姚文卓，章 康，陳夢東，馬美秀，康 偉，陳思藝，韓高巖

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

0 引言

新型儲能技術(shù)是我國早日實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐，發(fā)展新型儲能技術(shù)既是發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)、完善新能源生態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是深化能源結(jié)構(gòu)改革的必由之路［1-3］。在眾多新型儲能技術(shù)中，儲熱技術(shù)在電網(wǎng)系統(tǒng)中極具應(yīng)用潛力，具有削峰填谷、緩解新能源并網(wǎng)波動、調(diào)控電能品質(zhì)等優(yōu)勢，同時由于其響應(yīng)速度快（可達(dá)分鐘級，能夠?qū)崿F(xiàn)與大多數(shù)發(fā)電系統(tǒng)功率和能量的快速轉(zhuǎn)移）、建設(shè)成本低，因而得到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注［4-9］。儲熱容量的大小對電網(wǎng)系統(tǒng)的綜合效益起著重要作用。對于熱電廠，儲熱容量不足削弱了調(diào)峰能力，儲熱容量過大則造成浪費，因此有必要探究儲熱容量與電網(wǎng)調(diào)峰之間的平衡關(guān)系［10-12］。此外，儲熱技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)峰的商業(yè)模式也是影響儲熱技術(shù)推進(jìn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此本文從儲熱技術(shù)的分類、原理及特點，國內(nèi)外應(yīng)用實例，關(guān)鍵性能指標(biāo)，潛在商業(yè)模式等方面進(jìn)行歸納總結(jié)，為儲熱技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用推廣及特色工藝的熱用戶適應(yīng)性提升提供建議與參考。

1 儲熱系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)峰典型形式

儲熱技術(shù)是指利用蓄熱材料為媒介，將太陽能光熱、電制熱、工業(yè)余熱、低品位廢熱等熱能儲存起來，在需要的時候直接利用或者轉(zhuǎn)化為電能，最大限度地提高整個系統(tǒng)的能源利用率［13］。熱能儲存根據(jù)儲熱原理的不同，主要分為顯熱儲熱、相變儲熱和化學(xué)能儲熱三大類，如圖1所示。

1.1 顯熱儲熱技術(shù)原理及特點

顯熱儲熱技術(shù)的熱能儲存是通過對儲熱材料進(jìn)行加熱，使其溫度升高，導(dǎo)致熱能增加；而當(dāng)需要利用顯熱儲熱時，儲熱材料通過降低溫度釋放儲存的能量來實現(xiàn)。在利用顯熱的過程中，儲熱材料的物質(zhì)形態(tài)保持不變，自身只發(fā)生溫度的改變，存儲量的大小取決于儲熱材料的密度和比熱容，儲熱量的計算公式如式（1）所示。

式中：Q為儲熱材料的儲熱量；CP為儲熱材料的恒壓比熱容；m為儲熱材料的質(zhì)量；TH為使用過程中的最高溫度；TL為使用過程中的最低溫度。

顯熱儲熱按照材料的物態(tài)特性一般分為固態(tài)儲熱和液態(tài)儲熱。固態(tài)儲熱常見儲熱材料包括巖石、混凝土、陶瓷、鑄鐵和硅磚等［14］。液態(tài)儲熱常見材料包括水、熔鹽、導(dǎo)熱油、液態(tài)金屬等［15］。

由于顯熱儲熱操作簡單，技術(shù)成熟，成本較低，是目前儲熱技術(shù)中實際應(yīng)用最為廣泛的一種。但是，顯熱儲熱通常儲熱密度低，使得儲熱時間短，同時由于放熱過程中溫度連續(xù)變化，導(dǎo)致溫度波動范圍較大，為了提高儲熱量，儲熱系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模龐大，從而限制了其大規(guī)模應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段顯熱儲熱技術(shù)多用于太陽光熱發(fā)電、小型工業(yè)設(shè)備余熱回收等領(lǐng)域。研發(fā)具有高熱容、高導(dǎo)熱系數(shù)、儲放熱溫度穩(wěn)定的新型顯熱材料將是顯熱技術(shù)的重點發(fā)展方向。

1.2 相變儲熱技術(shù)原理及特點

相變儲熱技術(shù)是利用儲熱材料在物質(zhì)的相態(tài)發(fā)生變化過程中，吸收或釋放大量潛熱以實現(xiàn)熱量儲存和釋放的技術(shù)，也稱為潛熱儲熱技術(shù)。與顯熱儲熱相比，該技術(shù)具有儲熱能量密度高、相變過程溫度近乎恒定的優(yōu)點［16］。其儲熱量的計算公式如式（2）所示。

