何雅玲,中國科學(xué)院院士,教授,工程熱物理專家,現(xiàn)任第十九屆中央委員會候補委員,國務(wù)院學(xué)位委員會學(xué)科評議組召集人(動力工程及工程熱物理),教育部高等學(xué)校能源動力類專業(yè)教指委主任,西安交通大學(xué)學(xué)術(shù)委員會主任。研究方向為工程熱物理、能源高效轉(zhuǎn)換與利用、儲能科學(xué)與工程等。
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。
縱觀人類社會發(fā)展歷史,人類社會文明的每一次重大進步都伴隨著能源利用的改進和革命。
儲能技術(shù)在促進能源生產(chǎn)消費、開放共享、靈活交易、協(xié)同發(fā)展,推動能源革命和能源新業(yè)態(tài)發(fā)展方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,是新能源與可再生能源發(fā)展的核心支撐,儲能技術(shù)的創(chuàng)新突破將成為帶動全球能源格局革命性、顛覆性調(diào)整的重要引領(lǐng)技術(shù)。
當(dāng)前,世界主要發(fā)達國家紛紛加快儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,搶占能源戰(zhàn)略突破高點。
在眾多儲能技術(shù)中,熱儲能是最具應(yīng)用前景的規(guī)模儲能技術(shù)之一。
熱儲能技術(shù)是以儲熱材料為媒介,將太陽能光熱、地?zé)帷⒐I(yè)余熱、低品位廢熱等或者將電能轉(zhuǎn)換為熱能儲存起來,在需要的時候釋放,以解決由于時間、空間或強度上的熱能供給與需求間不匹配所帶來的問題,最大限度地提高整個系統(tǒng)的能源利用率。
熱儲能相比于電化學(xué)儲能、電氣儲能等其他儲能技術(shù)路線,在裝機規(guī)模、儲能密度、技術(shù)成本、使用壽命等方面具有明顯優(yōu)勢;
而與壓縮空氣儲能和抽水蓄能這兩種機械儲能技術(shù)相比,熱儲能技術(shù)具有占地面積小、成本低、儲能密度高、對環(huán)境影響小、不受地理、環(huán)境條件限制等諸多優(yōu)勢;
熱儲能技術(shù)作為一種能量高密度化、轉(zhuǎn)換高效化、應(yīng)用成本化的大容量規(guī)?;瘍δ芊绞?,將在構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等方面發(fā)揮重要作用。
熱儲能技術(shù)特點優(yōu)勢主要表現(xiàn)在:
儲能容量大、配置靈活、無特殊環(huán)境要求;
具有規(guī)?;ㄔO(shè)及運營成本的優(yōu)勢,具有明顯的規(guī)模效應(yīng);
可根據(jù)用戶需要,實現(xiàn)多種能源品位冷、熱、電、汽聯(lián)供;
可對區(qū)域電網(wǎng)實現(xiàn)削峰填谷、雙向調(diào)節(jié)、消納間歇性新能源(風(fēng)電、光伏等)裝機出力,是電網(wǎng)平衡峰谷差的最佳解決方案;
循環(huán)次數(shù)大、壽命長,且儲能電站的雙向調(diào)節(jié)功能不會伴隨長時間儲熱循環(huán)而導(dǎo)致效率降低;
儲放過程無化學(xué)反應(yīng),技術(shù)參數(shù)及過程可控,系統(tǒng)安全性高。
熱儲能技術(shù)可應(yīng)用于電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)。
對用戶側(cè)而言,熱儲能技術(shù)可應(yīng)用于用戶冷、熱、電綜合能源服務(wù)、海水淡化等場合;
在熱能直接利用中,儲熱技術(shù)擁有比儲電技術(shù)更高的能量利用效率;
儲熱技術(shù)還包括儲存和利用低于環(huán)境溫度的熱能,即蓄冷技術(shù)在冷鏈相關(guān)領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用,市場規(guī)模亦在持續(xù)擴大。
對電源、電網(wǎng)側(cè)而言,現(xiàn)階段電力系統(tǒng)呈現(xiàn)高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特征,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)下降,調(diào)頻、調(diào)壓能力不足,對電網(wǎng)安全提出嚴峻挑戰(zhàn),太陽光熱儲能發(fā)電通過汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量可以有效實現(xiàn)調(diào)頻;
