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三大主流电蓄热技术,适用于哪些场景?

作者:中国储能网新闻中心 来源:CHPlaza 发布时间:2023-01-14 浏览:

中国储能网讯:水蓄热、固体蓄热、相变蓄热,三大主流电蓄热技术路线,分别适用于哪些应用场景?这是一个采购方经常咨询到的问题。

一、水蓄热及其应用场景

水蓄热电锅炉系统主要包括电锅炉、蓄热水罐和供热管网3部分:电锅炉负责将电能转化成热能作为供热热源;蓄热水罐负责将电锅炉产生的部分热能储存起来,待电热锅炉停运时替代后者对外释放热能;供热管网(含板式换热器和循环泵等设备)负责按需将热源处的热量送给热用户。

水蓄热电锅炉在用电低谷时段电力将水加热,并储存在具有保温功能的水箱里,在峰电、平电时段以热水的形式进行输出(热水温度通常为35℃~85℃)。

水储热技术具有热效率高、运行费用低、运行安全稳定、维修方便等优点,在国内外都有很多应用实例,因需增设水箱,故与固体蓄热电锅炉相比,存在储水罐体积较大、受占地空间限制等问题。

在风电消纳、火电灵活性改造、清洁供暖等多领域应用场景,众多已建成的项目实例证明了水蓄热的商业可利用价值。

1、应用于西北地区可再生能源消纳

在各类蓄热技术中,电锅炉+水蓄热在西北地区清洁能源消纳方面的适用性最佳。

在西北地区,电锅炉+水蓄热以大规模的百万平方米供暖面积的项目为主,众多实践案例已经充分证明了这项技术的经济可行性,以及其在消纳可再生能源方面的适用性。

▍中如智慧能源临泽县水蓄热供暖项目

该项目配置3台10000m³储热系统,可实现供暖面积300万㎡,就地消纳电量4.7亿千瓦时,对西北地区消纳弃风光电能起到重要作用。

▍甘肃某县城老城区集中供热项目

该项目总供暖面积160万㎡,热源为一座燃煤锅炉房,2019年对其进行清洁能源集中供热改造,新建电极锅炉(带蓄热)房,完全替代原燃煤锅炉承担该县城老城区的集中供热。

项目最终设计装机为4×40MW电极锅炉+3×10000m³蓄热水罐,静态总投资约10500万元,建设期4个月,建设当年投入投用,年净收益约1200万元,财务内部收益率为10.3%,投资回收期为9年。项目投用后,年消纳风(光)电量总计达17964.06万kWh。

▍敦煌市重点民生工程高比例新能源供热示范项目

该项目于2022年11月1日正式投用,是全国首个已建规模最大的电极锅炉供暖项目。项目先后建成8台40兆瓦高压电极蓄热锅炉、2座蓄热罐、10座换热站等设施设备,成为创建国家高比例新能源示范城市的示范性项目。

2、应用于火电厂调峰

水蓄热技术在火电厂调峰上有广泛应用,主要用于热电厂供暖季的热电解耦,提高供热机组的运行灵活性。以蒸汽为热源的水蓄热,投资成本和运行费用较低,既能够增加热电厂的低负荷运行能力,也能够增加高峰时段的顶负荷能力,具有较强的技术优势和市场竞争力。但同时,水蓄热也存在储热密度低,空间占用大的问题,尤其是城市区域的热电厂改造可能存在一些空间利用的问题。

▍松花江第一热电分公司调峰项目

2021年,由国家电投中央研究院研发的高性能斜温层水蓄热/蓄冷技术在松花江第一热电分公司储热调峰项目中成功应用。5000m³斜温层蓄热水罐,按照设计值,每年可为该厂节约标煤5万吨以上,增加机组调峰能力120兆瓦,在冬季同等负荷条件下,供热面积增加200余万平方米。2022年,该厂火电参与电力调峰时长超3200小时,带来收益7000万元。

目前,在我国电锅炉+水蓄热这一细分市场中,以上海中如智慧能源集团有限公司、山东北辰机电设备股份有限公司等为代表的行业领先企业发挥了带头作用,在市场建设、行业生态建设等方面贡献突出。如在甘肃的兰州、酒泉、金塔,河北的张家口、尚义、石家庄,内蒙古的赤峰、新疆等多个地区,中如智慧能源和北辰机电已经落地了多个项目,大大推动了水蓄热技术的市场应用。

