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11月23日，北京兆陽(yáng)光熱技術(shù)有限公司（簡(jiǎn)稱兆陽(yáng)光熱）經(jīng)理王芳出席了由ESPLAZA長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能網(wǎng)、國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)（華北電力大學(xué)）共同主辦的2023首屆中國(guó)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能大會(huì)，并作主題報(bào)告《兆陽(yáng)固體儲(chǔ)熱技術(shù)在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)》。

王芳本次報(bào)告分為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、耐高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景分析、兆陽(yáng)光熱高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)的特點(diǎn)三個(gè)部分。

▲兆陽(yáng)光熱經(jīng)理王芳

一、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

儲(chǔ)能技術(shù)為什么成為剛需？

眾所周知，雙碳目標(biāo)是新能源電力體系近年來(lái)快速發(fā)展的一個(gè)推手，這個(gè)推手導(dǎo)致了什么結(jié)果呢？王芳表示，觀察2022年各種類型的發(fā)電裝機(jī)占比，可以看出火電已經(jīng)被壓縮了將近一半的水平，這就導(dǎo)致了新能源電力發(fā)展過(guò)程中一個(gè)不好的現(xiàn)象——大規(guī)模棄電。

一組數(shù)據(jù)顯示，2023年1月-9月，全國(guó)風(fēng)電棄電率約2.9%，光伏棄電率約1.7%峰值。數(shù)據(jù)表明，新疆9月風(fēng)電棄電約10.9%，西藏光伏棄電14.7%。從棄電量來(lái)看，總裝機(jī)量為1821.1萬(wàn)千瓦的青海光伏棄電10.3%，也就是每小時(shí)棄電約187萬(wàn)千瓦時(shí)，這個(gè)棄電量是非常巨大的。

我國(guó)電力發(fā)展的基本要求是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，統(tǒng)籌煤電發(fā)展和保供調(diào)峰，嚴(yán)控煤電裝機(jī)規(guī)模，要求火電站具有20%的深度調(diào)峰能力。而觀察光伏和風(fēng)電冬夏兩季的日出力曲線，可以看出分別呈現(xiàn)尖峰的拋物線的趨勢(shì)和波浪式的趨勢(shì)，表明這兩種能源都具有間歇性和不穩(wěn)定性。由于光伏和風(fēng)電這種不穩(wěn)定能源電力的大力發(fā)展，今年5月份我國(guó)甚至還出現(xiàn)了負(fù)電價(jià)的產(chǎn)生，這是從未有過(guò)的現(xiàn)象。

我們需要什么樣的儲(chǔ)能技術(shù)？

王芳認(rèn)為，短時(shí)的儲(chǔ)能并不能解決上述新型電力的大規(guī)模棄風(fēng)棄電現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)相對(duì)安全，可以平衡光伏和風(fēng)電等不穩(wěn)定的電力輸出，且可以得到大規(guī)模的發(fā)展。

普遍情況下，充放電時(shí)間超過(guò)6小時(shí)的儲(chǔ)能稱之為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。觀察全球范圍內(nèi)儲(chǔ)能裝機(jī)情況，可以看出我國(guó)的儲(chǔ)能裝機(jī)領(lǐng)先于世界范圍內(nèi)其他國(guó)家，王芳指出，該成果證明儲(chǔ)能技術(shù)在中國(guó)的生存和發(fā)展市場(chǎng)是很廣闊的。

王芳介紹，從近20年來(lái)的儲(chǔ)能技術(shù)文章和專利的數(shù)量分布來(lái)看，儲(chǔ)熱或者是儲(chǔ)冷的專利和文章占比在40%左右。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球能源預(yù)算中90%的能源也是圍繞熱能的轉(zhuǎn)換、傳輸和存儲(chǔ)進(jìn)行的。受到熱力學(xué)定律的約束，熱能是重要的中間產(chǎn)物和副產(chǎn)物，存在大量的熱能可以被利用。因此儲(chǔ)熱技術(shù)是最安全、最經(jīng)濟(jì)、最高效的城市儲(chǔ)能技術(shù)。

