中国储能网讯：第4章热储能

4.1、简介

根据研究机构在年发布的一份调查报告，全球约75%的电力供应是由热力来源产生的，也就是燃烧燃料以加热蒸汽、空气或驱动涡轮机其他流体的发电厂。随着电力部门致力脱碳，用于火力发电的热源将从化石燃料转变为对地热能、氢燃料、太阳能热能、生物质能、核裂变和可能的核聚变等资源的更大依赖。其中一些发电设施需要应对可再生能源发电可用性的变化；对于这些类型的发电设施，热储能(TES)设施可以提供灵活性。一些集中式太阳能发电设施的部署程度远远低于太阳能发电设施，它们已经使用带有热油或熔盐的TES设施将电力从峰值日照时间转移到满足用户需求的时间。研究人员提到了用于核电站的TES设施，以将储能系统与核电相结合，以便可以同时提供基本负荷和峰值容量。在这些角色中，TES设施可以提高效率、满足热电联产需求，并提供其他服务。总之，这些机会为未来脱碳电网中的TES设施技术提供了更多的机会。

本章重点介绍电力与热能之间的存储，这对TES来说是一个重要但范围较窄的机会。TES的开发潜力集中在使用成本极低的储能材料（如碎石）的能力上。为了利用这种低成本的储能介质，需要克服的关键挑战是转换的低效率和高资本成本将热能转为电能。

高功率和低能源成本的结合表明，TES是一种比较特别的长时储能技术。其部署受到地理限制可能是一个主要因素，主要是提供数吉瓦时储能容量所需的数千吨存储材料的的大规模设施。TES设施的占地面积与火力发电厂相似，通常需要在相对平坦的土地上建设占地数十公顷到数百公顷的设施。其冷却用水量取决于系统设计。规模经济通常利于在小规模应用中使用TES设施，例如用户侧储能系统。

根据对商业开发商和研究人员提出的TES系统的回顾，提出了克服热电效率和电力成本等关键挑战的三种主要策略。在所有策略中，TES系统都使用低成本的储能材料。在第一个策略中，TES系统安装在现有的火力发电厂中（特别是燃煤发电厂），以替代燃料燃烧产生的热量，并重新利用现有的发电设备，从而降低电力成本。第二种策略考虑更有效的功率循环，峰值温度略高于目前使用的储热技术的范围。第三种策略依赖于更高温度的储能来提高效率，并且在一些实施例中，需要对更新的功率转换技术进行研究和开发。这些策略为TES支持脱碳电网提供了多种途径。

本章首先简要描述了热储能的工作原理，然后概述了按功能分组的TES技术：充电、存储和放电。在此基础上，描述了利用这三种方法中的每一种的系统克服TES的关键技术挑战的策略。最后提供了成本估算用于年的两个说明性系统。

4.2、什么是热储能？

TES系统使用电力加热材料；然后对加热的材料进行隔热，直到需要能量，最后通过功率转换装置将热量转换回电能。图4.1说明了具有47%往返效率的通用TES系统中与每一步相关的典型能量损失（其中“往返效率”定义为输送回电网的电力与从电网中提取的电力的比例）。

图4.1热储能系统中的能量损失

该图显示了TES的主要挑战之一：热电转换步骤的效率是往返效率的限制因素。相比之下，第一步（将电能转化为热能）能够以最小的损失完成；如果有足够的隔热，在储热（第二步）期间对周围环境的损失也可以限制在可接受的水平。

4.3、热储能技术

TES热电转换的三个主要步骤是将电能转化为热能、储存热能以及将热能转化回电能。虽然这一基本描述适用于其自身介质中的储能技术，但在讨论热储能系统之前，需要在每个步骤中了解不同的技术选项。这些选项之间的某些协同作用与整体系统设计相关。

4.3.1充电：电加热

由于这项研究的范围仅限于将电能作为输入和输出的TES系统，因此忽略了其他潜在的热源，尽管这些热源可以在实际系统中使用，并且可以提高系统性能。这些其他潜在来源包括废热、核能、地热、太阳热能。

