中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 蓄熱技術(shù)在平衡可再生能源的波動(dòng)性、提高能源利用效率和增強(qiáng)能源系統(tǒng)的靈活性方面發(fā)揮著重要作用。本文精選了《中國(guó)蓄熱儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2024)》的重要內(nèi)容，從蓄熱技術(shù)、發(fā)展現(xiàn)狀和典型示范三方面，對(duì)當(dāng)前我國(guó)蓄熱儲(chǔ)能行業(yè)進(jìn)行綜述。介紹了顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和熱化學(xué)蓄熱技術(shù)的特點(diǎn)及其適用場(chǎng)景，包括蓄熱能力、穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)。概述了蓄熱行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模、發(fā)展趨勢(shì)及相關(guān)政策。重點(diǎn)關(guān)注了蓄熱技術(shù)在建筑、區(qū)域供熱/供冷、電力和工業(yè)過(guò)程中的典型示范，并總結(jié)了蓄熱技術(shù)在多種應(yīng)用場(chǎng)景中的實(shí)用性，為行業(yè)推廣提供了經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞 蓄熱；顯熱；潛熱；熱化學(xué)；項(xiàng)目示范；產(chǎn)業(yè)技術(shù)
蓄熱技術(shù)是一種通過(guò)儲(chǔ)存熱能并在需要時(shí)釋放為熱能或其他形式能量的儲(chǔ)能技術(shù)。其顯著特點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)用能錯(cuò)峰，從而解決能源供需之間的時(shí)間差問(wèn)題，進(jìn)而提升能源利用率。蓄熱技術(shù)可以與多種可再生能源系統(tǒng)集成，以實(shí)現(xiàn)熱與熱、熱與電、電與熱、電與電的能量轉(zhuǎn)換。預(yù)計(jì)2030年，全球蓄熱市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)為423.7億美元，全球蓄熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量將超過(guò)800 GWh。中國(guó)的蓄熱市場(chǎng)近年來(lái)迅速增長(zhǎng)，已經(jīng)成為全球蓄熱技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。本文將以《中國(guó)熱儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2024)》為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合其他示范項(xiàng)目，進(jìn)一步探討中國(guó)現(xiàn)有的熱技術(shù)和蓄熱行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并重點(diǎn)介紹在建筑、區(qū)域供熱/供暖、電力和工業(yè)部門(mén)的示范項(xiàng)目。
1 蓄熱技術(shù)
1.1 顯熱蓄熱
顯熱蓄熱材料包括液體和固體蓄熱材料兩種。其中液體蓄熱材料包括水、導(dǎo)熱油、熔鹽等。油類(lèi)具有相對(duì)較高的導(dǎo)熱性，且在高溫條件下不易分解。Abedigamba等發(fā)現(xiàn)植物油中的Roki油(葵花籽油和棕櫚油的混合油)在顯熱儲(chǔ)能性能上優(yōu)于葵花籽油，具有更高的熱導(dǎo)率和更廣泛的熱利用溫度范圍(冷卻過(guò)程：67~76 ℃，加熱過(guò)程：170~233 ℃)，適合用作家用中溫應(yīng)用的顯熱蓄熱材料。熔鹽是高溫應(yīng)用中最常用的材料，因?yàn)槠渚哂懈唧w積熱容、高沸點(diǎn)、高溫穩(wěn)定性及接近于零的蒸氣壓。Wang等提出的低熔點(diǎn)寬液體溫域混合熔鹽(多元硝酸鹽/亞硝酸鹽混合熔鹽)具有低熔點(diǎn)、高分解溫度、高穩(wěn)定性和寬液體溫度范圍的特點(diǎn)，適用于高效太陽(yáng)能熱發(fā)電和高溫傳熱系統(tǒng)。
