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中国储热发展概论

2021-8-17 10:39| 发布者: admin| 查看: 33| 评论: 0|来自: 公众号:储能日参

摘要: 7月23日,国家发展改革委、国家能源局日前发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》。意见指出“坚持储能技术多元化”:以需求为导向,探索开展储氢、储热及其他创新储能技术的研究和示范应用。值得一提的是,在4 ...

7月23日,国家发展改革委、国家能源局日前发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》。意见指出“坚持储能技术多元化”:以需求为导向,探索开展储氢、储热及其他创新储能技术的研究和示范应用。

值得一提的是,在4月21日国家发改委、国家能源局联合印发上述文件的征求意见稿中,储热技术并未被明确提及。这在当时引发了储热行业的广泛关注与讨论,多位行业专家联合呼吁在该文件中增加储热发展的相关内容。此次正式文件将储热作为储能产业体系建设的内容,储热产业未来建设迎来了一个更好的开端。

储热技术进展及我国进展状况

地球上的能量从根本上来说都来自于太阳,能源的利用形式主要包括电和热两种,也因之产生了储电和储热两种技术。

尤其需要关注的事实是,热能占终端能源的消费需求高于50%,也就是说,储热的价值和发展空间并不比储电小。国际可再生能源署(IRENA)于2020年发布的储热专项报告《创新展望:热能存储》指出,当前全球约有234GWh的储热系统正在发挥着重要的灵活性调节作用。到 2030年,全球储热市场规模将扩大三倍。

在未来10年,储热装机容量将增长到800GWh以上,储热市场发展的浪潮不可阻挡。

从全球的发展大势来看,中国作为能源大国,发展储热技术更应该提到更高的战略层面上,这是长期的国际储热技术竞争的需要,更是实现3060碳达峰碳中和目标的要求。

在2017年国家发改委等五部委《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》文件中提到,集中攻关一批具有关键核心意义的储能技术和材料,涉及相变储热材料与高温储热技术等。试验示范一批具有产业化潜力的储能技术和装备,涉及大容量新型熔盐储热装置等。支持在可再生能源消纳问题突出的地区开展可再生能源储电、储热、制氢等多种形式能源存储与输出利用,推进风电储热、风电制氢等试点示范工程的建设。

文件发布至今,无论是在技术成熟度还是市场化应用上,储热行业都取得了长足的进步。

储热技术和材料

储热方式包括三种:显热储热、相变储热及化学反应储热。

·显热储热是利用材料本身在温度升高(或降低)时吸收(或放出)热量的性质来实现储热目的。优势是原理简单、技术成熟、材料来源丰富、价格低廉等优势。但也面临着放热过程中温度不稳定的劣势。显热储热材料分为液体和固体,液体中多以水为介质,家用采暖是最直观的水储热的利用。固体材料中以砾石和土壤为主。国际能源网曾经对国网山西省综合能源服务有限公司利用土壤做储热材料的项目进行报道:用土壤供暖!春夏秋蓄热冬季用,这种方式最“绿色”!

·相变储热原理是材料晶型发生改变中有热量的吸收和释放,利用这一性质可以进行储热。这一类型的储热优势是其热量数值与材料本身有关,受外界条件影响比较小。相变材料利用广泛。在无机材料中包括冰、结晶水合盐、熔融盐、金属合金等,在有机材料中包括石蜡、羟酸、酯、多元醇等。

·化学反应储热是利用可逆化学反应原理,通过热能与化学能的转换来储热。优点是化学反应产生的热量高且参与反应的材料多是常温保存。材料以金属氢化物、氧化物、过氧化物、碳酸盐、三氧化硫等。但也存在循环效率低、运维要求高等劣势。

就应用场景来说,在我国应用最广泛的是清洁供暖储热。在北方,清洁供暖一直是冬季大事,自本世纪初以来,清洁供暖已经成为主流,如何储热并有效释放,成为很多企业的首选攻关目标。国内储热企业多数也从此起步。

储热的应用场景及价值所在

应用广泛的还有一个领域是光热电站储热。光热电站的度电成本超过光伏,但是配备储热系统则可以有效降低光热电站的成本。2016年,全球共有17个公用事业规模的光热发电项目在建,其中15个项目都配备了储热系统。当年9月13日,国家能源局发布了首批光热示范项目名单,共有20个项目入选,其中18个项目都采用了熔盐储热技术。其中塔式熔盐储热成为光热电站储热主流。

从这两项重要应用场景,储热价值现在已经扩展到工业蒸汽、火电厂灵活性改造等市场。在解决弃风弃光、促进可再生能源消纳,参与电网调峰、负荷侧调节等电力辅助服务市场,以及综合能源服务等市场,储热技术均有应用价值和市场空间。

其中储热技术在电供暖、工业蒸汽、余热回收等热能利用市场,还拥有储电技术无法参与的应用场景。英国皇家工程院院士、英国伯明翰大学储能研究中心主任丁玉龙曾表示,在中国每年消耗的约40亿吨标煤的能源中,超过50%被浪费掉了,其中大部分是以余热的形式排放到环境中,支撑中国经济发展的部分能源需求可以通过采用节能技术提高能源利用效率来解决,储能特别是储热技术在未来节能增效方面的作用不可小视。