式中：Q為儲熱材料的儲熱量；Cps為儲熱材料固態(tài)的恒壓比熱容；Cpl為儲熱材料液態(tài)的恒壓比熱容；m為儲熱材料的質(zhì)量；Tm為儲熱材料的相變溫度；TH為使用過程中的最高溫度；TL為使用過程中的最低溫度；ΔHm為儲熱材料的相變潛熱。

從相變方式進(jìn)行分類，相變儲熱可分為固-液、固-固、固-氣、液-氣等方式。其中固-氣、液-氣方式雖然相變潛熱大，但因為氣體膨脹所需體積較大，對系統(tǒng)構(gòu)建要求較高。在實際應(yīng)用中，以固-液與固-固方式為主。固-液相變通過相變材料熔化進(jìn)行儲熱，通過材料凝固進(jìn)行放熱。固-固相變則利用相變過程中材料分子晶體結(jié)構(gòu)有序-無序之間的可逆轉(zhuǎn)變來進(jìn)行儲熱與放熱。按照相變材料類型進(jìn)行劃分，可以分為無機(jī)熔融鹽、合金、有機(jī)以及復(fù)合等4類［17］。

一般而言，相變儲熱材料通常具有以下優(yōu)點：

1）優(yōu)異的熱力學(xué)特性，具有較高的相變焓值，較大的熱導(dǎo)率和合適的相變溫度。

2）良好的物理加工特性，相變前后組分相同且體積變化較小。

3）穩(wěn)定的化學(xué)特性，無毒，不燃燒和不爆炸。

4）較高的經(jīng)濟(jì)性，來源廣泛且價格低廉。

目前，以相變材料為基礎(chǔ)的相變儲熱技術(shù)在建筑節(jié)能、太陽能熱水系統(tǒng)、工業(yè)廢/余熱回收利用和冷鏈物流及食品干燥等領(lǐng)域得到了具體應(yīng)用。在相變儲熱技術(shù)實際應(yīng)用過程中，仍然存在工作溫度低、熱損失大和泄漏腐蝕問題需要進(jìn)一步克服。新型高溫相變固體儲熱材料，具有較高儲熱溫度、無泄漏、安全性高、易于集成等優(yōu)勢。然而在大功率、高電壓運行工況下，裝置單元絕緣問題仍然是實際工程應(yīng)用中的關(guān)鍵瓶頸。相變儲熱技術(shù)有望向高溫、高儲熱密度儲熱材料和高壓大功率電網(wǎng)消納的儲熱裝置發(fā)展，進(jìn)而推廣至高產(chǎn)量、高品位能源消耗的用戶，實現(xiàn)綠色能源替代。

1.3 化學(xué)能儲熱技術(shù)原理及特點

化學(xué)能儲熱技術(shù)是利用儲熱材料的可逆熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行熱量儲存和釋放的技術(shù)。在吸熱反應(yīng)階段，儲熱材料通過吸收熱能來打破自身化學(xué)鍵進(jìn)行熱量儲存，同時轉(zhuǎn)化為其它的物質(zhì)；而在放熱反應(yīng)階段，儲熱材料以其它物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行接觸反應(yīng)，在產(chǎn)生儲熱材料本身的同時，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能釋放。儲熱量的計算公式如式（3）所示。

式中：Q為儲熱材料的儲熱量；α為儲熱材料的轉(zhuǎn)化系數(shù)；m為儲熱材料的質(zhì)量；ΔHr為儲熱材料的反應(yīng)熱。

化學(xué)能儲熱材料按照工作溫度，分為中、低溫?zé)峄瘜W(xué)儲熱材料和高溫?zé)峄瘜W(xué)儲熱材料。其中，中、低溫?zé)峄瘜W(xué)體系以水合鹽的熱分解為主，多適用于建筑采暖、結(jié)構(gòu)緊湊的跨季節(jié)儲熱［18］；高溫?zé)峄瘜W(xué)材料可分為金屬氫氧化物和氫化物體系、有機(jī)物體系、氨分解體系和碳酸鹽體系等［19］。

綜合而言，相比顯熱儲熱和相變儲熱，化學(xué)能儲熱的能量儲存密度最高，可以在環(huán)境溫度下進(jìn)行無損或低損儲存，且便于熱能的長期存儲，適用于大規(guī)模太陽能及發(fā)電廠峰谷負(fù)荷調(diào)節(jié)。然而其反應(yīng)速率難以控制，儲熱效率低，壽命較短且成本較高，目前還處于實驗室研究開發(fā)階段。隨著技術(shù)不斷發(fā)展成熟，化學(xué)儲熱將有望替代現(xiàn)有儲熱手段，在動力裝置、武器裝備、大功率電子元器件、航空航天等領(lǐng)域的余熱回收與熱管理方面極具應(yīng)用前景。