二、固体蓄热及其应用场景

固体电蓄热技术是在谷值电价时利用电加热设备直接将电能转化为热能,并储存于固体储热器;在峰值电价时与供暖系统热水进行换热,进而为建筑供暖的技术。其工作过程与水蓄热电锅炉大致相同,不同之处是蓄热体为固体材料。固体蓄热电锅炉多采用镁砖、固体合金、页岩砖、混凝土等可实现较高蓄热温度(可达750℃左右)的蓄热材料。

高温固体具有储热密度大、储热温度高、储热体积小等优点,不但克服液体储热技术的缺点,而且兼具环保、高效、节能、安全等多项优势。固体蓄热机组可实现低谷电蓄热,夜间储能、日间用能,错峰利用能源,具备更高的经济性和灵活性。与水蓄热电锅炉相比,固体蓄热电锅炉无需设置水箱,占地面积较小,但投资较高。

在多种电蓄热技术路线中,固体电蓄热技术以其原理简单、技术成熟、成本可控、应用案例多等显著优势,占据重要地位,由此也吸引了诸多玩家涌入,市场竞争日趋激烈。(下文仅介绍固体蓄热技术在大型集中式供热中的应用,小型的分散式固体蓄热电暖器不作介绍)

1、应用于火电厂调峰

固体蓄热锅炉突破了电热转换及热储能过程中的超大功率技术瓶颈,而且建设成本低、周期短,在电网调峰中可发挥重要作用。在不影响机组运行的情况下,固体电蓄热调峰炉是很快实现深度调峰的一个有力手段。

固体蓄热技术在调峰阶段,利用电加热装置将蓄热砖体加热到700℃~800℃高温蓄热。放热时,循环风在风机的带动下经过高温蓄能体后变成高温风,高温风经过换热器,将热量传递给换热器内的水,重新成为低温风,继续循环,换热器内的水吸收热量后输出高温热水。

▍华能营口热电厂12万千瓦电锅炉蓄热调峰项目

该项目于2022年11月投产,是华能集团批复的首个独立投资建设的电蓄热调峰项目,项目固体电蓄热热水锅炉由沈阳恒久安泰环保与节能科技有限公司工程总承包,其中总建设电调峰锅炉120MW,分别为2台40MW电极热水锅炉和4台10MW固体电蓄热热水锅炉。项目投运后可实现两台火电机组调峰“零负荷”运行,增加紧急备用热源280万平方米,进一步提升供热安全性。

该项目是为响应国家火电灵活性改造政策要求和地区供热发展需要,提高机组热期深度调峰能力和供热能力,对原有燃煤供热机组进行改造,该电蓄热调峰供暖项目也是华能营口电厂第一个备用热源调峰供暖项目,对保民生供热、机组调峰、促进清洁能源发展具有重要意义。

2、应用于西北地区可再生能源消纳

固体电蓄热锅炉蓄热能力大,占地面积小,具有足够大的蓄能系统,可在夜间利用低谷电进行储能,在白天进行供暖、供能,同时解决了供暖和风电低谷消纳的问题。得益于峰谷电价、西部地区电能过剩和“煤改电”的政策鼓励,清洁无污染的谷电固体蓄热供暖得到了广泛的应用。

▍青海省贵南县清洁供暖源网荷储一体化项目

该项目由黄河公司青南分公司建设,于2022年10月份正式投运,标志着中国海拔最高、单体容量最大固体蓄热式电锅炉正式运行,为当地藏族民众送去了“绿色温暖”。

项目采用3台8.5兆瓦“蓄热式电锅炉”+“空气热源泵”技术取代传统燃煤锅炉,由内蒙古梅捷新能源科技有限公司供货安装。是目前中国国内海拔最高、单体容量最大的固体蓄热式电锅炉。项目建成后将新能源电能就地消纳转化为热能,实现了由“绿电”带动“绿暖”的清洁供暖新模式。

3、应用于工业场景供蒸汽

蒸汽是工业生产所需的重要能源介质,化工、纺织、印染、食品、医药、水泥等传统工业的生产流程都离不开蒸汽,可以说,没有蒸汽,工业生产活动就无法继续。利用固体蓄热技术生产工业蒸汽,在技术上已经比较成熟,相关的案例也越来越多。

▍贵州小糊涂仙酒厂固体蓄热式电蒸汽锅炉示范项目

2022年,国家电投金元智慧能源公司在小糊涂仙酒厂投资建成贵州首台固体蓄热式电蒸汽锅炉。作为贵州省储热的示范性项目,该项目装机容量9.5MW,全年可为酒厂提供蒸汽3万吨,它是一种新型、节能、环保、低噪的电蒸汽锅炉,利用电加热元件将低谷电以热能的形式存储,用电高峰时将热量释放,加热软水变成蒸汽,供酿酒车间使用。与同等燃气锅炉相比,每年可减少约2100万立方米二氧化硫、氮氧化物等废气的排放。

