新型相变储能蓄热技术成为碳中和时代的“技术网红”

发布日期：2024-04-29 04:09:48　作者：油水分离器

近日，央能研究院院长管华博士从气候危机、气候经济学理论、新经济稳步的增长理论和碳经济学、光热产业是实现双碳战略目标和绿色发展的重要路径三个视角，阐释在实现碳中和战略、能源转型时，可完全实现绿色增长，提出了光热产业是实现双碳战略目标和绿色发展的重要路径，并提出了政策建议：

近年来极端气候出现的频率不断上升，几十年一遇的灾害时有发生，其中一个重要诱因便是全球气候变化，背后则是人类活动带来的大量碳排放。气候变化的科学研究证据表明，人类产生的温室气体，是造成气候变化的主因，其中二氧化碳占大宗。每年人类活动在全球造成约510亿吨的二氧化碳排放到大气中。大气中的二氧化碳，借由辐射效应改变了地球大气系统的能量平衡，从而造成气候变化。

纵观世界经济，二氧化碳和温室气体排放与各国的发展阶段密不可分。中国也不例外。中国是制造业大国，经济结构决定了这一发展阶段必然是高耗能高排放的经济体。中国在全球二氧化碳和温室气体排放中的占比分别约为30%和26%，是2019年全球排放占比最高的单一国家，据估算，中国加速增长的碳排放在上世纪70年代以来全球新增温室气体排放中约占45%，2019年，中国约80%的排放来自于发电和工业这两大高排放领域。中国的发电和工业在排放中的占比高于全球其他主要地区，而交通运输和建筑行业的排放占比小于其他地区。

中国的发电工业约占中国二氧化碳和温室气体排放量的40%和33%，是应对气候变化与碳中和的主要领域。燃煤发电目前在中国电力结构中约占65%（包括天然气和石油，化石燃料发电的比例约为68%）。因此，中国调整降低以煤炭发电为主，增加可再生能源发电比例的能源结构，成为中短期脱碳的最重要目标。

光热发电（CSP），是通过将太阳能聚光集热、吸热、储热、发电的技术。产生的高温热能除发电外还可应用于很多行业。光热发电具有连续、低成本供电、可热电联供等特征，是新一代能源系统中的重要发展方向，完全可替代煤炭等化石燃料发电。中国是一个太阳能资源非常丰富的国家。全国陆地面积接受的太阳能辐射能约为17000亿吨标准煤。其中年日照时数大于2200小时、辐射总量高于5000MJ/m2的太阳能资源丰富或较丰富的地区约占全国总面积的2/3以上，具有良好的太阳能光热利用条件。

目前全球光热发电技术主要有四种技术路线，分别是大盘（碟）式、塔式、槽式、菲涅尔式。其中尤以大盘式光热技术效能最高。据研究数据证明，光热发电技术是典型的绿色低碳、气候友好型、电网友好型电源，完全可作为基础主力电源。以SG4型500平米大盘太阳能光热发电专利系列技术为例，大盘集热具有以下优势：可7x24h发电。

可用于公用事业级发电、超临界二氧化碳循环发电、热电联产、煤电耦合改造、可作为基础电源调节电网峰谷；工业蒸汽；海水淡化；矿石冶炼；石油炼化；热化学（煤炭液化、太阳能合成燃料、制氢等）；农业加工（超高温牛奶、气化）；废物处理（将垃圾转化为燃料、塑料）；制冷；碳捕捉、利用、封存（CCUS）等。无燃料成本，生命周期30年以上。百兆瓦项目可节约标准煤约21万吨，减少碳排放约56万吨。投资、占地、效率、度电成本均优于其他技术。可提供有成本竞争力的太阳热能应用解决方案。

光热发电机组配置储热系统，发电功率稳定可靠，当储热系统容量大时，光热发电机组可实现24小时连续稳定发电。因此，它可以在电网中承担基本负荷。调峰性能优异。光热发电机组启动时间、负荷调节范围等性能优于燃煤机组，可参与电网调峰。光热发电机组的优良调峰性能，可增强电力系统消纳新能源电力的能力，减少弃风、弃光损失。

光热发电可根据电网用电负荷的需要，快速地调节汽轮发电机组的出力，参与电力系统的一次调频和二次调频，还可为电力系统提供转动惯量支撑，维持系统频率稳定。可应对极端天气条件。在风电/光伏比重较大的电网中，在连续的极端气象条件下，比如阴天、下雨天、无风天时段，电力系统缺少发电功率时，光热发电机组可以作为应急保障发电机组，利用备用天然气加热熔盐，实现机组满负荷稳定发电，且备用成本低。

光热发电机组配置大容量熔盐储热系统，具备利用夜间弃风电力加热熔盐进行储能的条件，在次日早高峰时段利用储热系统发电，从而起到储能电站的作用。在这种模式下，其新增投资成本只有额外增加的熔盐电加热设备。

与燃煤发电对比。光热发电具备良好的调节特性，可迅速响应电网负荷需求，快速调节机组的出力，具备参与电力系统调峰和调频的能力。与燃煤发电相比，光热发电机组具有更优异的调节性能，负荷调节范围更广，升负荷速率更快。与光伏发电对比。光热发电出力稳定、调节性能优越，对电力系统友好。光伏要为电力系统提供可靠的电力，必须配置至少6h的储能电站（满足晚高峰电力需求）；同容量的光热发电机组的年发电量约是不配置储能的光伏发电的2.5倍，

