēng)電、光伏電力很不穩(wěn)定且品質(zhì)低，光熱發(fā)電投資成本高，而太陽也不總是高高掛在天空，只有發(fā)揮各自長處，趨利避害，才能從根本上克服太陽能熱發(fā)電和風(fēng)電、光伏各自存在的缺陷，最終實現(xiàn)可再生能源替代化石能源的終極目標(biāo)。而它們之間的結(jié)合點，就是通過電加熱并儲熱來實現(xiàn)，“電-熱-電”技術(shù)模式的新穎之處在于：
1、充分發(fā)揮太陽能熱發(fā)電的儲熱優(yōu)勢。通過電加熱器將不穩(wěn)定的風(fēng)電、光伏電力為儲熱裝置補熱，克服太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電、光伏共有的不連續(xù)、不可控的缺陷。
2、利用太陽能熱發(fā)電儲熱優(yōu)勢將低品質(zhì)電力轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)電力，同時延長發(fā)電時數(shù)至5000小時以上，提高可再生能源的經(jīng)濟性和競爭性。
3、可提高太陽能熱發(fā)電技術(shù)的地域適應(yīng)性。只要具備一定光照時數(shù)和具有一定風(fēng)電、光伏裝機規(guī)模的地區(qū)都可以采用這項技術(shù)。
能效靜態(tài)分析
“電-熱-電”技術(shù)能效靜態(tài)分析并不復(fù)雜。我國現(xiàn)有電轉(zhuǎn)熱技術(shù)主要依賴電阻式加熱器或電熱鍋爐實現(xiàn)，這里既有采用直流電的，也有采用交流電的，其能效多在95%～98%?！盁?電”轉(zhuǎn)換則主要采用蒸汽朗肯循環(huán)或超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電機組，能效一般在38%～50%，總能效在30%上下。
由此看來“電-熱-電”技術(shù)被詬病也不足為奇。但是如果放到以可再生能源為主體的電力環(huán)境中，這一技術(shù)就大有作為，其優(yōu)勢在于“電-熱-電”可以使用不穩(wěn)定的所謂垃圾電力來制熱；可借助光熱發(fā)電的儲熱設(shè)備實現(xiàn)多達10小時以上的長時儲能；熱儲能設(shè)備技術(shù)成熟度高，產(chǎn)業(yè)鏈簡單，總的制造過程碳排放量低。特別是依托規(guī)模儲能，單位儲能成本低，可與其他儲能技術(shù)進行有效競爭。
與”電-氫-電“技術(shù)相比較
“電-熱-電”技術(shù)與“電-氫-電”技術(shù)相比，優(yōu)勢明顯，例如電解水制氫每立方需耗電4～5kWh，氫液化需要消耗運輸?shù)臍涞哪芰康?0%，相當(dāng)于每運輸1kg氫氣消耗7～10kWh能量。由于液態(tài)氫為冷氫，通常，液態(tài)氫運輸溫度應(yīng)該保持在-253℃左右，與環(huán)境溫度存較大溫差，因此對所用耐壓和絕緣材料有很高的要求，還需要制冷系統(tǒng)維護，能耗也很可觀。如果將氫氣由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)輸送用戶，以及使用燃料電池轉(zhuǎn)換為電能，現(xiàn)有技術(shù)能效多在40%左右。另外，所有電解水制氫、氫液化、運輸設(shè)備和車輛，閥門管道、燃料電池等的設(shè)備制造和產(chǎn)業(yè)鏈，其技術(shù)復(fù)雜程度以及碳排放量遠高于“電-熱-電”技術(shù)模式。
儲熱是關(guān)鍵技術(shù)
“電-熱-電”技術(shù)依托的是熱儲能技術(shù)，與抽水蓄能和空氣壓縮儲能技術(shù)相比，都屬于長時儲能。但熱儲能的設(shè)備技術(shù)相對簡單成熟，關(guān)鍵是熱儲能可吸納不穩(wěn)定和波動性很強的可再生電力；而抽水蓄能和空氣壓縮技術(shù)則需要穩(wěn)定的低谷電支撐。隨著燃煤電站減少和調(diào)峰能力下降，一旦可再生能源成為能源主力軍，低谷電成為歷史，抽水蓄能和空氣壓縮儲能設(shè)備就會被閑置，巨額投資就會成為垃圾資產(chǎn)。尤其在我國快速提高可再生能源發(fā)電比例的情況下，未雨綢繆很有必要。
