中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：3月23日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合500余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十五屆儲(chǔ)能大會(huì)暨展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱“CIES2025”）在杭州國(guó)際博覽中心召開(kāi)。
CIES大會(huì)以“綠色、數(shù)智、融合、創(chuàng)新”為主題，針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機(jī)制、資本市場(chǎng)、國(guó)際市場(chǎng)、成本疏導(dǎo)、智能化系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范項(xiàng)目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和規(guī)模化工程應(yīng)用。
在3月24日下午的儲(chǔ)熱與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能專場(chǎng)中，中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司儲(chǔ)能研究所教授級(jí)高級(jí)工程師胡曉作了題為《高溫復(fù)合相變儲(chǔ)熱技術(shù)及應(yīng)用》的主旨演講。
以下內(nèi)容根據(jù)大會(huì)發(fā)言整理提煉，僅供參考。
胡曉
大家好！我是來(lái)自中國(guó)電力科學(xué)研究院儲(chǔ)能研究所的胡曉，今天的報(bào)告題目是《高溫復(fù)合相變儲(chǔ)熱技術(shù)及應(yīng)用》，主要是想跟大家分享一下從電網(wǎng)的角度對(duì)儲(chǔ)熱技術(shù)的理解，報(bào)告分為三個(gè)部分：一是高溫儲(chǔ)熱技術(shù)在電網(wǎng)中的角色與定位，二是中國(guó)電科院在其中的探索與實(shí)踐，三是目前面臨的挑戰(zhàn)以及關(guān)于未來(lái)研究方向的思考。
一、高溫儲(chǔ)熱技術(shù)在電網(wǎng)中的角色與定位
在未來(lái)高比例新能源接入的情況下，可能新能源會(huì)超過(guò)60%。同時(shí)，電網(wǎng)也有越來(lái)越多的電力電子設(shè)備接入。在這樣的情況下，對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)有一個(gè)“雙高”特性，它的穩(wěn)定性會(huì)受到非常大的影響，電網(wǎng)的短時(shí)功率平衡和長(zhǎng)時(shí)能量平衡的難度就大幅度增加了，新型電力系統(tǒng)也會(huì)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。
電網(wǎng)需要實(shí)時(shí)平衡，儲(chǔ)能技術(shù)的加入就可以打破電力系統(tǒng)在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電，這個(gè)全鏈條必須實(shí)時(shí)平衡的強(qiáng)耦合的瓶頸，提升整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。同時(shí)儲(chǔ)能也是一個(gè)能源的樞紐，可以實(shí)現(xiàn)電能向多種能源的轉(zhuǎn)換，構(gòu)建一個(gè)以電為中心，包括熱、電、氣、氫能多能融合的綜合能源網(wǎng)。
但不同的場(chǎng)景對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的需求有很大差異，主要分為這幾大類：一是系統(tǒng)的調(diào)峰和新能源消納，二是滿足尖峰負(fù)荷供電，三是參與電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的控制，包括提供慣量與一次調(diào)頻、暫態(tài)調(diào)控。參與電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的控制，是電化學(xué)儲(chǔ)能的主戰(zhàn)場(chǎng)；而儲(chǔ)熱技術(shù)更大的應(yīng)用空間在調(diào)峰和新能源消納。
在解決棄風(fēng)棄光、促進(jìn)可再生能源消納，參與電網(wǎng)調(diào)峰、負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)等電力輔助服務(wù)市場(chǎng)，以及綜合能源服務(wù)等市場(chǎng)，儲(chǔ)熱技術(shù)均有應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)空間。除此之外，儲(chǔ)熱技術(shù)在電供暖、工業(yè)蒸汽、余熱回收等熱能利用市場(chǎng)，還擁有其它儲(chǔ)能技術(shù)無(wú)法參與的應(yīng)用場(chǎng)景。
