走向成熟的储热技术,能否驱动一个零碳未来?

核心提示: 经过多年的酝酿,储热技术正在走向成熟,在净零碳转型进程中发挥其长期注定的关键作用。 今年7月初,在芬兰西南部偏远小镇Kankaanp&auml...

        经过多年的酝酿,储热技术正在走向成熟,在净零碳转型进程中发挥其长期注定的关键作用。

        今年7月初,在芬兰西南部偏远小镇Kankaanpää的13000名居民见证了寻找全绿色能源的重要里程碑。

▲芬兰沙电池储热系统

        在Vatajankoski发电厂,芬兰清洁技术公司Polar Night Energy(PNE)安装了世界上第一个“沙电池”,这是一种可以一次将清洁能源储存数月的热能储存设施。

        这个装满沙子的储罐主要使用来自太阳能和风能的廉价电力加热沙子,然后将热量储存在500°C左右,可用于在能源成本最高的冬季为当地建筑供暖。

        几乎在同一时间,在向南1500公里处,睡眼惺忪的柏林潮人们目睹了一个几乎相同的地标项目:瑞典公用事业公司Vattenfall开始用5600万升水填充一个45m高、200MW的储热设施,水将被加热到98°C,作为Vattenfall现有的Reuter West热电联产厂的一部分,用于为城市供暖。

        这些项目的建设预示着蓄热行业的蓬勃发展——这只是众多热储能解决方案中的个例,这些解决方案既竞争又合作,在清洁能源转型中发挥着重要而未被充分发挥的作用:为不稳定的风能和太阳能发电的可变性提供调节支持。
世界需要储能技术

        在意识到化石燃料对气候造成的破坏后,世界正争先恐后地转向低碳能源,最佳的候选者是风能和太阳能,但尽管近年来两者在成本和性能方面都取得了长足的进步,但仍然存在一个根本问题:风并不总是在吹,太阳也不总是照耀。依赖这些波动资源的电网将难以匹配供需,而可再生能源往往会被浪费,因为它总是在不需要的时候被生产。

        这个令人讨厌的难题的主要解决方案之一是长时储能(LDES)技术。它们通过在供应超过需求时(例如在特别阳光明媚或刮风的日子)积累能量并在相反的情况下(例如在夜间或冬季)释放能量来发挥作用。

        “LDES是任何可以部署长期储存能量的技术,并且可以扩大规模以维持电力或热量供应,持续数小时、数天甚至数周,并有可能为经济脱碳。”麦肯锡可持续发展电力与天然气实践高级专家Godart van Gendt解释道,“能源存储可以通过各种非常不同的方法来实现,包括机械、热、电化学或化学存储等。”

        世界上目前的LDES装机容量中,94%来自抽水蓄能,其通过泵或涡轮机在上下两个水库之间输送水以储存或发电。然而,由于地理要求,特别是在山区较少的国家,全球可以安装多少抽水蓄能是有限度的。
储热技术的成熟

        柏林和Kankaanpää的试点项目中使用的储热技术通过将电能转化为热能,然后将热存储在隔热罐内的水或沙子等材料中。需要时,将热量分配用于加热目的或使用热机将热量转化为电能。后一种转换是通过热力学循环完成的,与运行冰箱、汽车发动机或热电厂的物理原理相同。

        “加热可以使用不同的能源,如电力、氢气或废热,”van Gendt补充道,“在能源系统脱碳的背景下,我们最常考虑使用多余的可再生电力,但相关解决方案的范围要广泛得多。”

        在Kankaanpää,PNE表示其设施将在500°C下将沙子保持数月。当能源价格较高时,该设施会将热空气分配到区域供暖系统的温水中,然后将其泵送到当地家庭、办公室甚至游泳池周围。

        在柏林的这个水蓄热项目一旦于2023年启用,Vattenfall将直接将热水供应到区域供热网络中。该设施还将整合来自其他工业过程的热量,例如城市清洁部门或废水产生的热量。该水罐配备的最大热输出为200兆瓦,可放热长达13小时,还可以连接其他可再生热源,如大型热泵。
与其他储能技术相比,储热有几项优势。

        首先,转换过程依赖于已广泛用于电力和加工行业的传统组件,例如热交换器和压缩机,这意味着这些设施比许多替代方案更容易和更快地建造。

        储罐本身可以填充各种丰富且廉价的材料,例如砾石、熔盐、水或沙子,与电池材料不同,这些材料不会对环境造成危害。

        蓄热工厂可以部署在任何地方,并且可以扩大规模以满足电网的存储需求。其他LDES技术仅限于特定地区:抽水蓄能需要能够容纳巨大水库的山脉和山谷,而压缩空气储能则依赖于大型地下洞穴。蓄热还具有比抽水蓄能更大的能量密度(在给定体积中存储的能量):例如,在100°C下储存1kg的水可以提供的能量约等于1kg水在500m高度储存再下降可释放的能量。这意味着储热设施需要更少的空间,从而减少其环境足迹。

