中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：（5）固態(tài)熱能轉(zhuǎn)換器
·熱電發(fā)電機(jī)
兩個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，作為熱電發(fā)電機(jī)(TEG)技術(shù)基礎(chǔ)的塞貝克效應(yīng)已為人所知。熱電發(fā)電機(jī)已在包括使用核材料熱量的衛(wèi)星和漫游車在內(nèi)的應(yīng)用中得到應(yīng)用。該技術(shù)非常適合具有體積限制、長(zhǎng)壽命且維護(hù)最少的應(yīng)用。然而，由于這些設(shè)備的材料特性固有的權(quán)衡，效率被限制在1%～15%的范圍內(nèi)。除非能夠顯示提高效率，否則熱電發(fā)電機(jī)不太可能成為熱儲(chǔ)能系統(tǒng)（TES）的主要轉(zhuǎn)換方法。
·熱光伏
熱光伏(TPV)是一種光伏電池，旨在將來(lái)自熱發(fā)射器（而不是太陽(yáng)）的光子轉(zhuǎn)換為電能。熱發(fā)射器的溫度通常高于1,000℃，并且具有與太陽(yáng)不同的波長(zhǎng)分布。因此，TPV電池的設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能電池不同。最近的工作已經(jīng)證明發(fā)電效率超過(guò)40%，甚至超過(guò)50%。這些途徑涉及多結(jié)電池、光譜選擇性發(fā)射器和背面反射器的進(jìn)步以提高效率，以及可重復(fù)使用的基板以降低制造成本。鑒于與太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施的相似性，可以利用現(xiàn)有的研究和制造方法來(lái)加快進(jìn)展。2003年的一項(xiàng)研究估計(jì)TPV成本約為3美元/W，預(yù)計(jì)未來(lái)成本將降低到30美分/W。后一種預(yù)測(cè)得到了新研究的類似估計(jì)的支持。
·電化學(xué)熱能設(shè)施
電化學(xué)熱能設(shè)施通常稱為熱再生電化學(xué)系統(tǒng)，利用溫度驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)變化來(lái)發(fā)電。一些系統(tǒng)在兩個(gè)溫度數(shù)值之間循環(huán)；然而，迄今為止，這些設(shè)計(jì)的性能都很差。其他人使用熱驅(qū)動(dòng)的壓力梯度使離子通過(guò)電解質(zhì)。來(lái)自燃料電池的一些電力為電解槽提供動(dòng)力。通過(guò)提供外部熱量以減少電解槽的電力需求，凈電力輸出為正，效率估計(jì)約為10%。可以使用不同的對(duì)稱反應(yīng)，從而可以為低溫或高溫?zé)嵩丛O(shè)計(jì)設(shè)備。
·熱離子轉(zhuǎn)換器
熱離子轉(zhuǎn)換器具有熱陰極和冷陽(yáng)極。對(duì)陰極施加熱量，促使電子發(fā)射；然后電子通過(guò)真空間隙或通過(guò)蒸汽到達(dá)陽(yáng)極。通過(guò)電連接為負(fù)載供電的陰極和陽(yáng)極來(lái)恢復(fù)電子平衡。20世紀(jì)下半葉的研究工作集中在將熱離子轉(zhuǎn)換器與核能結(jié)合使用，特別是用于空間應(yīng)用。熱電子學(xué)的新研究需要解決材料和制造方面的挑戰(zhàn)，然后這項(xiàng)技術(shù)才能與熱儲(chǔ)能系統(tǒng)一起使用。目前正在努力實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，通常以燃料為熱源，用于遠(yuǎn)程或便攜式電源以及熱電聯(lián)產(chǎn)等應(yīng)用。
圖4.7顯示了其中一些熱電轉(zhuǎn)移技術(shù)在建時(shí)的示意圖。
圖4.7熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)
（6）其他技術(shù)
其他幾種熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)已在商業(yè)上使用或正在積極研究。然而，目前這些技術(shù)似乎不太可能與上述作為熱儲(chǔ)能應(yīng)用中的主要轉(zhuǎn)換方法的選項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)。