上述儲熱形式中，顯熱儲熱的技術(shù)最成熟，但儲熱量小且放熱時不恒溫，限制了其未來應(yīng)用前景。相變儲熱具有單位體積儲熱密度大的優(yōu)點，且在相變溫度范圍內(nèi)具有較大能量的吸收和釋放，但其儲熱介質(zhì)一般有過冷、相分離和導(dǎo)熱系數(shù)較小、易老化等缺點。熱化學(xué)反應(yīng)儲熱的儲能密度比顯熱儲熱和相變儲熱都高，但應(yīng)用技術(shù)和工藝太復(fù)雜，反應(yīng)條件苛刻，儲能體系壽命短、儲能材料對設(shè)備的腐蝕性大，并且一次性投資大，如能很好地解決這幾方面的問題，則其應(yīng)用前景廣闊［20］。

2 國內(nèi)外儲熱技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)峰現(xiàn)狀

2.1 儲熱參與電網(wǎng)調(diào)峰技術(shù)特點

儲熱技術(shù)將電能存儲于蓄熱材料內(nèi)，電力輸出取決于儲熱裝置儲熱容量，而儲熱裝置釋熱過程根據(jù)熱用戶的需求而定，完成了電、熱在時間與空間上隔離，實現(xiàn)了分鐘級甚至小時級電熱錯峰響應(yīng)，為新能源電力消納、高峰電力短缺提供了空間橋梁，加快推動清潔能源在各領(lǐng)域用熱工藝中的替代步伐。

2.2 儲熱參與電網(wǎng)調(diào)峰相關(guān)研究

國內(nèi)研究者們已經(jīng)對不同儲熱技術(shù)參與電力系統(tǒng)調(diào)峰的問題進(jìn)行了深入的研究。目前儲熱技術(shù)主要用于耦合熱電廠機(jī)組運行，提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力。通過不同模型或者算法分析優(yōu)化儲熱體系、協(xié)同熱電機(jī)組運行調(diào)峰在諸多模擬中都有報道。李平等［21］針對供熱期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”運行模式導(dǎo)致的電熱耦合運行約束，造成系統(tǒng)調(diào)峰能力不足的問題，提出了一種利用熱網(wǎng)儲熱與建筑儲熱解耦電熱聯(lián)合運行策略，提升了電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力；呂泉等［22］提出了配置儲熱來提高熱電廠機(jī)組調(diào)峰能力的消納方案，結(jié)果表明機(jī)組調(diào)峰能力取決于儲熱機(jī)組所承擔(dān)的熱負(fù)荷水平與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的最大供熱水平對比關(guān)系。王耀函等［23］采用圖解法，分析了儲熱罐與供熱機(jī)組的熱力學(xué)特性和機(jī)組運行特性，揭示了儲熱罐儲熱流量范圍與供熱機(jī)組調(diào)峰區(qū)間的匹配關(guān)系，證明了含儲熱罐供熱機(jī)組可以提高其自身調(diào)峰能力；鄧拓宇等［24］利用城市供熱管網(wǎng)儲熱，提出了一種帶供熱前饋的供熱機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案，仿真結(jié)果表明利用熱網(wǎng)蓄熱有效減少了供熱機(jī)組機(jī)前壓力波動，從而提高了機(jī)組參與調(diào)峰調(diào)頻的能力。崔楊等［25］基于火電機(jī)組向下調(diào)峰與儲熱特性對儲熱系統(tǒng)容量配置的影響，提出了一種光熱電站儲熱容量配置方法，實現(xiàn)了低成本火電機(jī)組調(diào)峰；李峻等［26］提出了在傳統(tǒng)的“鍋爐-汽機(jī)”熱力系統(tǒng)中嵌入大容量高溫熔鹽儲熱系統(tǒng)，削弱原本剛性聯(lián)系的“爐機(jī)耦合”，實現(xiàn)火電機(jī)組深度調(diào)峰。

國外儲熱供熱在電網(wǎng)調(diào)峰中應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。Haeseldonckx 等人［27］就儲熱裝置對供熱機(jī)組運行及其二氧化碳排放量的影響開展了相關(guān)模擬研究；Khan 等人［28］研究指出，供熱機(jī)組和儲熱裝置耦合可以充分利用機(jī)組的余熱，降低系統(tǒng)能耗，并證明儲熱裝置在機(jī)組運行中“移峰填谷”的可行性；Fragaki 等人［29］就供熱機(jī)組和儲熱裝置之間容量匹配開展研究，并分析了該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；Tveit等人［30］基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，分析了耦合儲熱裝置-供熱機(jī)組耦合后，區(qū)域熱網(wǎng)中供熱機(jī)組的長期運行情況。

