11月23日，北京兆陽光熱技術(shù)有限公司（簡稱兆陽光熱）經(jīng)理王芳出席了由ESPLAZA長時儲能網(wǎng)、國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺（華北電力大學(xué)）共同主辦的2023首屆中國長時儲能大會，并作主題報告《兆陽固體儲熱技術(shù)在長時儲能領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢》。

王芳本次報告分為長時儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、耐高溫固體儲熱技術(shù)應(yīng)用場景分析、兆陽光熱高溫固體儲熱技術(shù)的特點三個部分。

▲兆陽光熱經(jīng)理王芳

一、長時儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

儲能技術(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快速發(fā)展的一個推手，這個推手導(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)展過程中一個不好的現(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%。從棄電量來看，總裝機(jī)量為1821.1萬千瓦的青海光伏棄電10.3%，也就是每小時棄電約187萬千瓦時，這個棄電量是非常巨大的。

我國電力發(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和波浪式的趨勢，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月份我國甚至還出現(xiàn)了負(fù)電價的產(chǎn)生，這是從未有過的現(xiàn)象。

我們需要什么樣的儲能技術(shù)？

王芳認(rèn)為，短時的儲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，長時儲能技術(shù)相對安全，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，充放電時間超過6小時的儲能稱之為長時儲能。觀察全球范圍內(nèi)儲能裝機(jī)情況，可以看出我國的儲能裝機(jī)領(lǐng)先于世界范圍內(nèi)其他國家，王芳指出，該成果證明儲能技術(shù)在中國的生存和發(fā)展市場是很廣闊的。

王芳介紹，從近20年來的儲能技術(shù)文章和專利的數(shù)量分布來看，儲熱或者是儲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。因此儲熱技術(shù)是最安全、最經(jīng)濟(jì)、最高效的城市儲能技術(shù)。

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

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

二、耐高溫固體儲熱技術(shù)的應(yīng)用場景及案例分析

王芳介紹，耐高溫固體儲熱和熔鹽儲熱一樣，可以進(jìn)行蒸汽存儲和谷電存儲，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)的冬季供暖等場景。

1.蒸汽蓄熱運(yùn)行原理及經(jīng)濟(jì)性分析

儲耐高溫固體儲熱技術(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，輸送到固體儲熱體里邊，固體儲熱分為多個模塊，設(shè)置多個模塊的目的能夠同時擁有儲熱和取熱兩種功能。

這幅圖中，左邊的4個模塊正在進(jìn)行儲熱，右邊的兩個模塊在進(jìn)行取熱。

王芳介紹，設(shè)置一個算例，儲熱容量大概452MWh，儲熱時長是24h，輸入蒸汽的時長是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)固定蒸汽原價格在200元/蒸噸的情況下，不同的出售蒸汽價格對應(yīng)的靜態(tài)回收期?？梢钥吹?，在高于240元/蒸噸的時候，靜態(tài)回收期可以在6年以內(nèi)。固定出售蒸汽的價格為300元/蒸噸時，在250元/蒸噸的蒸汽原價格的情況下，可以做到6年的靜態(tài)回收期。如果回收的蒸汽價格和售出的蒸汽價格差在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，耐高溫固體儲熱技術(shù)利用電蓄熱與利用蒸汽蓄熱類似，只不過儲存的是一些谷電或棄電。但設(shè)備的應(yīng)用場景會受到兩方面的限制：

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

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

觀察上圖可知，南方各省份的電價相對于北方來說，峰值電價更高一些。谷電和風(fēng)電的價差也會高一些。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，蓄熱時長為8h，儲熱容量是306MWh，儲熱時長是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KWh，占地面積是800㎡。這個算法中相對于天然氣的年減碳量大概在31430t。

在這個算法下，設(shè)置三檔谷電價格，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對應(yīng)的靜態(tài)回收期：谷電價格在0.35元/度時，如果想要做到6年的回收期，售價就得高于310元/蒸噸；谷電價格在0.32元/度的情況下，如果想做到6年回收期，大概的蒸汽售價需285元/蒸噸的水平；谷電價格在0.3元/度時，280元/蒸噸以上的價格，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。這個算例也要做一個假設(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，電加熱的時長是8h，儲熱容量是770MWh，發(fā)電時長是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，售電價格就要在0.95元/度以上；谷電價格在0.2元/度的時候，要想做到8年以內(nèi)的回收期，售電價格在0.7元/度以上就可以；谷電價格在0.15元/度的時候，如果是0.7元/度的售電電價，靜態(tài)回收期大概是4年左右。

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

三、兆陽高溫固體儲熱技術(shù)特點

王芳介紹，兆陽高溫固體儲熱技術(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)模相對較大、使用壽命長、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。

1.從系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)型式來看

兆陽固體儲熱系統(tǒng)通常由多個混凝土儲熱單元組合而成，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熱體之間通過兆陽專利技術(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)到儲放過程換熱功率的同時，又能有效解決金屬管路與儲熱混凝土之間的漲縮尺寸匹配問題，從而實現(xiàn)該固體儲熱系統(tǒng)的長期安全可靠工作，具有低成本高性能的顯著優(yōu)勢。

圖：720MWh項目的結(jié)構(gòu)圖，里邊有幾萬噸的管束

儲熱體每天高溫變化情況下，能夠承受住嗎？是否會開裂或者粉化？

王芳解釋到，該儲熱體分為很多層，以最上層的儲熱體為例：當(dāng)最上層的儲熱體儲滿時，溫度可以達(dá)到450℃；當(dāng)儲熱結(jié)束時，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)心安全性能上的問題。

2.從原料和施工過程來看

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

王芳介紹了一號電站儲熱體的施工過程，該系統(tǒng)是采用現(xiàn)場澆筑的方式來進(jìn)行建設(shè)的：

兆陽光熱固體儲熱系統(tǒng)建設(shè)過程可模塊化生產(chǎn)，現(xiàn)場拼裝焊接，建設(shè)周期在1年內(nèi)，建設(shè)周期短，且混凝土儲能系統(tǒng)的制造和運(yùn)行對環(huán)境不產(chǎn)生任何污染。

3.從儲熱混凝土的熱性能測試及熱學(xué)、力學(xué)性能指標(biāo)檢測來看

王芳介紹，熱物性由專業(yè)機(jī)構(gòu)使用進(jìn)口高品質(zhì)熱物性測試儀器進(jìn)行測試，結(jié)果表明：兆陽光熱專利配方儲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)電儲熱要求。

王芳指出，在500℃的時候，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)測報告點的認(rèn)可。

4.從單根管路儲熱、取熱測試及設(shè)備運(yùn)維來看

王芳介紹了在上述一號電站的儲熱體做的一個實驗，目的是驗證儲、取熱性能。理論溫差10℃，蒸發(fā)段換熱系數(shù)的單位長度理論設(shè)計取熱功率是100W/m；實際測量值是98.76W/m，偏差＜2%。證明混凝土儲熱體系從工藝性能和造價等方面，都滿足了設(shè)計要求。

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，儲熱體可以實現(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)用相對較低，且水工質(zhì)常年都在5℃以上，無需防凝；對運(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，無需特殊的能力和經(jīng)驗要求。