固體蓄熱材料中的天然巖石無(wú)毒、不易燃，涵蓋低溫至高溫的應(yīng)用。Liu等發(fā)現(xiàn)玄武巖玻璃在高溫應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)熱能力和熱穩(wěn)定性，可承受1000 ℃的高溫，相比天然礦石更適用作太陽(yáng)能蓄熱材料。Zhang等研發(fā)了一種高蓄熱密度、寬溫范圍且熱循環(huán)穩(wěn)定性強(qiáng)的鋼渣儲(chǔ)熱材料，通過(guò)優(yōu)化高溫預(yù)處理和燒結(jié)工藝，解決了鋼渣在成型過(guò)程中的不穩(wěn)定性問(wèn)題并使其在50~1000 ℃區(qū)間內(nèi)的儲(chǔ)熱密度達(dá)到1222.2 J/g。混凝土蓄熱系統(tǒng)由于具有易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，成為了太陽(yáng)能聚光應(yīng)用中較有前景的蓄熱固體材料。耐火磚可以在1000~1700 ℃的溫度范圍內(nèi)有效地儲(chǔ)存熱量。胡自鋒等研究發(fā)現(xiàn)新型MgO磚蓄熱體結(jié)構(gòu)在目標(biāo)蓄熱時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出較小的整體溫差值和更均勻的溫度分布，實(shí)際蓄熱容量達(dá)到理論值的96%。顯熱蓄熱裝置分為罐式蓄熱、填充床蓄熱及地下蓄熱。罐式蓄熱裝置以流體(水和熔鹽為普遍介質(zhì))作為蓄熱介質(zhì)，通常運(yùn)用在空間供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)、太陽(yáng)能和電力系統(tǒng)。壓力水蓄熱也是蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)回收壓縮熱進(jìn)一步提升膨脹機(jī)組運(yùn)行效率，在電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中較為常見(jiàn)。而熔鹽雙罐系統(tǒng)在大型工業(yè)工廠(chǎng)、核電站和太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)中具有顯著的應(yīng)用潛力。填充床儲(chǔ)熱裝置是利用顆粒儲(chǔ)存熱能的技術(shù)，多用于建筑領(lǐng)域。地下蓄熱中的熱能來(lái)自太陽(yáng)能、工業(yè)工藝以及冬季空氣中的冷能，長(zhǎng)期儲(chǔ)存用于供暖或制冷。
1.2 潛熱蓄熱
根據(jù)相變材料的化學(xué)成分和性質(zhì)，分為無(wú)機(jī)、有機(jī)以及復(fù)合相變材料。無(wú)機(jī)相變材料包括熔鹽、水合鹽和金屬等。水合鹽潛熱約為240 圖片，熱導(dǎo)率約為0.5 圖片(約是有機(jī)相變材料的兩倍)適用于中低溫蓄熱，但過(guò)冷以及相分離問(wèn)題常發(fā)生在相變過(guò)程。劉云漢等發(fā)現(xiàn)通過(guò)提升儲(chǔ)熱溫度和流量，能有效縮短三水合乙酸鈉填充床相變儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱時(shí)間并使熱效率達(dá)到94.73%。金屬具有較高的熱導(dǎo)率、高體積儲(chǔ)熱能力，因此適合低、中、高溫蓄熱。Wang等揭示了液態(tài)金屬鎵在固-液相變過(guò)程中電導(dǎo)率隨溫度升高而降低，但熱導(dǎo)率顯著增加的特性。有機(jī)相變材料在固態(tài)狀態(tài)下成型性較好、性能穩(wěn)定、毒性低，且不易出現(xiàn)過(guò)冷和相分離現(xiàn)象。Geng等總結(jié)了有機(jī)相變材料在共價(jià)鍵修飾方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)討論了通過(guò)分子水平的結(jié)構(gòu)調(diào)控提升其熱物理性能和功能特性的策略。復(fù)合相變材料在提高蓄熱密度、改善熱導(dǎo)率和增強(qiáng)穩(wěn)定性方面作出了貢獻(xiàn)。例如田曦等以固碳廢棄混凝土作為骨架材料，制備了不同質(zhì)量配比的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，發(fā)現(xiàn)固碳處理顯著提升了材料熔化潛熱，并改善了材料的化學(xué)相容性；許榮玉等采用冷壓-熱燒結(jié)方法制備的共晶四元硝酸鹽基復(fù)合相變材料具有低熔點(diǎn)、寬溫域、優(yōu)異的熱導(dǎo)率和熱循環(huán)穩(wěn)定性，適用于中低溫?zé)崮軆?chǔ)存。
1.3 熱化學(xué)蓄熱