2.3 儲熱參與電網(wǎng)調(diào)峰相關(guān)工程介紹

在基礎(chǔ)研究和試驗驗證基礎(chǔ)上，國內(nèi)外采用儲熱技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)峰已有相關(guān)工程應(yīng)用。

全球大部分大型儲熱技術(shù)設(shè)施的裝機(jī)主要來自歐洲。2009年3月，西班牙Andasol槽式光熱發(fā)電成為全球首個成功運行配置熔鹽儲熱系統(tǒng)的商業(yè)化CSP（聚光太陽能熱發(fā)電廠）電站［31］。Highview Power（高瞻公司）于2018年在英國曼切斯特完成了試商用液體空氣儲能電站（5 MW/15 MWh）的建設(shè)，并于2022年在英格蘭北部竣工世界首套商用級液態(tài)空氣儲能電站（50 MW/250 MWh）［15］。

在我國，儲熱技術(shù)在調(diào)峰工程上已有初步應(yīng)用。如華電昌吉熱電廠輔助調(diào)峰服務(wù)項目，是目前我國單機(jī)裝機(jī)規(guī)模最大的調(diào)峰儲熱項目，其中高壓固體電蓄熱項目的建設(shè)，將有效促進(jìn)新能源的消納，有效解決冬季供熱電廠的調(diào)峰需求；內(nèi)蒙古通遼霍林河坑口發(fā)電公司電儲熱調(diào)峰項目達(dá)到世界領(lǐng)先水平，在供熱期內(nèi)，當(dāng)用電需求下降，電網(wǎng)無法消納風(fēng)、光等新能源發(fā)電量時，電廠投入電鍋爐及儲熱罐運行，將電能轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行存儲，以降低火電機(jī)組的上網(wǎng)電量，儲熱水罐在供熱負(fù)荷高峰期對外供熱。借鑒國外儲熱供熱參與電網(wǎng)調(diào)峰技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)儲熱協(xié)同電網(wǎng)調(diào)峰技術(shù)將朝著多因素和全方位考慮方向發(fā)展，更充分考慮碳排放、新能源結(jié)合、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及長周期運行等影響因素。此外，隨著不同儲熱技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)峰示范工程的遞增，各種儲熱技術(shù)優(yōu)勢與劣勢更加凸顯，混合儲熱系統(tǒng)將是未來耦合電網(wǎng)調(diào)峰的主力。

3 儲熱技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)峰的關(guān)鍵性指標(biāo)

與其他儲熱場景相比，參與電網(wǎng)調(diào)峰的儲熱技術(shù)面臨功率大、波動性強(qiáng)、長時間運行等特殊工況。在這種情況下，儲熱材料與裝置首先應(yīng)具備出色的安全性與穩(wěn)定性，以保證長時間運行過程中的可靠性。其次，儲熱/放熱容量與功率需要與電網(wǎng)運行功率高度匹配，以實現(xiàn)高效能量儲存與釋放。此外，電網(wǎng)儲熱系統(tǒng)體量大，其成本與經(jīng)濟(jì)性直接影響其規(guī)?；瘧?yīng)用。圍繞上述問題，本文針對各個關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行逐一梳理與探究，并提出相關(guān)建議。

3.1 安全性

儲熱技術(shù)的安全性包括：材料安全、裝置系統(tǒng)設(shè)計安全和預(yù)警系統(tǒng)等。儲熱材料尤其是相變儲熱材料，在高溫以及變溫工況下的安全穩(wěn)定性，對整個儲熱系統(tǒng)至關(guān)重要。以相變?nèi)廴邴}為例，當(dāng)前研究較多的包括硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽等［32］。不同的鹽類在運行過程中存在凍結(jié)、粘結(jié)、腐蝕等問題。與相變材料相比，顯熱儲熱材料相對較為安全?；瘜W(xué)儲熱材料目前尚未大規(guī)模應(yīng)用，但可以預(yù)見其化學(xué)腐蝕、穩(wěn)定性、密封性等問題將是規(guī)?；こ虘?yīng)用的主要限制因素。