王芳表示，顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單，仍是目前應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)熱方式之一。顯熱儲(chǔ)熱按照材料的物態(tài)可分為固態(tài)和液態(tài)。常見(jiàn)的固態(tài)相變材料包含混凝土、鎂磚、鵝卵石等。常見(jiàn)的液態(tài)顯熱材料包括水、導(dǎo)熱油、液態(tài)金屬和熔融鹽等。不同的儲(chǔ)熱材料對(duì)應(yīng)不同的儲(chǔ)熱方式，而不同儲(chǔ)熱方式的有著各自的特點(diǎn)：

王芳指出，耐高溫固體儲(chǔ)熱具有運(yùn)行安全、運(yùn)維成本低且生產(chǎn)環(huán)境無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，是目前需要大力發(fā)展的儲(chǔ)熱技術(shù)之一。

二、耐高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景及案例分析

王芳介紹，耐高溫固體儲(chǔ)熱和熔鹽儲(chǔ)熱一樣，可以進(jìn)行蒸汽存儲(chǔ)和谷電存儲(chǔ)，例如火電站汽輪機(jī)的抽氣、聚光集熱系統(tǒng)的蒸汽、谷電或棄電都可以被利用。輸出的蒸汽、油、熱水等可以用于發(fā)電、酒店和醫(yī)院等消毒、商業(yè)樓宇和酒店供暖及工業(yè)熱水和小區(qū)的冬季供暖等場(chǎng)景。

1.蒸汽蓄熱運(yùn)行原理及經(jīng)濟(jì)性分析

儲(chǔ)耐高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)存蒸汽、輸出蒸汽系統(tǒng)的運(yùn)行原理是將聚光集熱系統(tǒng)或者是其他熱力電站的一些蒸汽，輸送到固體儲(chǔ)熱體里邊，固體儲(chǔ)熱分為多個(gè)模塊，設(shè)置多個(gè)模塊的目的能夠同時(shí)擁有儲(chǔ)熱和取熱兩種功能。

這幅圖中，左邊的4個(gè)模塊正在進(jìn)行儲(chǔ)熱，右邊的兩個(gè)模塊在進(jìn)行取熱。

王芳介紹，設(shè)置一個(gè)算例，儲(chǔ)熱容量大概452MWh，儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)是24h，輸入蒸汽的時(shí)長(zhǎng)是8h，輸入的蒸汽參數(shù)是7.5MPa，290℃，輸出的蒸汽參數(shù)是1MPa，180℃，每天產(chǎn)生的蒸汽量是600t，占地面積大概是1500平方米。

在什么樣的條件下才能采用或更適合采用這套系統(tǒng)，使這套系統(tǒng)有較好的經(jīng)濟(jì)性。王芳指出，上圖展現(xiàn)固定蒸汽原價(jià)格在200元/蒸噸的情況下，不同的出售蒸汽價(jià)格對(duì)應(yīng)的靜態(tài)回收期?？梢钥吹?，在高于240元/蒸噸的時(shí)候，靜態(tài)回收期可以在6年以內(nèi)。固定出售蒸汽的價(jià)格為300元/蒸噸時(shí)，在250元/蒸噸的蒸汽原價(jià)格的情況下，可以做到6年的靜態(tài)回收期。如果回收的蒸汽價(jià)格和售出的蒸汽價(jià)格差在60元以上，就可以保持靜態(tài)回收期在6年以內(nèi)的水平。

2.電蓄熱運(yùn)行原理及經(jīng)濟(jì)性分析

王芳介紹，耐高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)利用電蓄熱與利用蒸汽蓄熱類似，只不過(guò)儲(chǔ)存的是一些谷電或棄電。但設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)受到兩方面的限制：

（1）用棄電或者谷電，首先這個(gè)應(yīng)用的場(chǎng)景得有一個(gè)比較大的電容。如果為了采用這個(gè)設(shè)備再去擴(kuò)容，成本是一般用戶難以承受的。

（2）能拿到一個(gè)什么樣的谷電或者是棄電價(jià)格，參考網(wǎng)上的2023年9月份各省市的平價(jià)、谷價(jià)，還有一些尖峰電價(jià)。

觀察上圖可知，南方各省份的電價(jià)相對(duì)于北方來(lái)說(shuō)，峰值電價(jià)更高一些。谷電和風(fēng)電的價(jià)差也會(huì)高一些。這就導(dǎo)致南北方運(yùn)行電蓄熱系統(tǒng)投入成本是有所差別的。

