中國儲能網(wǎng)訊：8月9—10日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會聯(lián)合中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司、西安北大科技園、中國科學院電工研究所儲能技術(shù)組、深圳市科陸電子科技股份有限公司等單位聯(lián)合主辦“第二屆全國發(fā)電側(cè)儲能技術(shù)與應用高層研討會”在陜西西安金磐酒店舉行。來自政府主管部門、能源監(jiān)管部門、行業(yè)專家、設(shè)計院、新能源發(fā)電業(yè)主單位、電力公司、系統(tǒng)集成商、項目承包商、投融資機構(gòu)等單位的260余位嘉賓出席了本次研討會。
主辦方邀請到中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司主任工程師趙曉輝就“配置大容量儲熱的光熱發(fā)電在提高新能源消納中的作用”做主題報告，以下為其報告主要內(nèi)容。
趙曉輝
大家好，我們公司是做電力行業(yè)工程設(shè)計和總包業(yè)務的工程公司，基于近兩年在工作中的體會，結(jié)合一些電池儲能電站和光熱電站的的設(shè)計建設(shè)經(jīng)驗，今天跟大家匯報一下高溫熔鹽儲能的一些理解。我的題目是“配置大容量儲熱的光熱發(fā)電在提高新能源消納中的作用。”題目中的兩個關(guān)鍵詞，一是“消納”，二是“大容量儲熱”。
我的ppt大致由三個部分構(gòu)成，第一部分相關(guān)背景，第二部分應用場景，第三部分結(jié)論展望。
新能源消納的目標還是很艱巨，這第一張ppt個是2018年、2019年、2020年的國內(nèi)幾個典型區(qū)域風電和光伏的消納的情況和消納控制目標?？梢钥闯?，相對2017年，2018年、2019年棄電率有明顯緩和，這個除電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度外，過去兩三年在西北地區(qū)，比如甘肅、寧夏火電參與輔助服務調(diào)峰的貢獻不可忽視。在寧夏有一些區(qū)域燃煤電站負荷壓到30%左右的水平，調(diào)峰電價將近每度1塊錢人民幣，這就帶來了燃煤電站在低負荷下燃燒的消耗能源高很多，就是實際煤耗率較高，補貼負擔也較重。雖然消納很多的光伏，但間接的環(huán)境壓力，對火電站的補貼壓力都不容忽視。畢竟中國還是以燃煤電站為主要發(fā)電形式。
會議現(xiàn)場
第二頁ppt，政策層面，我注意到會議講到電池儲能產(chǎn)品比較多，儲熱比較少一些。2017年能源局發(fā)改委有一個《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》文件，這里面摘錄一些內(nèi)容，其中明確提出，推進儲能技術(shù)裝備研發(fā)示范，重點包括高溫儲熱技術(shù)，10MW/100MWh級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)、10MW/1000MJ級飛輪儲能陣列機組、100MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)、大容量新型熔鹽儲熱裝置。可以看出，儲能的概念很廣，儲熱也是一個方向。
接下來，簡單介紹一下太陽能熱發(fā)電的概念，這是一個塔式光熱電站的技術(shù)路線，光熱發(fā)電主要包括光場、儲換熱區(qū)、發(fā)電單元。發(fā)電單元和火電站類似，把熱能轉(zhuǎn)換成電能。中間是儲換熱區(qū)，是將來自太陽能量以熱能形式存儲到儲換熱區(qū)里面來。槽式電站類似。我接下來的內(nèi)容就是試圖找一個切入點，將棄電的能量存儲到光熱電站既有的儲熱系統(tǒng)中，提高儲熱系統(tǒng)和發(fā)電單元的利用率，比較這種儲能模式在解決清潔能源消納中的經(jīng)濟性和可行性。