在裝置層面，高效緊湊的儲熱裝置是提高蓄熱、放熱效率的關(guān)鍵。一方面，需要考慮介質(zhì)密閉性、絕熱層設(shè)計、機(jī)械強(qiáng)度等因素。另一方面，裝置構(gòu)型和布置方式?jīng)Q定了裝置內(nèi)的流動傳熱特性，直接決定了蓄、放熱性能。目前，儲熱裝置的構(gòu)型包括填充床式、管殼式、板式等結(jié)構(gòu)。其中，填充床式結(jié)構(gòu)簡單，具有較大的換熱面積和較高的換熱效率，然而其內(nèi)部流動傳熱過程比較復(fù)雜［33-34］。管殼式是傳統(tǒng)工業(yè)換熱器常見的設(shè)計結(jié)構(gòu)，如何提高其傳熱性能是主要挑戰(zhàn)，目前研究主要集中在流場與傳熱性能優(yōu)化上［35-37］。板式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、熱損失小、傳熱系數(shù)較高等優(yōu)勢。但同時也存在易阻塞、難以密封及維護(hù)清理等問題［38-39］。盡管研究者們對于不同形式的換熱裝置開展了大量研究，然而對于裝置安全性、耐久性、可靠性研究相對匱乏，對于內(nèi)部運行過程仍以數(shù)值模擬研究為主［40-41］。未來研究應(yīng)關(guān)注先進(jìn)原位檢測技術(shù)，以獲得精確的瞬態(tài)局部運行參數(shù)。

在檢測與預(yù)警層面，現(xiàn)有的儲熱技術(shù)還不具備基于流程的完整預(yù)警檢測系統(tǒng)。隨著原位傳感技術(shù)以及數(shù)字孿生等新技術(shù)的迅速發(fā)展，未來將有望在系統(tǒng)建?；A(chǔ)上，結(jié)合實時檢測反饋與虛擬運行系統(tǒng)，對關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵零部件實施實時監(jiān)控，實時掌握系統(tǒng)運行狀況，進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性與可靠性。

3.2 性能匹配

儲熱技術(shù)的儲存-釋放能量速率能否與電網(wǎng)設(shè)備匹配是能否實現(xiàn)高效率調(diào)峰的關(guān)鍵［42］。對于我國的能源結(jié)構(gòu)而言，以燃煤發(fā)電為代表的火電在很長一段時間內(nèi)仍將占據(jù)主導(dǎo)地位，因此以燃煤發(fā)電-儲熱耦合技術(shù)的系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。Li等［43］對600 MW 超臨界燃煤機(jī)組中的相變儲熱裝置在不同儲熱策略和不同放熱策略下的調(diào)峰能力進(jìn)行了分析。龐力平等［43］模擬研究了高溫熔融鹽儲熱-放熱過程對二次再熱機(jī)組、鍋爐、汽輪機(jī)負(fù)荷的響應(yīng)特性。對于性能匹配的相關(guān)研究，目前多以數(shù)值模擬為主，電熱綜合調(diào)度模型中，風(fēng)、光、水等可再生能源的預(yù)測模型需進(jìn)一步精確優(yōu)化。Zhang等人［44］提出一種基于機(jī)組組合的電力系統(tǒng)時序仿真改進(jìn)方法，用于評估內(nèi)蒙古西部地區(qū)抽水蓄能和電儲熱的潛在效益。Nielsen 等人［45］利用一個兩階段隨機(jī)規(guī)劃策略，對丹麥能源系統(tǒng)中電儲熱和熱泵的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行評估，得出不同容量、效率、電力市場價格因素影響電儲熱和熱泵盈利能力，需在投資建設(shè)前對其進(jìn)行詳細(xì)的評估。

由于可再生能源并網(wǎng)存在波動性強(qiáng)、不確定高等特點，因此預(yù)測端誤差對儲熱系統(tǒng)的運行方式影響較大。我國幅員遼闊，各地區(qū)情況差異大，不同地域的可再生能源電功率預(yù)測模型需要經(jīng)過多種不同的場景驗證，才能有效減小預(yù)測過程中產(chǎn)生的誤差，從而提升儲熱系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的匹配度，提高系統(tǒng)運行效率。

3.3 耐久性和可靠性

儲熱技術(shù)應(yīng)用過程中影響裝置性能的最主要指標(biāo)是儲熱材料。其中，儲熱材料的耐久性尤為重要。耐久性是指儲熱材料在多次儲熱和放熱循環(huán)后保持儲熱性能的能力。以儲熱量較大的相變儲熱材料為例，可靠的復(fù)合相變技術(shù)、高效的傳熱強(qiáng)化技術(shù)、提高儲熱材料高溫及循環(huán)穩(wěn)定性等方面是未來的主要研究方向。然而，泄漏、腐蝕、受潮、過冷、相分離等問題是制約儲熱發(fā)展的瓶頸［46］，亟待通過開發(fā)新型材料、新型換熱結(jié)構(gòu)裝置來解決上述問題。此外，相應(yīng)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)早日指定，這對于行業(yè)的發(fā)展與儲熱技術(shù)在電力行業(yè)中的大規(guī)模推廣具有重要意義。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

