固體電蓄熱技術的研究現狀與展望

馬美秀，章康，陳夢東，康偉，陳思藝，姚文卓，韓高巖

（1.北京智慧能源研究院，北京 102200；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

近年來隨著新能源的開發利用規模不斷擴大，電化學儲能、儲熱等［1-2］儲能技術在電力系統調峰中占有越發顯著的地位。其中，儲熱技術是以儲熱材料為媒介將太陽能光熱、地熱、工業余熱、低品位廢熱等熱能存儲，按需釋放，力圖解決時間、空間或強度上的熱能供給與需求不匹配所帶來的問題，最大限度地提高整個系統的能源利用率。據IRENA（國際可再生能源署）《創新展望：熱能存儲》報告顯示，到2030年，儲熱裝機的容量大概將增長到800 GWh以上，中國的儲熱裝機規模目前已達到1.5 GWh。中國2020年9月宣布力爭2030年實現“碳達峰”，2060年實現“碳中和”。在“雙碳”目標下，儲熱技術有望在清潔供熱、火電調峰、清潔能源消納等方面迎來較大的發展空間和機遇。

在眾多的儲熱技術中，固體電蓄熱技術將電網的低谷電能、風/光等波動性電能轉化成熱能儲存，在用電高峰時段按需實現供暖、供汽或供熱水等，是一種先進、高效的儲熱技術，對提高電網靈活性具有重要意義［3］。目前固體電蓄熱技術在國內外都得到了應用，但針對電網的固體電蓄熱技術還處在發展階段，仍需要針對電網接入運行工況下的特點，提高裝置及系統的適應性，促進其產業化、規?；瘧?。

本文圍繞固體電蓄熱技術，從工作原理、蓄熱材料、裝置結構、數值模擬等方面梳理其技術發展現狀和趨勢，并結合固體電蓄熱技術的特點，分析典型行業固體電蓄熱技術的應用現狀，指出固體電蓄熱技術關鍵環節及其發展方向，以推動固體電蓄熱技術在工業及民用領域的廣泛應用，助力各領域綠色低碳轉型，加快我國“雙碳”戰略目標推進步伐。

1 固體電蓄熱系統

1.1 固體電蓄熱工作原理

典型的固體電蓄熱系統如圖1所示，主體結構包括電熱單元、蓄熱體、絕熱層（保溫層）、換熱單元［4］。

圖1 固體電蓄熱系統工作原理Fig.1 Working principle of solid electric heat storage system

在低谷用電時段，電熱單元接入電網將電能轉換為熱能，儲存于絕熱層包裹的蓄熱體結構中，所儲存的熱能通過換熱單元，與空氣、水等工質進行熱交換，最終以熱風、熱水、蒸汽等形式向終端用戶提供熱量。由于以電流焦耳熱方式產熱，固體電蓄熱裝置的電能-熱能轉換效率極高，產熱階段能量損失可以忽略，主要能量損失集中在儲熱及換熱階段，一般為5%～10%［5］，其能量效率η計算公式為：

式中：Qu為電流產生的總焦耳熱，即輸入電量；Q為向終端用戶輸送的熱量；Qs為儲熱過程的熱損失；Qe為換熱器熱損失。

1.2 固體電蓄熱技術的研究現狀

當前，固體電蓄熱技術主要圍繞蓄熱材料、蓄熱體結構、換熱結構、蓄熱-放熱過程的流動傳熱特性等方面開展研究。對于蓄熱材料，在工程應用中主要考慮其熱物性參數、穩定性、成本等因素。為進一步提高蓄熱-放熱性能，國內外研究者對蓄熱單元及換熱器結構進行了多樣化的嘗試與研究。蓄熱體結構及換熱器內的傳熱流動特性對于系統性能至關重要，但由于難以獲得實際系統運行工況中的局部參數，目前仍以數值模擬研究為主。為深入了解電蓄熱系統在運行中的實際物理過程，應當大力發展原位檢測實驗技術（如非接觸式光學測量技術、微機電系統嵌入式微型傳感器等）以獲得關鍵局部參數，基于全場物理建模，對系統運行進行精確預測，并進一步提出優化思路與方法。