三、相变储热及其应用场景

相变储热技术是利用储热体在发生相变时需要吸收或释放相变潜热的原理进行热能的存储和利用,可有效收集并利用低品位热量,解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾,是提高能源利用率的有效手段。其具有储热密度高、储释热过程温度恒定等优点。

目前,相变电储热技术结构主要有两种:一种是类似于水储热技术,将相变储热装置替代储水罐,在电价谷值时,开启电锅炉制热,并利用相变储热装置将热量进行储存,在电价峰值时,相变储热装置为建筑供暖;另一种类似于高温固体电储热技术,将相变材料做成相变材料砖,并放置于固体储热器中,在电价谷值时直接储存电加热装置的热量,在电价峰值时为建筑供暖。

1、应用于建筑供暖

相变蓄热供暖措施主要是在夜晚对谷电蓄热进行充分利用白天进行集中供暖,有效避开白天的用电高峰,这是对深夜用电潜力的深入挖掘和充分利用,对电网削峰填谷目标的有效实现具有积极促进作用,使采暖运行费用大幅度降低,使热能得到充分利用。

相变蓄热供暖具有较高的环保性和安全性,在良好的环境中能够长时间使用,组成结构简单,维护和保养极为便利,重点是具有较大的蓄热密度,热能的损失较小,占地面积较小,对热能的传递和控制极为方便。

▍中央民族乐团东煤厂胡同11号院相变蓄热清洁供暖项目

该项目位于北京核心区,毗邻北海公园和恭王府,距故宫北门仅1.8公里,地段重要,人员密集,对清洁供暖改造方案的稳定性、环保性要求非常高。贺迈新能源自主研发的高效相变材料及热池具有高储能密度、无毒、安全、稳定等特点,最终在众多储能设备选型中胜出。

贺迈新能源科技有限公司为该项目提供了21台高效储能热池和智能控制系统,夜间谷电时段使用电锅炉为建筑供热的同时为热池充热,白天非谷电时段热池提供热量为建筑供暖,基本上可利用廉价清洁的谷电满足建筑全天供暖;贺迈智能控制系统可根据供暖需求自动调节,进一步减少能源浪费。

▍北京市首个高效相变蓄热供暖合同能源管理项目

该项目旨在将园区办公楼的供暖方式由燃气锅炉(化石能源)改造为高效PCM相变柔性热池谷电蓄热(非化石能源)供暖,涉及供暖面积4.6万平方米。

项目采用安兴高科自主研发的高效相变柔性热池蓄热技术,相比普通水箱,蓄热量可增加2至3倍,即相同的供暖面积,水箱体积可缩小2至3倍。

该项目可有效消纳“谷电”,实现“削峰填谷”,减小电网负荷峰谷差,使发电、用电趋于平衡。

2、应用于工业场景供蒸汽

相变储热技术在工业蒸汽领域理论上也可应用,但在实际上的应用案例极少,经济性欠佳。

▍苏州某高温相变蓄热项目

江苏某企业位于苏州市工业园区内,是一家国内知名的电子制造企业,主要生产集成电路板等产品。该企业生产工艺中要求需大量蒸汽烘干印刷电路板,企业原先采用一台容量为360 kW电加热蒸汽炉,加热产生120℃蒸汽,经热力管道通到生产线上。由于蒸汽无法储存,电蒸汽锅炉一般在白天生产高峰期使用,电费成本十分高昂。为降低制造蒸汽成本,在经过多种技术比较后,企业决定将原来电加热蒸汽炉改造为高温相变蓄热系统,用相变蓄热方式提供高温蒸汽。

高温相变蓄热系统在谷电时段将电蒸汽锅炉产生的热量储存在热库中,在峰电时段关闭电蒸汽锅炉,释放热库热量,通过高效换热器产生稳定的120℃的蒸汽,整套系统可稳定满足企业烘干工艺中末端蒸汽需求,实现了电量和负荷的“移峰填谷”。

双碳目标下,作为储能技术的一个重要分支,电蓄热市场也将迎来更广阔的市场空间。据相关机构统计,到2030年,全球蓄热市场规模将扩大三倍以上,在未来10年,蓄热装机容量将增长到800GWh以上。在可再生能源消纳、清洁供热、工业蒸汽、电力辅助服务、综合能源服务等多个市场的推动下,各类蓄热技术将持续发展,市场化逐步成熟。在选择合适的储热技术路线时,应根据实际的应用场景和条件,综合考量,择优选择。

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关键字:储热技术

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