王 芳

(新疆昌吉職業(yè)技術學院,新疆 昌吉 831100)

0 引言

隨著以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的建設和發(fā)展,儲能成為清潔能源和可再生能源全面開發(fā)與利用的關鍵技術。為新能源發(fā)電系統(tǒng)配置儲能系統(tǒng)可有效解決電網穩(wěn)定運行、電量平衡、可再生能源消納等領域的技術難題,在促進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”新型儲能發(fā)展實施方案》中指出,要加大力度發(fā)展電源側新型儲能,因地制宜發(fā)展電網側新型儲能,合理疏導新型儲能成本,強化儲能前沿科技攻關,實施科技創(chuàng)新示范工程[1]。本文分析了國內外熱儲能的最新發(fā)展動態(tài),重點介紹熔鹽儲熱和固體儲熱的典型應用場景和發(fā)展建議。

1 儲能分類及特點

儲能可將電能轉換為化學能、動能、電磁能、熱能等形態(tài)儲存,分為機械物理儲能、電磁儲能、電化學儲能及熱儲能,如表1所示。

抽水儲能在電站中配有上游和下游2個蓄水池,在用電低谷期抽水蓄能裝置工作在電動機運行狀態(tài),將下游蓄水池中的水抽到上游蓄水池中儲存;在用電高峰期抽水蓄能裝置工作在發(fā)電機運行狀態(tài),利用儲存在上游蓄水池中的水發(fā)電[2]。該技術已發(fā)展成熟,但在建造初期選址時對地形地貌要求嚴格,在施工時有一定的難度,建設周期長,資源總量不足以支撐“雙碳”需求。

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

飛輪儲能是利用剩余電能驅動飛輪快速旋轉,將電能轉化為動能儲存,在用電高峰期通過飛輪慣性帶動發(fā)電機發(fā)電,將儲存動能轉變?yōu)殡娔?供給外部負荷[4]。該技術要求空載損耗率非常小,功率密度高、響應速度快,但成本高,現處于示范項目階段,未來應用有待突破。

鋰離子電池儲能利用Li+向正極或負極遷移實現充放電[5]。該技術能量密度高、技術成熟、安裝維護工作量小,但安全性方面仍需進一步提升。

液流電池儲能主要由電解液罐、電堆、泵等組成,利用電解液流過電池正負極表面發(fā)生的氧化還原反應實現儲能功能[6]。該技術配置靈活、循環(huán)壽命長、安全性高,但造價成本高。

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

氫儲能是利用多余電能制氫,將氫能儲存,需要時利用燃料電池將氫能轉化為電能,再反饋到電網[8]。該技術成本高、整體效率低,但無污染,未來應用前景廣闊。

超導電磁儲能是將電磁能直接儲存在超導線圈中,需要時再將電磁能反饋到電網[9]。該技術充放電速度快、功率密度高,但使用的材料價格昂貴、成本較高。

超級電容器儲能根據電化學雙電層理論設計[10],該技術使用壽命長、充放電速度快、效率高,但儲存能量較少、投資成本高,并有一定的自放電率。

2 熱儲能重要性

熱儲能是儲能中最具有應用前景的技術之一,以各種儲熱材料為介質,將太陽光熱、地熱、工業(yè)回收的余熱、生物質燃燒產生的熱能儲存,或者將剩余電能轉換為熱能儲存,需要時再釋放出來。該技術可以有效解決熱能供給和需求不匹配的問題,提高系統(tǒng)能源利用率。熱儲能儲放過程無化學反應、技術參數及過程可控、系統(tǒng)安全性高及儲能密度高,可用于以清潔能源和新能源為主的新型電力系統(tǒng),通過大容量儲熱可以實現熱電解耦,增加火電機組靈活性,還可以消納間歇性、隨機性、波動性的新能源裝機出力,實現電網負荷移峰填谷的作用。此外,熱儲能還可應用在太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)中,將夏天的太陽光熱儲存,用于冬天供暖使用,實現“零碳供熱”。

3 新型電力系統(tǒng)的熱儲能技術

儲熱可分為顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學儲熱。其中,顯熱儲熱是利用介質溫度變化過程中吸收與釋放熱量來實現熱能儲放,該技術成熟度高、價格低、應用廣泛;相變儲熱是目前研究熱點,是利用介質物態(tài)變化過程中吸收和釋放的大量潛熱來儲放熱能;熱化學儲熱尚處于研究階段,是利用介質在接觸時發(fā)生的可逆化學反應實現熱能儲放。

3.1 熔鹽儲熱

熔鹽是一種導熱介質,為在標準溫度和大氣壓下呈固態(tài),溫度升高后呈液態(tài)的鹽類。通過對熔鹽進行加熱、升溫、取熱、降溫的一系列操作實現熱能儲放,屬于顯熱儲熱和相變儲熱的結合,該技術傳熱性能好、穩(wěn)定性好、儲熱密度高、系統(tǒng)安全可靠,可廣泛應用于太陽能光熱發(fā)電、火電機組調峰調頻、供暖與余熱回收利用等領域[11]。