這張幻燈片分別給出了塔式和槽式電站的基本流程以及出力特性，看左上角這組曲線，橫坐標是連續(xù)三天的小時數(shù)，縱坐標四條曲線分別是太陽能輻射隨時間變化，稱之為DNI，儲熱系統(tǒng)的容量狀態(tài)；還有集熱場輸出的功率和發(fā)電機組發(fā)電量。這組曲線信息量比較多，我們關(guān)注的重點是什么？左上角藍色曲線是代表太陽輻射變化情況，橫坐標是時間，縱坐標是數(shù)值，可以看出資源波動間歇性比較突出，這個類似于光伏電站發(fā)電出力特性。但是從這根跟綠色的代表發(fā)電機出力的曲線，可以看出太陽能熱發(fā)電相對于光伏發(fā)電，最大區(qū)別在于綠色的線可以平穩(wěn)實現(xiàn)電輸出，如果配置足夠大的儲熱系統(tǒng)，太陽能熱發(fā)電可以達到火電發(fā)電出力平穩(wěn)的特性，這是太陽能熱發(fā)電相當于光伏發(fā)電的特點?；谶@種特點把光伏能量回收到儲電系統(tǒng)，利用光熱發(fā)電的發(fā)電單元在需要時段將電能送出，實現(xiàn)電網(wǎng)的友好性。
這張幻燈片兩組柱狀圖分別是塔式電站和槽式電站儲熱系統(tǒng)全年利用能力的統(tǒng)計。當對儲罐狀態(tài)做8670個小時狀態(tài)分析，橫坐標是儲熱系統(tǒng)能力的百分比，可以看出儲熱系統(tǒng)達到額定容量10%及以下的時間點達到60%以上，槽式更高。橫坐標1意味著儲熱系統(tǒng)容量用到百分之百，這個狀態(tài)是很低的，大概全年8750小時的2%。意味著對于太陽能熱發(fā)電電站儲熱很多情況下是沒有用滿的，沒有充分利用的。針對光熱發(fā)電儲能這部分系統(tǒng)，基于對既有固定資產(chǎn)深度挖掘它的潛力的思路，我們有必要進一步提高光熱電站的儲能利用率。也就是將棄電回收進來，環(huán)節(jié)新能源消納壓力。
這是全球儲能背景情況，數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑不太一樣可能結(jié)論有一定區(qū)別，這是美國能源局官網(wǎng)上的數(shù)據(jù)。柱狀圖顯示，堆積柱狀圖中，最頂部的青色部分是電化學儲能，綠色是電能-機械能的儲能，比如抽水尋，紫色是儲熱?？梢钥闯鰪?011年以后儲熱市場總?cè)萘砍尸F(xiàn)出比較明顯的增長趨勢，這里面儲熱是全口徑的儲熱，存儲溫度水平不太一樣，還有民用儲熱，洗澡、生活用水等等?？梢钥闯?，除了電化學儲能，還有一些其他的儲能型式，包括我們講的儲熱。我們想介紹的觀點，國外也有研究過，這是一個諾貝爾得獎主，他是項目帶頭人，羅伯特羅琳，谷歌等主導的馬爾他（英文）能量存儲項目也是研究高溫熔鹽儲熱在新能源消納方面的可行性。
剛才談了一些熱發(fā)電的情況，還有解決新能源消納的背景?，F(xiàn)在看第二部分應用場景。這個觀點思路也很簡單，通過電加熱器的設(shè)備，在低谷時段內(nèi)回收利用，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，電網(wǎng)需要負荷的時候，利用蒸汽發(fā)生器設(shè)備將高溫熔鹽轉(zhuǎn)化成水蒸氣的熱能，然后去汽輪發(fā)電機發(fā)電。這個圖里面除了左側(cè)的變壓器和電加熱器設(shè)備之外，其他都是光熱電站固有的投資，和太陽能結(jié)合需要建立附屬配電系統(tǒng)，如果儲熱系統(tǒng)做的比較大，可以做一套獨立的高低溫罐儲熱系統(tǒng)以及它配套的輔助設(shè)備，包括熔鹽輸送泵，電加熱器等。