1.2.1 固體蓄熱材料研究現狀

常見的蓄熱材料包括顯熱蓄熱材料、相變蓄熱材料、化學蓄熱材料和物理吸附蓄熱材料等。在固體電蓄熱技術中，應用最為廣泛的是固體顯熱蓄熱材料，即采用固體蓄熱介質，該介質在蓄熱過程中本身不發生相變反應，通過蓄熱介質材料的溫度變化進行熱量儲存和釋放。固體蓄熱材料的蓄熱量Q計算公式為：

式中：m為蓄熱材料的質量；Cp為蓄熱介質的比熱容；T2和T1分別為換熱過程中蓄熱材料釋熱初始溫度和釋熱后的溫度。工程上常用的固體蓄熱介質材料包括混凝土、陶瓷、鑄鐵等，其主要熱物性參數對比如表1所示［4，6］。

表1 工程常用固體蓄熱介質材料熱物性參數Table 1 Thermophysical parameters of solid heat storage materials commonly used in engineering

混凝土材料熱容、工作溫度等指標均較低，但價格便宜，裝置構造簡單，易于推廣應用。金屬類材料（如鑄鐵）密度大但比熱容較低，在與電熱元件進行封裝時絕緣性能要求較高。磚、陶瓷、礫石等多孔非金屬材料的工作溫度上限較高，其密度小于金屬材料，但容易構建蓄熱體結構，缺點是導熱系數較差，而以鎂磚為代表的燒結多孔材料能夠彌補其導熱性差的問題，同時還具有比熱容和體積熱容大的優勢，因此在商業上被廣泛使用。

與一般工業蓄熱場景相比，電網輸出具有功率高、蓄熱體量大的特點。針對電網特有的運行工況，亟需研發適用于電網蓄熱的蓄熱材料，提高蓄熱能量密度、提升蓄熱/放熱效率是蓄熱材料發展的長期方向。隨著新能源電力急劇增加，儲能系統配套勢在必行，但電網運行過程中的大幅波動與時變性問題，將導致大功率蓄熱裝置頻繁啟停，從而引起儲熱過程儲熱材料溫差大、升降溫頻率高等問題，因此儲熱材料的穩定性研究也是亟待解決的問題之一［7-8］。

1.2.2 固體蓄熱裝置結構研究現狀

固體蓄熱裝置的性能直接決定蓄熱系統的能效，國內外研究者圍繞不同的蓄熱體及其布置結構、數量，以及換熱器通道形式等開展了一系列研究，力求提高裝置的蓄熱-放熱效率。

Laing D等［9-10］以混凝土為介質，構建了固體電蓄熱裝置并開展實驗研究，通過結構優化減少了換熱管數量，從而提升換熱性能。李偉峰［11］針對高溫高壓固體電蓄熱裝置進行電磁場絕緣特性研究，總結出了新的電熱單元排布方案。邢作霞等［12］以鎂磚作為蓄熱材料構建固體蓄熱器，對其放熱性能進行研究，基于參數化分析，結合流-固耦合傳熱分析與實驗研究，提出了單通道和雙通道蓄熱結構的優化方法。梁炬祥［13］從蓄熱材料的熱物理性能出發，研究了影響蓄熱材料比熱容、導熱性能的因素，并實驗研究蓄熱體單元在蓄熱過程中的傳熱特性，分析不同形狀的加熱元件（如矩形、圓形加熱板、加熱管等）對蓄熱體蓄熱/放熱性能的影響。胡思科等［14-15］以氧化鎂磚作為蓄熱材料，研究蓄熱孔尺寸、數量、結構對蓄熱體蓄熱/放熱性能的影響。丁玉龍等［16］設計了一種集產熱、儲熱、供熱于一體的復合相變材料蓄熱式電熱供暖系統，利用纏繞方形翅片的換熱盤管提高盤管與相變儲熱材料之間的換熱效率。童敏等［17］設計了一種相變儲熱峰谷供暖系統，利用電加熱管在谷電時為相變儲熱裝置儲熱，在峰電時為用戶端供暖。