電網側熔鹽儲能由于規(guī)模較大,可儲存棄風電力、棄光電力和低谷電力,進行新能源消納,提高電廠靈活性;用戶側可直接參與清潔供熱和工業(yè)供汽。經過光熱電站配套儲能系統(tǒng)的市場培育,熔鹽儲熱現已發(fā)展成熟。

該技術已成功應用于天圣集團綠電熔鹽儲能項目,為全國首例將谷電轉化為熱能儲存,在峰電時再利用熱能進行發(fā)電的熔鹽儲能項目,是規(guī)?；埯}儲能在用戶側的示范性探索。熔鹽儲能可在低谷時段消納富余電能,尖、高峰時段對外供熱、供電,為保障民生可靠用電安上“雙保險”。

3.2 固體儲熱

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

a.基巖儲熱

基巖儲熱是在地下的基巖上埋管敷設換熱器,將太陽能集熱器捕捉到的熱量儲存在基巖中,通過循環(huán)流體與土壤換熱,實現能量的儲存和提取[12]。適用于大規(guī)模、長時間、季節(jié)性儲能,可有效解決太陽能季節(jié)性差異問題,提高太陽能利用率[13]。該技術已成功應用于廣州南沙“多位一體”微能源網示范項目,實現了國內首套基巖儲能系統(tǒng)在跨季節(jié)儲能上的應用。

b.硅儲熱

硅是儲量第二多的元素,因為儲量大所以價格便宜,該技術是用熔點高達1414 ℃的熔融硅儲存間歇性的可再生能源的熱量,儲存溫度比鹽高得多,容量和效率更高。但純硅特性是在熔化時體積縮小、凝固時體積膨脹,對此需要研發(fā)出限制體積膨脹的相變材料,從而增加潛熱值降低熔點。

澳大利亞1414 Degrees公司正在開發(fā)以熔融硅為主要材料的熱能存儲系統(tǒng)SiBox,該系統(tǒng)由存儲介質的模塊、加熱元件和熱交換器等組成,用熱空氣形式回收儲存熱能,SiBox從電網吸收低成本的可再生能源,將其作為熱能存儲在硅存儲介質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.鋼儲熱

鋼儲熱核心模塊由結構鋼構成,該技術可將剩余的、波動性的風電和光電儲存為熱能。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Lumenion公司生產的以鋼制儲存模塊為核心的高溫儲能系統(tǒng)(thermal energy storage,TES),可同時充電和放電,具有極高的效率。在非用電高峰期時,電阻加熱器將電能轉化為熱能,通過氣體回路傳遞到鋼金屬存儲單元。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,具有很高的剩余價值。儲存的熱能可在需要時釋放,除了滿足峰值需求還可作為備用系統(tǒng)使用。

d.混凝土儲熱

混凝土儲熱以混凝土為主要材料構成,該技術材料成本低、儲熱性能好,是太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的理想儲熱介質之一[14]。

混凝土儲熱是冷熱流體交替的周期性循環(huán)儲熱系統(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熱體,混凝土儲熱;在放熱階段冷流體流過儲熱體,混凝土放熱。

北京兆陽光熱技術有限公司開發(fā)的混凝土熱儲能系統(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、無污染、模塊化結構、無易燃易爆。由該公司承建的華強兆陽張家口1號15 MW光熱電站采用混凝土儲能,該項目成功投運標志著大規(guī)模儲能輸出穩(wěn)定可靠的平價清潔能源時代已經到來。

e.巖石儲熱

巖石儲熱是一種高溫熱能存儲技術,采用價格便宜、易于獲取且潔凈環(huán)保的固態(tài)碎石為原料,將熱能儲存在固態(tài)碎石中。

以色列Brenmiller Energy公司生產制造的bGen采用巖石儲熱,該技術能夠存儲多種形式的熱或電,分為電源充電和熱源充電。用電低谷時,光電和風電產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換為高溫熱能儲存,這是電源充電過程。熱源充電過程是將工業(yè)余熱,生物質燃燒產生的熱能或其他熱源給bGen充電,將熱量儲存在bGen TM模塊化的子單元中,并根據需要提供水蒸氣或熱空氣。這種可持續(xù)的TES產品能夠降低發(fā)電廠、制造業(yè)和商業(yè)設備的碳排放,稱為無碳熱儲存,可以無限循環(huán)使用30年,其性能不會下降。

4 結語

目前,熱儲能技術具有應用范圍廣、綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定等特點,不僅用于太陽能熱發(fā)電、火電機組改造,還可通過回收余熱實現跨季節(jié)儲熱,夏儲冬用,解決季節(jié)供需不平衡的問題。將風電、光電、光熱、熱泵等多種能源有機耦合,實現能源的長期高效儲存,達到最優(yōu)化清潔供熱供電的目的。未來,熱儲能技術將繼續(xù)朝著高效率、低成本、安全性能高、長壽命、規(guī)?；较虬l(fā)展,助力形成以電能為核心、多種能源為一體的能源互聯網,為大型可再生能源消納和一體化能源服務提供關鍵技術支撐。