国家电投的储热努力

在电化学储能热度极高的情况下,仍然有公司在坚持前行。央企中国家电投投入的精力最多。国际能源网曾经就国家电投中央研究院推进的储热技术做过报道(链接:熔盐储热技术应用前景广阔!国家电投“六大”储能技术已来!)。

在今年6月举行的2021年中国储热大会上,国家电投集团科学技术研究院储能技术研究所副所长白宁在做主题演讲时对国家电投的努力做了一次回顾。

据白宁介绍,当前,国家电投储热技术研发方向已经覆盖水储热、相变储热、固体储热、熔盐储热等多种储热技术路径,依托其高性能的储能技术,已建成宝之谷国际会议中心综合智慧能源示范项目、内蒙古通辽霍林河坑口发电公司电储热调峰项目等多个储热供暖及综合智慧能源示范项目。

国家电投集团建设清洁供暖总规模33830MWh,投运规模3102MWh,在建规模29928MWh,投运项目13个,在建项目10 个,储能清洁供暖项目覆盖大型楼宇储能供热、城镇小区储能供热、工业园区储能供热、清洁燃煤供热机组储能供热、大型可再生能源基地储能供热等多种类型。

国家电投集团储热标准体系建设

国家电投集团关键技术研究方向

白宁说,下一步,国家电投集团将基于现有斜温层水储热技术,进一步开展多分层多温区、高承压、堆积床、基于自然循环的分布式系统等技术研究,进一步提高水储热系统的储能密度和供热品质(种类)。此外,国家电投集团还将基于多种储热技术开展大规模跨季节储热技术及多能互补系统方案研究。

其他有代表性的储热优秀商家

当前,储热领域的玩家相对少,但是还是出现了很多公司能够对综合能源项目提供优良的储热配置。

上海中如智慧能源集团有限公司:公司成立于2009年,主力技术方向是水储热,核心技术自然分层布水器储热产品可依靠冷热水密度差来维持蓄热罐(箱)上部热液体与下部冷液体之间的分隔。公司在当前清洁供热市场中已获得极高的市场占有率,达到国际先进水平。截至2021年3月,中如集团累计自主研发安装的涵盖斜温层技术的罐体量达到三十万立方米以上,民用供暖面积超过4000万平方米以上,已投运的最大单体常压储热罐体积达到18000立方米,成为水储热清洁供暖领域的中坚力量。在今年6月举行的2021年第三届中国储热大会上,中如智慧获得了2021中国储热产业年度大奖产业贡献奖。

沈阳世杰电器有限公司:是国内专业生产10kV及以上电压等级,大功率固体储热式电锅炉的国家高新技术企业。其主要产品“高电压等级大功率固体储热电锅炉”是利用低谷电或弃风电采取固体储热方式的一种大功率新型热源。该设备无需变压器,可以直接在10kv至110kv电压等级下工作,实现超大功率电热转换和超大容量热储能。设备将电网的低谷电能或弃风电能转换成热能储存起来,根据不同需求,通过交换装置,将储存的热能转换成热水、热风、蒸汽,用于工业热源、火电机组灵活性改造、大面积城市供暖等用热领域,可以完全替代目前广泛使用的燃煤、燃气、燃油锅炉,是电网调峰、清洁供热的重要设备。

思安新能源股份有限公司:是国内领先的工业能源服务解决方案提供商、建设投资商和运营管理服务商,属于国家工信部2011年推荐的节能服务公司。公司研发的高性能固态混凝土储热产品,采用新型高性能蓄热混凝土作为蓄热材料,具备高安全、高效能、高收益等优点。可有效解决新能源发电的间歇性和波动性问题,为工业生产过程的间断性“废热”回收利用提供解决措施输出。

江苏金合能源科技有限公司:是一家专业从事热能存储材料及设备研发、设计、生产、销售和服务的高新技术企业。目前,金合能源已经开发出数十种复合相变储热材料,应用温度范围可覆盖-150℃到1000℃,具有储热密度高、导热性能好、体积变化小、机械强度高、使用寿命长等特点。公司在多种相变储热材料的基础上开发了高温相变蓄热式电锅炉,通过将间歇性可再生能源或利用率较低的谷电转换成热能,并储存在复合相变储热材料中,进而连续稳定地向用户提供所需的热风、热油、蒸汽及热水,可大范围替代传统燃煤燃气锅炉。目前已广泛应用于清洁供热、可再生能源消纳和电力辅助服务等领域。

贺迈新能源科技(上海)有限公司:一家致力于高效相变储能材料、产品及整体解决方案研发、生产与销售的高新技术企业。贺迈新能源科技自主研发的相变储热储冷材料材料通过腐蚀性、9000次高低温循环稳定性、RoHS、皮肤刺激性、经口毒性等测试。公司核心产品为相变储能组件及热池,其自主开发的“热池”技术,正如“电池”的充放电一样,可以实现热能的储存和可控释放。当前,公司的相变储能材料、储能组件及热池广泛应用于清洁供热供冷、余废热利用、冷库冷链、电子设备温度控制、绿色建材以及家电等领域。