使用有機(jī)朗肯循環(huán)的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在商業(yè)上用于廢熱回收和地?zé)釕?yīng)用。它們的設(shè)計(jì)目的是利用低溫?zé)崃堪l(fā)電，因此它們的效率相對(duì)較低：通常為10%～20%。這排除了在熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用有機(jī)朗肯循環(huán)作為主要排放方法，盡管此類系統(tǒng)可以與其他技術(shù)結(jié)合使用。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟，具有實(shí)現(xiàn)高效率的潛力。這使得它們對(duì)小規(guī)模分布式發(fā)電具有吸引力。然而，與具有相似熱效率的布雷頓渦輪機(jī)或聯(lián)合循環(huán)電廠相比，單位功率的成本仍然很高。
4.4 熱儲(chǔ)能系統(tǒng)
到目前為止所討論的技術(shù)能夠以多種組合方式組裝成一個(gè)完整的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。在權(quán)衡取舍時(shí)，一些設(shè)計(jì)比其他設(shè)計(jì)更好地平衡了成本、性能和可行性。對(duì)開(kāi)發(fā)熱儲(chǔ)能的學(xué)術(shù)論文和商業(yè)努力的回顧表明，熱儲(chǔ)能系統(tǒng)傾向于遵循以下三種策略之一：
（1）電廠基礎(chǔ)設(shè)施的再利用。
（2）在中等溫度下提高效率。
（3）高溫系統(tǒng)。
按照技術(shù)成熟度遞減的順序列出了這三種策略。如表4.2所示，每種策略的技術(shù)將隨著時(shí)間的推移而成熟，為熱儲(chǔ)能系統(tǒng)提供從現(xiàn)在到2050年以后的作用。
表4.2 熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的三種近期和長(zhǎng)期策略
4.4.1 電廠基礎(chǔ)設(shè)施的再利用
許多發(fā)電廠（尤其是燃煤發(fā)電廠）由于無(wú)法再經(jīng)濟(jì)運(yùn)行或達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，在其預(yù)期壽命結(jié)束之前就退役了。如今，這種情況正在美國(guó)和歐盟等工業(yè)化地區(qū)發(fā)生。中國(guó)和印度等擁有的一些運(yùn)營(yíng)時(shí)間不太長(zhǎng)的燃發(fā)電廠也可能提前退役，因?yàn)橹铝?shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。
但也有機(jī)會(huì)將這些發(fā)電廠重新用于熱儲(chǔ)能。如圖4.8所示，蓄熱器和產(chǎn)生蒸汽的熱交換器將取代燃燒鍋爐。電阻加熱器或熱泵將從電網(wǎng)中汲?。ǖ吞?零碳）電力為系統(tǒng)充電。現(xiàn)有的渦輪機(jī)、水泵、冷卻塔和其他設(shè)備將被重新用于發(fā)電而不會(huì)產(chǎn)生碳排放。
圖4.8 使用熱儲(chǔ)能系統(tǒng)改造蒸汽輪機(jī)示意圖
乍一看，蒸汽朗肯循環(huán)的效率似乎太低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但是，如果另一種選擇是提前退役。由于退役成本凈廢品價(jià)值，退役可能對(duì)工廠所有者產(chǎn)生負(fù)面價(jià)值。此外，可以利用現(xiàn)有的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。最后，在600℃左右的峰值溫度下，可以使用各種廉價(jià)的儲(chǔ)能材料，與當(dāng)前的兩罐熔鹽存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，可以降低能源資本成本。總之，這些因素可以允許在可再生能源發(fā)電比例較高的地區(qū)經(jīng)濟(jì)地重復(fù)使用化石燃料驅(qū)動(dòng)的蒸汽輪機(jī)。
一個(gè)重要的考慮因素是被重新利用的發(fā)電廠的剩余壽命。美國(guó)的汽輪機(jī)發(fā)電廠的平均工作壽命是50年。盡管工廠之間存在基于設(shè)備、操作歷史和維修情況的差異，但這是一個(gè)有用的近似值。使用蒸汽輪機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)能可以通過(guò)降低利用率和更多循環(huán)來(lái)延長(zhǎng)或縮短標(biāo)稱50年的使用壽命。圖4.9上部的圖表顯示了美國(guó)小于50年的汽輪機(jī)裝機(jī)容量的工作壽命。底部的圖表顯示了根據(jù)50年的工作壽命預(yù)計(jì)該容量何時(shí)退役。該圖使用來(lái)自美國(guó)環(huán)境保護(hù)署2018數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，并未考慮新增產(chǎn)能。