王芳指出，耐高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)利用電蓄熱的經(jīng)濟(jì)性可以從兩方面進(jìn)行分析。

一是采用電蓄熱生產(chǎn)蒸汽的算例，蓄熱時(shí)長(zhǎng)為8h，儲(chǔ)熱容量是306MWh，儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)是24h，入口水溫15℃，輸出蒸汽參數(shù)1MPa,180℃，每天的輸出也是蒸汽量600t，一天的耗電量大概是45.9萬(wàn)KWh，占地面積是800㎡。這個(gè)算法中相對(duì)于天然氣的年減碳量大概在31430t。

在這個(gè)算法下，設(shè)置三檔谷電價(jià)格，分別是0.3元/度、0.32元/度和0.35元/度，觀察不同的蒸汽售價(jià)對(duì)應(yīng)的靜態(tài)回收期：谷電價(jià)格在0.35元/度時(shí)，如果想要做到6年的回收期，售價(jià)就得高于310元/蒸噸；谷電價(jià)格在0.32元/度的情況下，如果想做到6年回收期，大概的蒸汽售價(jià)需285元/蒸噸的水平；谷電價(jià)格在0.3元/度時(shí)，280元/蒸噸以上的價(jià)格，可以做到5年回收期。

二是采用谷電蓄熱，再進(jìn)行蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這個(gè)算例也要做一個(gè)假設(shè)，假設(shè)汽輪發(fā)電機(jī)是原有的設(shè)備，參與到原有的系統(tǒng)里，電加熱的時(shí)長(zhǎng)是8h，儲(chǔ)熱容量是770MWh，發(fā)電時(shí)長(zhǎng)是6h。只在早高峰或者是晚高峰進(jìn)行高峰電力輸出或者是尖峰電價(jià)的電力輸出，汽輪發(fā)電機(jī)的效率是41%，一年的發(fā)電量大概是1.08億度，占地面積是800㎡。

王芳將同樣將谷電價(jià)格劃分為三檔：0.15元/度、0.2元/度和0.3元/度。首先在最高0.3元/度價(jià)格的情況下，如果想要做到8年以內(nèi)的靜態(tài)回收期，售電價(jià)格就要在0.95元/度以上；谷電價(jià)格在0.2元/度的時(shí)候，要想做到8年以內(nèi)的回收期，售電價(jià)格在0.7元/度以上就可以；谷電價(jià)格在0.15元/度的時(shí)候，如果是0.7元/度的售電電價(jià)，靜態(tài)回收期大概是4年左右。

王芳介紹，兆陽(yáng)光熱在張家口的15MW光熱電站建設(shè)了一個(gè)720MWh的混凝土固體儲(chǔ)熱，這是全球范圍內(nèi)第一個(gè)大容量的商業(yè)化混凝土儲(chǔ)熱體，采用菲涅爾式聚光技術(shù)、直接蒸汽發(fā)生技術(shù)（DSG）以及耐熱混凝土儲(chǔ)熱技術(shù)，儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為14小時(shí)。該應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了一系列性能測(cè)試及試運(yùn)，測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，儲(chǔ)取熱性能滿足設(shè)計(jì)要求。

三、兆陽(yáng)高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)特點(diǎn)

王芳介紹，兆陽(yáng)高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)具有傳熱工質(zhì)和蓄熱介質(zhì)安全經(jīng)濟(jì)、裝機(jī)規(guī)模相對(duì)較大、使用壽命長(zhǎng)、建設(shè)周期短、安全性高、響應(yīng)速度快、環(huán)境友好、全天候熱力供應(yīng)保障能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)等特點(diǎn)。

1.從系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)型式來(lái)看

兆陽(yáng)固體儲(chǔ)熱系統(tǒng)通常由多個(gè)混凝土儲(chǔ)熱單元組合而成，單元結(jié)構(gòu)包括換熱管、匹配及熱擴(kuò)散結(jié)構(gòu)、混凝土儲(chǔ)熱體及外部保溫層，標(biāo)準(zhǔn)截面上均勻布置用于熱交換的換熱管路，換熱管路與混凝土儲(chǔ)熱體之間通過(guò)兆陽(yáng)專利技術(shù)的高導(dǎo)熱性能的匹配及熱擴(kuò)散結(jié)構(gòu)相連，在達(dá)到儲(chǔ)放過(guò)程換熱功率的同時(shí)，又能有效解決金屬管路與儲(chǔ)熱混凝土之間的漲縮尺寸匹配問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)該固體儲(chǔ)熱系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全可靠工作，具有低成本高性能的顯著優(yōu)勢(shì)。

