值得一提的是,在4月21日國家發改委、國家能源局聯合印發上述文件的征求意見稿中,儲熱技術并未被明確提及。這在當時引發了儲熱行業的廣泛關注與討論,多位行業專家聯合呼吁在該文件中增加儲熱發展的相關內容。此次正式文件將儲熱作為儲能產業體系建設的內容,儲熱產業未來建設迎來了一個更好的開端。
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儲熱技術進展及我國進展狀況
地球上的能量從根本上來說都來自于太陽,能源的利用形式主要包括電和熱兩種,也因之產生了儲電和儲熱兩種技術。
尤其需要關注的事實是,熱能占終端能源的消費需求高于50%,也就是說,儲熱的價值和發展空間并不比儲電小。國際可再生能源署(IRENA)于2020年發布的儲熱專項報告《創新展望:熱能存儲》指出,當前全球約有234GWh的儲熱系統正在發揮著重要的靈活性調節作用。到 2030年,全球儲熱市場規模將擴大三倍。
在未來10年,儲熱裝機容量將增長到800GWh以上,儲熱市場發展的浪潮不可阻擋。
從全球的發展大勢來看,中國作為能源大國,發展儲熱技術更應該提到更高的戰略層面上,這是長期的國際儲熱技術競爭的需要,更是實現3060碳達峰碳中和目標的要求。
在2017年國家發改委等五部委《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》文件中提到,集中攻關一批具有關鍵核心意義的儲能技術和材料,涉及相變儲熱材料與高溫儲熱技術等。試驗示范一批具有產業化潛力的儲能技術和裝備,涉及大容量新型熔鹽儲熱裝置等。支持在可再生能源消納問題突出的地區開展可再生能源儲電、儲熱、制氫等多種形式能源存儲與輸出利用,推進風電儲熱、風電制氫等試點示范工程的建設。
文件發布至今,無論是在技術成熟度還是市場化應用上,儲熱行業都取得了長足的進步。
儲熱技術和材料
儲熱方式包括三種:顯熱儲熱、相變儲熱及化學反應儲熱。
·顯熱儲熱是利用材料本身在溫度升高(或降低)時吸收(或放出)熱量的性質來實現儲熱目的。優勢是原理簡單、技術成熟、材料來源豐富、價格低廉等優勢。但也面臨著放熱過程中溫度不穩定的劣勢。顯熱儲熱材料分為液體和固體,液體中多以水為介質,家用采暖是最直觀的水儲熱的利用。固體材料中以礫石和土壤為主。國際能源網曾經對國網山西省綜合能源服務有限公司利用土壤做儲熱材料的項目進行報道:用土壤供暖!春夏秋蓄熱冬季用,這種方式最“綠色”!
·相變儲熱原理是材料晶型發生改變中有熱量的吸收和釋放,利用這一性質可以進行儲熱。這一類型的儲熱優勢是其熱量數值與材料本身有關,受外界條件影響比較小。相變材料利用廣泛。在無機材料中包括冰、結晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等,在有機材料中包括石蠟、羥酸、酯、多元醇等。
·化學反應儲熱是利用可逆化學反應原理,通過熱能與化學能的轉換來儲熱。優點是化學反應產生的熱量高且參與反應的材料多是常溫保存。材料以金屬氫化物、氧化物、過氧化物、碳酸鹽、三氧化硫等。但也存在循環效率低、運維要求高等劣勢。
就應用場景來說,在我國應用最廣泛的是清潔供暖儲熱。在北方,清潔供暖一直是冬季大事,自本世紀初以來,清潔供暖已經成為主流,如何儲熱并有效釋放,成為很多企業的首選攻關目標。國內儲熱企業多數也從此起步。
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儲熱的應用場景及價值所在