總的來說，固體蓄熱裝置的性能主要受限于蓄熱材料的填充度、蓄熱體與換熱器的布置結構、換熱管件的形式及數量等因素。目前的實驗研究多集中在材料的選取與裝置構型的優化，以宏觀的蓄放熱量、系統效率等參數為評價指標。事實上，蓄熱體結構與換熱器內的傳熱流動過程對于裝置性能研究同樣至關重要。然而現有的實驗技術難以獲得蓄熱體內及換熱管道內的溫度、壓力、流場等分布信息，從而限制了對其傳熱流動機理的深入認識。針對這些問題，國內外研究者采用數值模擬的方式進行了大量研究，以獲取實驗方法難以直接觀測到的局部參數信息，建立蓄熱裝置與系統的物理模型，對不同工況下的性能進行預測并提出優化方案。

蘇俊林等［18］基于數值模擬，對固體蓄熱器的蓄熱體溫度場和傳熱特性開展研究，并結合實驗數據驗證了模擬結果的有效性。徐德璽［19］利用有限元分析軟件對固體蓄熱器的蓄放熱階段進行模擬分析，并通過對蓄熱體結構的改善，提高系統的蓄放熱效率。邢作霞等［20］通過建立傳熱速率平衡方程，利用數值模擬的方法分析電儲熱系統各設計參數與傳熱匹配的交互特性；結果表明，儲熱單元溫度與加熱功率線性正相關，與孔占比和循環風速指數型負相關，降低加熱功率、提高孔占比和循環風速能改善儲熱體均熱性，通過多參數協同優化設計和前饋補償控制，可以實現較好的傳熱匹配效果。蔣招武等［21］建立相變儲能高溫換熱器的相變過程數學模型，通過顯熱容法簡化相變過程，采用MATLAB對相變過程進行求解，獲得了相變材料及介質空氣的溫度變化規律，為實驗研究相變儲能換熱器的性能提供了理論基礎。徐桂芝等［22］通過研究儲熱單元的換熱特性，基于FLUENT軟件，結合裝置的設計參數和相變復合材料的物性參數，對相變儲熱系統儲/放熱過程中內部的溫度分布、傳熱速率和儲/放熱效率進行了數學建模及模擬分析，重點研究了不同傳熱流體速度對單元儲/放熱性能的影響規律。馬美秀等［23］采用商業軟件ICEPAK建立高溫相變蓄熱電暖器的數學模型，對電暖器的加熱過程進行數值模擬研究，得到電暖器穩態時的溫度分布圖、非穩態儲熱過程溫度上升曲線圖，研究了高溫相變蓄熱電暖器的升溫速率、儲熱量、釋熱速率及用戶使用效果。楊岑玉等［24］提出一種基于流固耦合的蓄熱體建模與仿真方法，對流場、溫度場耦合的問題進行三維數值模擬，從而得到蓄熱體在不同工作時刻的溫度場、流場分布，通過數值模擬結果與實驗數據的對比，驗證流固耦合建模與分析方法的正確性。

對于固體電蓄熱裝置，新結構的研發與性能優化，以及能質傳輸機理的深入認知都是目前研究的熱點及關鍵。相關研究不僅涉及到傳統機械、能源動力學科，同時也高度依賴新型材料、新型探測技術的發展，多學科交叉互補將是固體蓄熱技術發展的重要方向。高效的原位檢測技術能夠獲得蓄熱裝置及材料內部的關鍵局部運行參數，對于深入探究能質傳輸機理至關重要。以新型傳感技術為例，近年來MEMS（微機電系統）迅速發展，基于MEMS技術的微型傳感器具有體積小、可嵌入度高、集成度高等優勢，可獲取蓄熱裝置內局部溫度、壓力、流速等關鍵參數［25］。此外，將實際裝置與在線獲取的關鍵參數進行一體化建模，是系統仿真的發展趨勢，其代表技術之一——數字孿生技術近年來嶄露頭角，受到了國內外學者與業界的普遍關注［26］。數字孿生技術通過將現實空間中的物理實體精確映射到數字虛體，可以對系統性能與運行進行精確預測，對于性能優化與運行管理具有重要意義。先進原位探測與系統建模技術將成為固體電蓄熱的相關機理及應用、裝置開發、系統集成等方面深入研究的重要方法。