圖4.9美國(guó)汽輪機(jī)容量三年工作壽命分布
從現(xiàn)在到2040年，許多美國(guó)燃煤發(fā)電廠的運(yùn)行壽命將達(dá)到50年，這限制了它們作為熱儲(chǔ)能設(shè)施的潛在壽命。由于大多數(shù)燃煤發(fā)電廠是在2000年之后建造的，因此與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠相連的蒸汽輪機(jī)可以保持更長(zhǎng)時(shí)間的可用時(shí)間。雖然需要進(jìn)行更詳細(xì)的分析，但這些電廠在使用熱儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行改造之后，可以通過(guò)有針對(duì)性的維修來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命。
如圖4.10所示，現(xiàn)有發(fā)電廠分布在美國(guó)各地，因此該策略不受地域限制?？紤]到改造后的電廠，利用美國(guó)燃煤電廠很短的時(shí)間窗口需要有足夠的剩余壽命來(lái)收回成本。幸運(yùn)的是，實(shí)施該戰(zhàn)略所需的技術(shù)已處于高度技術(shù)準(zhǔn)備狀態(tài)，可以通過(guò)公共機(jī)構(gòu)和私有公司協(xié)調(diào)迅速部署。此外，從聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠的建設(shè)和燃煤電廠作為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的再供電方面，有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
圖4.10 美國(guó)燃煤發(fā)電廠的地理分布
在國(guó)際上有更多的機(jī)會(huì)，因?yàn)槿济喊l(fā)電廠的建造時(shí)間較晚，而且還在繼續(xù)建造，尤其是在新興市場(chǎng)和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體國(guó)家。隨著各國(guó)重新評(píng)估燃煤發(fā)電的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響，安裝新的蒸汽輪機(jī)容量（主要是燃煤發(fā)電廠）的計(jì)劃通常正在縮減。圖4.11顯示了當(dāng)前運(yùn)行電廠安裝基數(shù)最大的10個(gè)國(guó)家到2050年將少于50年的汽輪機(jī)容量。該數(shù)字不包括新工廠的建設(shè)。在目前在新增產(chǎn)能方面領(lǐng)先世界的中國(guó)和印度，大多數(shù)新建和最近建造的燃煤發(fā)電廠或者是超臨界的，或者是超超臨界的，因此具有40%以上的效率。
圖4.11排名前十的國(guó)家和世界其他地區(qū)到2050年建成工作壽命沒(méi)有達(dá)到50年或以下的電廠汽輪機(jī)容量（RoW）
研究人員和商業(yè)開(kāi)發(fā)商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這個(gè)機(jī)會(huì)。已經(jīng)提出了使用相變硅、陶瓷填充床或巖石來(lái)廉價(jià)儲(chǔ)存熱量的設(shè)計(jì)。一家企業(yè)于2019年開(kāi)始在德國(guó)運(yùn)營(yíng)一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目的儲(chǔ)能容量為130MWh，裝機(jī)容量為30MW。該設(shè)施使用巖石、電阻加熱器和蒸汽輪機(jī)。雖然它沒(méi)有改變現(xiàn)有發(fā)電廠的用途，但這是未來(lái)開(kāi)發(fā)這個(gè)項(xiàng)目的意圖。
雖然改造一些蒸汽輪機(jī)使用電阻加熱來(lái)為熱儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，而有人設(shè)想使用熱泵，但蒸汽輪機(jī)仍將用于發(fā)電。在美國(guó)，美國(guó)能源部資助了這一概念的可行性研究。在德國(guó)，試點(diǎn)項(xiàng)目的工作正在進(jìn)行中）。用于充電的熱泵將提高往返效率，降低放電功率的成本將抵消部分增加的充電設(shè)備成本。
