热储能技术在新型电力系统中的应用综述

王 芳

(新疆昌吉职业技术学院,新疆 昌吉 831100)

0 引言

随着以新能源为主的新型电力系统的建设和发展,储能成为清洁能源和可再生能源全面开发与利用的关键技术。为新能源发电系统配置储能系统可有效解决电网稳定运行、电量平衡、可再生能源消纳等领域的技术难题,在促进能源变革和新的能源商业形态及商业模式发展方面起着重要作用。

《“十四五”新型储能发展实施方案》中指出,要加大力度发展电源侧新型储能,因地制宜发展电网侧新型储能,合理疏导新型储能成本,强化储能前沿科技攻关,实施科技创新示范工程[1]。本文分析了国内外热储能的最新发展动态,重点介绍熔盐储热和固体储热的典型应用场景和发展建议。

1 储能分类及特点

储能可将电能转换为化学能、动能、电磁能、热能等形态储存,分为机械物理储能、电磁储能、电化学储能及热储能,如表1所示。

抽水储能在电站中配有上游和下游2个蓄水池,在用电低谷期抽水蓄能装置工作在电动机运行状态,将下游蓄水池中的水抽到上游蓄水池中储存;在用电高峰期抽水蓄能装置工作在发电机运行状态,利用储存在上游蓄水池中的水发电[2]。该技术已发展成熟,但在建造初期选址时对地形地貌要求严格,在施工时有一定的难度,建设周期长,资源总量不足以支撑“双碳”需求。

压缩空气储能是将剩余电能用于压缩空气,将空气高压密封在地下储能系统中,如废弃矿井、天然洞穴中,在用电高峰期通过高压空气膨胀做功来发电[3]。该技术安全系数高,成本低于抽水储能,但能量密度低、效率低。

飞轮储能是利用剩余电能驱动飞轮快速旋转,将电能转化为动能储存,在用电高峰期通过飞轮惯性带动发电机发电,将储存动能转变为电能,供给外部负荷[4]。该技术要求空载损耗率非常小,功率密度高、响应速度快,但成本高,现处于示范项目阶段,未来应用有待突破。

锂离子电池储能利用Li+向正极或负极迁移实现充放电[5]。该技术能量密度高、技术成熟、安装维护工作量小,但安全性方面仍需进一步提升。

液流电池储能主要由电解液罐、电堆、泵等组成,利用电解液流过电池正负极表面发生的氧化还原反应实现储能功能[6]。该技术配置灵活、循环寿命长、安全性高,但造价成本高。

铅炭电池储能是在传统的铅酸电池负极中添加活性炭,使铅酸电池和超级电容器技术合二为一,可以有效提高铅酸电池使用寿命[7]。该技术充放电速度快、寿命长,但售价比铅酸电池高。

氢储能是利用多余电能制氢,将氢能储存,需要时利用燃料电池将氢能转化为电能,再反馈到电网[8]。该技术成本高、整体效率低,但无污染,未来应用前景广阔。

超导电磁储能是将电磁能直接储存在超导线圈中,需要时再将电磁能反馈到电网[9]。该技术充放电速度快、功率密度高,但使用的材料价格昂贵、成本较高。

超级电容器储能根据电化学双电层理论设计[10],该技术使用寿命长、充放电速度快、效率高,但储存能量较少、投资成本高,并有一定的自放电率。

2 热储能重要性

热储能是储能中最具有应用前景的技术之一,以各种储热材料为介质,将太阳光热、地热、工业回收的余热、生物质燃烧产生的热能储存,或者将剩余电能转换为热能储存,需要时再释放出来。该技术可以有效解决热能供给和需求不匹配的问题,提高系统能源利用率。热储能储放过程无化学反应、技术参数及过程可控、系统安全性高及储能密度高,可用于以清洁能源和新能源为主的新型电力系统,通过大容量储热可以实现热电解耦,增加火电机组灵活性,还可以消纳间歇性、随机性、波动性的新能源装机出力,实现电网负荷移峰填谷的作用。此外,热储能还可应用在太阳能跨季节储热系统中,将夏天的太阳光热储存,用于冬天供暖使用,实现“零碳供热”。

3 新型电力系统的热储能技术

储热可分为显热储热、相变储热和热化学储热。其中,显热储热是利用介质温度变化过程中吸收与释放热量来实现热能储放,该技术成熟度高、价格低、应用广泛;相变储热是目前研究热点,是利用介质物态变化过程中吸收和释放的大量潜热来储放热能;热化学储热尚处于研究阶段,是利用介质在接触时发生的可逆化学反应实现热能储放。

3.1 熔盐储热

熔盐是一种导热介质,为在标准温度和大气压下呈固态,温度升高后呈液态的盐类。通过对熔盐进行加热、升温、取热、降温的一系列操作实现热能储放,属于显热储热和相变储热的结合,该技术传热性能好、稳定性好、储热密度高、系统安全可靠,可广泛应用于太阳能光热发电、火电机组调峰调频、供暖与余热回收利用等领域[11]。

