儲能在煤改電中的應用

黃承榮 黃子龍

摘要：自18世紀進入工業革命以來，中國形成了以煤、石油、天然氣等化石能源為主的能源消費格局。其中，供熱項目消耗的能源主要靠煤炭。為了節約能源和保護環境，中國實行城市集中供熱。主要方式有熱電聯產集中供熱和區域鍋爐集中供熱。由于集中供熱管網的輻射范圍有限，郊區、城鎮和農村供熱用的小型燃煤鍋爐和散煤較多。煤炭在燃燒過程中會產生CO2、SO2、粉塵等溫室氣體，是某些地區形成重污染天氣的重要原因之一。

關鍵詞：儲能;煤改電;電網峰谷差

指出了中國北方冬季取暖能源以燃煤為主，主要方式有三種：熱電聯產集中供暖，區域鍋爐集中供暖，戶內分散采暖。為了保護環境，改善空氣質量，國家八部委聯合下發《推進電能替代指導意見》，積極在北方推進“煤改電”清潔取暖。對“煤改電”工程耦合儲能系統進行了分析，結果表明：不僅可以提高系統可靠性，而且可以降低系統運行成本?？梢?，儲能在“煤改電”中的應用應受到重視，其商業推廣將日益廣泛。

一、儲熱技術

儲能技術在我國發展已經比較成熟了，大致可以分為四類：（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，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。

二、“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?！懊焊碾姟笨梢詮母旧限D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。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CO2 468萬t/年、SO2 4.34萬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 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。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?！懊焊碾姟惫こ讨饕槍κ浅鞘屑袩崃芫W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。（2）電力負荷不匹配?！懊焊碾姟睍斐稍诰植繀^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?？諝庠礋岜糜小按笞匀荒芰康陌徇\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。

三、帶儲能的清潔供暖系統

某省是《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”城市中某省占了7個。在“宜氣則氣，宜電則電”、“新舊動能轉換”等政策推動下，省在城郊以及鄉鎮街道開展了一系列“煤改電”工程。以某市某“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。系統主要設備配置及工藝流程簡圖如圖1所示。

某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。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”?！榜橊劧枴钡脑O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。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。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。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%。

總之，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。從這個意義上來說，“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。

參考文獻：

[1]劉敏.關于儲能在煤改電中的應用.2019.

[2]王東平.探討儲能在煤改電中的應用.2020.

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