熱化學(xué)蓄熱方式適用于長(zhǎng)期甚至是季節(jié)性的熱儲(chǔ)存，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，熱損失小。吸收/吸附蓄熱材料除了常見(jiàn)的硅膠、活性炭、沸石及其衍生物外，還出現(xiàn)了許多新型多孔材料，例如AlPOs(磷酸鋁)、SAPO(硅鋁磷酸鹽)、FAPO(磷酸鐵)和MOFs(金屬有機(jī)框架)等基于磷酸鋁的分子篩。吸收/吸附蓄熱適用于儲(chǔ)存低品位熱量(<100℃)和中品位熱量(100~400℃)。Wu等開(kāi)發(fā)了一種新型MOF-氨工作對(duì)，通過(guò)CaCl2@ZIF-8(Zn)復(fù)合材料的原位生長(zhǎng)，提高了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的季節(jié)性熱能儲(chǔ)存器在極端低溫條件下的熱能儲(chǔ)存效率和容量。在化學(xué)反應(yīng)中，金屬碳酸鹽的分解反應(yīng)通常在100~950℃下進(jìn)行，具有高體積密度、低工作壓力且價(jià)格低廉等特點(diǎn)。徐云軒等通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬了MNO3-MgO-CO2系統(tǒng)在反應(yīng)前的三相界面，闡明了儲(chǔ)熱的碳酸化反應(yīng)中熔融堿金屬硝酸鹽的催化機(jī)制。鹽水合物在低溫儲(chǔ)熱和建筑環(huán)境中的季節(jié)性?xún)?chǔ)熱應(yīng)用中的潛力來(lái)源于其較高的能量密度和適宜的解吸溫度。Gao等研究了CMK-3/CaCl2水合鹽復(fù)合材料在低品位熱能儲(chǔ)存中的動(dòng)力學(xué)特性、鹽負(fù)載能力和熱儲(chǔ)存容量。大多數(shù)金屬氫氧化物的脫水反應(yīng)溫度范圍集中在低溫區(qū)。Wang等研究了傳熱流體的入口溫度、流速和反應(yīng)床孔隙率對(duì)Ca(OH)2/CaO2在管殼式間接反應(yīng)器中反應(yīng)時(shí)間、傳熱效率和蓄熱效率的影響。金屬氧化物的氧還原反應(yīng)避免了對(duì)高溫?zé)峤粨Q器的需求，且工作溫度與集中太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)的操作溫度范圍相匹配。Han等的研究表明，摻雜Al和Cr的鈷基金屬氧化物能夠有效減小Co3O4/CoO系統(tǒng)的熱滯后現(xiàn)象，并且Al的加入抑制了材料的燒結(jié)。
2 蓄熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
蓄熱產(chǎn)業(yè)在近年來(lái)得到了快速發(fā)展。2023年全球蓄熱市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)為234.8億美元，預(yù)計(jì)到2032年將超過(guò)505.7億美元。2022—2032年，全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將以8.9%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)[圖1(a)]。在全球各地區(qū)的蓄熱市場(chǎng)規(guī)模占比中，歐洲的市場(chǎng)規(guī)模占比最大，達(dá)到了36.7%。亞太地區(qū)的蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)模的增大幅度僅次于歐洲，占比為28.9%[圖1(b)]。
圖1 全球蓄熱市場(chǎng)規(guī)模與各地區(qū)蓄熱市場(chǎng)收入占比
在全球范圍內(nèi)，已安裝的蓄熱項(xiàng)目超過(guò)200個(gè)，其總儲(chǔ)熱容量超過(guò)20 GWh。中國(guó)的年儲(chǔ)熱容量區(qū)間約0.01~1 GWh。其余全球各地區(qū)已投產(chǎn)累計(jì)蓄熱容量占比見(jiàn)圖2。2023年，中國(guó)在亞太地區(qū)蓄熱儲(chǔ)能市場(chǎng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，并有望保持這一領(lǐng)先地位。預(yù)計(jì)到2030年，中國(guó)蓄熱行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2020年的3倍。此外，中國(guó)被認(rèn)為是全球蓄熱領(lǐng)域中發(fā)展最快、潛力最大的國(guó)家。
圖2 全球各地區(qū)累計(jì)蓄熱容量