應用廣泛的還有一個領域是光熱電站儲熱。光熱電站的度電成本超過光伏,但是配備儲熱系統則可以有效降低光熱電站的成本。2016年,全球共有17個公用事業規模的光熱發電項目在建,其中15個項目都配備了儲熱系統。當年9月13日,國家能源局發布了首批光熱示范項目名單,共有20個項目入選,其中18個項目都采用了熔鹽儲熱技術。其中塔式熔鹽儲熱成為光熱電站儲熱主流。
從這兩項重要應用場景,儲熱價值現在已經擴展到工業蒸汽、火電廠靈活性改造等市場。在解決棄風棄光、促進可再生能源消納,參與電網調峰、負荷側調節等電力輔助服務市場,以及綜合能源服務等市場,儲熱技術均有應用價值和市場空間。
其中儲熱技術在電供暖、工業蒸汽、余熱回收等熱能利用市場,還擁有儲電技術無法參與的應用場景。英國皇家工程院院士、英國伯明翰大學儲能研究中心主任丁玉龍曾表示,在中國每年消耗的約40億噸標煤的能源中,超過50%被浪費掉了,其中大部分是以余熱的形式排放到環境中,支撐中國經濟發展的部分能源需求可以通過采用節能技術提高能源利用效率來解決,儲能特別是儲熱技術在未來節能增效方面的作用不可小視。
國家電投的儲熱努力
在電化學儲能熱度極高的情況下,仍然有公司在堅持前行。央企中國家電投投入的精力最多。國際能源網曾經就國家電投中央研究院推進的儲熱技術做過報道(鏈接:熔鹽儲熱技術應用前景廣闊!國家電投“六大”儲能技術已來!)。
在今年6月舉行的2021年中國儲熱大會上,國家電投集團科學技術研究院儲能技術研究所副所長白寧在做主題演講時對國家電投的努力做了一次回顧。
據白寧介紹,當前,國家電投儲熱技術研發方向已經覆蓋水儲熱、相變儲熱、固體儲熱、熔鹽儲熱等多種儲熱技術路徑,依托其高性能的儲能技術,已建成寶之谷國際會議中心綜合智慧能源示范項目、內蒙古通遼霍林河坑口發電公司電儲熱調峰項目等多個儲熱供暖及綜合智慧能源示范項目。
國家電投集團建設清潔供暖總規模33830MWh,投運規模3102MWh,在建規模29928MWh,投運項目13個,在建項目10 個,儲能清潔供暖項目覆蓋大型樓宇儲能供熱、城鎮小區儲能供熱、工業園區儲能供熱、清潔燃煤供熱機組儲能供熱、大型可再生能源基地儲能供熱等多種類型。
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國家電投集團儲熱標準體系建設
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國家電投集團關鍵技術研究方向
白寧說,下一步,國家電投集團將基于現有斜溫層水儲熱技術,進一步開展多分層多溫區、高承壓、堆積床、基于自然循環的分布式系統等技術研究,進一步提高水儲熱系統的儲能密度和供熱品質(種類)。此外,國家電投集團還將基于多種儲熱技術開展大規模跨季節儲熱技術及多能互補系統方案研究。
其他有代表性的儲熱優秀商家
當前,儲熱領域的玩家相對少,但是還是出現了很多公司能夠對綜合能源項目提供優良的儲熱配置。
上海中如智慧能源集團有限公司:公司成立于2009年,主力技術方向是水儲熱,核心技術自然分層布水器儲熱產品可依靠冷熱水密度差來維持蓄熱罐(箱)上部熱液體與下部冷液體之間的分隔。公司在當前清潔供熱市場中已獲得極高的市場占有率,達到國際先進水平。截至2021年3月,中如集團累計自主研發安裝的涵蓋斜溫層技術的罐體量達到三十萬立方米以上,民用供暖面積超過4000萬平方米以上,已投運的最大單體常壓儲熱罐體積達到18000立方米,成為水儲熱清潔供暖領域的中堅力量。在今年6月舉行的2021年第三屆中國儲熱大會上,中如智慧獲得了2021中國儲熱產業年度大獎產業貢獻獎。
