中國儲能網(wǎng)訊：隨著新能源滲透率的不斷提升，火電、水電、抽蓄等調(diào)節(jié)資源容量占比下降，一方面帶來了長時間尺度下的源荷兩側(cè)供需矛盾問題，另一方面存在頻率失衡、電壓失穩(wěn)、慣量失缺的供電安全問題，亟需新型長時儲能技術規(guī)?；l(fā)展，提升新能源消納水平，補齊電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力缺口。根據(jù)新型電力系統(tǒng)構建需求，長時儲能有望成為新藍海市場。在國家層面，2024年國家能源局1號公告，長時儲能技術路線在新型儲能試點示范項目中的占比已接近50%。在地方層面，2024年上半年源網(wǎng)側(cè)儲能中標公示項目中，4h以上儲能占比已接近40%；山東、內(nèi)蒙古等多地持續(xù)加大長時儲能政策扶持力度。熱泵儲能技術以其選址靈活、具備轉(zhuǎn)動慣量支撐能力、低成本、高安全、長壽命等優(yōu)勢，契合未來儲能需求導向，將成為長時儲能技術的主要部署方式之一。
01.技術簡介
熱泵儲能將電能以熱量和冷量的形式儲存，是一種通過熱泵循環(huán)建立高低溫差、再通過溫差驅(qū)動熱機循環(huán)發(fā)電的規(guī)?；L時儲能技術，采用熱力學閉式循環(huán)。（循環(huán)原理如圖1所示）國家電投集團科學技術研究院有限公司（以下簡稱“中央研究院”）自2018年起，在國內(nèi)率先布局、開發(fā)安全可靠高效的熱泵儲能技術，該技術具有不受地理條件限制、儲能時間長（4-24h）、系統(tǒng)效率高（高功率等級系統(tǒng)電電效率≥65%，系統(tǒng)綜合效率≥95%，20-110%負荷區(qū)間效率不變）、高品質(zhì)冷熱電聯(lián)供、物理轉(zhuǎn)動慣量支撐、擴容邊際成本低等顯著優(yōu)勢。
圖1 熱泵儲能系統(tǒng)基本原理圖
02.研發(fā)與示范
中央研究院依托國家級儲能技術創(chuàng)新研發(fā)平臺，匯聚我國新型儲能技術領域優(yōu)勢資源，打造“產(chǎn)學研用”深度融合創(chuàng)新體系，整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈，加快推動熱泵儲能持續(xù)降本與技術示范。中央研究院在熱泵儲能技術的系統(tǒng)設計、設備攻關和示范建設等方面已建立完善的研發(fā)和設計體系，擁有布雷頓熱泵儲能技術完全自主知識產(chǎn)權，實現(xiàn)了該技術全生命周期穩(wěn)步孵化。
在系統(tǒng)研發(fā)方面，中央研究院逐步開展了百千瓦級系統(tǒng)研發(fā)、兆瓦級中試系統(tǒng)研發(fā)、50-100兆瓦及以上高功率系統(tǒng)研究及優(yōu)化，通過系統(tǒng)設計與設備攻關多線并行，開發(fā)了熱泵儲能系統(tǒng)的動態(tài)運行仿真平臺和工藝方案優(yōu)化平臺，掌握了熱泵儲能系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和變工況運行特性、基于全工況的控制策略方案、多影響因子耦合下參數(shù)敏感性協(xié)同機理、循環(huán)工質(zhì)與儲能介質(zhì)適用性分析技術、多場景經(jīng)濟性優(yōu)化方案等核心技術。完成全球首套熱泵儲能中試系統(tǒng)研制并全面啟動項目建設，同步推動高功率熱泵儲能系統(tǒng)可行性研究以及工藝包開發(fā)，陸續(xù)建立相關設計體系與行業(yè)標準，快速推動熱泵儲能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
在設備研制方面，聯(lián)合國內(nèi)頭部旋轉(zhuǎn)機械企業(yè)開展核心設備專項研發(fā)工作。聚焦熱泵儲能系統(tǒng)構型匹配及參數(shù)優(yōu)化、高低溫壓縮機/膨脹機方案設計及設備集成、高效儲熱與強化換熱方案設計，突破現(xiàn)有技術的成熟度，攻克了高集中熱應力下材料蠕變疲勞及低溫冷脆材料體系關鍵技術問題，實現(xiàn)了國內(nèi)首套600℃高溫壓縮機單體設備設計、首套-100℃低溫膨脹機單體設備設計、高效氣動方案及結(jié)構設計，引領旋轉(zhuǎn)設備高低溫適應性技術開發(fā)；并針對高效儲熱與強化換熱，開發(fā)了小端差、低壓降、緊湊式高效換熱方案。