盡管具有這種潛力，但實(shí)際上，只有一小部分現(xiàn)有發(fā)電廠將具有足夠的效率和靈活性，并且在適當(dāng)?shù)奈恢米鳛闊醿?chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行。目前尚不清楚這一部分有多大。例如，一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)將是改造現(xiàn)有工廠并設(shè)計(jì)其蓄熱組件，以使改造后的設(shè)施能夠比最初設(shè)計(jì)用于基本負(fù)荷發(fā)電的設(shè)施更靈活地運(yùn)行。否則，頻繁的循環(huán)會(huì)縮短工廠的壽命。可以從正在進(jìn)行的工作中利用解決方案來(lái)提高燃煤發(fā)電廠的靈活性，以應(yīng)對(duì)間歇性可再生能源發(fā)電，并通過(guò)將電池與熱儲(chǔ)能系統(tǒng)配套等策略。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供短時(shí)儲(chǔ)能以減少循環(huán)，當(dāng)需要更長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以為燃煤發(fā)電廠提供預(yù)熱時(shí)間。
而在未來(lái)，再利用現(xiàn)有電廠的策略可能會(huì)與第三種策略重疊：部署高溫系統(tǒng)。高溫系統(tǒng)可以作為聯(lián)合循環(huán)工廠為蒸汽工廠重新提供動(dòng)力，或與聯(lián)合循環(huán)工廠的燃?xì)廨啓C(jī)并行運(yùn)行。同樣，熱儲(chǔ)能系統(tǒng)改造可以作為中間儲(chǔ)能選項(xiàng)，直到將熱儲(chǔ)能系統(tǒng)蒸汽工廠轉(zhuǎn)換為使用氫氣或其他碳中和燃料的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)變得經(jīng)濟(jì)。那時(shí)，蓄熱組件可以提供操作靈活性。
4.4.2 在中等溫度下提高效率
盡管文獻(xiàn)中對(duì)“中溫”的定義不明確，但在這里使用它來(lái)指代大約550℃～1,000℃。這些溫度下的熱量可以驅(qū)動(dòng)替代動(dòng)力循環(huán)，例如封閉式布雷頓循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)40%～55%范圍內(nèi)的往返效率。這些循環(huán)可以與顯熱存儲(chǔ)材料（如巖石）或相變材料（如鋁合金）配對(duì)。
一些提議的系統(tǒng)使用sCO2布雷頓循環(huán)或朗肯循環(huán)發(fā)進(jìn)行發(fā)電。這些循環(huán)可以通過(guò)熱回收提高效率，如圖4.12所示。通過(guò)回收，需要較少的外部熱量，并且熱量是在接近峰值循環(huán)溫度的較小溫度窗口內(nèi)提供的。出于這個(gè)原因，對(duì)于sCO2和其他具有類似回收能力的系統(tǒng)，潛熱儲(chǔ)存比顯熱儲(chǔ)存更明顯。當(dāng)顯熱存儲(chǔ)系統(tǒng)在較小的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，顯熱存儲(chǔ)系統(tǒng)的能源成本會(huì)增加，但如果存儲(chǔ)材料的成本足夠低，顯熱存儲(chǔ)仍然是一種選擇。對(duì)于充電，電阻加熱器通常是更好的匹配，因?yàn)楦邷責(zé)岜靡揽匡@熱交換而不是潛熱。
圖4.12 回收熱量的封閉式布雷頓循環(huán)示意圖
有人建議在封閉的布雷頓循環(huán)中使用sCO2或非超臨界流體來(lái)排放系統(tǒng)，并使用反向布雷頓循環(huán)（即熱泵）為系統(tǒng)充電。這種方法通常被稱為抽水蓄熱。熱泵系統(tǒng)與圖4.12中所示的系統(tǒng)相似，只是壓縮機(jī)和渦輪的位置以及流動(dòng)方向?qū)⒈磺袚Q。對(duì)于非超臨界流體，研究集中在使用惰性氣體（例如氦氣、氬氣和氮?dú)猓┳鳛楣ぷ髁黧w。這種方法通過(guò)專注于提高充電效率來(lái)提高往返效率，從而降低電力的交付成本。熱回收可用于提高充電和放電效率。即使有所回收，這種動(dòng)力循環(huán)的某些版本也可以具有更大的外部熱量溫度范圍，使其適合潛熱或顯熱儲(chǔ)存。
如第4.3.1節(jié)所述，相對(duì)于充電電力的資本成本，低電價(jià)降低了高充電效率的好處。此外，充電效率不會(huì)影響所需儲(chǔ)能材料的數(shù)量。
熱泵也可用于在低于環(huán)境溫度下儲(chǔ)存熱能。冷存儲(chǔ)提高了排放效率，而不需要熱存儲(chǔ)提供更高的溫度。使用熱泵進(jìn)行充電的缺點(diǎn)是除了安裝用于排放的設(shè)備之外，還需要額外的一套渦輪機(jī)械設(shè)備，這會(huì)增加投資成本。如果采用可逆渦輪機(jī)械，則可以減輕這種額外成本。