北京民利储能技术有限公司:公司主攻技术方向是熔盐储热。在光热发电储能系统及清洁能源储能供暖系统很有市场。其熔盐蓄热采用单工质运行,即同一种工质既可以作为传热介质,又可以作为储热介质,其换热环节少、效率高,而且技术成熟、价格低廉。熔盐储能供热系统(单罐供热水/双罐供蒸汽)利用夜间低谷电加热熔盐进行储能,供用户全天使用。由于谷电价格低廉,并可结合弃风弃光电进行使用,经济、环保效益良好。

哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司:哈汽辅机的斜温层热水储能解决方案积极促进了水储热技术在火电厂灵活性改造市场的应用和发展,为大唐辽源热电厂、华能丹东热电厂实现了热电解耦、深度调峰,产生了良好的经济和社会效益,其中大唐辽源项目储热罐为国内首台有效容积25000立方米以上的大型斜温层储热罐,填补了国内大型斜温层储热罐领域的空白,该项目的实测斜温层厚度小至0.73m,处于国际领先水平,同时,哈汽辅机还为江苏井井盐穴压缩空气储能国家示范项目供应了核心设备储热换热器,拓展了储热的应用方式,开拓了新的储热市场。在2021年第三届中国储热大会上,哈汽辅机也获得了2021中国储热产业年度大奖产业贡献奖。

略显冷清的储热市场有待进一步加热

储热的价值一直都在。在清洁供暖领域,储热技术已经实现了广泛应用,且实际效果与运行成本在众多供暖技术路线中占据优势;在工业用热领域,在峰谷电价等配套政策较好的地方,储热电锅炉应用于工业蒸汽领域,成本已经可以与燃气相当;在高温发电领域,多个配套长时间低成本熔盐储热技术的光热发电项目已投入运行;在火电灵活性改造方面,两批国家试点项目中有一半以上采用了储热相关技术路线;在源网荷储一体化和多能互补综合能源服务项目开发中,储热更是不可或缺。

经过近些年的发展,我国储热技术已经具备了产业化发展的基础。但实话实说,这些年储热在中国是受冷落的。在2017年爱能森控股集团有限公司董事局主席曾智勇曾在一次博览会上感慨说:“每次参加储能的各种会议,我都有一丝孤单感,环顾四周,基本上都是做电化学储能的企业。”

虽然目前已经有多家储热企业崛起,但储热行业在舆论引导、资本渗透等方面相较电储能差距太远。储热行业仍然缺失类似宁德时代这种在社会和资本市场甚至政策层面都有较大影响力的龙头企业。

白宁在储热大会上介绍称,未来灵活性电源、需求侧响应能力的建设是一个持续的且必要的巨大需求,储热是大规模储能的一种,必须参与。目前,储热(冷)技术在火电灵活性改造、需求侧管理措施、可再生能源消纳及其他形式的应用具有重要的作用。随着储热应用技术的进步,成本的进一步降低,其布局灵活、能量效率高、规模大等优势将不断凸显。

他认为,目前储热仍略显孤单,跟目前一些现实状况有关:目前储热供暖成本依然较高,附加值有限、参与电力辅助服务领域较少、标准体系缺失等问题,需要在未来发展中进一步攻关。

针对储热供暖成本偏高,白宁提出了建议:“应完善供暖价格体系,加大政策支持。具体而言,要建立清洁供暖的价格体系,包括供暖电价补贴、峰谷电价机制、取暖价格收费标准等,此外明确建设补贴,包括初投资补贴、管网建设费、接口费(两部制价格)等,与此同时,推进可再生能源清洁供暖的配套政策。”

目前,只有火电灵活性改造还有储热技术参与的可能性,随着火电未来发展受限市场会一直萎缩。对此,白宁建议,应做好技术升级,积极参与电力辅助服务,提升电网的灵活性,参与调峰/调频/备用/黑启动/需求侧响应(可中断负荷),同时争取政策支持,将供热与辅助服务有效的结合,在经济上打组合拳。

“风光水火储一体化”、“源网荷储一体化”这两个一体化发展政策的出台将为储能发展带来更多机遇,推动更多储热技术应用。在今年4月国家发改委意见稿中将储热删除之后,曾有学者表示:我国在储热技术的应用上已经取得了一些成绩,但储热市场的进一步发展还面临着诸多障碍,亟需更加完善的顶层设计、市场机制、行业标准等配套支持。正式文件的公布,重新将储能列入,对储热产业起到重要的引导作用。

在一系列政策的支持下,大规模储热供热发展有望迎来机遇,但仍需持续推动技术进步、推动应用。白宁认为,可以利用熔盐、高温相变材料、热化学储热等技术进行升级和优化、解决成本,系统复杂、运维成本高、占地等问题。依托“两个一体化”等政策,推动新技术的示范,以示范项目驱动技术推广。


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