圖2 設備仿真分析
圖3 設備研制與試驗
在試驗及示范建設方面，中央研究院首先開展了百千瓦熔鹽-空氣儲換熱一體化系統(tǒng)試驗平臺，針對高溫熔鹽系統(tǒng)儲熱-換熱多過程高效技術、儲換熱系統(tǒng)關鍵部件熱-力耦合特性分析、熔鹽儲換熱系統(tǒng)穩(wěn)/瞬態(tài)過程靈活高效運行及調(diào)控策略等方面開展了實證研究，實現(xiàn)了熔鹽儲換熱系統(tǒng)靈活高效運行及能流與物質(zhì)流的瞬態(tài)過程能勢動態(tài)匹配，為熱泵儲能系統(tǒng)的集成與建設奠定了堅實基礎。
圖4 百千瓦儲換熱一體化系統(tǒng)試驗平臺
為驗證技術方案、積累設計和運行經(jīng)驗，為高功率熱泵儲能系統(tǒng)工程設計優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，中央研究院于2023年在云南省陸良縣正式啟動了全球首套兆瓦級熱泵儲能中試系統(tǒng)的建設工作。該中試系統(tǒng)熔鹽儲熱溫度達560℃，儲能容量為1 MW/4 MWh，綜合效率達80%以上。建成后，針對園區(qū)冷熱電需求，將開展熱泵儲能系統(tǒng)各典型工況下全體系測試驗證，有效積累運行經(jīng)驗，以指導高功率系統(tǒng)優(yōu)化、推動技術產(chǎn)業(yè)化示范推廣。
（a）核心設備就位
（b）廠房搭建施工現(xiàn)場
圖5 兆瓦級熱泵儲能系統(tǒng)現(xiàn)場施工進展
03.應用場景及產(chǎn)業(yè)價值
“雙高”背景下，熱泵儲能系統(tǒng)可作為靈活性調(diào)峰資源參與支撐源網(wǎng)荷儲一體化能源體系建設，具有較為廣泛的應用場景。
電源側(cè)。大基地配建（如內(nèi)蒙、青海、新疆、甘肅等光照條件優(yōu)越地區(qū)），消納棄電、滿足夜間供電，解決頻率、電壓失穩(wěn)等供電安全問題，提升送電質(zhì)量，支撐大規(guī)模高比例新能源外送。
電網(wǎng)側(cè)。峰谷價差較高、調(diào)峰能力不足地區(qū)（廣東、山西、山東等），應用于電網(wǎng)關鍵節(jié)點，發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻等功能。以蒙西電力市場為例，收益模式“容量補償+現(xiàn)貨市場”，補償期按10年考慮，現(xiàn)貨市場平均度電價差為0.51元/kWh，100MW/6h熱泵儲能獨立儲能電站，年等效利用1980h，則其項目資金IRR為32.8%，經(jīng)濟效益較為可觀。
用戶側(cè)。圍繞大數(shù)據(jù)中心、電解鋁、化工行業(yè)等高耗能終端用戶，提供零碳高品質(zhì)冷熱電聯(lián)供，提升綠電供給可靠性和分布式新能源就地消納能力。
此外，熱泵儲能系統(tǒng)可與火電、核電、光熱及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)進行耦合，根據(jù)不同地域特點需求進行綜合性系統(tǒng)設計，進而實現(xiàn)電源調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務能力提升、退役機組延壽改造、機組供熱能力增強等目的。
熱泵儲能技術高度契合我國當前的能源發(fā)展形勢，在構建新型電力系統(tǒng)、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等方面能夠發(fā)揮重要作用，是未來規(guī)?；L時儲能的中堅力量，具有廣闊的發(fā)展前景。后續(xù)，中央研究院將堅持科技引領、創(chuàng)新驅(qū)動，在熱泵儲能領域持續(xù)投入科研力量，助力推動“源網(wǎng)荷儲一體化”建設以及新型電力系統(tǒng)構建。