圖：720MWh項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)圖，里邊有幾萬(wàn)噸的管束

儲(chǔ)熱體每天高溫變化情況下，能夠承受住嗎？是否會(huì)開(kāi)裂或者粉化？

王芳解釋到，該儲(chǔ)熱體分為很多層，以最上層的儲(chǔ)熱體為例：當(dāng)最上層的儲(chǔ)熱體儲(chǔ)滿時(shí)，溫度可以達(dá)到450℃；當(dāng)儲(chǔ)熱結(jié)束時(shí)，它的溫度是410℃。每一次熱循環(huán)的溫度交變也就是40℃，40℃的溫度差相當(dāng)于常見(jiàn)混凝土住宅每天的溫度變化，所以并不用擔(dān)心安全性能上的問(wèn)題。

2.從原料和施工過(guò)程來(lái)看

王芳指出，該系統(tǒng)的原料來(lái)源樸素簡(jiǎn)單，主要是水泥、沙子、石子和一些專有配方的耐高溫添加劑，具有來(lái)源廣泛且成本低的特點(diǎn)。

王芳介紹了一號(hào)電站儲(chǔ)熱體的施工過(guò)程，該系統(tǒng)是采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方式來(lái)進(jìn)行建設(shè)的：

兆陽(yáng)光熱固體儲(chǔ)熱系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程可模塊化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接，建設(shè)周期在1年內(nèi)，建設(shè)周期短，且混凝土儲(chǔ)能系統(tǒng)的制造和運(yùn)行對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生任何污染。

3.從儲(chǔ)熱混凝土的熱性能測(cè)試及熱學(xué)、力學(xué)性能指標(biāo)檢測(cè)來(lái)看

王芳介紹，熱物性由專業(yè)機(jī)構(gòu)使用進(jìn)口高品質(zhì)熱物性測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：兆陽(yáng)光熱專利配方儲(chǔ)熱混凝土在常溫下綜合導(dǎo)熱系數(shù)＞2.2W/（m.K），350℃下的綜合導(dǎo)熱系數(shù)＞1.6W/（m.K），導(dǎo)熱性能優(yōu)良。該性能指標(biāo)混凝土的綜合成本較低，完全滿足光熱發(fā)電儲(chǔ)熱要求。

王芳指出，在500℃的時(shí)候，配方混凝土的比熱容可以達(dá)到1.105kJ/（kg·K），抗壓強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增加，也是逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，蓄熱介質(zhì)安全經(jīng)濟(jì)，獲得了第三方權(quán)威監(jiān)測(cè)報(bào)告點(diǎn)的認(rèn)可。

4.從單根管路儲(chǔ)熱、取熱測(cè)試及設(shè)備運(yùn)維來(lái)看

王芳介紹了在上述一號(hào)電站的儲(chǔ)熱體做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，目的是驗(yàn)證儲(chǔ)、取熱性能。理論溫差10℃，蒸發(fā)段換熱系數(shù)的單位長(zhǎng)度理論設(shè)計(jì)取熱功率是100W/m；實(shí)際測(cè)量值是98.76W/m，偏差＜2%。證明混凝土儲(chǔ)熱體系從工藝性能和造價(jià)等方面，都滿足了設(shè)計(jì)要求。

王芳指出，在最后的設(shè)備運(yùn)維環(huán)節(jié)，運(yùn)維人員數(shù)量要求比較少，儲(chǔ)熱體可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能巡查，大大減少了人工成本；類似常規(guī)火電站的設(shè)備，檢修和更換的費(fèi)用相對(duì)較低，且水工質(zhì)常年都在5℃以上，無(wú)需防凝；對(duì)運(yùn)維人員的能力要求也不高，常規(guī)火電站運(yùn)維人員即可，無(wú)需特殊的能力和經(jīng)驗(yàn)要求。