儲能在“煤改電”中的應用

曾智勇，董華佳，周厚國

(深圳市愛能森科技有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

北方冬季供暖是我國的民生工程。“秦嶺-淮河”是我國地理上劃分南北的重要分界線，以秦淮一線為界，我國實行集中供暖的區域主要包括華北、東北、西北等地區。18世紀進入工業革命以來，我國形成了以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主能源消費格局。其中，供暖工程所消耗的能源主要依賴煤炭。為了節約能源，保護環境，我國實行城市集中供熱，主要方式有熱電聯產集中供熱，區域鍋爐集中供熱。由于集中供熱熱力管網輻射范圍有限，不乏一些城郊結合部、鄉鎮、農村地區采用小型燃煤鍋爐、散煤采暖。煤炭在燃燒過程中會產生溫室氣體CO2、SO2以及粉塵等，是京津冀地區重污染天氣形成的重要原因之一。2013年，國家《大氣污染防治行動計劃的通知》中指出：加強工業企業大氣污染綜合治理，全面整治燃煤小鍋爐；加快推進集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐；其他地區原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐[2]。2016年國家發展和改革委員會、國家能源局、財政部、環境保護局等八部委聯合聯合下發《推進電能替代指導意見》，文中明確提出根據不同電能替代方式的技術經濟特點，因地制宜，分階段推進，逐步擴大電能替代范圍，形成清潔、安全、智能的新型能源消費方式。以電代煤成為治理環境污染的重要舉措被寫入政府工作報告[3]。

2 “煤改電”的概況

電供暖是指直接利用電力向用戶供暖，是一種安全、清潔、舒適的取暖方式。以電代煤實質是一種能源消費方式的轉變。以電能替代煤炭等傳統化石能源，有助于推動能源結構綠色轉型，加快清潔能源開發利用，提高可再生能源消納能力，促進我國能源可持續發展。“煤改電”可以從根本上轉變北方供暖過度依賴燃煤的傳統熱力發展方式，在源頭控制大氣污染，緩解環境污染壓力，推動社會節能減排，滿足經濟、社會、環境協調發展的需求。

北京是我國率先實施“煤改電”的試點城市。截至2016年，北京累計完成58.25萬戶“煤改電”工程，減少散煤燃燒180萬t/年，減排CO2468萬t/年、SO24.34萬t/年、NOx1.24萬t/年，具有良好的環保效益。在試點城市取得成功經驗之后，國家政府將北方地區冬季清潔取暖試點擴展至京津冀及周邊地區，囊括了京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市，并出臺了一系列支持政策。

電供暖具有多種實現形式，例如電鍋爐、發熱電纜、電熱膜以及各種電驅動熱泵等。2016年，我國北方大力推進“煤改電”清潔供暖，在取得了一定的成績的同時，也存在著一些問題。

(1)設備安裝條件限制。“煤改電”工程主要針對是城市集中熱力管網輻射不到的城郊或者農村地區。以上地區公共基礎設施相對落后，由于工程實際需要，“煤改電”的相關設備，例如空氣源熱泵、變壓器很多情況下需要安裝在胡同內、馬路邊、街巷等地，施工難度大，難以做到整體規劃[4]。

(2)電力負荷不匹配。“煤改電”會造成在局部區域電力需求量出現劇增，原有配電網設計與新增電力需求負荷不匹配。電力增容工程需要繁雜的辦理手續，而且電力基礎設施投資使得整體工程造價成本大幅提高。

(3)取暖成本較高。在當前主要的取暖方式中，燃煤供暖是最廉價的。在“煤改電”試點前期，在一些政策補貼的推動下，不少用戶采購了直熱電鍋爐、蓄熱電鍋爐進行冬季取暖，后來因為承擔不起昂貴的電費成本不得不選擇了放棄，散煤取暖卷土重來。

空氣源熱泵有“大自然能量的搬運工”的美譽，具備節能環保、操作簡單、維護方便等顯著優點，是實現北方“煤改電”的主要途徑之一。然而，空氣源熱泵在運行過程會產生較大的噪音，對住宅小區產生噪音污染。此外，空氣源熱泵的能效受環境溫度影響明顯，運行不穩定，在極端天氣甚至出現停機的情況，供暖效果得不到保障(圖1)。

圖1 空氣源熱泵結霜

創新電能替代，積極響應國家“煤改電”的需求，貫徹國家能源消費革命，提高電能占終端能源消費的比重，是推動提高全社會電氣化水平的重要途徑。任何技術的革新都需要探索的過程，“煤改電”尚有很長的道路需要走。