        该技术经久耐用,其组件无需更换即可有效运行数十年。另一方面,电池会随着时间的推移而退化,几年时间就需要更换。最后,储热的成本在理论上似乎与其他存储技术相比都更加具有优势,虽然在技术成熟并完全商业化之前,这一点还不能完全确定。

        当然,储热确实也有缺点。其整体电到电的转化效率较低,仅约50%,在电-电场景下竞争力不足,相比之下,锂离子电池为80-90%,抽水蓄能器为70-85%。此外,为了实现该技术的预期价值,建设出相对高效的系统,投资者和项目开发商目前可能需要承担相对较大的前期资本支出,这可能是一个障碍,因为其中许多技术仍处于研发和示范阶段。

        “电池可能是具有成本效益的存储解决方案,但也只限于在短时储能场景,最多可以放电几个小时,储热则将在几个小时到几天之间的长时储能市场具有竞争力。”Future Cleantech Architects专注于LDES的清洁技术分析师Pau Farrés说。

        在储热领域,有看似无穷无尽的各种材料可用于储存热量,每种材料都有其利基应用。“如果您设计的系统只是为了提供家庭供暖,您通常会使用热水”Farrés说,“但如果你想提供电力,那么你通常必须采用需要不同材料的高温系统,一种常见的材料是熔盐。这些系统通常设计用于提供电力或热量,但在特定应用中可以定制它们以提供两者。”

        熔盐(光热发电用的太阳盐)的温度范围很窄(它在220°C以下凝固并在620°C左右开始分解),成本适中,约为600-1000美元/吨。美国国家可再生能源实验室(NREL)热系统研发小组的研究员Davenport说:“它需要两个熔盐罐子并且受到盐腐蚀的挑战。另一方面,沙子的稳定性范围很广,介于-20°C和1000°C之间,成本低于100美元/吨。但它的热传导很差,有助于保持系统绝缘,但对于较大的系统,可能需要通过热交换器移动颗粒。”

        其他选择包括潜热相变材料、热化学储能、混凝土块或岩石/土床等。然而,每种方法都有其自身的特殊挑战,例如有限的温度范围、高存储成本、较差的热响应性或稳定性问题——但每种方法都有其适当的应用。

        “当我们想到储热时,我们应该问的主要问题是它可以提供什么温度,”van Gendt说,“典型的工业应用需要几百摄氏度,而许多工业过程,例如水泥或钢铁的生产,需要远高于1000度的温度。好消息是有的蓄热技术可以做到这一点,而且该技术已经可用。”
净零的关键部分

        正如Vattenfall和PNE最近的项目实践所证明的那样,储热正在从研发阶段走出去,走向商业化。

        在最近的另一个例子中,以色列的Brenmiller Energy正在用18.5MW/31.5MWh的蓄热系统取代食品和烟草生产设施中的燃气锅炉,以满足其100%的蒸汽需求——该项目展示了该技术如何作为一种可行的、大型的化石燃料的规模替代品。

        国际上,蓄热市场领域的主要参与者包括PNE、德国的Kraftblock、挪威的EnergyNest、Airthium(法国)、Antora(美国)、Azelio(瑞典)、Cheesecake Energy(英国)、Echogen(美国)、EnergyDome(意大利)、Highview Power(英国)、马耳他(美国)、西门子歌美飒的ETES(德国)、Stiesdal(丹麦)和Stolect(法国)等代表性公司。

        根据市场研究机构Allied Market Research的数据,2020年储热市场价值208亿美元,但预计到2030年将达到513亿美元,从2021年到2030年的复合年增长率为8.5%。

        “储热可能在净零过渡中发挥非常重要的作用,”Davenport说,“为了让各国实现100%的可再生电力,我们需要稳定的分布式LDES系统来开始取代煤炭和燃气发电厂等基本负荷发电系统。同时,我们还有其他能源不包括在电网系统中,比如交通和工业部门的用热。蓄热不适合像电力一样传输,但非常适合在最终用能场景中取代传统的供热方式。”

        热能占全球最终能源需求的50%左右——在工业和建筑领域大约各占一半。目前大部分热量由化石燃料提供。随着脱碳进程的加速,用于供热的化石燃料将需要被可再生能源取代。

        蓄热将在净零碳进程中发挥其作用,作为实现艰巨任务所需的LDES解决方案的一部分。储热将进一步发展,在更广泛的储能领域,每项技术都会根据其优势和劣势发挥其利基作用,找到自身的市场空间,伴随市场进一步走向成熟,这一点将逐渐变得更加明显。
上海电气
电力月刊152期
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