目前，3種蓄熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀如下：顯熱蓄熱儲(chǔ)能具有最大的市場(chǎng)，其占據(jù)了2022年市場(chǎng)總量的84.8%，而潛熱蓄熱的市場(chǎng)比例不足10%[圖3(a)]。這主要是因?yàn)轱@熱儲(chǔ)熱技術(shù)適用于大規(guī)模暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)，并且隨著太陽(yáng)能熱系統(tǒng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，其應(yīng)用潛力不斷擴(kuò)大。在材料方面，熔鹽蓄熱占據(jù)了市場(chǎng)規(guī)模的50%，以9.3%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，且亞太地區(qū)的市場(chǎng)增速最快。截至2023年，中國(guó)已經(jīng)投運(yùn)電力熔融鹽項(xiàng)目累計(jì)605.5 MW。若按照終端用戶(hù)劃分，工業(yè)部門(mén)在2022年占40%的市場(chǎng)份額[圖3(b)]，這一比例預(yù)計(jì)將隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)支出的增加而進(jìn)一步上升。分時(shí)電價(jià)政策的推出會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)公共事業(yè)在蓄熱市場(chǎng)的投入。
圖3 蓄熱技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模與以終端用戶(hù)為基準(zhǔn)的蓄熱市場(chǎng)占比
近年來(lái)，我國(guó)為推廣蓄熱技術(shù)，先后印發(fā)了《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》《關(guān)于加強(qiáng)新形勢(shì)下電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》等政策文件。這些政策鼓勵(lì)蓄熱系統(tǒng)的建設(shè)，旨在促進(jìn)清潔能源的發(fā)展，并提高能源利用效率。表1匯總了近幾年我國(guó)政府發(fā)布的部分政策文件。除此以外，各地方均出臺(tái)了提升蓄熱技術(shù)和蓄熱系統(tǒng)的專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃和實(shí)施方案，包括推廣蓄熱式電鍋爐、蓄冷式空調(diào)和熔鹽儲(chǔ)熱等技術(shù)。可以預(yù)期，在各級(jí)政府的大力支持和推動(dòng)下，蓄熱技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展將顯著提升能源利用的靈活性，同時(shí)推動(dòng)清潔能源的廣泛應(yīng)用。
表1 中國(guó)蓄熱行業(yè)相關(guān)政策
3 典型項(xiàng)目示范
蓄熱技術(shù)在平衡能源供需和整合能源部門(mén)關(guān)系方面發(fā)揮著重要作用，從而提升能源利用效率。隨著可再生能源工程的擴(kuò)展，特別是太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目，蓄熱技術(shù)在電力部門(mén)中逐漸顯得至關(guān)重要。固體蓄熱技術(shù)和相變蓄熱技術(shù)通過(guò)結(jié)合峰谷電價(jià)政策，有效平衡電力供需，提升電力部門(mén)的靈活性和效率。在建筑領(lǐng)域，由于季節(jié)性能耗和多樣化需求，蓄熱方式涵蓋多種顯熱蓄熱技術(shù)以及中、低溫相變蓄熱技術(shù)。冷鏈運(yùn)輸對(duì)食品、醫(yī)藥等易腐商品的儲(chǔ)存有嚴(yán)格的溫度控制，這與潛熱蓄熱技術(shù)具有穩(wěn)定的相變過(guò)程的特點(diǎn)相吻合。為滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)多種溫度需求以及利用工業(yè)生產(chǎn)后不同溫度的廢熱和余熱，可以使用熔鹽、熱水、油等蓄熱材料。圖4展示了三種蓄熱技術(shù)在不同領(lǐng)域的具體應(yīng)用。
圖4 蓄熱技術(shù)的應(yīng)用