沈陽世杰電器有限公司:是國內專業生產10kV及以上電壓等級,大功率固體儲熱式電鍋爐的國家高新技術企業。其主要產品“高電壓等級大功率固體儲熱電鍋爐”是利用低谷電或棄風電采取固體儲熱方式的一種大功率新型熱源。該設備無需變壓器,可以直接在10kv至110kv電壓等級下工作,實現超大功率電熱轉換和超大容量熱儲能。設備將電網的低谷電能或棄風電能轉換成熱能儲存起來,根據不同需求,通過交換裝置,將儲存的熱能轉換成熱水、熱風、蒸汽,用于工業熱源、火電機組靈活性改造、大面積城市供暖等用熱領域,可以完全替代目前廣泛使用的燃煤、燃氣、燃油鍋爐,是電網調峰、清潔供熱的重要設備。
思安新能源股份有限公司:是國內領先的工業能源服務解決方案提供商、建設投資商和運營管理服務商,屬于國家工信部2011年推薦的節能服務公司。公司研發的高性能固態混凝土儲熱產品,采用新型高性能蓄熱混凝土作為蓄熱材料,具備高安全、高效能、高收益等優點。可有效解決新能源發電的間歇性和波動性問題,為工業生產過程的間斷性“廢熱”回收利用提供解決措施輸出。
江蘇金合能源科技有限公司:是一家專業從事熱能存儲材料及設備研發、設計、生產、銷售和服務的高新技術企業。目前,金合能源已經開發出數十種復合相變儲熱材料,應用溫度范圍可覆蓋-150℃到1000℃,具有儲熱密度高、導熱性能好、體積變化小、機械強度高、使用壽命長等特點。公司在多種相變儲熱材料的基礎上開發了高溫相變蓄熱式電鍋爐,通過將間歇性可再生能源或利用率較低的谷電轉換成熱能,并儲存在復合相變儲熱材料中,進而連續穩定地向用戶提供所需的熱風、熱油、蒸汽及熱水,可大范圍替代傳統燃煤燃氣鍋爐。目前已廣泛應用于清潔供熱、可再生能源消納和電力輔助服務等領域。
賀邁新能源科技(上海)有限公司:一家致力于高效相變儲能材料、產品及整體解決方案研發、生產與銷售的高新技術企業。賀邁新能源科技自主研發的相變儲熱儲冷材料材料通過腐蝕性、9000次高低溫循環穩定性、RoHS、皮膚刺激性、經口毒性等測試。公司核心產品為相變儲能組件及熱池,其自主開發的“熱池”技術,正如“電池”的充放電一樣,可以實現熱能的儲存和可控釋放。當前,公司的相變儲能材料、儲能組件及熱池廣泛應用于清潔供熱供冷、余廢熱利用、冷庫冷鏈、電子設備溫度控制、綠色建材以及家電等領域。
北京民利儲能技術有限公司:公司主攻技術方向是熔鹽儲熱。在光熱發電儲能系統及清潔能源儲能供暖系統很有市場。其熔鹽蓄熱采用單工質運行,即同一種工質既可以作為傳熱介質,又可以作為儲熱介質,其換熱環節少、效率高,而且技術成熟、價格低廉。熔鹽儲能供熱系統(單罐供熱水/雙罐供蒸汽)利用夜間低谷電加熱熔鹽進行儲能,供用戶全天使用。由于谷電價格低廉,并可結合棄風棄光電進行使用,經濟、環保效益良好。
哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司:哈汽輔機的斜溫層熱水儲能解決方案積極促進了水儲熱技術在火電廠靈活性改造市場的應用和發展,為大唐遼源熱電廠、華能丹東熱電廠實現了熱電解耦、深度調峰,產生了良好的經濟和社會效益,其中大唐遼源項目儲熱罐為國內首臺有效容積25000立方米以上的大型斜溫層儲熱罐,填補了國內大型斜溫層儲熱罐領域的空白,該項目的實測斜溫層厚度小至0.73m,處于國際領先水平,同時,哈汽輔機還為江蘇井井鹽穴壓縮空氣儲能國家示范項目供應了核心設備儲熱換熱器,拓展了儲熱的應用方式,開拓了新的儲熱市場。在2021年第三屆中國儲熱大會上,哈汽輔機也獲得了2021中國儲熱產業年度大獎產業貢獻獎。