某些版本的抽水蓄能設(shè)施可以使用現(xiàn)成的設(shè)備，從而降低商業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)。目前開(kāi)發(fā)sCO2電力系統(tǒng)的工作范圍從使用兆瓦規(guī)模實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的項(xiàng)目到兆瓦級(jí)示范工廠。因此目前的進(jìn)展速度表明，公用事業(yè)規(guī)模的部署很可能在2050年之前實(shí)現(xiàn)。
4.4.3 高溫系統(tǒng)
第三種策略使用高溫儲(chǔ)存技術(shù)，其溫度范圍從1,000℃到2,400℃或可能更高。在此范圍內(nèi)的溫度可以使用聯(lián)合循環(huán)或固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，它們可以實(shí)現(xiàn)50%～60%的效率。這兩種技術(shù)都可以產(chǎn)生顯熱或潛熱。每種類型的示例如圖4.13所示。
圖4.13不同設(shè)計(jì)的高溫TES系統(tǒng)示例
對(duì)于顯熱或潛熱系統(tǒng)，基于渦輪機(jī)械的設(shè)計(jì)通常將技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)限制在將儲(chǔ)能系統(tǒng)連接到渦輪機(jī)械的熱交換器以及與能源相關(guān)的組件上。然而，在啟動(dòng)時(shí)間和升溫速率等屬性方面的技術(shù)改進(jìn)可能會(huì)受到限制，特別是在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)采用蒸汽朗肯循環(huán)的情況下。相比之下，替代能源轉(zhuǎn)換器（即固態(tài)設(shè)備）仍需要研發(fā)才能實(shí)現(xiàn)類似的效率和單位功率成本，但它們具有更好的全面性能潛力。這包括即使在小規(guī)模下也能實(shí)現(xiàn)高效率。
在系統(tǒng)層面，這些設(shè)計(jì)在儲(chǔ)能系統(tǒng)和排放組件中都引入了風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，改造策略可以使用既定的儲(chǔ)能和排放技術(shù)。第二種策略的大部分風(fēng)險(xiǎn)在于排放組件，盡管使用潛熱儲(chǔ)存也會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。
圖4.13沒(méi)有提供高溫系統(tǒng)的抽樣。但可用設(shè)計(jì)的多樣性表明，鑒于技術(shù)上的不確定性，尚未出現(xiàn)主導(dǎo)設(shè)計(jì)。該圖左上角顯示的系統(tǒng)使用帶有流化床熱交換器的顆粒存儲(chǔ)來(lái)為聯(lián)合循環(huán)提供動(dòng)力。右上角的系統(tǒng)使用帶有空氣布雷頓渦輪機(jī)的硅潛熱。該系統(tǒng)的一個(gè)版本已被部署用于澳大利亞的一個(gè)商業(yè)試點(diǎn)項(xiàng)目。但是，該項(xiàng)目包含燃?xì)饧訜?，因此它并不代表純粹的?chǔ)能技術(shù)。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，該系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)配置可以提高效率。右下角顯示的系統(tǒng)使用相變硅合金和熱離子增強(qiáng)型熱光伏電池。它的模塊化設(shè)計(jì)可能有助于克服擴(kuò)展挑戰(zhàn)。左下角的系統(tǒng)使用來(lái)自液態(tài)硅的顯熱在2,400℃的峰值溫度下為熱光伏電池供電。
高溫系統(tǒng)面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)。例如冶金級(jí)硅是高溫系統(tǒng)中的常見(jiàn)選擇，因?yàn)樗诟邷?1,414℃)下熔化并且價(jià)格低廉。然而，硅在這一過(guò)程中會(huì)膨脹，這會(huì)在容器中產(chǎn)生應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移，這些應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂縫并導(dǎo)致安全殼失效。一種解決方案是使用合金硅來(lái)減少這種膨脹；然而，即使比例很小，合金元素也可能很昂貴。此外，容器與硅或硅合金之間可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)——因此，確保低反應(yīng)性一直是研究的主題。