在火電廠靈活性改造中,熱儲能發(fā)電技術(shù)將機組變負荷運行時出現(xiàn)的過剩蒸汽熱量轉(zhuǎn)化為儲熱介質(zhì)的熱能存儲起來,當(dāng)需要時將熱能釋放,既能增加機組調(diào)峰深度,也能增加峰負荷能力,投資和運行成本較低,具有明顯優(yōu)勢。
世界上先進國家對熱儲能及其發(fā)電技術(shù)開展了多方面研究和投資。
比爾·蓋茨領(lǐng)銜的突破能源基金投資了由Google-X實驗室孵化的Malta熔鹽儲熱技術(shù);英國能源技術(shù)研究所與Joseph Swan爵士能源研究中心聯(lián)合研發(fā)電網(wǎng)規(guī)模熱儲能系統(tǒng);西門子歌美颯公司宣布在德國北部的漢堡正式投運了用火山石將過剩的電能轉(zhuǎn)化為熱能的新型電熱儲能(ETES)示范項目,設(shè)計儲存容量為130 MW·h?,進一步推進儲能和新能源發(fā)電結(jié)合、與電網(wǎng)結(jié)合技術(shù)的發(fā)展。
高溫?zé)醿δ芗鞍l(fā)電技術(shù)在歐洲、美洲、非洲、中東地區(qū)已經(jīng)獲得較為廣泛的商業(yè)化應(yīng)用,2008年西班牙建成了歐洲首座槽式光熱電站,熔鹽雙罐儲熱時長7.5 h,電站年運行小時數(shù)高達3600 h;2015年美國投運了當(dāng)時全球最大的塔式熔鹽儲熱發(fā)電項目,裝機量達110 MW,熔鹽雙罐儲熱時長10 h,儲熱效率達到了99%。
截至2021年底,全球光熱發(fā)電站的裝機容量約為6.6 GW,2021財年美國能源部資助了20余項光熱發(fā)電研究項目,美國能源部規(guī)劃預(yù)計2030年12小時儲能光熱發(fā)電成本目標(biāo)是5美分/kW·h,可見光熱儲能發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在發(fā)達國家很受重視。
我國經(jīng)過十幾年的發(fā)展,截至2021年12月,太陽能光熱儲能發(fā)電已有3座實驗電站、9座商業(yè)化電站建成并網(wǎng)發(fā)電,總裝機容量達521 MW,中國企業(yè)在國外總包建成和在建的光熱儲能電站裝機容量超過1000 MW。
中廣核德令哈50 MW槽式電站(儲熱9 h)是我國首個大型商業(yè)化光熱示范電站,2021年9月19日至2022年1月4日已經(jīng)連續(xù)運行107天,刷新了2020年最長連續(xù)運行32.2天的記錄;
2018年,首航高科在敦煌建成了國內(nèi)首座裝機容量100 MW熔鹽塔式電站,配置了11 h的熔鹽雙罐儲熱系統(tǒng),可實現(xiàn)24 h連續(xù)運行;
2019年12月31日,我國在敦煌建成了世界上第一座以熔鹽為吸熱、儲熱工質(zhì)的商業(yè)化線性菲涅爾式光熱發(fā)電站;
2020年,中船新能在內(nèi)蒙古烏拉特中旗建成100 MW導(dǎo)熱油槽式光熱電站,配置10 h熔鹽儲熱系統(tǒng),據(jù)蒙西電網(wǎng)統(tǒng)計,2021年1月至11月,該項目累積上網(wǎng)電量2.05億kW·h,占全國同時段光熱發(fā)電總量的30.48%。
我國太陽光熱儲能發(fā)電核心技術(shù)已經(jīng)成熟,形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)鏈,關(guān)鍵設(shè)備部件已全部國產(chǎn)化。
2021年10月國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》指出,積極發(fā)展太陽能光熱發(fā)電,推動建立太陽能光熱發(fā)電與光伏發(fā)電、風(fēng)電互補調(diào)節(jié)的風(fēng)光熱綜合可再生能源發(fā)電基地,推進熔鹽儲能供熱和發(fā)電示范應(yīng)用。
這對推進太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)和熔鹽儲能供熱規(guī)?;l(fā)展提供了政策指導(dǎo)和保障。
現(xiàn)在,風(fēng)光熱儲互補國家高度支持,太陽光熱儲能發(fā)電將開啟一個新的時代。
總之,熱儲能系統(tǒng)在冷、熱、電綜合能源利用方面效率高,在儲熱容量、規(guī)模化建設(shè)及運營成本、運行壽命、安全性、發(fā)電功率等方面具有突出優(yōu)勢,特別是對消納間歇性新能源(風(fēng)電、光伏等)裝機出力,在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等方面發(fā)揮重要作用,是未來規(guī)模儲能的中堅力量,具有廣闊的發(fā)展前景,在能源革命中發(fā)揮著重要作用。