略顯冷清的儲熱市場有待進一步加熱
儲熱的價值一直都在。在清潔供暖領域,儲熱技術已經實現了廣泛應用,且實際效果與運行成本在眾多供暖技術路線中占據優勢;在工業用熱領域,在峰谷電價等配套政策較好的地方,儲熱電鍋爐應用于工業蒸汽領域,成本已經可以與燃氣相當;在高溫發電領域,多個配套長時間低成本熔鹽儲熱技術的光熱發電項目已投入運行;在火電靈活性改造方面,兩批國家試點項目中有一半以上采用了儲熱相關技術路線;在源網荷儲一體化和多能互補綜合能源服務項目開發中,儲熱更是不可或缺。
經過近些年的發展,我國儲熱技術已經具備了產業化發展的基礎。但實話實說,這些年儲熱在中國是受冷落的。在2017年愛能森控股集團有限公司董事局主席曾智勇曾在一次博覽會上感慨說:“每次參加儲能的各種會議,我都有一絲孤單感,環顧四周,基本上都是做電化學儲能的企業。”
雖然目前已經有多家儲熱企業崛起,但儲熱行業在輿論引導、資本滲透等方面相較電儲能差距太遠。儲熱行業仍然缺失類似寧德時代這種在社會和資本市場甚至政策層面都有較大影響力的龍頭企業。
白寧在儲熱大會上介紹稱,未來靈活性電源、需求側響應能力的建設是一個持續的且必要的巨大需求,儲熱是大規模儲能的一種,必須參與。目前,儲熱(冷)技術在火電靈活性改造、需求側管理措施、可再生能源消納及其他形式的應用具有重要的作用。隨著儲熱應用技術的進步,成本的進一步降低,其布局靈活、能量效率高、規模大等優勢將不斷凸顯。
他認為,目前儲熱仍略顯孤單,跟目前一些現實狀況有關:目前儲熱供暖成本依然較高,附加值有限、參與電力輔助服務領域較少、標準體系缺失等問題,需要在未來發展中進一步攻關。
針對儲熱供暖成本偏高,白寧提出了建議:“應完善供暖價格體系,加大政策支持。具體而言,要建立清潔供暖的價格體系,包括供暖電價補貼、峰谷電價機制、取暖價格收費標準等,此外明確建設補貼,包括初投資補貼、管網建設費、接口費(兩部制價格)等,與此同時,推進可再生能源清潔供暖的配套政策。”
目前,只有火電靈活性改造還有儲熱技術參與的可能性,隨著火電未來發展受限市場會一直萎縮。對此,白寧建議,應做好技術升級,積極參與電力輔助服務,提升電網的靈活性,參與調峰/調頻/備用/黑啟動/需求側響應(可中斷負荷),同時爭取政策支持,將供熱與輔助服務有效的結合,在經濟上打組合拳。
“風光水火儲一體化”、“源網荷儲一體化”這兩個一體化發展政策的出臺將為儲能發展帶來更多機遇,推動更多儲熱技術應用。在今年4月國家發改委意見稿中將儲熱刪除之后,曾有學者表示:我國在儲熱技術的應用上已經取得了一些成績,但儲熱市場的進一步發展還面臨著諸多障礙,亟需更加完善的頂層設計、市場機制、行業標準等配套支持。正式文件的公布,重新將儲能列入,對儲熱產業起到重要的引導作用。
在一系列政策的支持下,大規模儲熱供熱發展有望迎來機遇,但仍需持續推動技術進步、推動應用。白寧認為,可以利用熔鹽、高溫相變材料、熱化學儲熱等技術進行升級和優化、解決成本,系統復雜、運維成本高、占地等問題。依托“兩個一體化”等政策,推動新技術的示范,以示范項目驅動技術推廣。