2 國內外典型行業固體電蓄熱應用與經濟性

深入的經濟性評價和完善的商業運營模式對于固體電蓄熱相關技術和產業的長期健康發展至關重要。事實上由于固體電蓄熱技術所具備的能效高、體積小、儲熱量大和負荷調整靈活等優勢，目前在國內外均有不少典型的應用案例，包括太陽能與風電儲熱、紡織制造業儲熱以及電蓄熱供熱等領域。

2.1 國內典型行業固體電蓄熱應用與經濟性

2.1.1 可再生能源電儲熱領域

太陽能與風電作為可再生能源的代表，是解決當前能源危機和環境污染的理想能源，但是都表現出不穩定性，需要利用儲能裝置與之匹配，使其在能源富裕時儲存能量，在能源不足時釋放能量。

高嵩等［27］依托某100 MW熔融鹽塔式太陽能熱發電站的實際工程參數，模擬分析了采用不同儲熱時長對熔融鹽塔式太陽能熱發電站初投資成本、內部收益率和平準化度電成本的影響，研究指出：太陽倍數為2.6的前提下，最優儲熱時長12 h時，該熔融鹽塔式太陽能熱發電站具有合理的初始投資成本、較高的內部收益率和平準化度電成本。圍繞風電領域棄風棄電問題，葛維春等［28］研究了電儲熱消納棄風電量以及同等熱量下燃煤鍋爐的節煤效果，以某地區電網運行管理部門實際棄風數據為例，對于500 MW風電場、40萬m2供暖面積的供暖示范工程項目，研究發現通過使用60 MW的電儲熱鍋爐對棄風進行消納，可獲得1 680萬元的年均收益，節煤量超過2 000 t。張詩鉭等［29］研究棄風電量與儲熱容量的匹配關系，基于某省級電網連續5年實際運行案例進行分析，指出按照年棄風電量和總需求的百分比配置儲熱裝置的容量，比按照最大棄風功率和最大日棄風電量配置儲熱容量，更能高效利用儲熱裝置且更具有經濟性。

固體儲熱技術在可再生能源領域具有廣闊的應用前景。對于可再生能源，相應的固體儲熱技術應當充分考慮其時變性強、波動幅度大等特點，提高系統響應性以及在波動工況下的穩定性。另一方面，應當充分考慮光伏、光熱、風電場等發電位置的地理因素，根據不同的溫度、海拔、濕度等環境因素，因地制宜地設定固體蓄熱裝置各模塊的參數，提升其靈活性與適應性。

2.1.2 傳統工業儲熱領域

在傳統工業領域，高能耗用能工藝中的70%熱能由化石燃料提供，而隨著“雙碳”方案落實，工業領域高效、綠色、低碳轉型成為重中之重。同時，隨著各領域用能方式的改變，近年來夏季用電高峰出現嚴重赤字。以四川省為例，2022年夏季四川省出現大面積缺電現象，根據國家電網測算，用電缺口達10 GW。因此，固體蓄熱技術在高能耗傳統工業中的推廣應用迫在眉睫。

以典型制造業領域——針織業為例，袁黎等［30］分析了電蓄熱鍋爐技術在針織行業的應用及經濟效益?；谀翅樋棌S項目2020年9月—2021年1月共5個月的電鍋爐運行狀況，分析發現紡織廠5個月消耗總電量為482 722 kWh，其中低谷用電量接近90%。按照江蘇電價，1～10 kV大工業用電高峰時段、平時段和低谷時段電價分別為1.034 7元/kWh、0.606 8元/kWh和0.258 9元/kWh計算，電力蓄能技術的效益明顯。通過采用夜間儲存谷電、白天釋放儲存熱能的方法，可節約51.2%的成本。與傳統直熱式電鍋爐生產蒸汽方式和熱力管網供汽相比，電蓄熱技術可降低成本34%和10%以上，經濟效益顯著。

