熱儲(chǔ)能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述

王 芳

(新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 昌吉 831100)

0 引言

隨著以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展,儲(chǔ)能成為清潔能源和可再生能源全面開(kāi)發(fā)與利用的關(guān)鍵技術(shù)。為新能源發(fā)電系統(tǒng)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效解決電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、電量平衡、可再生能源消納等領(lǐng)域的技術(shù)難題,在促進(jìn)能源變革和新的能源商業(yè)形態(tài)及商業(yè)模式發(fā)展方面起著重要作用。

《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中指出,要加大力度發(fā)展電源側(cè)新型儲(chǔ)能,因地制宜發(fā)展電網(wǎng)側(cè)新型儲(chǔ)能,合理疏導(dǎo)新型儲(chǔ)能成本,強(qiáng)化儲(chǔ)能前沿科技攻關(guān),實(shí)施科技創(chuàng)新示范工程[1]。本文分析了國(guó)內(nèi)外熱儲(chǔ)能的最新發(fā)展動(dòng)態(tài),重點(diǎn)介紹熔鹽儲(chǔ)熱和固體儲(chǔ)熱的典型應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展建議。

1 儲(chǔ)能分類(lèi)及特點(diǎn)

儲(chǔ)能可將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、動(dòng)能、電磁能、熱能等形態(tài)儲(chǔ)存,分為機(jī)械物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能及熱儲(chǔ)能,如表1所示。

抽水儲(chǔ)能在電站中配有上游和下游2個(gè)蓄水池,在用電低谷期抽水蓄能裝置工作在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),將下游蓄水池中的水抽到上游蓄水池中儲(chǔ)存;在用電高峰期抽水蓄能裝置工作在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),利用儲(chǔ)存在上游蓄水池中的水發(fā)電[2]。該技術(shù)已發(fā)展成熟,但在建造初期選址時(shí)對(duì)地形地貌要求嚴(yán)格,在施工時(shí)有一定的難度,建設(shè)周期長(zhǎng),資源總量不足以支撐“雙碳”需求。

壓縮空氣儲(chǔ)能是將剩余電能用于壓縮空氣,將空氣高壓密封在地下儲(chǔ)能系統(tǒng)中,如廢棄礦井、天然洞穴中,在用電高峰期通過(guò)高壓空氣膨脹做功來(lái)發(fā)電[3]。該技術(shù)安全系數(shù)高,成本低于抽水儲(chǔ)能,但能量密度低、效率低。

飛輪儲(chǔ)能是利用剩余電能驅(qū)動(dòng)飛輪快速旋轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能儲(chǔ)存,在用電高峰期通過(guò)飛輪慣性帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,將儲(chǔ)存動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?供給外部負(fù)荷[4]。該技術(shù)要求空載損耗率非常小,功率密度高、響應(yīng)速度快,但成本高,現(xiàn)處于示范項(xiàng)目階段,未來(lái)應(yīng)用有待突破。

鋰離子電池儲(chǔ)能利用Li+向正極或負(fù)極遷移實(shí)現(xiàn)充放電[5]。該技術(shù)能量密度高、技術(shù)成熟、安裝維護(hù)工作量小,但安全性方面仍需進(jìn)一步提升。

液流電池儲(chǔ)能主要由電解液罐、電堆、泵等組成,利用電解液流過(guò)電池正負(fù)極表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能功能[6]。該技術(shù)配置靈活、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性高,但造價(jià)成本高。

鉛炭電池儲(chǔ)能是在傳統(tǒng)的鉛酸電池負(fù)極中添加活性炭,使鉛酸電池和超級(jí)電容器技術(shù)合二為一,可以有效提高鉛酸電池使用壽命[7]。該技術(shù)充放電速度快、壽命長(zhǎng),但售價(jià)比鉛酸電池高。

氫儲(chǔ)能是利用多余電能制氫,將氫能儲(chǔ)存,需要時(shí)利用燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能,再反饋到電網(wǎng)[8]。該技術(shù)成本高、整體效率低,但無(wú)污染,未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。

超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能是將電磁能直接儲(chǔ)存在超導(dǎo)線(xiàn)圈中,需要時(shí)再將電磁能反饋到電網(wǎng)[9]。該技術(shù)充放電速度快、功率密度高,但使用的材料價(jià)格昂貴、成本較高。

超級(jí)電容器儲(chǔ)能根據(jù)電化學(xué)雙電層理論設(shè)計(jì)[10],該技術(shù)使用壽命長(zhǎng)、充放電速度快、效率高,但儲(chǔ)存能量較少、投資成本高,并有一定的自放電率。