3 儲熱技術

儲能技術在我國發展已經比較成熟了，大致可以分為4類：①抽水儲能；②儲熱；③電化學儲能；④機械儲能。由于供暖主要涉及熱能應用，本文主要討論儲熱技術。儲熱的具體原理是利用其他形式能量轉換為熱能，并通過特定的蓄熱介質將熱能在保溫良好的條件下儲存起來，當需要利用時再通過換熱把所儲存的熱量提取出來加以利用。儲熱，根據蓄熱介質的狀態可以分為顯熱儲能和相變儲能。相變材料儲熱具有較大的儲能密度，因而發展潛力更大。由于材料成本和配套設備的限制，目前儲熱市場仍然以顯熱儲能為主。隨著新型儲熱材料的研發應用和配套設備制造工藝的提升，儲熱技術應用的成本逐年下降，越來越多商業化工程應用得到推廣。

根據能源品位劃分，儲熱可以歸納為3個梯度：①高品位能源(≥1000 ℃)；②中品位能源(160～550 ℃)；③低品位能源(0～160 ℃)。供暖熱源的溫度范圍一般在50～120 ℃，從能量品位層次劃分來看，屬于低品位能源。由于供暖所需能源品位要求不高，可利用的能源很廣泛。例如，空氣能、地熱能、污水能、電廠余熱、谷電棄電等。帶儲能的供暖系統可以耦合這些能源，將不穩定的、不連續的能源輸入轉變為穩定的、連續的高質量能源輸出。

4 帶儲能的清潔供暖系統

山東省是《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017-2021年)》中清潔供暖改造的重點省份，“2+26”城市中山東省占了7個。在“宜氣則氣，宜電則電”、“新舊動能轉換”等政策推動下，山東省在城郊以及鄉鎮街道開展了一系列“煤改電”工程。以山東濰坊市某“煤改電”工程為例，簡單闡述一下儲熱在“煤改電”供暖領域的應用。

原來的工程項目采用空氣源熱泵對小區燃煤鍋爐進行“煤改電”清潔供暖改造。小區供暖面積7.2萬m2，采用25臺額定制熱量140 kW空氣源熱泵低溫機組進行供暖(表1)。系統主要設備配置及工藝流程簡圖如圖2所示。

表1 空氣源熱泵供暖系統主要設備配置

圖2 空氣源熱泵供暖系統工藝流程

系統模塊序號設備名稱規格參數數量空氣源熱泵模塊1低溫空氣源熱泵 額定制熱量:140kW額定制熱功率:47kW25臺2變頻循環水泵 流量:250 m3/h 揚程:44 m電機功率:42 kW3臺(二用一備)3軟化水處理裝置———1套4補水箱 容積:10 m31個5補水泵 流量:50 m3/h 揚程:16 m 電機功率:3.5 kW 2臺(一用一備)6電氣、儀控系統———1套7管道閥門———1項儲能模塊1熱池罐直徑D:3 m高H:3.6 m1個2緩沖罐直徑D:2 m高H:2.5 m1個3儲熱換熱泵流量:44 m3/h揚程:20 m電機功率:4.5 kW1臺4電加熱器功率:150 kW3臺5換熱器流量:40 m3/h換熱面積:45 m21個6智慧能源系統———1套

圖3 帶儲能的供暖系統工藝流程

濰坊市屬于北溫帶季風區，四季的氣溫分布分明，1月份為全年的最冷月，日均最低溫達到-8 ℃。工程投入使用第一年的供暖季，空氣源熱泵在極端嚴寒天氣出現部分機組結霜嚴重，能效降低，甚至停機保護的情況，用戶室內溫度達不到供暖指標要求。

第二年，為了保障供暖效果，對空氣源熱泵采暖系統進行了升級改造，增加了儲能系統(表2)。儲能系統由熱池模塊和換熱模塊組成。熱池模塊包含了熱池罐、緩沖罐、電加熱器以及特種儲熱材料“駱駝二號”。“駱駝二號”的設計儲熱溫度在60～130 ℃，化學性質穩定，無腐蝕，損耗率小，使用壽命周期長，是一種高品質的傳熱、儲熱材料。儲熱包含了熱能儲存和熱能轉換兩個過程(圖3)。

熱能儲存：谷電時段，利用電加熱器加熱熱池罐中“駱駝二號”，將電能轉化為熱能儲存。

熱能轉換：在峰電時段或者空氣源熱泵出力不足的情況，“駱駝二號”與供暖管道中的循環水進行換熱，將儲存的熱能傳遞到供暖循環水中，再通過給水泵輸送到用戶末端進行供暖(表3)。

