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研究 | “电-热-电”模式中的储能优势

2021.11.24 来自:

顾名思义,“电-热-电”模式即将电能转换为热能,然后再将热能转换为电能的技术模式。这一技术模式在作者十年前提出时曾作为笑谈,因为根据热工原理这一技术模式能效显然太低了,简直可视为对能源的浪费。


毋庸讳言,在倡导节能减排、增效降耗大环境中,突然冒出这么个技术着实让人觉得可笑。其实,现在仍有很多科班出身的热工技术人员对此不肖一顾。碳达峰和碳中和战略目标的提出,为中国未来的绿色能源发展指明了方向,特别是未来可再生能源在我国能源领域逐渐由配角转变为主角,“电-热-电”技术模式的优点逐渐显现。


毫无疑问,“电-热-电”技术模式针对的应用场景是不稳定不连续的可再生能源及电力,特别是风电、光伏电力很不稳定且品质低,光热发电投资成本高,而太阳也不总是高高挂在天空,只有发挥各自长处,趋利避害,才能从根本上克服太阳能热发电和风电、光伏各自存在的缺陷,最终实现可再生能源替代化石能源的终极目标。而它们之间的结合点,就是通过电加热并储热来实现,“电-热-电”技术模式的新颖之处在于:


1、充分发挥太阳能热发电的储热优势,通过电加热器将不稳定的风电、光伏电力为储热装置补热,克服太阳能热发电与风电、光伏共有的不连续、不可控的缺陷。


2、利用太阳能热发电储热优势将低品质电力转换为优质电力,同时延长发电时数至5000小时以上,提高可再生能源的经济性和竞争性。


3、可提高太阳能热发电技术的地域适应性,只要具备一定光照时数和具有一定风电、光伏装机规模的地区都可以采用这项技术。


“电-热-电”技术能效静态分析并不复杂,我国现有电转热技术主要依赖电阻式加热器或电热锅炉实现,这里既有采用直流电的,也有采用交流电的,其能效多在95-98%。“热-电”转换则主要采用蒸汽朗肯循环或超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组,能效一般在38-50%,总能效也就30%上下。


由此看来“电-热-电”技术被诟病也不足为奇。但是如果放到以可再生能源为主的电力环境中,这一技术就大有作为。


优势在于“电-热-电”可以使用不稳定的所谓垃圾电力来制热;可借助光热发电的储热设备实现多达10小时以上的长时储能;热储能设备技术成熟度高,产业链简单,总的制造过程碳排放量低。特别是依托规模储能,单位储能成本低,可与其他储能技术进行有效竞争。


“电-热-电”技术与“电-氢-电”技术相比,优势明显,例如电解水制氢每立方需耗电4-5度,氢液化需要消耗运输的氢的能量的30%,相当于每运输1kg氢气消耗7-10 kWh能量。


由于液态氢为冷氢,通常,液态氢运输温度应该保持在-253°C左右,与环境温度存较大温差,因此对所用耐压和绝缘材料有很高的要求,还需要制冷系统维护,能耗也很可观。如果将氢气由液态转为气态输送用户,以及使用燃料电池转换为电能,现有技术能效多在40%左右。另外,所有电解水制氢、氢液化、运输设备和车辆,阀门管道、燃料电池等的设备制造和产业链,其技术复杂程度以及碳排放量远高于“电-热-电”技术模式。


“电-热-电”技术依托的是热储能技术,与抽水蓄能和空气压缩储能技术相比,都属于长时储能,但热储能的设备技术相对简单成熟,关键是热储能可吸纳不稳定和波动性很强的可再生电力,而抽水蓄能和空气压缩技术则需要稳定的低谷电支撑,但随着燃煤电站减少和调峰能力下降,一旦可再生能源成为能源主力军,低谷电成为历史,抽水蓄能和空气压缩储能设备就会被闲置,巨额投资就会成为垃圾资产。


尤其在我国快速提高可再生能源发电比例的情况下,未雨绸缪很有必要。


热储能与化学电池储能相比,突出特点是储能容量大,单位储能成本低,这些是化学电池储能无法与之竞争的,但是相较灵活性热储能显然不如化学电池储能。


光热发电技术本身是发展中的技术,特别是通过电制热为储热装置提供热源,目前尚未成熟一致的技术方案。例如作者最早提出光热发电与风电互补,其中最主要的是摆脱太阳能倍数理论束缚,在设计中要求光热发电站最多按1.5倍镜场设计,而原计划用于储能的镜场投资转为投资风电场建设。如图1所示。


图1储能时长与镜场规模中的太阳能倍数关系


此方式一可平抑和降低投资总费用,二可通过电制热装置借助风电为储能装置补热。在设计中尤其需兼顾风电波动性的电力冲击,最好通过气象数据和风电稳定程度来决定补热方式。


作者因此建议围绕储能设备采用串并联电加热锅炉和将电加热器直接布置在储能设备中的技术方案,该方案可较好的应对忽高忽低的风电冲击。如果能够接纳电网过载电力则建议使用串并联电加热锅炉模式,以提高电热转换效率。如图2所示:


图2光热发电与风电、光伏互补储能


实际上“电-热-电”技术已经被国外很多科研技术人员采纳,例如欧盟2020年10月新推出的SOLARSCO2OL计划,决定采用光伏电站与光热发电互补,通过电加热为储热罐熔盐补热,动力系统计划采用超临界二氧化碳发电技术,效率提高至50%以上,该计划动静不小,欧盟资助该项目约1000万欧元,由来自6个欧盟国家(意大利,西班牙,德国,希腊,比利时,瑞典)和1个欧盟外国家(摩洛哥)的15个国际企业组成项目联盟来实施,致力于开发一种具有创新性,经济上可行且易于复制的超临界CO2电站,再加上快速反应的电加热器和高效热交换器,带来全新的电站布局设计和运行理念。如图3所示:


图3欧盟SOLARSCO2OL计划示范


近年来西班牙比较有名气的企业也准备采用该技术投标该国新的光热发电项目。经查美国专利中包括日本东芝和美国企业也有类似利用风电进行“电-热-电”互补的太阳能热发电专利,而且已经获得授权,但与我们的技术差别还很大,特别是在审查中还曾引用我们的专利做对照。2013年后我国很多院校和科研单位也都发表过相关论文,均证明了该技术的可行性。


近来国内很多央企相继准备建立包括风电、光伏和光热发电在内的源网荷储一体化项目,同时国家能源局也鼓励重大创新示范,要求各省级能源主管部门在确保安全前提下,以需求为导向,优先考虑含光热发电、氢能制输储用,梯级电站储能、抽气蓄能、电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能等新型储能示范的“一体化”项目。因此“电-热-电”技术的储能优势必将凸显,在未来的可再生能源电站中或将成为技术主流。




相关线下活动:


第十二届光热发电中国聚焦大会2022(2022年,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2022(时间待定,阿联酋迪拜)


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