儲熱技術(shù)的綜合成本主要包括儲熱材料、儲熱系統(tǒng)輔助設(shè)備及運行成本等，因供熱用戶、儲熱材料不同差異較大。儲熱系統(tǒng)的成本包括儲熱材料、裝置設(shè)備以及運營成本等，對儲熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評估主要根據(jù)其在特定場景下的運行應(yīng)用情況而定，包括儲熱-放熱循環(huán)次數(shù)和頻率。對儲熱材料與裝置而言，不同的儲熱技術(shù)由于其自身技術(shù)特點，其成本構(gòu)成也不盡相同。以顯熱儲熱技術(shù)中的熔鹽儲熱為例，其主要成本包括：熔鹽材料價格、儲熱罐體管道等主要零部件、建設(shè)維護(hù)費用等。對相變儲熱技術(shù)而言，相變換熱器和相變材料占據(jù)了總裝置成本的80%。研發(fā)新型儲熱材料與換熱裝置是提高系統(tǒng)能效與降低成本的直接手段。

另一方面，不同的運行模式帶來不同的運營成本，其經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)也不盡相同。張紅斌［47］等人對多方參與的用于消納風(fēng)電、光伏的分布式電儲熱進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評價建模，對主要參與方和分布式電儲熱項目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了定性與定量評估。Petrichenko 等人［48］利用最大功率、配電損失成本、供暖用電成本等多個指標(biāo)，量化了電儲熱的優(yōu)勢和潛在的問題，并分別評估了電儲熱與傳統(tǒng)電加熱對電網(wǎng)端的影響?？梢姡\行模式影響儲熱系統(tǒng)運行成本，是整體運行收入的關(guān)鍵因素之一，因此通過優(yōu)化管理流程，提高成本控制水平等管理手段是目前控制儲熱系統(tǒng)運行成本的關(guān)鍵因素。

4 儲熱參與電力交易的商業(yè)模式

儲熱參與電網(wǎng)調(diào)峰主要有可再生能源消納、火電靈活性改造、清潔供暖、工業(yè)供汽等市場參與方式。可再生能源消納如風(fēng)電消納，能夠有效調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷；火電靈活性改造如火電廠調(diào)峰，通過熱電廠供暖季的熱電解耦，提高供熱機(jī)組的運行靈活性，能夠增加熱電廠低負(fù)荷運行能力，也能增加高峰時段的頂負(fù)荷能力，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢和市場競爭力。通過儲熱技術(shù)可有效解決由于時間、空間或強(qiáng)度上的熱能供給與需求間不匹配所帶來的問題，有效提高能源綜合利用水平。

電網(wǎng)熱儲能除了傳統(tǒng)意義上的調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷，補(bǔ)償其他并網(wǎng)可再生能源波動等作用之外，由其長時間儲熱所衍生出的主要營利途徑是電價交易收入和容量電價，不同時段的電力差價是電價交易的基礎(chǔ)。然而電力交易只有當(dāng)儲熱容量達(dá)到一定規(guī)模，以企業(yè)形式參與時，才能實現(xiàn)實際營利。將儲熱技術(shù)應(yīng)用在電網(wǎng)調(diào)峰中應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)的實際需求如容量、技術(shù)成本、經(jīng)濟(jì)性和儲熱技術(shù)本身的特點綜合評估，以期構(gòu)建能夠與新型電力系統(tǒng)相適應(yīng)的新型熱電聯(lián)產(chǎn)協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)。我國目前尚未形成成熟的儲熱相關(guān)的電力交易運營商業(yè)模式。根據(jù)儲熱的分時電價機(jī)制、電力市場機(jī)制、電網(wǎng)業(yè)務(wù)監(jiān)管機(jī)制和應(yīng)用場景等內(nèi)容，儲熱商業(yè)模式可分為三大類：合同能源管理模式、兩部制電價模式、輔助服務(wù)市場模式。本文將對不同商業(yè)模式的投資回收機(jī)制、利益相關(guān)方、收益水平等方面進(jìn)行對比，對未來商業(yè)模式發(fā)展給出建議。

4.1 合同能源管理模式

合同能源管理模式中，儲熱服務(wù)企業(yè)與電網(wǎng)，采用合同/契約的形式約定電網(wǎng)儲能項目與指標(biāo)，提供電網(wǎng)熱儲能服務(wù)，實現(xiàn)成本優(yōu)化［49］。其優(yōu)勢在于可提升資源利用率，優(yōu)化經(jīng)營成本，提供設(shè)備改造服務(wù)等；而其劣勢在于，商業(yè)合作普遍存在技術(shù)風(fēng)險、資金風(fēng)險和政策風(fēng)險。執(zhí)行過程中合理規(guī)避相關(guān)風(fēng)險尤為重要，應(yīng)重視過程管理，優(yōu)化整體流程，實時跟進(jìn)相關(guān)數(shù)據(jù)，制定階段性的驗收標(biāo)準(zhǔn)并嚴(yán)格按時執(zhí)行驗收流程。