熱儲能與化學(xué)電池儲能相比，突出特點是儲能容量大，單位儲能成本低，這些是化學(xué)電池儲能無法與之競爭的，但是相較靈活性熱儲能顯然不如化學(xué)電池儲能。
儲熱型光熱發(fā)電
光熱發(fā)電技術(shù)本身是發(fā)展中的技術(shù)，特別是通過電制熱為儲熱裝置提供熱源，目前尚未成熟一致的技術(shù)方案。例如作者最早提出光熱發(fā)電與風(fēng)電互補，其中最主要的是擺脫太陽能倍數(shù)理論束縛，在設(shè)計中要求光熱發(fā)電站最多按1.5倍鏡場設(shè)計，而原計劃用于儲能的鏡場投資轉(zhuǎn)為投資風(fēng)電場建設(shè)。如圖1所示。
圖1 儲能時長與鏡場規(guī)模中的太陽能倍數(shù)關(guān)系
此方式的優(yōu)勢在于：一、可平抑和降低投資總費用；二、可通過電制熱裝置借助風(fēng)電為儲能裝置補熱。在設(shè)計中尤其需兼顧風(fēng)電波動性的電力沖擊，最好通過氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)電穩(wěn)定程度來決定補熱方式。
作者因此建議圍繞儲能設(shè)備采用串并聯(lián)電加熱鍋爐和將電加熱器直接布置在儲能設(shè)備中的技術(shù)方案，該方案可較好的應(yīng)對忽高忽低的風(fēng)電沖擊。如果能夠接納電網(wǎng)過載電力則建議使用串并聯(lián)電加熱鍋爐模式，以提高電熱轉(zhuǎn)換效率。如圖2所示：
圖2 光熱發(fā)電與風(fēng)電、光伏互補儲能
實際上“電-熱-電”技術(shù)已經(jīng)被國外很多科研技術(shù)人員采納，例如歐盟2020年10月新推出的SOLARSCO?OL計劃，決定采用光伏電站與光熱發(fā)電互補，通過電加熱為儲熱罐熔鹽補熱，動力系統(tǒng)計劃采用超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)，效率提高至50%以上。該計劃動靜不小，歐盟資助該項目約1000萬歐元，由來自6個歐盟國家（意大利，西班牙，德國，希臘，比利時，瑞典）和1個歐盟外國家（摩洛哥）的15個國際企業(yè)組成項目聯(lián)盟來實施；旨在致力于開發(fā)一種具有創(chuàng)新性，經(jīng)濟上可行且易于復(fù)制的超臨界CO?電站，再加上快速反應(yīng)的電加熱器和高效熱交換器，帶來全新的電站布局設(shè)計和運行理念。如圖3所示：
圖3 歐盟SOLARSCO?OL計劃示范
近年來，西班牙比較有名氣的企業(yè)也準(zhǔn)備采用該技術(shù)投標(biāo)該國新的光熱發(fā)電項目。經(jīng)查美國專利中包括日本東芝和美國企業(yè)也有類似利用風(fēng)電進行“電-熱-電”互補的太陽能熱發(fā)電專利，而且已經(jīng)獲得授權(quán)，但與我們的技術(shù)差別還很大，特別是在審查中還曾引用我們的專利做對照。2013年后我國很多院校和科研單位也都發(fā)表過相關(guān)論文，均證明了該技術(shù)的可行性。
近來國內(nèi)很多央企相繼準(zhǔn)備建立包括風(fēng)電、光伏和光熱發(fā)電在內(nèi)的源網(wǎng)荷儲一體化項目；同時國家能源局也鼓勵重大創(chuàng)新示范，要求各省級能源主管部門在確保安全前提下，以需求為導(dǎo)向，優(yōu)先考慮含光熱發(fā)電、氫能制輸儲用，梯級電站儲能、抽氣蓄能、電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等新型儲能示范的“一體化”項目。因此“電-熱-電”技術(shù)的儲能優(yōu)勢必將凸顯，在未來的可再生能源電站中或?qū)⒊蔀榧夹g(shù)主流。圖片
