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      研究 | “電-熱-電”模式中的儲能優勢
      發布者:admin | 0評論 | 1039查看 | 2021-11-24 17:38:56    

      顧名思義,“電-熱-電”模式即將電能轉換為熱能,然后再將熱能轉換為電能的技術模式。這一技術模式在作者十年前提出時曾作為笑談,因為根據熱工原理這一技術模式能效顯然太低了,簡直可視為對能源的浪費。


      毋庸諱言,在倡導節能減排、增效降耗大環境中,突然冒出這么個技術著實讓人覺得可笑。其實,現在仍有很多科班出身的熱工技術人員對此不肖一顧。碳達峰和碳中和戰略目標的提出,為中國未來的綠色能源發展指明了方向,特別是未來可再生能源在我國能源領域逐漸由配角轉變為主角,“電-熱-電”技術模式的優點逐漸顯現。


      毫無疑問,“電-熱-電”技術模式針對的應用場景是不穩定不連續的可再生能源及電力,特別是風電、光伏電力很不穩定且品質低,光熱發電投資成本高,而太陽也不總是高高掛在天空,只有發揮各自長處,趨利避害,才能從根本上克服太陽能熱發電和風電、光伏各自存在的缺陷,最終實現可再生能源替代化石能源的終極目標。而它們之間的結合點,就是通過電加熱并儲熱來實現,“電-熱-電”技術模式的新穎之處在于:


      1、充分發揮太陽能熱發電的儲熱優勢,通過電加熱器將不穩定的風電、光伏電力為儲熱裝置補熱,克服太陽能熱發電與風電、光伏共有的不連續、不可控的缺陷。


      2、利用太陽能熱發電儲熱優勢將低品質電力轉換為優質電力,同時延長發電時數至5000小時以上,提高可再生能源的經濟性和競爭性。


      3、可提高太陽能熱發電技術的地域適應性,只要具備一定光照時數和具有一定風電、光伏裝機規模的地區都可以采用這項技術。


      “電-熱-電”技術能效靜態分析并不復雜,我國現有電轉熱技術主要依賴電阻式加熱器或電熱鍋爐實現,這里既有采用直流電的,也有采用交流電的,其能效多在95-98%?!盁?電”轉換則主要采用蒸汽朗肯循環或超臨界二氧化碳布雷頓循環發電機組,能效一般在38-50%,總能效也就30%上下。


      由此看來“電-熱-電”技術被詬病也不足為奇。但是如果放到以可再生能源為主的電力環境中,這一技術就大有作為。


      優勢在于“電-熱-電”可以使用不穩定的所謂垃圾電力來制熱;可借助光熱發電的儲熱設備實現多達10小時以上的長時儲能;熱儲能設備技術成熟度高,產業鏈簡單,總的制造過程碳排放量低。特別是依托規模儲能,單位儲能成本低,可與其他儲能技術進行有效競爭。


      “電-熱-電”技術與“電-氫-電”技術相比,優勢明顯,例如電解水制氫每立方需耗電4-5度,氫液化需要消耗運輸的氫的能量的30%,相當于每運輸1kg氫氣消耗7-10 kWh能量。


      由于液態氫為冷氫,通常,液態氫運輸溫度應該保持在-253°C左右,與環境溫度存較大溫差,因此對所用耐壓和絕緣材料有很高的要求,還需要制冷系統維護,能耗也很可觀。如果將氫氣由液態轉為氣態輸送用戶,以及使用燃料電池轉換為電能,現有技術能效多在40%左右。另外,所有電解水制氫、氫液化、運輸設備和車輛,閥門管道、燃料電池等的設備制造和產業鏈,其技術復雜程度以及碳排放量遠高于“電-熱-電”技術模式。


      “電-熱-電”技術依托的是熱儲能技術,與抽水蓄能和空氣壓縮儲能技術相比,都屬于長時儲能,但熱儲能的設備技術相對簡單成熟,關鍵是熱儲能可吸納不穩定和波動性很強的可再生電力,而抽水蓄能和空氣壓縮技術則需要穩定的低谷電支撐,但隨著燃煤電站減少和調峰能力下降,一旦可再生能源成為能源主力軍,低谷電成為歷史,抽水蓄能和空氣壓縮儲能設備就會被閑置,巨額投資就會成為垃圾資產。


      尤其在我國快速提高可再生能源發電比例的情況下,未雨綢繆很有必要。


      熱儲能與化學電池儲能相比,突出特點是儲能容量大,單位儲能成本低,這些是化學電池儲能無法與之競爭的,但是相較靈活性熱儲能顯然不如化學電池儲能。


      光熱發電技術本身是發展中的技術,特別是通過電制熱為儲熱裝置提供熱源,目前尚未成熟一致的技術方案。例如作者最早提出光熱發電與風電互補,其中最主要的是擺脫太陽能倍數理論束縛,在設計中要求光熱發電站最多按1.5倍鏡場設計,而原計劃用于儲能的鏡場投資轉為投資風電場建設。如圖1所示。


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      圖1儲能時長與鏡場規模中的太陽能倍數關系


      此方式一可平抑和降低投資總費用,二可通過電制熱裝置借助風電為儲能裝置補熱。在設計中尤其需兼顧風電波動性的電力沖擊,最好通過氣象數據和風電穩定程度來決定補熱方式。


      作者因此建議圍繞儲能設備采用串并聯電加熱鍋爐和將電加熱器直接布置在儲能設備中的技術方案,該方案可較好的應對忽高忽低的風電沖擊。如果能夠接納電網過載電力則建議使用串并聯電加熱鍋爐模式,以提高電熱轉換效率。如圖2所示:


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      圖2光熱發電與風電、光伏互補儲能


      實際上“電-熱-電”技術已經被國外很多科研技術人員采納,例如歐盟2020年10月新推出的SOLARSCO2OL計劃,決定采用光伏電站與光熱發電互補,通過電加熱為儲熱罐熔鹽補熱,動力系統計劃采用超臨界二氧化碳發電技術,效率提高至50%以上,該計劃動靜不小,歐盟資助該項目約1000萬歐元,由來自6個歐盟國家(意大利,西班牙,德國,希臘,比利時,瑞典)和1個歐盟外國家(摩洛哥)的15個國際企業組成項目聯盟來實施,致力于開發一種具有創新性,經濟上可行且易于復制的超臨界CO2電站,再加上快速反應的電加熱器和高效熱交換器,帶來全新的電站布局設計和運行理念。如圖3所示:


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      圖3歐盟SOLARSCO2OL計劃示范


      近年來西班牙比較有名氣的企業也準備采用該技術投標該國新的光熱發電項目。經查美國專利中包括日本東芝和美國企業也有類似利用風電進行“電-熱-電”互補的太陽能熱發電專利,而且已經獲得授權,但與我們的技術差別還很大,特別是在審查中還曾引用我們的專利做對照。2013年后我國很多院校和科研單位也都發表過相關論文,均證明了該技術的可行性。


      近來國內很多央企相繼準備建立包括風電、光伏和光熱發電在內的源網荷儲一體化項目,同時國家能源局也鼓勵重大創新示范,要求各省級能源主管部門在確保安全前提下,以需求為導向,優先考慮含光熱發電、氫能制輸儲用,梯級電站儲能、抽氣蓄能、電化學儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等新型儲能示范的“一體化”項目。因此“電-熱-電”技術的儲能優勢必將凸顯,在未來的可再生能源電站中或將成為技術主流。


      注:本文作者系太陽能熱發電技術資深學者張建城。

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