一種設(shè)計(jì)使用平行鋪設(shè)的石墨塊來(lái)儲(chǔ)存約2,000℃的熱量，并通過(guò)熱光伏電池面板發(fā)電。當(dāng)熱光伏電池面板在石墨塊之間滑動(dòng)時(shí)，熱量會(huì)以輻射方式傳遞到熱光伏電池面板。更少的運(yùn)動(dòng)部件和顯熱的使用簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與所有散裝固體儲(chǔ)能系統(tǒng)一樣，這種設(shè)計(jì)的權(quán)衡是，在局部放電條件下，石墨塊塊內(nèi)或石墨塊塊之間會(huì)產(chǎn)生熱梯度，并導(dǎo)致一些能量損失。
另一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自一種被稱為“蠕變”的現(xiàn)象，它指的是材料在應(yīng)力下的變形，即使在明顯低于材料斷裂強(qiáng)度的應(yīng)力水平下。高溫會(huì)加速蠕變，導(dǎo)致密封不完善和預(yù)期失效模式發(fā)生變化等問(wèn)題。
在成本、性能和技術(shù)準(zhǔn)備度之間的權(quán)衡中，高溫策略選擇了前兩者。在保持低存儲(chǔ)成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高的效率和靈活性需要高溫存儲(chǔ)或新的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。在結(jié)構(gòu)方面，需要更多的研究來(lái)了解高溫下的材料性能并確保工廠預(yù)期壽命的可靠性。
4.5 成本估算
表4.3顯示了兩個(gè)代表性熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)的說(shuō)明。而一些發(fā)表論文和報(bào)告的數(shù)據(jù)被直接使用或作為參數(shù)來(lái)進(jìn)行成本估算。盡管已經(jīng)建造了一些示范工廠，但尚未建造公用事業(yè)規(guī)模的TES設(shè)施。在這個(gè)早期階段，在預(yù)測(cè)到2050年的成本和性能時(shí)存在很大的不確定性。這項(xiàng)研究做出了幾個(gè)假設(shè)，例如關(guān)于功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的學(xué)習(xí)率。具有sCO2功率塊的碎石存儲(chǔ)是遵循在中等溫度下提高效率的策略的系統(tǒng)的代表。采用TPV電池的液態(tài)硅存儲(chǔ)是遵循高溫策略的系統(tǒng)的代表。盡管目前這兩個(gè)系統(tǒng)在技術(shù)上都沒(méi)有準(zhǔn)備好，但由于技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較低，碎石和二氧化碳系統(tǒng)被選為產(chǎn)能擴(kuò)張模型中的代表性TES技術(shù)。
表4.3中的估計(jì)表明，TES有可能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期存儲(chǔ)技術(shù)的成本目標(biāo)低于20美元/kWh。這兩個(gè)系統(tǒng)之間的區(qū)別之一是它們?cè)趦?chǔ)能成本和效率之間做出的權(quán)衡。液態(tài)硅系統(tǒng)由于溫度較高而具有較高的儲(chǔ)能成本，這使得效率略高。由于TPV電池的模塊化和制造工藝，預(yù)計(jì)未來(lái)基于TPV的系統(tǒng)的放電功率成本會(huì)低于基于渦輪機(jī)的系統(tǒng)。
4.6 結(jié)論和要點(diǎn)
TES是一種有前途的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的選擇，因?yàn)闊崃靠梢源鎯?chǔ)在廉價(jià)材料中。這類技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是將熱量高效且經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化為電能。本章介紹了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的三種方法：重新利用現(xiàn)有蒸汽輪機(jī)的發(fā)電廠、使用替代動(dòng)力循環(huán)以及開(kāi)發(fā)高溫材料和動(dòng)力轉(zhuǎn)換設(shè)備以達(dá)到更高的效率水平，并降低電力成本。每項(xiàng)戰(zhàn)略的主要內(nèi)容和相關(guān)政策建議總結(jié)如下。
?通過(guò)用儲(chǔ)熱裝置和新的蒸汽發(fā)生器替代現(xiàn)有蒸汽輪機(jī)發(fā)電廠使用的化石燃料和鍋爐，現(xiàn)在可以實(shí)施重新利用現(xiàn)有蒸汽輪機(jī)發(fā)電廠的戰(zhàn)略。
