中國儲能網(wǎng)訊：（5）固態(tài)熱能轉換器
·熱電發(fā)電機
兩個多世紀以來，作為熱電發(fā)電機(TEG)技術基礎的塞貝克效應已為人所知。熱電發(fā)電機已在包括使用核材料熱量的衛(wèi)星和漫游車在內的應用中得到應用。該技術非常適合具有體積限制、長壽命且維護最少的應用。然而，由于這些設備的材料特性固有的權衡，效率被限制在1%～15%的范圍內。除非能夠顯示提高效率，否則熱電發(fā)電機不太可能成為熱儲能系統(tǒng)（TES）的主要轉換方法。
·熱光伏
熱光伏(TPV)是一種光伏電池，旨在將來自熱發(fā)射器（而不是太陽）的光子轉換為電能。熱發(fā)射器的溫度通常高于1,000℃，并且具有與太陽不同的波長分布。因此，TPV電池的設計與太陽能電池不同。最近的工作已經(jīng)證明發(fā)電效率超過40%，甚至超過50%。這些途徑涉及多結電池、光譜選擇性發(fā)射器和背面反射器的進步以提高效率，以及可重復使用的基板以降低制造成本。鑒于與太陽能發(fā)電設施的相似性，可以利用現(xiàn)有的研究和制造方法來加快進展。2003年的一項研究估計TPV成本約為3美元/W，預計未來成本將降低到30美分/W。后一種預測得到了新研究的類似估計的支持。
·電化學熱能設施
電化學熱能設施通常稱為熱再生電化學系統(tǒng)，利用溫度驅動的電化學變化來發(fā)電。一些系統(tǒng)在兩個溫度數(shù)值之間循環(huán)；然而，迄今為止，這些設計的性能都很差。其他人使用熱驅動的壓力梯度使離子通過電解質。來自燃料電池的一些電力為電解槽提供動力。通過提供外部熱量以減少電解槽的電力需求，凈電力輸出為正，效率估計約為10%?？梢允褂貌煌膶ΨQ反應，從而可以為低溫或高溫熱源設計設備。
·熱離子轉換器
熱離子轉換器具有熱陰極和冷陽極。對陰極施加熱量，促使電子發(fā)射；然后電子通過真空間隙或通過蒸汽到達陽極。通過電連接為負載供電的陰極和陽極來恢復電子平衡。20世紀下半葉的研究工作集中在將熱離子轉換器與核能結合使用，特別是用于空間應用。熱電子學的新研究需要解決材料和制造方面的挑戰(zhàn)，然后這項技術才能與熱儲能系統(tǒng)一起使用。目前正在努力實現(xiàn)商業(yè)化運營，通常以燃料為熱源，用于遠程或便攜式電源以及熱電聯(lián)產(chǎn)等應用。
圖4.7顯示了其中一些熱電轉移技術在建時的示意圖。
圖4.7熱電聯(lián)產(chǎn)技術
（6）其他技術
其他幾種熱電轉換技術已在商業(yè)上使用或正在積極研究。然而，目前這些技術似乎不太可能與上述作為熱儲能應用中的主要轉換方法的選項競爭。
使用有機朗肯循環(huán)的熱電轉換系統(tǒng)在商業(yè)上用于廢熱回收和地熱應用。它們的設計目的是利用低溫熱量發(fā)電，因此它們的效率相對較低：通常為10%～20%。這排除了在熱儲能系統(tǒng)中使用有機朗肯循環(huán)作為主要排放方法，盡管此類系統(tǒng)可以與其他技術結合使用。
斯特林發(fā)動機技術成熟，具有實現(xiàn)高效率的潛力。這使得它們對小規(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 熱儲能系統(tǒng)
到目前為止所討論的技術能夠以多種組合方式組裝成一個完整的熱儲能系統(tǒng)。在權衡取舍時，一些設計比其他設計更好地平衡了成本、性能和可行性。對開發(fā)熱儲能的學術論文和商業(yè)努力的回顧表明，熱儲能系統(tǒng)傾向于遵循以下三種策略之一：
（1）電廠基礎設施的再利用。
（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，每種策略的技術將隨著時間的推移而成熟，為熱儲能系統(tǒng)提供從現(xiàn)在到2050年以后的作用。
表4.2 熱儲能系統(tǒng)的三種近期和長期策略
4.4.1 電廠基礎設施的再利用
許多發(fā)電廠（尤其是燃煤發(fā)電廠）由于無法再經(jīng)濟運行或達到環(huán)境標準，在其預期壽命結束之前就退役了。如今，這種情況正在美國和歐盟等工業(yè)化地區(qū)發(fā)生。中國和印度等擁有的一些運營時間不太長的燃發(fā)電廠也可能提前退役，因為致力實現(xiàn)脫碳目標。