項(xiàng)目示范選擇具有代表性、先進(jìn)性和借鑒性的蓄熱領(lǐng)域項(xiàng)目，旨在展示并驗(yàn)證蓄熱技術(shù)的實(shí)際效果及應(yīng)用潛力。通過(guò)這些示范項(xiàng)目，對(duì)蓄熱技術(shù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的表現(xiàn)進(jìn)行實(shí)證評(píng)估，并對(duì)其技術(shù)可行性進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而為未來(lái)廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。
3.1 建筑部門(mén)
目前建筑能耗約占全球能源消耗的30%，建筑物中近一半的能源需求用于加熱。此外，在2019年全球建筑終端熱能/冷能消耗中，50%的熱量來(lái)源于化石燃料。建筑部門(mén)對(duì)熱能的需求大、消耗一次能源占比高，因此將建筑能源管理與蓄熱技術(shù)結(jié)合是實(shí)現(xiàn)零碳建筑的必要手段。建筑中的蓄熱技術(shù)被分為依靠建筑和環(huán)境的溫差蓄熱釋熱的被動(dòng)蓄熱技術(shù)和依靠動(dòng)力設(shè)備促進(jìn)蓄熱和釋熱的主動(dòng)蓄熱技術(shù)。下文將以主動(dòng)蓄熱技術(shù)示范項(xiàng)目展開(kāi)介紹。
中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所和北京科技大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研發(fā)了長(zhǎng)壽命和高儲(chǔ)熱密度的水合鹽相變材料，在張家口北京冬奧會(huì)核心場(chǎng)館建成了“相變儲(chǔ)熱-電網(wǎng)谷電”清潔供暖示范項(xiàng)目，總供暖面積 圖片、總功率1.2 MW。深圳招商局港口大廈“相變蓄冷-電網(wǎng)谷電”中央空調(diào)蓄冷示范項(xiàng)目運(yùn)用新型相變蓄冷材料PCM 7.5，提供蓄冷量21.7241 MWh。廣州珠江新城集中供冷站82000 RTh(1 RTh=3.517 kWh)的冰蓄冷系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)首個(gè)參與夏季城市電力負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)的超大型儲(chǔ)冷項(xiàng)目。深圳前海區(qū)域集中供冷系統(tǒng)中的5個(gè)供冷站主要依靠谷電和冰蓄冷技術(shù)，為近圖片的建筑提供約19 TR(1 TR=3.517 kW)的供冷服務(wù)。冀中能源井礦集團(tuán)谷電加熱熔鹽蓄熱供熱示范項(xiàng)目采用LMPS Ⅲ號(hào)低熔點(diǎn)熔鹽，其工作溫度范圍為200~500 ℃，蓄熱容量為20 MWh。熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)用于嚴(yán)寒地區(qū)供熱系統(tǒng)推廣示范項(xiàng)目的低熔點(diǎn)、高比熱的混合熔鹽可以在呼和浩特-30 ℃的環(huán)境中穩(wěn)定工作，且電熱轉(zhuǎn)化效率大于90%。河北辛集崇陽(yáng)小區(qū)熔鹽綠色供熱示范項(xiàng)目使用蓄熱容量37 MWh的熔鹽罐和夜間谷電，使得每年減排圖片3537 t。滁州市來(lái)安縣雙創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園能源站冷熱雙蓄示范項(xiàng)目以谷電作為兩座容積為1519 m3蓄水罐的熱源從而進(jìn)行供熱和供冷。國(guó)家電投集團(tuán)中央研究院負(fù)責(zé)的北京寶之谷國(guó)際會(huì)議中心綜合智慧能源示范項(xiàng)目以谷電為熱源，并采用斜溫層冷熱雙蓄水儲(chǔ)能罐，其水罐容積達(dá)1100 m3，蓄熱量達(dá)17 MWh，蓄冷量達(dá)9.2 MWh。截至2023年，江蘇金合能源科技有限公司在青海地區(qū)蓄熱式電鍋爐裝機(jī)總?cè)萘砍^(guò)300 MW，供熱面積近2.5×10-6 m2，其中包含青海省瑪多縣第四片區(qū)清潔取暖改擴(kuò)建示范項(xiàng)目、同德縣尕巴松多鎮(zhèn)一二民中片區(qū)清潔供暖示范項(xiàng)目等。2023年，中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司的興海清潔供暖示范項(xiàng)目采用電極鍋爐、空氣源熱泵、蓄熱罐和智慧控制系統(tǒng)，供熱量為2.68 圖片 GJ，其負(fù)責(zé)的大柴旦行委清潔供暖示范項(xiàng)目則使用燃?xì)忮仩t、空氣源熱泵、蓄熱水罐及智慧控制系統(tǒng)，供熱量為圖片GJ。其余示范項(xiàng)目見(jiàn)表2。
表2 建筑部門(mén)蓄熱技術(shù)示范項(xiàng)目