–需要改進(jìn)的領(lǐng)域包括降低能源成本和制定優(yōu)化集成和運(yùn)營(yíng)的工程計(jì)劃。而運(yùn)營(yíng)聚光太陽(yáng)能發(fā)電的經(jīng)驗(yàn)可以轉(zhuǎn)化為亞臨界蒸汽電廠，通過(guò)更多的實(shí)踐，TES可以擴(kuò)展到超臨界和超超臨界電廠。后兩種類型的工廠可能會(huì)在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在線狀態(tài)，因?yàn)樗鼈兊男矢撸⑶也渴鹪诿撎紩r(shí)間表更長(zhǎng)的國(guó)家。
–在此期間，添加TES來(lái)補(bǔ)充燃燒將減少排放，并為應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的間歇性輸出提供靈活性。一旦證明了這一策略，政府和化石燃料發(fā)電廠的所有者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)TES為重新利用其他擱淺的資產(chǎn)提供了一個(gè)有吸引力的機(jī)會(huì)。
?第二種策略使用替代動(dòng)力循環(huán)，即封閉式布雷頓循環(huán)，在中等溫度（550℃～1,000℃）下具有更高的效率。
–盡管仍有技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決，但這些功率循環(huán)的商業(yè)演示正在非存儲(chǔ)應(yīng)用中進(jìn)行。
–隨著對(duì)燃?xì)忾_(kāi)放式布雷頓渦輪機(jī)的需求下降，燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)為低碳或零碳火力發(fā)電廠制造和維修這些渦輪機(jī)的重要機(jī)會(huì)。
–非儲(chǔ)能應(yīng)用的進(jìn)步將降低成本，并為遵循這一策略的儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)好處。
?需要研發(fā)以推進(jìn)利用高溫材料和功率轉(zhuǎn)換器件的第三個(gè)戰(zhàn)略，以達(dá)到高效率并降低電力成本。出于這個(gè)原因，電網(wǎng)規(guī)模部署在2030年代不太可能實(shí)現(xiàn)，但在2050年前可能是可行的。
–這種方法的一個(gè)挑戰(zhàn)是提高高溫材料的壽命性能，以確保它們?cè)诠S的整個(gè)生命周期內(nèi)都是可靠的。這包括所有輔助組件，例如管道、泵和傳感器，它們可能需要從低溫對(duì)應(yīng)物重新設(shè)計(jì)。
–如果可以解決工程問(wèn)題，高溫TES系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)低能源成本、相對(duì)較低的電力成本、高效率和良好的靈活性。
?推進(jìn)這些戰(zhàn)略中的每一項(xiàng)的政策應(yīng)反映各國(guó)的發(fā)展階段。
–美國(guó)能源部已經(jīng)資助了TES與燃煤電廠整合的研究。對(duì)改造能力的分析與對(duì)代表性工廠的詳細(xì)研究相結(jié)合，將為改造戰(zhàn)略的潛力提供更準(zhǔn)確的評(píng)估。
–通過(guò)美國(guó)能源部貸款計(jì)劃辦公室、州能源創(chuàng)新贈(zèng)款或其他計(jì)劃支持首創(chuàng)項(xiàng)目，可以啟動(dòng)該行業(yè)。
–將替代動(dòng)力循環(huán)商業(yè)化的努力將受益于擴(kuò)大計(jì)劃的資金和對(duì)制造的支持。
–開(kāi)發(fā)高溫TES系統(tǒng)（第三種策略）的努力將受益于應(yīng)用研究，以提高對(duì)高溫材料、工程和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的理解和能力。
?正如個(gè)人電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車等大容量市場(chǎng)推動(dòng)了可充電電池的經(jīng)驗(yàn)和降價(jià)一樣，TES將受益于早期在火力發(fā)電廠靈活性和熱儲(chǔ)能的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域?qū)W習(xí)將增加行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)對(duì)此類儲(chǔ)能的熟悉度，為電網(wǎng)規(guī)模的TES鋪平道路。與此同時(shí)，該技術(shù)可以支持建筑和工業(yè)部門(mén)的減排。
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