2 熱儲(chǔ)能重要性

熱儲(chǔ)能是儲(chǔ)能中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一,以各種儲(chǔ)熱材料為介質(zhì),將太陽(yáng)光熱、地?zé)帷⒐I(yè)回收的余熱、生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能儲(chǔ)存,或者將剩余電能轉(zhuǎn)換為熱能儲(chǔ)存,需要時(shí)再釋放出來(lái)。該技術(shù)可以有效解決熱能供給和需求不匹配的問(wèn)題,提高系統(tǒng)能源利用率。熱儲(chǔ)能儲(chǔ)放過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)、技術(shù)參數(shù)及過(guò)程可控、系統(tǒng)安全性高及儲(chǔ)能密度高,可用于以清潔能源和新能源為主的新型電力系統(tǒng),通過(guò)大容量?jī)?chǔ)熱可以實(shí)現(xiàn)熱電解耦,增加火電機(jī)組靈活性,還可以消納間歇性、隨機(jī)性、波動(dòng)性的新能源裝機(jī)出力,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷移峰填谷的作用。此外,熱儲(chǔ)能還可應(yīng)用在太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)中,將夏天的太陽(yáng)光熱儲(chǔ)存,用于冬天供暖使用,實(shí)現(xiàn)“零碳供熱”。

3 新型電力系統(tǒng)的熱儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)熱可分為顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱。其中,顯熱儲(chǔ)熱是利用介質(zhì)溫度變化過(guò)程中吸收與釋放熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)放,該技術(shù)成熟度高、價(jià)格低、應(yīng)用廣泛;相變儲(chǔ)熱是目前研究熱點(diǎn),是利用介質(zhì)物態(tài)變化過(guò)程中吸收和釋放的大量潛熱來(lái)儲(chǔ)放熱能;熱化學(xué)儲(chǔ)熱尚處于研究階段,是利用介質(zhì)在接觸時(shí)發(fā)生的可逆化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)放。

3.1 熔鹽儲(chǔ)熱

熔鹽是一種導(dǎo)熱介質(zhì),為在標(biāo)準(zhǔn)溫度和大氣壓下呈固態(tài),溫度升高后呈液態(tài)的鹽類(lèi)。通過(guò)對(duì)熔鹽進(jìn)行加熱、升溫、取熱、降溫的一系列操作實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)放,屬于顯熱儲(chǔ)熱和相變儲(chǔ)熱的結(jié)合,該技術(shù)傳熱性能好、穩(wěn)定性好、儲(chǔ)熱密度高、系統(tǒng)安全可靠,可廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電、火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻、供暖與余熱回收利用等領(lǐng)域[11]。

電網(wǎng)側(cè)熔鹽儲(chǔ)能由于規(guī)模較大,可儲(chǔ)存棄風(fēng)電力、棄光電力和低谷電力,進(jìn)行新能源消納,提高電廠靈活性;用戶(hù)側(cè)可直接參與清潔供熱和工業(yè)供汽。經(jīng)過(guò)光熱電站配套儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場(chǎng)培育,熔鹽儲(chǔ)熱現(xiàn)已發(fā)展成熟。

該技術(shù)已成功應(yīng)用于天圣集團(tuán)綠電熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目,為全國(guó)首例將谷電轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存,在峰電時(shí)再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目,是規(guī)模化熔鹽儲(chǔ)能在用戶(hù)側(cè)的示范性探索。熔鹽儲(chǔ)能可在低谷時(shí)段消納富余電能,尖、高峰時(shí)段對(duì)外供熱、供電,為保障民生可靠用電安上“雙保險(xiǎn)”。

3.2 固體儲(chǔ)熱

固體儲(chǔ)熱屬于顯熱儲(chǔ)熱,包括基巖儲(chǔ)熱、硅儲(chǔ)熱、鋼儲(chǔ)熱、混凝土儲(chǔ)熱和巖石儲(chǔ)熱等。

a.基巖儲(chǔ)熱

基巖儲(chǔ)熱是在地下的基巖上埋管敷設(shè)換熱器,將太陽(yáng)能集熱器捕捉到的熱量?jī)?chǔ)存在基巖中,通過(guò)循環(huán)流體與土壤換熱,實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和提取[12]。適用于大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間、季節(jié)性?xún)?chǔ)能,可有效解決太陽(yáng)能季節(jié)性差異問(wèn)題,提高太陽(yáng)能利用率[13]。該技術(shù)已成功應(yīng)用于廣州南沙“多位一體”微能源網(wǎng)示范項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首套基巖儲(chǔ)能系統(tǒng)在跨季節(jié)儲(chǔ)能上的應(yīng)用。

b.硅儲(chǔ)熱

硅是儲(chǔ)量第二多的元素,因?yàn)閮?chǔ)量大所以?xún)r(jià)格便宜,該技術(shù)是用熔點(diǎn)高達(dá)1414 ℃的熔融硅儲(chǔ)存間歇性的可再生能源的熱量,儲(chǔ)存溫度比鹽高得多,容量和效率更高。但純硅特性是在熔化時(shí)體積縮小、凝固時(shí)體積膨脹,對(duì)此需要研發(fā)出限制體積膨脹的相變材料,從而增加潛熱值降低熔點(diǎn)。