被動(dòng)蓄熱技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在顯熱蓄熱和相變蓄熱上。在建筑部門(mén)中，這兩種技術(shù)相對(duì)于熱化學(xué)蓄熱更為常見(jiàn)的原因有以下3個(gè)方面：①顯熱蓄熱和相變蓄熱技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，具有更高的成熟度和可靠性。②顯熱蓄熱和相變蓄熱技術(shù)的材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)成本效益較高。③熱化學(xué)蓄熱技術(shù)對(duì)處理化學(xué)反應(yīng)的控制和安全性具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因而增加了實(shí)施的復(fù)雜性和成本。上述主要以谷電作為熱源，并以風(fēng)能和太陽(yáng)能作為輔助熱源。當(dāng)前實(shí)施的分時(shí)電價(jià)政策使得使用谷電的成本降低，從而導(dǎo)致這一現(xiàn)象。
3.2 區(qū)域供熱/供冷
區(qū)域供熱和供冷系統(tǒng)不僅能夠作為電力部門(mén)的末端用能部門(mén)，還可作為建筑部門(mén)能源使用的集成單位。因此，本節(jié)將重點(diǎn)探討以可再生能源為直接熱源的區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)中的蓄熱示范項(xiàng)目。西藏自治區(qū)浪卡子縣的大型太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱儲(chǔ)能采暖項(xiàng)目是中國(guó)在實(shí)施跨季節(jié)蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)方面的典型案例，也是世界上第一個(gè)太陽(yáng)能實(shí)際運(yùn)行保證率達(dá)到100%的大型太陽(yáng)能集中供暖項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用太陽(yáng)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在非供暖季節(jié)捕獲和儲(chǔ)存太陽(yáng)能熱量，并在供暖季節(jié)提供約圖片的建筑采暖服務(wù)。該項(xiàng)目年產(chǎn)能37408 MWh，其中可為采暖季提供29029 MWh的熱能。2024年全面建成的青海鹽湖2萬(wàn)t碳酸鋰項(xiàng)目太陽(yáng)能供熱示范項(xiàng)目配有大型儲(chǔ)熱池，年設(shè)計(jì)供熱量約圖片 GJ。其余太陽(yáng)能集中供熱示范項(xiàng)目見(jiàn)表3。
表3 太陽(yáng)能集中供熱示范項(xiàng)目
目前大型的以可再生能源為直接熱源的區(qū)域供熱/供冷示范項(xiàng)目通過(guò)太陽(yáng)能集熱器捕獲和儲(chǔ)存太陽(yáng)能熱量用于蓄熱技術(shù)的熱能源頭。并且配合跨季節(jié)蓄熱技術(shù)，為終端用戶(hù)供熱?？缂竟?jié)蓄熱技術(shù)使得能源可以在不同季節(jié)之間有效地存儲(chǔ)和調(diào)節(jié)，即使在冬季光照不足或天氣陰雨時(shí)，也能提供較為穩(wěn)定的供熱服務(wù)。
3.3 電力部門(mén)
預(yù)計(jì)到2050年，風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏合計(jì)將占全球總發(fā)電量的61%。太陽(yáng)能和風(fēng)能的波動(dòng)性和間歇性對(duì)能源系統(tǒng)構(gòu)成挑戰(zhàn)，而熱儲(chǔ)存系統(tǒng)在緩解短期和周期性電力供應(yīng)波動(dòng)方面具有優(yōu)勢(shì)。此外，利用谷電以及電廠(chǎng)調(diào)峰能夠優(yōu)化電力系統(tǒng)、降低電網(wǎng)運(yùn)行成本、提高能源利用效率和促進(jìn)能源消費(fèi)和電力供應(yīng)之間的合理利用、分配。