为TES系统充电（将电能转化为热能）的技术选项包括电阻加热器、感应加热器或热泵。热泵将热量从低温环境传递到高温环境，因此它们通常被描述为“反向运行的冰箱”。将电能转化为热能的品质因数称为性能系数(COP)，以区别于热效率。热效率是从一定量的热量中产生多少电能，当然不会超过%，而且通常要低得多。但COP可以大于%，这意味着在不违反热力学定律的情况下，传递的热量多于使用的电力。作为参考，住宅热泵的COP约为2到4，具体取决于环境和所需温度。对于相对较小的温差，COP可能会很高，但随着温差的增加，COP会下降，如图4.2所示。该图显示了一个标准情况，其中低温热量由25℃的环境空气提供。热泵设计的改变可以略微提高COP，并调整高低温热能的比例。与电阻和感应加热器相比，较高的资本和运营成本是热泵的缺点。其确切值未知，因为高温热泵尚未实现商业化。

图4.2充电性能系数（COP）

电阻加热器可以将电能转化为热能，COP超过90%，但其COP不能超过%。电阻加热器可以直接放置在储能材料中，内置在管道中，或放置在容器或管道附近进行间接加热。感应加热使用振荡磁场在储能材料或中间传热流体内产生热量。感应加热相比间接电阻加热可以克服一些传热阻力；然而，感应加热设备更昂贵，并且不适用于所有材料。

最高储存温度将是选择加热器的一个因素。当前的热泵设计在℃左右，并具有实际限制，这是由于可用于涡轮机械的材料的特性。与此同时，感应加热器可以将材料加热到3,℃，但环境条件和密封材料可能会设定一个下限。由金属材料制成的电阻加热器在氧化环境中可达到1,℃，而由陶瓷或其他材料制成的加热器可超过2,℃，具体取决于环境。而更高温度的加热器往往成本更昂贵。

正如研究报告所讨论的，在可变的可再生能源发电份额较高的电力系统中，预计电价在一年中的许多时间都将处于低位。因此，在较高的COP与较低的充电功率成本之间进行权衡可能是有利的。即便如此，与其他参数相比，充电效率和成本仍然是次要的。

较低的充电效率意味着更多的电力将用于存储相同数量的热量。这对满足目标放电曲线所需的存储容量没有影响，目标放电曲线由放电效率和自放电率决定。电阻加热器很可能是用于TES系统的最常见类型的加热元件，因为它们单位成本较低。

4.3.2、蓄热

正如本章介绍中所提到的，与大多数其他形式的储能技术相比，热储能的优势在于能够使用低成本的储能材料。TES系统适用的长时储能应用以低于20美元/kWh的资本成本为目标。

为了帮助理解材料选择过程，可以将以电力为单位表示的蓄热成本(美元/kWh)分为排放效率损失和蓄热成本(美元/kWh)。如果假设热电效率为50%，则储能成本应低于10美元/kWh。其效率在大约40%到60%的范围内。无论确切的效率如何，其成本显著地限制了可以使用的材料。一些材料的成本就会超过预算，甚至在考虑到与能源容量相关的遏制、绝缘和建筑成本之前。

正如本文讨论的那样，重点是TES中的放电步骤，较高的蓄热温度可以提高热效率（将存储的热量转换回电能）。

尽管这一步骤的效率很大程度上取决于所使用的能量转换系统，但热效率低下会影响能源的资本成本。因此需要采用高温材料，因为它们可以实现更高的效率。然而，遏制和隔热的成本也随着温度的提高而上涨。不同的系统在能源成本、电力成本和热电效率是TES的主要设计挑战之一。

温度-效率关系通常排除一些温度不能超过℃的材料。这些材料可能仍可用于发电以外的应用。因此，基于材料的能源成本的考虑可以快速过滤掉不相容的选择。每单位热能的材料成本可以通过几个变量来估计。对于显热，变量是单位质量成本、比热容和温度变化。对于储存潜热，其变量是单位质量成本和熔化潜热；熔化潜热是与固体和液体之间的相变相关的能量。

除了成本之外，还有几种方法可以对储热材料进行分类。最广泛的区别是将热能存储为显热或潜热，如图4.3所示。当储热材料被加热时温度升高会获得显热，其中“显热”一词是指可以通过温度变化感知热量的事实。相比之下，潜热是在相变过程中在恒定温度或温度范围内吸收或释放的热量。

图4.3储热材料的分类

与显热存储相比，潜热存储的一个好处是更高的比能量和能量密度。对于潜热，这些值可能比显热大一个数量级。然而，对于电网规模的储能系统，储能系统占用的空间并不是主要问题。与其相反，主要

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