儲能在光伏風電系統(tǒng)的作用都說了很多了，我這里提到一個更大的作用，不完全是移峰填谷，峰到底有多高？一個山頭，尖削掉峰頂填到坑里也算移峰填谷，把整座山移平填到神坑也算移峰填谷。那么我們這里說的棄電回收已儲熱形式存儲，后續(xù)發(fā)電，這種應用場景經(jīng)濟可行性和價值在于大容量解決清潔能源消納的問題，不是短期的調(diào)頻，平滑出力這個范疇。說到這里大家應該知道這幾個數(shù)字，2018年年底中國全口徑裝機電力19億千瓦，相應光伏和風電總裝機是3.6億千瓦，其中風力1.84億，光伏是1.75億；2020年的目標比去年也就是2018年增長33%，達到總裝機容量4.8億千瓦，風電和光伏幾乎對半。國家更宏偉的目標2030年實現(xiàn)光伏和風電的總裝機容量較2018年增長333%，達到12億千瓦?，F(xiàn)在裝機容量3.6億，2030年達到12億千瓦風電和光伏，有個問題比較突出，我們社會用電是否能保持高效增長？所以風電光伏的消納是很嚴肅的問題。
這個幻燈片看看主要的設(shè)備，也就是電加熱器。應用場景剛才圖里面也跟大家說了，很簡單的設(shè)備，熔鹽電加熱器有兩種形式：一個是高溫儲灌底部布置的浸沒式加熱器。還有一個是布置在管道上的熔鹽流過的循環(huán)式加熱器。浸沒式加熱器的機理不是強制對流換熱，后面這種形式換熱系數(shù)比較高，是強制對流換熱。所以在回收棄電至熔鹽儲熱的場景中，使用的電加熱器應該是后一種，有圖這個。前一段時間也在國內(nèi)項目上有所應用，總的容量大概25兆瓦的功率，也是低谷用電時段棄電回收，通過換熱向外提供蒸汽的熱負荷需求。
前面老師講過高壓儲能，我是搞工藝背景的，我第一反應是壓力也就是壓強，單位是帕斯卡，后來聽下來高壓儲能是電壓，單位是伏特。這張幻燈片簡單對比了一下電加熱器的電壓等級，關(guān)系到上游變壓器的成本，比較認為，目前國產(chǎn)的低壓等級加熱器國產(chǎn)較成熟，配備成熟的變壓器，較進口的高壓電加熱器還是便宜。電加熱器成本很高，1千瓦成本大概200塊錢人民幣。這里面也有一個概念，儲能最終推向市場應用關(guān)鍵問題還是成本，在行業(yè)內(nèi)老說儲能有很多關(guān)鍵要素，比如效率、安全性、成本，壽命等，我認為從工程應用來講只有一個因素最重要，就是成本，這個成本要站在同一個邊界條件下，比如25年綜合成本，而不是簡單的初投資，這里面包含了可靠性問題，還有儲能系統(tǒng)使用壽命等。
如果新增儲罐，不利用光熱電站的既有儲熱系統(tǒng)，成本也是比較可接受的。這個餅狀圖是基于工程實施的統(tǒng)計是基于我們做過幾個工程時間，這是一個一萬六千噸熔鹽等級的儲熱系統(tǒng)投資構(gòu)成餅狀圖，包括儲罐基礎(chǔ)、安裝工程費、硝酸鈉、硝酸鉀儲熱材料，還有熔鹽泵。綜合下來評估，大概是80到90人民幣每千瓦時熱能，這個數(shù)據(jù)后邊經(jīng)濟比較時會用到，注意是80-90元每千瓦時熱能存儲成本，不是電能。
這張幻燈片曲線是仿真計算的結(jié)果，目的是確定電加熱器功率和儲能容量，是基于既有光熱電站的，不新增儲能模塊，可以認為是棄電回收與光熱電站耦合的。
接下來，基于如下場景背景，800MW風電，400MW光伏，同時有50兆瓦的光熱發(fā)電機組，要建設(shè)一個獨立的儲能系統(tǒng)，不是利用光熱機組配置的儲能，那么什么樣的儲能容量和電加熱器配置合適呢？橫坐標配置組合，功率兆瓦是指電加熱器的功率，小時h是能量存儲容量，?？v坐標是棄風和棄光的百分比。這兩條線分別是棄風率和棄光率變化情況。隨著橫坐標的推移不同電加熱器和儲能容量，可以看出，近似的，變壓器容量增大且儲能部分容量增大，10小時、12小時，棄風率和棄光率有較好改善，其中在200MW加熱器和12個小時儲熱（這是對應汽輪機50MW電功率的時間），棄光率達到最低程度，棄風率達到較低程度不是最低。這是基于整個西北某地區(qū)電網(wǎng)的運行真實模式，包含了火電和抽水蓄能等等，是一個真實模擬。右邊曲線是相應輸出電量增加情況。可以看出隨著配置儲熱和電加熱容量的增大，對于解決風電和光伏棄光，提高清潔能源的消納是有明顯緩和的。