中廣核新能源德令哈50 MW光熱項(xiàng)目作為國(guó)內(nèi)首個(gè)大型商業(yè)化光熱示范電站，采用了槽式導(dǎo)熱油太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)配熔融鹽蓄熱系統(tǒng)。青海中控德令哈50 MW塔式熔鹽儲(chǔ)能光熱項(xiàng)目配置7 h熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)量，且2022年度電站發(fā)電146.4 GWh，減排圖片約圖片。50 MW以上的光熱發(fā)電示范項(xiàng)目(已并網(wǎng))見(jiàn)表4。截至2023年，中國(guó)各省市自治區(qū)在建和擬建(列入政府名單)光熱發(fā)電項(xiàng)目約43個(gè)，總裝機(jī)容量達(dá)到4800 MW。其中光熱發(fā)電項(xiàng)目主要分布在太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)。目前在建成的太陽(yáng)能光熱項(xiàng)目中，主要采用熔鹽作為蓄熱材料。
表4 中國(guó)50 MW 以上光熱發(fā)電示范項(xiàng)目(已并網(wǎng))
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的蓄熱技術(shù)以壓力水蓄熱、導(dǎo)熱油蓄熱和熔鹽蓄熱為主。壓力水蓄熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)，但水的臨界參數(shù)較高，水罐壓力隨儲(chǔ)熱溫度升高而顯著增加，可能引發(fā)安全隱患。導(dǎo)熱油適用于高溫應(yīng)用(<400 ℃)，雖然儲(chǔ)熱溫度較高，但其高成本、短使用壽命及揮發(fā)和碳化問(wèn)題顯著增加了系統(tǒng)的成本。因此，隨著熔鹽蓄熱技術(shù)的進(jìn)步，熔鹽儲(chǔ)熱和壓力水儲(chǔ)熱的聯(lián)合應(yīng)用成為了一種有效的解決方案。除了表5所示的示范項(xiàng)目外，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所與中儲(chǔ)國(guó)能(北京)技術(shù)有限公司合作開(kāi)展的肥城300 MW/1800 MWh壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，成功突破了高效超臨界蓄熱技術(shù)。該項(xiàng)目由8個(gè)單體容積為8000 m3的蓄冷和熱球罐組成，總儲(chǔ)熱量達(dá)到8.3 TJ。在二氧化碳儲(chǔ)能領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所與博睿鼎能動(dòng)力科技有限公司在河北廊坊聯(lián)合開(kāi)發(fā)的百kW液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，采用了油水雙工質(zhì)雙級(jí)高效蓄熱技術(shù)，并于2023年投入運(yùn)行。此外，位于安徽蕪湖的全球首套10 MW/80 MWh二氧化碳儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，其儲(chǔ)能容量達(dá)到1000 MWh，充分利用水泥窯廢熱，并于2023年底并網(wǎng)。
表5 壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中的蓄熱技術(shù)
在早期的調(diào)峰示范項(xiàng)目中，水蓄熱技術(shù)因其成熟性和經(jīng)濟(jì)性被廣泛應(yīng)用，特別是在需求波動(dòng)較大的地區(qū)(表6)。隨著熔鹽蓄熱技術(shù)的逐步引入，其在高溫方面的優(yōu)勢(shì)標(biāo)志著蓄熱技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和對(duì)新技術(shù)的逐步采納。此外，榆神榆橫熔圖片機(jī)組熔鹽儲(chǔ)能示范項(xiàng)目、鄭州豫能熱電熔鹽儲(chǔ)能靈活性改造示范項(xiàng)目以及國(guó)能龍山電廠(chǎng)600 MW機(jī)組熔鹽儲(chǔ)熱調(diào)峰靈活性改造示范項(xiàng)目等正通過(guò)熔鹽蓄熱技術(shù)促進(jìn)電力系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)頻能力的提升。
表6 電力部門(mén)調(diào)峰示范項(xiàng)目
3.4 工業(yè)部門(mén)
我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的能源消費(fèi)量約占全國(guó)的66%。此外，我國(guó)工業(yè)余熱資源豐富，其中可回收利用的余熱資源占其能源消耗總量的10%～40%。緩解工業(yè)消耗大、余熱資源浪費(fèi)的現(xiàn)象需要蓄熱技術(shù)對(duì)工業(yè)用熱進(jìn)行優(yōu)化和管理。
