熱儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應用綜述

王 芳

(新疆昌吉職業(yè)技術(shù)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(shè)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(guān)鍵技術(shù)。為新能源發(fā)電系統(tǒng)配置儲能系統(tǒng)可有效解決電網(wǎng)穩(wěn)定運行、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(cè)新型儲能,因地制宜發(fā)展電網(wǎng)側(cè)新型儲能,合理疏導新型儲能成本,強化儲能前沿科技攻關(guān),實施科技創(chuàng)新示范工程[1]。本文分析了國內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)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(shè)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(shù)安全系數(shù)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(qū)動飛輪快速旋轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)殡娔?供給外部負荷[4]。該技術(shù)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(xiàn)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(xiàn)充放電[5]。該技術(shù)能量密度高、技術(shù)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(xiàn)儲能功能[6]。該技術(shù)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(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,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(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(wǎng)[9]。該技術(shù)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(jù)電化學雙電層理論設(shè)計[10],該技術(shù)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(shù)之一,以各種儲熱材料為介質(zhì),將太陽光熱、地熱、工業(yè)回收的余熱、生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能儲存,或者將剩余電能轉(zhuǎn)換為熱能儲存,需要時再釋放出來。該技術(shù)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(shù)參數(shù)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(xiàn)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(xiàn)電網(wǎng)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(xiàn)“零碳供熱”。

3 新型電力系統(tǒng)的熱儲能技術(shù)

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(zhì)溫度變化過程中吸收與釋放熱量來實現(xiàn)熱能儲放,該技術(shù)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(zhì)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(zhì)在接觸時發(fā)生的可逆化學反應實現(xiàn)熱能儲放。

3.1 熔鹽儲熱

熔鹽是一種導熱介質(zhì),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(xiàn)熱能儲放,屬于顯熱儲熱和相變儲熱的結(jié)合,該技術(shù)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(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(cè)可直接參與清潔供熱和工業(yè)供汽。經(jīng)過光熱電站配套儲能系統(tǒng)的市場培育,熔鹽儲熱現(xiàn)已發(fā)展成熟。

該技術(shù)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(zhuǎn)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(cè)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(shè)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(xiàn)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(shù)已成功應用于廣州南沙“多位一體”微能源網(wǎng)示范項目,實現(xiàn)了國內(nèi)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(shù)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(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,將其作為熱能存儲在硅存儲介質(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.鋼儲熱

鋼儲熱核心模塊由結(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(chǎn)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(zhuǎn)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(gòu)成,該技術(shù)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(zhì)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(shù)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(jié)構(gòu)、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(jīng)到來。

e.巖石儲熱

巖石儲熱是一種高溫熱能存儲技術(shù),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(chǎn)制造的bGen采用巖石儲熱,該技術(shù)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(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(zhì)燃燒產(chǎn)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(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(jié)語

目前,熱儲能技術(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(lián)網(wǎng),為大型可再生能源消納和一體化能源服務提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。