电网侧熔盐储能由于规模较大,可储存弃风电力、弃光电力和低谷电力,进行新能源消纳,提高电厂灵活性;用户侧可直接参与清洁供热和工业供汽。经过光热电站配套储能系统的市场培育,熔盐储热现已发展成熟。

该技术已成功应用于天圣集团绿电熔盐储能项目,为全国首例将谷电转化为热能储存,在峰电时再利用热能进行发电的熔盐储能项目,是规模化熔盐储能在用户侧的示范性探索。熔盐储能可在低谷时段消纳富余电能,尖、高峰时段对外供热、供电,为保障民生可靠用电安上“双保险”。

3.2 固体储热

固体储热属于显热储热,包括基岩储热、硅储热、钢储热、混凝土储热和岩石储热等。

a.基岩储热

基岩储热是在地下的基岩上埋管敷设换热器,将太阳能集热器捕捉到的热量储存在基岩中,通过循环流体与土壤换热,实现能量的储存和提取[12]。适用于大规模、长时间、季节性储能,可有效解决太阳能季节性差异问题,提高太阳能利用率[13]。该技术已成功应用于广州南沙“多位一体”微能源网示范项目,实现了国内首套基岩储能系统在跨季节储能上的应用。

b.硅储热

硅是储量第二多的元素,因为储量大所以价格便宜,该技术是用熔点高达1414 ℃的熔融硅储存间歇性的可再生能源的热量,储存温度比盐高得多,容量和效率更高。但纯硅特性是在熔化时体积缩小、凝固时体积膨胀,对此需要研发出限制体积膨胀的相变材料,从而增加潜热值降低熔点。

澳大利亚1414 Degrees公司正在开发以熔融硅为主要材料的热能存储系统SiBox,该系统由存储介质的模块、加热元件和热交换器等组成,用热空气形式回收储存热能,SiBox从电网吸收低成本的可再生能源,将其作为热能存储在硅存储介质SiBrick中。与其他相变材料相比,硅的能量密度高、占地面积小,不需要恒定的输入功率,使其成为替代化石燃料的理想材料之一。

c.钢储热

钢储热核心模块由结构钢构成,该技术可将剩余的、波动性的风电和光电储存为热能。该热能既可用于工业高温蒸汽,也可用在区域供热中。

德国Lumenion公司生产的以钢制储存模块为核心的高温储能系统(thermal energy storage,TES),可同时充电和放电,具有极高的效率。在非用电高峰期时,电阻加热器将电能转化为热能,通过气体回路传递到钢金属存储单元。钢金属可加热到600 ℃,并且每天能量损失不足1%,热能几乎可以完全回收利用,具有很高的剩余价值。储存的热能可在需要时释放,除了满足峰值需求还可作为备用系统使用。

d.混凝土储热

混凝土储热以混凝土为主要材料构成,该技术材料成本低、储热性能好,是太阳能光热发电系统的理想储热介质之一[14]。

混凝土储热是冷热流体交替的周期性循环储热系统,在混凝土中安装金属管作为传热流体管道。在吸热阶段热流体加热储热体,混凝土储热;在放热阶段冷流体流过储热体,混凝土放热。

北京兆阳光热技术有限公司开发的混凝土热储能系统由配方混凝土、换热管道、保温系统及控制系统组成。该系统耐高温、安全可靠、低成本、无污染、模块化结构、无易燃易爆。由该公司承建的华强兆阳张家口1号15 MW光热电站采用混凝土储能,该项目成功投运标志着大规模储能输出稳定可靠的平价清洁能源时代已经到来。

e.岩石储热

岩石储热是一种高温热能存储技术,采用价格便宜、易于获取且洁净环保的固态碎石为原料,将热能储存在固态碎石中。

以色列Brenmiller Energy公司生产制造的bGen采用岩石储热,该技术能够存储多种形式的热或电,分为电源充电和热源充电。用电低谷时,光电和风电产生的剩余电力可以为bGen充电,嵌入式电加热器再将电输入转换为高温热能储存,这是电源充电过程。热源充电过程是将工业余热,生物质燃烧产生的热能或其他热源给bGen充电,将热量储存在bGen TM模块化的子单元中,并根据需要提供水蒸气或热空气。这种可持续的TES产品能够降低发电厂、制造业和商业设备的碳排放,称为无碳热储存,可以无限循环使用30年,其性能不会下降。

4 结语

目前,热储能技术具有应用范围广、绿色环保、安全稳定等特点,不仅用于太阳能热发电、火电机组改造,还可通过回收余热实现跨季节储热,夏储冬用,解决季节供需不平衡的问题。将风电、光电、光热、热泵等多种能源有机耦合,实现能源的长期高效储存,达到最优化清洁供热供电的目的。未来,热储能技术将继续朝着高效率、低成本、安全性能高、长寿命、规模化方向发展,助力形成以电能为核心、多种能源为一体的能源互联网,为大型可再生能源消纳和一体化能源服务提供关键技术支撑。