接下來做一個成本分析，橫坐標是剛才的場景，我的配置達到200兆瓦時電加熱器功率，儲熱10h，項目凈現(xiàn)值是正值，這一財務指標表明項目盈利。還有一些邊界條件說明一下，這個分析是基于棄電回收電價大概0.23元每千瓦時，售電參照國家光熱發(fā)電電價1.15元每千瓦時。當然了，國家會不會給這么高的電價，政策層面還存在一些爭議。如果棄電回收的電價低一些，盈利的售電電價會低。
這張幻燈片是和50兆瓦磷酸鐵鋰電池，2小時容量也就是100MWh容量做的比較。這是真實的案例。這個項目總工程費用折合到每千瓦時儲熱存儲是2000多塊錢，我們做了兩三年的技術(shù)革新預測會成本會降低，按2000元/kWh吧。這個投資包含了所有工程費用。右邊這一塊是按照剛才分析的熱能轉(zhuǎn)化電加熱器和高溫熔鹽儲熱的費用，有變壓器、電加熱器控制柜，電加熱器和獨立新建的熔鹽儲熱系統(tǒng)。注意這里的比較時獨立新建熔鹽儲能系統(tǒng)，沒有利用光熱電站的儲熱系統(tǒng)。那么棄電回收已高溫熔鹽儲熱形式儲能，這個成本是250元每千瓦時+240元每千瓦時，250元每千瓦時，意思是和前面的50MW*2h比較，也就是我按照前面提到的電加熱器及電氣設(shè)備千瓦投資500元，50MW就是2500萬元，平攤到500MW*2h=100MWh，每千瓦時就是250元，意味著吸收棄電的功率和左邊電池儲能相當，都是50MW，240元是將單位kWh的熱能按照熱電轉(zhuǎn)換效率0.33，折合到存儲100MWh電能，也就是前面80元/kWh大概乘以3得到240元/kWh電。和左邊拉平了。實際中汽輪發(fā)電機熱電轉(zhuǎn)換效率可以達到0.4，保守期間，按0.33計算。我的目的是跟50MW*2h儲電比較，把所有的都拉齊。同樣的道理，不考慮發(fā)電系統(tǒng)投資。這樣比較下來，儲能部分和光熱機組結(jié)合吸收棄電再發(fā)電，單位投資只有490元/kWh，不到五百元！提高新能源消納比例，這是一個很有經(jīng)濟競爭力的選擇。
結(jié)論與展望部分，關(guān)鍵點是清潔能源消納，國家有宏偉的清潔能源發(fā)展目標，2020年光伏風電總裝機4.8億千瓦，2030年12億千瓦。不論做儲能技術(shù)集成也好，相關(guān)電池等設(shè)備也好，儲能市場需求非常大，有電源側(cè)、用戶側(cè)等等，有調(diào)頻，平滑出力等，也有有真正解決消納的目標，不依靠犧牲主體火電的效益和環(huán)保指標為代價，我相信這個清潔能源消納解決手段應該也是多元化的。大概做了分析，在新疆和甘肅地區(qū)僅需要建設(shè)兩座100兆瓦級的儲能電站，同時承擔一部分的儲熱，即刻減少棄風棄光率60%，風電和光伏棄電率15%+10%等于25%，這個棄電率的60%，15個百分點。還有一個場景，100兆瓦熔鹽儲能電站核算，在滿足資本金IRR為8%和10%情況下，不收取過網(wǎng)費時儲能消納清潔能源的電價在0.5-0.52元每千瓦時，在滿足資本金8%和10%的情況下，過網(wǎng)費8分錢的時候電價在0.75-0.78元千瓦時。這個應該是比較合理的，我們增加了一套系統(tǒng)電加熱器和熔鹽儲熱，如此明顯地提高了新能源消納。
總結(jié)一下，高參數(shù)熔鹽儲熱提高光伏風電的消納比例，與既有光熱機組結(jié)合，可以實現(xiàn)較低的儲能投資。同時最后一條抽水蓄電進行比較，抽水蓄能是目前全球范圍內(nèi)最認可的，成本比最低的，而且壽命比較長的，五六十年都沒有問題。當然我提到的起點回收和抽水蓄能沒法比經(jīng)濟性，但是抽水蓄能的建設(shè)條件有限。
我的匯報就是這些，謝謝大家。