但也有機會將這些發(fā)電廠重新用于熱儲能。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?，F(xiàn)有的渦輪機、水泵、冷卻塔和其他設備將被重新用于發(fā)電而不會產(chǎn)生碳排放。
圖4.8 使用熱儲能系統(tǒng)改造蒸汽輪機示意圖
乍一看，蒸汽朗肯循環(huán)的效率似乎太低，無法實現(xiàn)經(jīng)濟運行。但是，如果另一種選擇是提前退役。由于退役成本凈廢品價值，退役可能對工廠所有者產(chǎn)生負面價值。此外，可以利用現(xiàn)有的電網(wǎng)基礎設施。最后，在600℃左右的峰值溫度下，可以使用各種廉價的儲能材料，與當前的兩罐熔鹽存儲系統(tǒng)相比，可以降低能源資本成本?？傊@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)濟地重復使用化石燃料驅動的蒸汽輪機。
一個重要的考慮因素是被重新利用的發(fā)電廠的剩余壽命。美國的汽輪機發(fā)電廠的平均工作壽命是50年。盡管工廠之間存在基于設備、操作歷史和維修情況的差異，但這是一個有用的近似值。使用蒸汽輪機進行儲能可以通過降低利用率和更多循環(huán)來延長或縮短標稱50年的使用壽命。圖4.9上部的圖表顯示了美國小于50年的汽輪機裝機容量的工作壽命。底部的圖表顯示了根據(jù)50年的工作壽命預計該容量何時退役。該圖使用來自美國環(huán)境保護署2018數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，并未考慮新增產(chǎn)能。
圖4.9美國汽輪機容量三年工作壽命分布
從現(xiàn)在到2040年，許多美國燃煤發(fā)電廠的運行壽命將達到50年，這限制了它們作為熱儲能設施的潛在壽命。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可以保持更長時間的可用時間。雖然需要進行更詳細的分析，但這些電廠在使用熱儲能系統(tǒng)進行改造之后，可以通過有針對性的維修來延長其使用壽命。
如圖4.10所示，現(xiàn)有發(fā)電廠分布在美國各地，因此該策略不受地域限制?？紤]到改造后的電廠，利用美國燃煤電廠很短的時間窗口需要有足夠的剩余壽命來收回成本。幸運的是，實施該戰(zhàn)略所需的技術已處于高度技術準備狀態(tài)，可以通過公共機構和私有公司協(xié)調迅速部署。此外，從聚光太陽能發(fā)電廠的建設和燃煤電廠作為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的再供電方面，有相關經(jīng)驗可以指導設計。
圖4.10 美國燃煤發(fā)電廠的地理分布
在國際上有更多的機會，因為燃煤發(fā)電廠的建造時間較晚，而且還在繼續(xù)建造，尤其是在新興市場和發(fā)展中經(jīng)濟體國家。隨著各國重新評估燃煤發(fā)電的經(jīng)濟和環(huán)境影響，安裝新的蒸汽輪機容量（主要是燃煤發(fā)電廠）的計劃通常正在縮減。圖4.11顯示了當前運行電廠安裝基數(shù)最大的10個國家到2050年將少于50年的汽輪機容量。該數(shù)字不包括新工廠的建設。在目前在新增產(chǎn)能方面領先世界的中國和印度，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排名前十的國家和世界其他地區(qū)到2050年建成工作壽命沒有達到50年或以下的電廠汽輪機容量（RoW）
研究人員和商業(yè)開發(fā)商已經(jīng)認識到了這個機會。已經(jīng)提出了使用相變硅、陶瓷填充床或巖石來廉價儲存熱量的設計。一家企業(yè)于2019年開始在德國運營一個試點項目，該項目的儲能容量為130MWh，裝機容量為30MW。該設施使用巖石、電阻加熱器和蒸汽輪機。雖然它沒有改變現(xiàn)有發(fā)電廠的用途，但這是未來開發(fā)這個項目的意圖。