在合同能源管理模式中，儲熱減少輸配電過程電能損耗服務(wù)能夠按照一定價值衡量，需要從電網(wǎng)企業(yè)增加的輸電量利潤中扣減。利益相關(guān)方主要涉及綜合能源服務(wù)公司以及儲熱項目公司。綜合能源服務(wù)公司主要負(fù)責(zé)項目商業(yè)化運營和儲熱廠商簽訂合約，并按照提前約定好的方法分紅，也可直接投資，通過合同能源管理的形式從電網(wǎng)企業(yè)獲得效益。儲熱項目公司主要負(fù)責(zé)儲熱項目投資建設(shè)以及運維等內(nèi)容。針對電網(wǎng)開展降低線路損耗、無功優(yōu)化、熱力設(shè)備建設(shè)及運維、熱能利用率核算等合同能源管理服務(wù)，由第三方評估節(jié)能效益，電網(wǎng)企業(yè)從節(jié)能獲益中扣減用于支付儲熱運營商節(jié)能服務(wù)費用。

4.2 兩部制電價模式

兩部制電價分為容量電價和電量電價，即按電廠的可發(fā)電功率以及實際用電量分別計算電費的電價模式，在國際上被廣泛采用［50］。該模式有利于電網(wǎng)資源的靈活調(diào)度和合理應(yīng)用，電量電價上的競爭促使發(fā)電企業(yè)加強(qiáng)運行管理，降低成本提升效率。儲熱系統(tǒng)如果實施兩部制電價，那么電價應(yīng)該體現(xiàn)電量效用，容量電價應(yīng)該反映系統(tǒng)效用。利益相關(guān)方主要涉及電網(wǎng)企業(yè)、儲熱廠商和第三方儲熱投資運營企業(yè)等。儲熱廠商和電網(wǎng)企業(yè)進(jìn)行購售電交易，電網(wǎng)企業(yè)需要按照約定時間，按照一定容量支付容量費用，根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度情況同意安排儲熱設(shè)備運行方式。第三方儲熱投資運營公司主要負(fù)責(zé)儲熱項目的投資、建設(shè)和運維等。兩部制電價按合理收益水平核定，項目可維持合理收益水平。

長遠(yuǎn)來看，將用戶意愿納入電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行建?？蓸O大提升市場模型精度。在需求側(cè)應(yīng)當(dāng)以價格機(jī)制為引導(dǎo)，包括更加靈活的分時電價、自適應(yīng)電價、實時電價等。針對不同的用戶，按用電習(xí)慣進(jìn)行劃分，引導(dǎo)其能源消費，最終提高用戶和供電方的雙方利益。

4.3 輔助服務(wù)市場模式

迄今為止尚未形成一種普適的輔助服務(wù)適用于所有的電力市場［51］。目前我國儲熱參與輔助服務(wù)市場相關(guān)規(guī)則正處于試運行階段，如2023年，浙江能源監(jiān)管辦組織開展了第三方獨立主體參與電力輔助服務(wù)結(jié)算試運行。在電力市場過渡期內(nèi)，為了應(yīng)對源側(cè)裝機(jī)容量富余、系統(tǒng)調(diào)度靈活性差的問題，許多地區(qū)的調(diào)頻、調(diào)峰、備用服務(wù)試行政府制定價格［52］。例如，2021年4月執(zhí)行的新版《南方區(qū)域電化學(xué)儲熱電站并網(wǎng)運行管理及輔助服務(wù)管理實施細(xì)則（試行）》中指出，為了補(bǔ)償充電調(diào)峰輔助服務(wù)的電量，制定0.05 萬元/MWh 的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國電力市場不斷完善，形成儲熱參與調(diào)頻、調(diào)峰等輔助服務(wù)市場競價機(jī)制將成為儲熱回收投資的重要手段。利益相關(guān)方涉及輔助服務(wù)市場中發(fā)電企業(yè)、售電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、電力用戶和儲熱廠商等。在中國輔助服務(wù)市場未完全成熟前，儲熱可通過提供輔助服務(wù)獲得補(bǔ)償收益，調(diào)峰、調(diào)頻補(bǔ)償費用由沒有承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻義務(wù)但享受調(diào)峰服務(wù)的各類機(jī)組支付，主要包括陳舊的火電，風(fēng)、電、光伏等可再生能源機(jī)組以及核電機(jī)組等。但是，調(diào)頻市場容量有一定限制，儲熱雖然是一種優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻源，其規(guī)模化應(yīng)用必然會引起價格下降以及市場飽和的現(xiàn)象。