同时，光热发电可以提供可靠的电力保障，即100%参与电力平衡，不需要电力系统额外配套建设储能电站。按照目前的市场情况和未来的发展趋势，光热发电的经济性要优于光伏+电池储能。比较成本时，应该把“光伏+电池”和“光热+热储”来进行比较。据测算，如果两套系统均配套6小时储能来比较其平均加权平准发电成本，光伏要比光热发电度电成本高出大约15%左右。

碳排放对比。据美国国家可再生能源实验室NREL对光热、光伏、风电、煤电、核电等几种发电方式进行了全生命周期温室气体排放对比分析发现：其中光热发电生命周期温室气体排放参考值最低，仅为10gCO2e/kWh。

国际可再生能源署IRENA发布的最新报告《2020年可再生能源发电成本》显示，2010年至2020年间，全球光热发电总装机增至6.5GW左右，同时光热发电的加权平均LCOE下降了68%，已从0.34美元/kWh降至0.108美元/kWh（约合人民币0·7元/kWh)。报告指出，2020年中国新增的150MW光热发电项目的加权平均装机成本为4581美元/kW。比2019年减少了31%左右，相比2010年则减少了50%左右。

电网中添加过多的风电、光伏发电将导致电网安全稳定问题。风电、光伏发电易受气候影响，如增加储能电池会高于光热发电成本多倍。而且风电光伏发电仅产生电力，风电光伏产生的电力波动性大、间隔性强等不稳定因素，导致并入电网困难。而工业用电大部分要转化为热能来使用，工发组织的研究表明，工业所需的近60%的能源是用于加热。这样光热的优势就显了出来，使用相变储能蓄热后可以直接使用热能，效率更高。

国家层面最近已连续出台了多项相变储热的利好政策，随着国家对可再生能源的重视，储能分为储电与储热，由于制造电池成本太高，所以制造成本低廉的储热设备获得了大规模应用。随着碳中和等环保问题的关键性逐渐显现，以相变储热技术为基础的清洁供暖行业蓬勃发展。

天帅智能科技股份有限公司系我国华北地区率先成功研制出利用低价谷电的相变储热清洁供暖技术，并在全国应用推广的高新技术企业。响应国家环保工作要求，投入清洁供暖技术研发产业，历经多年的努力，研制成功并对外发布“相变储能蓄热清洁供暖”系列产品，进入成熟的商业化运营阶段。

天帅智能科技所研发的“相变储能蓄热”采暖装置,可以利用：可再生能源、夜间低价谷电等，在有效消纳富余电力的同时,还能实现电力的“移峰填谷”，为稳定和平衡国家电网系统压力做贡献。中国是世界第二大电力消费国，也是世界第一装机容量大国。

冬天各种来源的电力都过剩。利用富余电力供热，将大大有助于替代燃煤供热，减少雾霾。再者，相变蓄热电采暖装置，利用低价谷电加热，白天停止加热不需用电，只从相变储热单元中释放热量来实现供暖，能够有效节约运行成本，降低能耗，是可以被市场长期选择的一种新型清洁供暖方式。

与集中供热和燃煤供热相比，相变储能电蓄热采暖更加方便快捷。可自由开启，随时冷却，随时使用。它还可以分房间和分时供暖。特别是对于有老人和孩子的家庭，电蓄热采暖更加人性化。此外，它在可操作性方面具有突出的优势。无论在城市还是农村，都可以安装使用，可以与已有的供暖基础设施相连接，无论是地暖、风机盘管，还是暖气片都能适用，非常适合广泛推广使用。

经过数据比对和测算，天帅智能科技所研发的相变储能蓄热电采暖成套系统设备，在供暖期与一般集中供热成本相比，可节约费用37%，这套清洁供暖设备并且能轻松实现智能供暖，控制面板安装在用户家中，可以远程控制，如果你不在家，可以将暖气完全关闭，夜间没有人住的房间也可以不供暖，这就能省下很多供暖过程中的能源浪费，从而降低客户清洁供暖成本。目前在国内外工业及商业综合体清洁供暖（供热）工程中，均可以看到大量的相变储热清洁供暖装置的身影。

随着政府清洁供暖政策的大力实施和人民群众供热需求的提高，安全、方便、舒适、高效、经济、环保的天帅智能科技相变储能蓄热采暖方式将越来越多地占据热力供暖市场份额，未来相变储热清洁采暖将成为市场的主流采暖方式。

经过多年的科技研发，天帅智能科技股份有限公司推出了新型相变储能蓄热清洁供暖设备，该项目的技术依托的就是相变储能蓄热供暖技术，既可以供暖也可以供蒸汽，其中，与我们生活密切相关的应用就要数低成本清洁供暖了。

传统的燃煤取暖方式最大的问题就是污染严重。燃烧1吨标准煤将会产生2.62吨二氧化碳、8.5千克二氧化硫、7.4千克氮氧化物……这些污染物的排放直接导致了空气质量的恶化，并加剧了雾霾的形成。伴随着“煤改气”、“煤改电”的推进，清洁供暖开始走进百姓的生活。“储能蓄热清洁采暖”就是在这样的背景下应运而生的，它能降低“煤改电”的运营成本，同时也为大规模清洁供暖项目建设提供了一个新的途径。

“储能蓄热清洁采暖”实质上就是一种熔盐储热集中供暖的技术。在熔盐储能蓄热集中供暖系统循环中，经过电加热的高温熔盐进入到高温熔盐罐中储存。高温熔盐通过熔盐泵进入到换热系统，把给水加热为蒸汽。这些蒸汽被送往用户侧，通过加热循环水回水进行供暖。放热后的熔盐进入到低温熔盐罐中进行储存，并参与下一个加热和放热循环。熔盐蓄热集中供热系统不需要整体伴热系统，运行过程安全可靠，并且无冻堵风险。