澳大利亞1414 Degrees公司正在開(kāi)發(fā)以熔融硅為主要材料的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)SiBox,該系統(tǒng)由存儲(chǔ)介質(zhì)的模塊、加熱元件和熱交換器等組成,用熱空氣形式回收儲(chǔ)存熱能,SiBox從電網(wǎng)吸收低成本的可再生能源,將其作為熱能存儲(chǔ)在硅存儲(chǔ)介質(zhì)SiBrick中。與其他相變材料相比,硅的能量密度高、占地面積小,不需要恒定的輸入功率,使其成為替代化石燃料的理想材料之一。

c.鋼儲(chǔ)熱

鋼儲(chǔ)熱核心模塊由結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)成,該技術(shù)可將剩余的、波動(dòng)性的風(fēng)電和光電儲(chǔ)存為熱能。該熱能既可用于工業(yè)高溫蒸汽,也可用在區(qū)域供熱中。

德國(guó)Lumenion公司生產(chǎn)的以鋼制儲(chǔ)存模塊為核心的高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)(thermal energy storage,TES),可同時(shí)充電和放電,具有極高的效率。在非用電高峰期時(shí),電阻加熱器將電能轉(zhuǎn)化為熱能,通過(guò)氣體回路傳遞到鋼金屬存儲(chǔ)單元。鋼金屬可加熱到600 ℃,并且每天能量損失不足1%,熱能幾乎可以完全回收利用,具有很高的剩余價(jià)值。儲(chǔ)存的熱能可在需要時(shí)釋放,除了滿(mǎn)足峰值需求還可作為備用系統(tǒng)使用。

d.混凝土儲(chǔ)熱

混凝土儲(chǔ)熱以混凝土為主要材料構(gòu)成,該技術(shù)材料成本低、儲(chǔ)熱性能好,是太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的理想儲(chǔ)熱介質(zhì)之一[14]。

混凝土儲(chǔ)熱是冷熱流體交替的周期性循環(huán)儲(chǔ)熱系統(tǒng),在混凝土中安裝金屬管作為傳熱流體管道。在吸熱階段熱流體加熱儲(chǔ)熱體,混凝土儲(chǔ)熱;在放熱階段冷流體流過(guò)儲(chǔ)熱體,混凝土放熱。

北京兆陽(yáng)光熱技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的混凝土熱儲(chǔ)能系統(tǒng)由配方混凝土、換熱管道、保溫系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)耐高溫、安全可靠、低成本、無(wú)污染、模塊化結(jié)構(gòu)、無(wú)易燃易爆。由該公司承建的華強(qiáng)兆陽(yáng)張家口1號(hào)15 MW光熱電站采用混凝土儲(chǔ)能,該項(xiàng)目成功投運(yùn)標(biāo)志著大規(guī)模儲(chǔ)能輸出穩(wěn)定可靠的平價(jià)清潔能源時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

e.巖石儲(chǔ)熱

巖石儲(chǔ)熱是一種高溫?zé)崮艽鎯?chǔ)技術(shù),采用價(jià)格便宜、易于獲取且潔凈環(huán)保的固態(tài)碎石為原料,將熱能儲(chǔ)存在固態(tài)碎石中。

以色列Brenmiller Energy公司生產(chǎn)制造的bGen采用巖石儲(chǔ)熱,該技術(shù)能夠存儲(chǔ)多種形式的熱或電,分為電源充電和熱源充電。用電低谷時(shí),光電和風(fēng)電產(chǎn)生的剩余電力可以為bGen充電,嵌入式電加熱器再將電輸入轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崮軆?chǔ)存,這是電源充電過(guò)程。熱源充電過(guò)程是將工業(yè)余熱,生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能或其他熱源給bGen充電,將熱量?jī)?chǔ)存在bGen TM模塊化的子單元中,并根據(jù)需要提供水蒸氣或熱空氣。這種可持續(xù)的TES產(chǎn)品能夠降低發(fā)電廠、制造業(yè)和商業(yè)設(shè)備的碳排放,稱(chēng)為無(wú)碳熱儲(chǔ)存,可以無(wú)限循環(huán)使用30年,其性能不會(huì)下降。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,熱儲(chǔ)能技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣、綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定等特點(diǎn),不僅用于太陽(yáng)能熱發(fā)電、火電機(jī)組改造,還可通過(guò)回收余熱實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)熱,夏儲(chǔ)冬用,解決季節(jié)供需不平衡的問(wèn)題。將風(fēng)電、光電、光熱、熱泵等多種能源有機(jī)耦合,實(shí)現(xiàn)能源的長(zhǎng)期高效儲(chǔ)存,達(dá)到最優(yōu)化清潔供熱供電的目的。未來(lái),熱儲(chǔ)能技術(shù)將繼續(xù)朝著高效率、低成本、安全性能高、長(zhǎng)壽命、規(guī)模化方向發(fā)展,助力形成以電能為核心、多種能源為一體的能源互聯(lián)網(wǎng),為大型可再生能源消納和一體化能源服務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。