工業(yè)部門(mén)示范項(xiàng)目中(表7)，主要的蓄熱材料包括熔鹽、水和固體蓄熱材料。熔鹽蓄熱系統(tǒng)因其能夠存儲(chǔ)高溫?zé)崃慷m用于多種工業(yè)場(chǎng)景，而水蓄熱系統(tǒng)則適合處理低溫至中溫的工業(yè)熱需求。固體蓄熱材料通常用于工業(yè)高溫過(guò)程中的余熱或廢熱回收。從工業(yè)部門(mén)作為用能終端來(lái)看，谷電作為熱源相對(duì)經(jīng)濟(jì)。從工業(yè)部門(mén)作為熱源部門(mén)來(lái)看，工業(yè)部門(mén)產(chǎn)生的余熱廢熱不僅可以重新用于工業(yè)生產(chǎn)，也可以用于區(qū)域供暖。此外在考慮廢熱余熱作為熱源不足的情況下，以太陽(yáng)能等可再生能源作為補(bǔ)充。值得一提的是，江蘇金合能源科技有限公司于2023年成功投運(yùn)了國(guó)內(nèi)首套結(jié)合導(dǎo)熱油的固體蓄熱式儲(chǔ)能技術(shù)的橡膠制品生產(chǎn)示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了高精度控溫，成功替代了傳統(tǒng)的工業(yè)蒸汽。華北油田“儲(chǔ)熱+光熱一體化應(yīng)用裝置”采用混凝土改性材料作為儲(chǔ)熱介質(zhì)、高溫導(dǎo)熱油作為導(dǎo)熱介質(zhì)，使蓄熱效率達(dá)90%，并于2024年投入運(yùn)行。
表7 工業(yè)部門(mén)示范項(xiàng)目
4 結(jié)論
在全球氣候變化和能源安全挑戰(zhàn)的背景下，中國(guó)的蓄熱產(chǎn)業(yè)將在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和建設(shè)清潔低碳能源體系中發(fā)揮關(guān)鍵作用。本文通過(guò)系統(tǒng)分析中國(guó)蓄熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，揭示3種蓄熱技術(shù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，并展示其在電力系統(tǒng)調(diào)度、工業(yè)能源利用優(yōu)化和建筑能效提升等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
（1）政策支持和技術(shù)進(jìn)步的雙重驅(qū)動(dòng)已顯著推動(dòng)中國(guó)蓄熱產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，中國(guó)蓄熱市場(chǎng)規(guī)模將在2030年實(shí)現(xiàn)兩倍增長(zhǎng)。
（2）目前，在建筑被動(dòng)蓄熱技術(shù)方面，主要熱源來(lái)自谷電，且多集中在顯熱蓄熱和相變蓄熱技術(shù)。大型區(qū)域供暖系統(tǒng)通常采用“太陽(yáng)能發(fā)熱+蓄熱裝置”的模式。熔鹽是太陽(yáng)能光熱發(fā)電的主要蓄熱材料。壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中以壓力水蓄熱、導(dǎo)熱油蓄熱和熔鹽蓄熱為主。在電廠(chǎng)調(diào)峰示范項(xiàng)目中，水和熔鹽作為蓄熱介質(zhì)表現(xiàn)出了良好的發(fā)展?jié)摿?。而在工業(yè)部門(mén)，由于用熱溫度范圍廣，對(duì)各種蓄熱技術(shù)的需求較為多樣。
（3）顯熱和相變蓄熱作為蓄熱技術(shù)的代表，已經(jīng)從工程示范成功邁入商業(yè)化階段。相較之下，熱化學(xué)蓄熱技術(shù)仍主要處于研究階段，尚未廣泛實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其推廣和應(yīng)用仍需進(jìn)一步探索和推動(dòng)。
中國(guó)蓄熱產(chǎn)業(yè)正面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。首先，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，蓄熱技術(shù)將在更多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，例如醫(yī)療、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等。其次，政策環(huán)境的持續(xù)優(yōu)化和市場(chǎng)機(jī)制的完善將進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
