储能在“煤改电”中的应用

曾智勇，董华佳，周厚国

(深圳市爱能森科技有限公司，广东 深圳 518000)

1 引言

北方冬季供暖是我国的民生工程。“秦岭-淮河”是我国地理上划分南北的重要分界线，以秦淮一线为界，我国实行集中供暖的区域主要包括华北、东北、西北等地区。18世纪进入工业革命以来，我国形成了以煤炭、石油、天然气等化石能源为主能源消费格局。其中，供暖工程所消耗的能源主要依赖煤炭。为了节约能源，保护环境，我国实行城市集中供热，主要方式有热电联产集中供热，区域锅炉集中供热。由于集中供热热力管网辐射范围有限，不乏一些城郊结合部、乡镇、农村地区采用小型燃煤锅炉、散煤采暖。煤炭在燃烧过程中会产生温室气体CO2、SO2以及粉尘等，是京津冀地区重污染天气形成的重要原因之一。2013年，国家《大气污染防治行动计划的通知》中指出：加强工业企业大气污染综合治理，全面整治燃煤小锅炉；加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉[2]。2016年国家发展和改革委员会、国家能源局、财政部、环境保护局等八部委联合联合下发《推进电能替代指导意见》，文中明确提出根据不同电能替代方式的技术经济特点，因地制宜，分阶段推进，逐步扩大电能替代范围，形成清洁、安全、智能的新型能源消费方式。以电代煤成为治理环境污染的重要举措被写入政府工作报告[3]。

2 “煤改电”的概况

电供暖是指直接利用电力向用户供暖，是一种安全、清洁、舒适的取暖方式。以电代煤实质是一种能源消费方式的转变。以电能替代煤炭等传统化石能源，有助于推动能源结构绿色转型，加快清洁能源开发利用，提高可再生能源消纳能力，促进我国能源可持续发展。“煤改电”可以从根本上转变北方供暖过度依赖燃煤的传统热力发展方式，在源头控制大气污染，缓解环境污染压力，推动社会节能减排，满足经济、社会、环境协调发展的需求。

北京是我国率先实施“煤改电”的试点城市。截至2016年，北京累计完成58.25万户“煤改电”工程，减少散煤燃烧180万t/年，减排CO2468万t/年、SO24.34万t/年、NOx1.24万t/年，具有良好的环保效益。在试点城市取得成功经验之后，国家政府将北方地区冬季清洁取暖试点扩展至京津冀及周边地区，囊括了京津冀大气污染传输通道“2+26”城市，并出台了一系列支持政策。

电供暖具有多种实现形式，例如电锅炉、发热电缆、电热膜以及各种电驱动热泵等。2016年，我国北方大力推进“煤改电”清洁供暖，在取得了一定的成绩的同时，也存在着一些问题。

(1)设备安装条件限制。“煤改电”工程主要针对是城市集中热力管网辐射不到的城郊或者农村地区。以上地区公共基础设施相对落后，由于工程实际需要，“煤改电”的相关设备，例如空气源热泵、变压器很多情况下需要安装在胡同内、马路边、街巷等地，施工难度大，难以做到整体规划[4]。

(2)电力负荷不匹配。“煤改电”会造成在局部区域电力需求量出现剧增，原有配电网设计与新增电力需求负荷不匹配。电力增容工程需要繁杂的办理手续，而且电力基础设施投资使得整体工程造价成本大幅提高。

(3)取暖成本较高。在当前主要的取暖方式中，燃煤供暖是最廉价的。在“煤改电”试点前期，在一些政策补贴的推动下，不少用户采购了直热电锅炉、蓄热电锅炉进行冬季取暖，后来因为承担不起昂贵的电费成本不得不选择了放弃，散煤取暖卷土重来。

空气源热泵有“大自然能量的搬运工”的美誉，具备节能环保、操作简单、维护方便等显著优点，是实现北方“煤改电”的主要途径之一。然而，空气源热泵在运行过程会产生较大的噪音，对住宅小区产生噪音污染。此外，空气源热泵的能效受环境温度影响明显，运行不稳定，在极端天气甚至出现停机的情况，供暖效果得不到保障(图1)。