5 未來調(diào)控技術(shù)及商業(yè)模式建議

儲熱技術(shù)屬于能量型儲能技術(shù)，能量密度高、成本低、壽命長、利用方式多樣、綜合熱利用效率高，在可再生能源消納、清潔供暖及太陽能光熱電站儲能系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域均可發(fā)揮較大作用。近年來，熔融鹽儲熱技術(shù)和高溫相變儲熱技術(shù)備受關(guān)注。熔融鹽儲熱技術(shù)規(guī)模大，方便配合常規(guī)燃?xì)鈾C(jī)使用，主要應(yīng)用于大型塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)和槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)。高溫相變儲熱技術(shù)具有能量密度高、系統(tǒng)體積小、儲熱和釋熱溫度基本恒定、成本低廉、壽命較長等優(yōu)點，也是目前研究的熱點。該技術(shù)適用于新能源消納、集中/分布式電制熱清潔供暖、工業(yè)高品質(zhì)供熱供冷，同時可作為規(guī)?；膬嶝?fù)荷，為電網(wǎng)提供需求側(cè)響應(yīng)等輔助服務(wù)，目前已應(yīng)用于民用供熱領(lǐng)域，并逐步向?qū)┠苡懈咝枨蟮墓I(yè)供熱領(lǐng)域拓展。

受政策波動大、機(jī)制不健全、商業(yè)模式不成熟等因素影響，目前電網(wǎng)側(cè)儲能主要采取經(jīng)營租賃、合同能源管理模式。為了吸引各類資本加碼儲能賽道，促進(jìn)儲熱技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)峰中的大規(guī)模應(yīng)用，未來需進(jìn)一步創(chuàng)新儲能商業(yè)模式，如獨立儲能電站、共享儲能電站等［53］，支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展。

6 結(jié)論

為積極響應(yīng)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，我國能源系統(tǒng)正在經(jīng)歷清潔-低碳-零碳的逐步轉(zhuǎn)型與深化改革。在以電網(wǎng)為主體的電力能源系統(tǒng)中，儲熱技術(shù)在平峰填谷、緩解波動、提高系統(tǒng)的靈活性率等方面發(fā)揮著重要作用。本文從參與電網(wǎng)調(diào)峰的儲熱技術(shù)出發(fā)，梳理了不同儲熱技術(shù)的分類、原理及特點、工程應(yīng)用實例、關(guān)鍵性指標(biāo)、商業(yè)模式等，得到如下結(jié)論。

1）在眾多儲熱技術(shù)中，相變儲熱技術(shù)具有較高的相變焓值、優(yōu)異的熱物性、穩(wěn)定的化學(xué)特性以及較高的經(jīng)濟(jì)性，從而在電網(wǎng)調(diào)峰中具有較高的工程使用價值。尤其是新型高溫固體相變儲熱技術(shù)有望與高壓大功率電網(wǎng)消納相匹配，實現(xiàn)電網(wǎng)的深度調(diào)峰控制，然而其運行過程中的絕緣密封等問題仍然是規(guī)?；こ虘?yīng)用需要突破的關(guān)鍵瓶頸。

2）國內(nèi)外已有部分將儲熱技術(shù)與電網(wǎng)電力系統(tǒng)相整合的典型工程實例，但其整體仍處于發(fā)展初期?？紤]到參與電網(wǎng)調(diào)峰的儲熱技術(shù)面臨功率大、波動性強(qiáng)、運行時間長等特殊工況，需要從安全性、性能匹配、耐久與可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等4類關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行全方位評估，從而實現(xiàn)大規(guī)模推廣。

3）儲熱參與電力交易具有合同能源管理模式、兩部制電價模式、輔助市場模式等多種潛在的商業(yè)形式。通過市場化作用，引入競爭性商業(yè)機(jī)制，在提升資本參與度的同時提高了技術(shù)開發(fā)、工程管理、市場運營等各環(huán)節(jié)的效率，但現(xiàn)有商業(yè)模式仍處于起步階段，隨著政策推進(jìn)和能源消費形式的變革以及市場經(jīng)濟(jì)形態(tài)的改變，商業(yè)模式將規(guī)?；七M(jìn)和成熟化運行，有助于儲熱技術(shù)在電力電網(wǎng)系統(tǒng)中的長期穩(wěn)定健康發(fā)展。