對于規?；a業節能，固體電蓄熱技術的成本是首要考慮因素，應最大限度提高裝機容量與電網端峰谷功率的匹配度和相容度?，F階段固體儲熱技術組件的加工與安裝成本在總成本中占比較高，但存在規?；?，即隨著儲熱容量不斷增大，單位成本顯著下降。與初期投資成本相比，儲熱技術的運維成本相對較低，這有利于儲熱技術在傳統工業中的應用。另一方面，在傳統電力系統中引入靈活的交易模式，可形成推動固體儲熱裝置在工業領域發展的一大助力。根據儲熱的相關政策、分時電價機制、電力市場機制、電網業務監管機制和應用場景等，目前可將固體蓄熱商業模式劃分為兩大類，分別為輸配電成本監管模式和競爭性業務模式。

在輸配電成本監管模式方面，目前研究報道較少。周賀璇等［31］以輸配電成本監管為切入點，基于國內外文獻分析，探討了輸配電成本監管的必要性和特殊性，結合國外輸配電成本監管體系的實踐經驗，提出完善我國輸配電成本監管體系的建議。王曉蕓等［32］考慮到電網經營企業成本監管與核算成本歸集口徑不一致導致信息反饋結果不同的情況，從監管和核算制度兩個層面的現狀和差異著手，對兩者之間的融合進行了相關研究，旨在滿足在當前形勢下的改革監管需求和會計制度核算要求。

在競爭性業務方面，南國良等［33］針對電網側儲能參與調峰輔助服務市場，提出了儲能參與輔助服務市場的交易模式及出清模型，以市場化方式進行出清，并結合我國現行調峰需求進行算例分析，為電網側儲能在電力系統中的商業化推廣應用提供參考。陳曉利等［34］基于熔鹽儲熱-換熱系統，提出了包含風、光、儲一體化的綜合智慧能源系統方案，開發了覆蓋電、熱、冷、水的分布式能源多聯供功能模塊，研究指出系統在分布式電站、工業園區、辦公樓宇等多場景應用模式下具備商業推廣價值，為熔鹽儲熱技術在供熱制冷領域、熱電解耦以及在綜合智慧能源系統中的推廣應用提供重要理論與技術支撐。整體上看，目前我國尚未形成關于儲熱的比較成熟的商業模式，潛在商業應用具有較大的探索空間。隨著未來商業模式的不斷發展，儲熱市場將迎來巨大的發展機遇。

2.1.3 電蓄熱供熱領域

在供熱領域，國內固體電蓄熱裝置多用于居民電采暖供熱，發展相對成熟。苗常海等［35］針對電采暖應用場景，采用臨界電價法分析典型蓄熱式電采暖項目經濟性，基于典型項目中市政采暖費用27元/m2、接口費70元/m2、利率6%、項目壽命期20年等參數，分析得出高溫固體蓄熱電鍋爐方案、電鍋爐和水蓄熱方案、電鍋爐和相變蓄熱方案的臨界低谷電價分別為0.301 5元/kWh、0.294 2元/kWh、0.244 2元/kWh，考慮到某地實際低谷電價0.280 2元/kWh，高溫固體蓄熱電鍋爐方案具備較好的經濟可行性。岳云力等［36］以張家口某醫院電蓄熱式清潔供熱改造工程為例，按照住院部樓面積約4萬m2、谷電8 h核算，分析表明固體電蓄熱可以大幅節約醫院的能源支出，投資回報率更高，維護簡單且占地面積更小，計算得到該項目使用固體電蓄熱的靜態投資回收年限6.7年。

針對固體蓄熱裝置的經濟性，近年來陸續開展了不少參數優化研究。圍繞儲熱裝置關鍵技術參數，趙永亮等［37］基于固體填料床的泵熱儲能系統，建立了詳細的熱力學數學模型和平準化儲能成本評價模型，開展不同工質、不同儲熱介質和不同設備設計參數的熱-經濟性分析，研究指出當泵熱儲能系統選取氦氣為工質、磁鐵礦為儲熱介質，最大蓄能溫度為850 K，裝置的做功部件多級效率為92%，填料床孔隙率為40%時，可獲得最小的平準化儲能成本0.210 8美元/kWh。邢作霞等［38］提出了電制熱固體儲熱裝置的投資費用和運行費用計算方法，分析不同供暖設備初始投資成本及運行成本，研究谷電利用系數對電制熱固體儲熱裝置投資運行經濟性的影響。研究表明：相比于其他清潔供暖方式，電制熱固體儲熱供暖機組具有較高經濟性與性價比；由于地域峰谷電價的差異性，不同地域谷電利用系數不同，如在遼寧地區，當谷電利用系數為0.85時，蓄熱裝置具有較高性價比。