图1 空气源热泵结霜

创新电能替代，积极响应国家“煤改电”的需求，贯彻国家能源消费革命，提高电能占终端能源消费的比重，是推动提高全社会电气化水平的重要途径。任何技术的革新都需要探索的过程，“煤改电”尚有很长的道路需要走。

3 储热技术

储能技术在我国发展已经比较成熟了，大致可以分为4类：①抽水储能；②储热；③电化学储能；④机械储能。由于供暖主要涉及热能应用，本文主要讨论储热技术。储热的具体原理是利用其他形式能量转换为热能，并通过特定的蓄热介质将热能在保温良好的条件下储存起来，当需要利用时再通过换热把所储存的热量提取出来加以利用。储热，根据蓄热介质的状态可以分为显热储能和相变储能。相变材料储热具有较大的储能密度，因而发展潜力更大。由于材料成本和配套设备的限制，目前储热市场仍然以显热储能为主。随着新型储热材料的研发应用和配套设备制造工艺的提升，储热技术应用的成本逐年下降，越来越多商业化工程应用得到推广。

根据能源品位划分，储热可以归纳为3个梯度：①高品位能源(≥1000 ℃)；②中品位能源(160～550 ℃)；③低品位能源(0～160 ℃)。供暖热源的温度范围一般在50～120 ℃，从能量品位层次划分来看，属于低品位能源。由于供暖所需能源品位要求不高，可利用的能源很广泛。例如，空气能、地热能、污水能、电厂余热、谷电弃电等。带储能的供暖系统可以耦合这些能源，将不稳定的、不连续的能源输入转变为稳定的、连续的高质量能源输出。

4 带储能的清洁供暖系统

山东省是《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》中清洁供暖改造的重点省份，“2+26”城市中山东省占了7个。在“宜气则气，宜电则电”、“新旧动能转换”等政策推动下，山东省在城郊以及乡镇街道开展了一系列“煤改电”工程。以山东潍坊市某“煤改电”工程为例，简单阐述一下储热在“煤改电”供暖领域的应用。

原来的工程项目采用空气源热泵对小区燃煤锅炉进行“煤改电”清洁供暖改造。小区供暖面积7.2万m2，采用25台额定制热量140 kW空气源热泵低温机组进行供暖(表1)。系统主要设备配置及工艺流程简图如图2所示。

表1 空气源热泵供暖系统主要设备配置

图2 空气源热泵供暖系统工艺流程

系统模块序号设备名称规格参数数量空气源热泵模块1低温空气源热泵 额定制热量:140kW额定制热功率:47kW25台2变频循环水泵 流量:250 m3/h 扬程:44 m电机功率:42 kW3台(二用一备)3软化水处理装置———1套4补水箱 容积:10 m31个5补水泵 流量:50 m3/h 扬程:16 m 电机功率:3.5 kW 2台(一用一备)6电气、仪控系统———1套7管道阀门———1项储能模块1热池罐直径D:3 m高H:3.6 m1个2缓冲罐直径D:2 m高H:2.5 m1个3储热换热泵流量:44 m3/h扬程:20 m电机功率:4.5 kW1台4电加热器功率:150 kW3台5换热器流量:40 m3/h换热面积:45 m21个6智慧能源系统———1套

图3 带储能的供暖系统工艺流程

潍坊市属于北温带季风区，四季的气温分布分明，1月份为全年的最冷月，日均最低温达到-8 ℃。工程投入使用第一年的供暖季，空气源热泵在极端严寒天气出现部分机组结霜严重，能效降低，甚至停机保护的情况，用户室内温度达不到供暖指标要求。

第二年，为了保障供暖效果，对空气源热泵采暖系统进行了升级改造，增加了储能系统(表2)。储能系统由热池模块和换热模块组成。热池模块包含了热池罐、缓冲罐、电加热器以及特种储热材料“骆驼二号”。“骆驼二号”的设计储热温度在60～130 ℃，化学性质稳定，无腐蚀，损耗率小，使用寿命周期长，是一种高品质的传热、储热材料。储热包含了热能储存和热能转换两个过程(图3)。

热能储存：谷电时段，利用电加热器加热热池罐中“骆驼二号”，将电能转化为热能储存。

热能转换：在峰电时段或者空气源热泵出力不足的情况，“骆驼二号”与供暖管道中的循环水进行换热，将储存的热能传递到供暖循环水中，再通过给水泵输送到用户末端进行供暖(表3)。