熱能在社會(huì)中的用能占比非常大，所以也決定了它可以成為電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)的資源。儲(chǔ)熱作為典型的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，靈活性突出，可為新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供有力支撐：在電源側(cè)整合新能源的同時(shí)耦合火電機(jī)組提高靈活性；在工業(yè)用熱、民用供暖等用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)熱能高效利用與靈活調(diào)節(jié)資源構(gòu)建；并通過(guò)與電網(wǎng)側(cè)的互動(dòng)共同支撐新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建。
這是這幾年越來(lái)越多的政策去支撐儲(chǔ)熱用到電網(wǎng)調(diào)峰和消納，政策也提到用熱儲(chǔ)能的方式將電能存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)綠電、谷電的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化利用，不僅可以有效解決電網(wǎng)削峰填谷和可再生能源電力并網(wǎng)消納問(wèn)題，而且對(duì)于推動(dòng)清潔供暖、改善大氣環(huán)境有重要意義。
二、中國(guó)電科院的探索與實(shí)踐
從2014年開(kāi)始的，我們開(kāi)展了10多年的熱能技術(shù)研究，主要集中在四個(gè)方面：一是高溫復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的配方和批量制備的工藝，二是蓄熱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三是儲(chǔ)/換熱測(cè)試技術(shù)，四是系統(tǒng)集成。
1.高儲(chǔ)熱密度高導(dǎo)熱高溫復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料配方設(shè)計(jì)
我們選擇的是高溫復(fù)合相變材料這條技術(shù)路線，因?yàn)樗膬?chǔ)能密度比較高，開(kāi)發(fā)了系列相變材料，相變溫度包括300、500、700到最高的800，它可以實(shí)現(xiàn)較高的儲(chǔ)熱密度。
但是研發(fā)高溫復(fù)合相變材料也存在很多難題，包括多元體系的物性平衡難題、相變材料本身導(dǎo)熱系數(shù)低帶來(lái)的熱應(yīng)力問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致循環(huán)壽命不足的問(wèn)題。針對(duì)這些難題，我們選擇了氧化鎂的骨架材料，以它為基材去提升整體材料的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，以碳酸鹽等作為相變儲(chǔ)熱介質(zhì)，由它們承擔(dān)儲(chǔ)熱這部分的功能，提升儲(chǔ)熱密度。我們現(xiàn)在的材料可以基本上循環(huán)3000次。比如說(shuō)用在供暖行業(yè)，民用供暖一年供暖期128天，它基本可以到20年的壽命。
2.高成品率工業(yè)級(jí)儲(chǔ)熱模塊批量化制備技術(shù)
在實(shí)驗(yàn)室制備小的儲(chǔ)熱模塊相對(duì)比較容易的，不會(huì)涉及到均一性的問(wèn)題，包括材料組分本身的均一性，以及制備材料時(shí)的環(huán)境條件均勻性，比如說(shuō)燒結(jié)環(huán)境溫度場(chǎng)的均勻性，基于這些挑戰(zhàn)，我們開(kāi)發(fā)出了微包裹、壓制成型、燒結(jié)制度相結(jié)合的批量化制備工藝。通過(guò)配方組分之間合理的顆粒匹配的方案，讓它的結(jié)構(gòu)在壓制的時(shí)候，致密度和成型率能夠得到提升，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)噸級(jí)每天的制備規(guī)模。
3.差異化布置電熱元件與緊湊型蓄熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
如果我們的加熱元件是均勻分布的，這個(gè)蓄熱體的溫度一定是不均勻的，因?yàn)樗鼉?nèi)外的傳熱邊界條件都不一樣。這樣帶來(lái)的情況就是蓄熱體的溫差會(huì)非常大，比如現(xiàn)在1兆瓦級(jí)的裝置最熱點(diǎn)和最冷點(diǎn)的溫差能到兩三百度。它帶來(lái)的問(wèn)題是裝置最高溫點(diǎn)達(dá)到溫度上限時(shí)，比如800度，其他地方才到500度、600度，其實(shí)很多材料沒(méi)有被有效利用起來(lái)，整個(gè)儲(chǔ)熱密度也上不去。
所以，我們會(huì)根據(jù)仿真或者實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析，給它提供一個(gè)差異化布置加熱元件的方式，來(lái)保證整個(gè)蓄熱體的溫度均勻性，我們現(xiàn)在大概能做到1兆瓦溫差在100度左右。
4.基于響應(yīng)面分析的換熱流道參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
我們也搭建了一個(gè)1MW/10MWh驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，來(lái)支撐我們的研發(fā)工作。
5.海外研發(fā)
我們有一個(gè)海外研發(fā)團(tuán)隊(duì)，歐洲院，它也和英國(guó)伯明翰大學(xué)建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在材料制備、理化性能表征等方面做了許多工作。在去年的時(shí)候，我們合作的一個(gè)項(xiàng)目也入圍了全球可再生能源獎(jiǎng)項(xiàng)。