表3 儲能模塊工況切換

增加儲能模塊之后，上述“煤改電”清潔供暖系統的運行可靠性提高，即使在極端寒冷天氣依然能夠通過延長儲能系統的運行時間使得用戶室內溫度維持在18±2 ℃。在個別空氣源熱泵機組出現停機保護時，還可以啟動電加熱進行直接熱量補充。此外，儲能系統可以跟隨供暖系統總熱負荷隨機性和波動性的特點，靈活調節儲存熱能的總量，以及合理控制儲存熱能的換熱，充分利用“峰谷電價”杠桿最大化能源利用的經濟效益。上述工程案例，當地峰谷電價比為4.12∶1，通過儲熱不僅可以削峰填谷，利于調節當地電力供應負荷平衡，提高能源利用效率，還能降低供暖系統的電費成本。根據供暖系統改造前后2年的運維數據統計，增加儲能模塊之后，供暖季谷電利用占比由原來的32.6%提升到了44.0%，單位面積能耗增加了4.5%，單位面積電費降低了14.2%。具體數據詳見表4～6。

表4 電價政策

表5 能耗對比 kW·h/(m2·d)

表6 電費對比 元/(m2·d)

5 應用前景

電力供應系統的發電和輸電設備的配置都是按照峰值電量需求配置的，但實際電力需求在各個時段是不一樣的。用電高峰期的用電量稱峰值，低谷時的用電量稱谷值。目前我國各電力系統的負荷峰谷差一般為最大負荷的30%～40%。就目前的技術而言，電力供給端難以實現跟隨電力需求適時調整產能輸出和富余產能的儲存，導致了每天供電系統產能會出現大量的剩余，造成了極大的能源浪費。谷電儲能是一種平衡電網負荷、綜合發揮電力資源的有效措施[5]。21世紀初，為了解決供暖供熱行業高能耗、高污染問題，國家開始支持引導谷電蓄能的發展，并出臺了一系列有關優惠政策。例如，一方面，我國目前在大部分地區，尤其是經濟發達地區，實行了峰谷電費大額差價的政策，力圖通過強化價格杠桿，引導削峰填谷。另一方面，隨著我國可再生能源風能、太陽能、地熱能、潮汐能等的快速發展。可再生能源的不連續性和不穩定性，必然加劇發電負荷的峰谷波動。據相關數據顯示，2016年我國棄風率達到53%，棄光率達到32%，大量投資所建設起來的可再生能源白白浪費了。儲能作為電力需求側響應機制的一部分，可以提高電網對可再生能源電力的消納能力，優化我國能源結構，促進能源升級轉型。

2016年12月，國家能源局發文推進北方地區冬季清潔取暖，解決好人民群眾普遍關心的冬季安全供暖及霧霾問題。按照企業為主、政府推動、居民可承受的方針，“宜氣則氣、宜電則電”，加快提高清潔供暖比重，2016～2021年在有條件地區基本實現清潔取暖方式替代散燒煤。“煤改氣”和“煤改電”是實現清潔供暖的主要途徑。2017年部分城市在推進“煤改氣”清潔供暖的過程中，出現了嚴重的“氣荒”現象，居民供暖得不到保障。我國天然氣主要依賴進口，根據權威機構預測，2019年我國將成為全球最大的天然氣進口國[6]。由于氣源問題在短期得不到有效解決，“煤改氣”經過了2年的試點工程驗證，社會上質疑的觀點越來越多。此外，天然氣本質上依然是化石能源，在燃燒過程中會排放NOx，加劇NOx大氣污染。2018年12月，環保部甚至出現了喊停“煤改氣”的呼聲。綜上所述，“煤改電”將是“2+26”城市清潔供暖大勢所趨的方向。隨著“煤改電”清潔供暖工程的大范圍推廣，儲能憑借自身的獨特優勢，將會迎來大放異彩的發展浪潮。

6 結語

電能替代是我國能源消費結構轉型升級的關鍵一環。電是二次能源,也是一種清潔、零排放、高品質的綠色能源。從這個意義上講，“煤改電”清潔供暖低碳環保毋庸置疑。“煤改電”耦合儲能的清潔供暖系統，不僅能夠提高系統的安全可靠性，削峰填谷，提高電網效率，還能利用“峰谷”電價杠桿降低運行成本。儲能在“煤改電”清潔供暖工程發揮著不可替代的作用，具有顯著的經濟效益和社會效益。