表3 储能模块工况切换

增加储能模块之后，上述“煤改电”清洁供暖系统的运行可靠性提高，即使在极端寒冷天气依然能够通过延长储能系统的运行时间使得用户室内温度维持在18±2 ℃。在个别空气源热泵机组出现停机保护时，还可以启动电加热进行直接热量补充。此外，储能系统可以跟随供暖系统总热负荷随机性和波动性的特点，灵活调节储存热能的总量，以及合理控制储存热能的换热，充分利用“峰谷电价”杠杆最大化能源利用的经济效益。上述工程案例，当地峰谷电价比为4.12∶1，通过储热不仅可以削峰填谷，利于调节当地电力供应负荷平衡，提高能源利用效率，还能降低供暖系统的电费成本。根据供暖系统改造前后2年的运维数据统计，增加储能模块之后，供暖季谷电利用占比由原来的32.6%提升到了44.0%，单位面积能耗增加了4.5%，单位面积电费降低了14.2%。具体数据详见表4～6。

表4 电价政策

表5 能耗对比 kW·h/(m2·d)

表6 电费对比 元/(m2·d)

5 应用前景

电力供应系统的发电和输电设备的配置都是按照峰值电量需求配置的，但实际电力需求在各个时段是不一样的。用电高峰期的用电量称峰值，低谷时的用电量称谷值。目前我国各电力系统的负荷峰谷差一般为最大负荷的30%～40%。就目前的技术而言，电力供给端难以实现跟随电力需求适时调整产能输出和富余产能的储存，导致了每天供电系统产能会出现大量的剩余，造成了极大的能源浪费。谷电储能是一种平衡电网负荷、综合发挥电力资源的有效措施[5]。21世纪初，为了解决供暖供热行业高能耗、高污染问题，国家开始支持引导谷电蓄能的发展，并出台了一系列有关优惠政策。例如，一方面，我国目前在大部分地区，尤其是经济发达地区，实行了峰谷电费大额差价的政策，力图通过强化价格杠杆，引导削峰填谷。另一方面，随着我国可再生能源风能、太阳能、地热能、潮汐能等的快速发展。可再生能源的不连续性和不稳定性，必然加剧发电负荷的峰谷波动。据相关数据显示，2016年我国弃风率达到53%，弃光率达到32%，大量投资所建设起来的可再生能源白白浪费了。储能作为电力需求侧响应机制的一部分，可以提高电网对可再生能源电力的消纳能力，优化我国能源结构，促进能源升级转型。

2016年12月，国家能源局发文推进北方地区冬季清洁取暖，解决好人民群众普遍关心的冬季安全供暖及雾霾问题。按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，“宜气则气、宜电则电”，加快提高清洁供暖比重，2016～2021年在有条件地区基本实现清洁取暖方式替代散烧煤。“煤改气”和“煤改电”是实现清洁供暖的主要途径。2017年部分城市在推进“煤改气”清洁供暖的过程中，出现了严重的“气荒”现象，居民供暖得不到保障。我国天然气主要依赖进口，根据权威机构预测，2019年我国将成为全球最大的天然气进口国[6]。由于气源问题在短期得不到有效解决，“煤改气”经过了2年的试点工程验证，社会上质疑的观点越来越多。此外，天然气本质上依然是化石能源，在燃烧过程中会排放NOx，加剧NOx大气污染。2018年12月，环保部甚至出现了喊停“煤改气”的呼声。综上所述，“煤改电”将是“2+26”城市清洁供暖大势所趋的方向。随着“煤改电”清洁供暖工程的大范围推广，储能凭借自身的独特优势，将会迎来大放异彩的发展浪潮。

6 结语

电能替代是我国能源消费结构转型升级的关键一环。电是二次能源,也是一种清洁、零排放、高品质的绿色能源。从这个意义上讲，“煤改电”清洁供暖低碳环保毋庸置疑。“煤改电”耦合储能的清洁供暖系统，不仅能够提高系统的安全可靠性，削峰填谷，提高电网效率，还能利用“峰谷”电价杠杆降低运行成本。储能在“煤改电”清洁供暖工程发挥着不可替代的作用，具有显著的经济效益和社会效益。