我們的研發(fā)成果也在很多地方實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用，主要分兩個(gè)方面：一是民用供暖，二是工業(yè)用熱。
民用供暖方面，主要采用700度相變材料，因?yàn)樗臏囟缺容^高，儲(chǔ)能密度比較高，能夠做得緊湊。在蘇州同里做了冷熱聯(lián)供的示范。同時(shí)我們也針對(duì)青海等高海拔地區(qū)特殊的地理?xiàng)l件研發(fā)了適應(yīng)它的裝置。
工業(yè)方面，這是一個(gè)非常大的市場(chǎng)。因?yàn)檎羝枪I(yè)生產(chǎn)所需要的一個(gè)很重要的介質(zhì)，比如福建沿海一帶的工業(yè)，他們用燃?xì)庾鳛槿剂瞎┱羝?，成本比較高，而且天然氣的供應(yīng)不是那么穩(wěn)定。
我們當(dāng)時(shí)做示范項(xiàng)目的時(shí)候測(cè)算過(guò)，蒸汽的價(jià)格不到400元時(shí)，用電價(jià)谷電3毛錢(qián)就可以跟它持平。剛才老師也講到可能有的時(shí)候蒸汽價(jià)格可以到600，用電來(lái)作為能源的經(jīng)濟(jì)效益就會(huì)凸顯。
此外，現(xiàn)在有些地方出現(xiàn)了負(fù)電價(jià)的情況，這種情況也會(huì)讓我們以電加熱的形式，會(huì)比燃?xì)庑问降慕?jīng)濟(jì)性更加凸顯。我們已經(jīng)示范的這幾個(gè)項(xiàng)目，都很大程度地降低了平時(shí)的能源成本。
三、面臨挑戰(zhàn)及未來(lái)方向的思考
儲(chǔ)熱技術(shù)作為典型的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，通過(guò)“電熱”或“電熱電”能量轉(zhuǎn)換路徑，已成為支撐新型電力系統(tǒng)靈活性與安全性的核心手段。
然而，其發(fā)展長(zhǎng)期受限于兩大瓶頸：一是電熱電效率限制，傳統(tǒng)“電熱電”循環(huán)效率較低，通?！?0%，難以與電化學(xué)儲(chǔ)能（效率≥85%）競(jìng)爭(zhēng)；二是功能單一性，早期技術(shù)以“電→熱”單向調(diào)節(jié)為主（如區(qū)域供熱），缺乏雙向能量轉(zhuǎn)換能力，難以滿足電網(wǎng)對(duì)靈活性資源的多元化需求。
這種情況下，我們希望它突破的方向：一是讓它具有慣量支撐能力，比如說(shuō)熔鹽儲(chǔ)熱+汽輪機(jī)，其實(shí)它可以給電網(wǎng)提供類似火電的慣量響應(yīng)。目前火電還是電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的壓艙石，如果儲(chǔ)熱這塊也能起到這部分的作用，其實(shí)對(duì)于電網(wǎng)后續(xù)的平衡是非常有利的；
二是長(zhǎng)時(shí)調(diào)節(jié)的能力?，F(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)的需求還不是那么明顯，但是到后面可再生能源達(dá)到60%以上，那個(gè)時(shí)候季節(jié)性的電力缺口會(huì)更加明顯?，F(xiàn)在國(guó)外也有很多用地下含水層跨季節(jié)存儲(chǔ)的案例，它可以實(shí)現(xiàn)天級(jí)、周級(jí)、季節(jié)這種不同時(shí)間尺度的能量的轉(zhuǎn)移。以儲(chǔ)熱、液流電池為代表的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，非常有優(yōu)勢(shì)的一點(diǎn)是它是能量和功率解耦的儲(chǔ)能方式，可以根據(jù)不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的需求去配儲(chǔ)不一樣的系統(tǒng)。這一點(diǎn)對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，也是一個(gè)非常靈活的方式。
在儲(chǔ)熱本身的角度，目前傳統(tǒng)的儲(chǔ)熱主要處在響應(yīng)速度、儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)比較適中的中間階段，對(duì)于在電網(wǎng)中未來(lái)的應(yīng)用，它可能會(huì)朝著兩端發(fā)展：一個(gè)是短時(shí)快速響應(yīng)的儲(chǔ)熱技術(shù)。它面臨的場(chǎng)景還是針對(duì)以后可再生能源接入更多的情況帶來(lái)的電價(jià)頻繁波動(dòng)，雖然目前國(guó)內(nèi)大部分還是以一天波動(dòng)一次的峰谷電價(jià)的循環(huán)去配儲(chǔ)熱，但歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了每天多次電價(jià)波動(dòng)的情況，比如3小時(shí)波動(dòng)一次。這就需要我們短時(shí)間之內(nèi)快速把熱量加進(jìn)去，一天可能響應(yīng)兩三次的峰谷電價(jià)，它的盈利模式會(huì)更加靈活。
另一個(gè)是剛才說(shuō)到的面向電網(wǎng)的跨季節(jié)調(diào)節(jié)的資源，包括剛才老師們講到的熱化學(xué)儲(chǔ)能，還有近些年比較前沿的深過(guò)冷的的儲(chǔ)能技術(shù)，都是能夠?qū)崿F(xiàn)跨級(jí)儲(chǔ)能的技術(shù)路線。
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