隨著“雙碳”目標的推進，構建以新能源為主體的新型電力系統是實現各領域低碳綠色轉型的重要手段之一，固體電儲熱技術是新能源電力與供熱的紐帶，尤其是小型、獨立、孤島型分布式新能源消納與供熱場景，將成為未來清潔供暖發展的領域。

2.2 國外典型行業固體電蓄熱應用與經濟性

固體電蓄熱在國外也有不少典型的成功應用案例，并實現了較好的經濟效益。Bedouani等［39］對加拿大蒙特利爾地區6所房屋的4種不同存儲容量的蓄熱單元進行模擬研究，結果表明電蓄熱系統的投資回報時間為4～5年。此外，技術經濟模擬結果表明，使用100%或者80%名義規模的電蓄熱對投資回報幾乎沒有影響。Moffet等［40］使用一年內魁北克典型的家庭用電情況作為輸入信息，并考慮定期費率和使用時間費率，評價了使用集中電蓄熱系統代替常規電加熱系統的經濟效益，結果表明使用電蓄熱供暖系統每年可節省約15%的電費；此外，研究評估了電蓄熱對冬季用電高峰周配電變電站負荷曲線的影響，基于分時電價控制，電蓄熱系統的最大許可占比約為4%。

在整個歐洲，僅2022年歐洲電網規模的儲能需求同比增長97%，達到2.8 GW/3.3 GWh，這反映了儲能系統作為主流能源技術已經得到規?；瘧?。例如，瑞典能源公司Vattenfall目前正在建造據稱是歐洲最大的電蓄熱裝置，該設施位于柏林的600 MW路透西燃煤發電站，計劃于2023年4月上線啟用。

對于接入電網的系統性儲能工程而言，實現長期營利是其健康發展的前提。國外大型儲能資產在商業模式上率先進行了嘗試。以歐洲為例，商業電價收入仍然是歐洲電網規模儲能資產的主要收入來源。盡管在英國、德國、法國等國家已經建立了一系列大型儲能項目，然而保證其全壽命周期內的盈利能力仍然是巨大的挑戰。現有的商業模式依賴于不穩定的可再生能源電力和輔助市場電力價格，電力價格波動與儲能系統成本造價的提升都是潛在的市場風險。目前，輔助服務仍是電網規模的儲能項目的主要應用方向。

3 結語

1）固體電蓄熱材料在實際應用中應當充分考慮熱物性參數、穩定性、工藝性能及經濟性等因素，實現各方面平衡與兼顧，高儲熱能量密度、高蓄熱/放熱效率和高穩定性是新型固體蓄熱材料的發展趨勢。

2）在固體蓄熱裝置的性能提升方面，已取得理論研究、仿真及宏觀試驗的顯著成果，基于仿真模擬方法獲得了其內部的流場、溫度場等分布情況，通過測量換熱介質參數得到蓄/放熱量、系統效率等宏觀參數。同時，原位探測技術與仿真技術相結合的微觀測試方法，將成為優化蓄熱裝置結構、提升裝置效率的重要方法。

3）固體電蓄熱系統在國內外已有成功運行案例，在傳統工業制造業以及民用領域均存在廣闊的市場和發展前景。推動固體電蓄熱技術在新能源并網、傳統工業節能、民用供暖等方面的應用與普及，將極大促進我國新能源產業的迅速發展，助力實現“雙碳”戰略目標。同時，借鑒國外儲能參與的電力商業模式經驗，探索符合我國能源結構及電力系統特點的新型商業模式，有利于儲能行業的長期健康發展。