雖然改造一些蒸汽輪機使用電阻加熱來為熱儲能系統(tǒng)充電，而有人設想使用熱泵，但蒸汽輪機仍將用于發(fā)電。在美國，美國能源部資助了這一概念的可行性研究。在德國，試點項目的工作正在進行中）。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備成本。
盡管具有這種潛力，但實際上，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?shù)奈恢米鳛闊醿δ芟到y(tǒng)運行。目前尚不清楚這一部分有多大。例如，一個技術挑戰(zhàn)將是改造現(xiàn)有工廠并設計其蓄熱組件，以使改造后的設施能夠比最初設計用于基本負荷發(fā)電的設施更靈活地運行。否則，頻繁的循環(huán)會縮短工廠的壽命?？梢詮恼谶M行的工作中利用解決方案來提高燃煤發(fā)電廠的靈活性，以應對間歇性可再生能源發(fā)電，并通過將電池與熱儲能系統(tǒng)配套等策略。電池儲能系統(tǒng)可以提供短時儲能以減少循環(huán)，當需要更長時儲能，電池儲能系統(tǒng)可以為燃煤發(fā)電廠提供預熱時間。
而在未來，再利用現(xiàn)有電廠的策略可能會與第三種策略重疊：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力，或與聯(lián)合循環(huán)工廠的燃氣輪機并行運行。同樣，熱儲能系統(tǒng)改造可以作為中間儲能選項，直到將熱儲能系統(tǒng)蒸汽工廠轉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。那時，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
盡管文獻中對“中溫”的定義不明確，但在這里使用它來指代大約550℃～1,000℃。這些溫度下的熱量可以驅動替代動力循環(huán)，例如封閉式布雷頓循環(huán)，以實現(xiàn)40%～55%范圍內的往返效率。這些循環(huán)可以與顯熱存儲材料（如巖石）或相變材料（如鋁合金）配對。
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)進行發(fā)電。這些循環(huán)可以通過熱回收提高效率，如圖4.12所示。通過回收，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提供的。出于這個原因，對于sCO2和其他具有類似回收能力的系統(tǒng)，潛熱儲存比顯熱儲存更明顯。當顯熱存儲系統(tǒng)在較小的溫度范圍內運行時，顯熱存儲系統(tǒng)的能源成本會增加，但如果存儲材料的成本足夠低，顯熱存儲仍然是一種選擇。對于充電，電阻加熱器通常是更好的匹配，因為高溫熱泵依靠顯熱交換而不是潛熱。
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，只是壓縮機和渦輪的位置以及流動方向將被切換。對于非超臨界流體，研究集中在使用惰性氣體（例如氦氣、氬氣和氮氣）作為工作流體。這種方法通過專注于提高充電效率來提高往返效率，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存。
如第4.3.1節(jié)所述，相對于充電電力的資本成本，低電價降低了高充電效率的好處。此外，充電效率不會影響所需儲能材料的數(shù)量。
熱泵也可用于在低于環(huán)境溫度下儲存熱能。冷存儲提高了排放效率，而不需要熱存儲提供更高的溫度。使用熱泵進行充電的缺點是除了安裝用于排放的設備之外，還需要額外的一套渦輪機械設備，這會增加投資成本。如果采用可逆渦輪機械，則可以減輕這種額外成本。
某些版本的抽水蓄能設施可以使用現(xiàn)成的設備，從而降低商業(yè)化風險。目前開發(fā)sCO2電力系統(tǒng)的工作范圍從使用兆瓦規(guī)模實驗室設備的項目到兆瓦級示范工廠。因此目前的進展速度表明，公用事業(yè)規(guī)模的部署很可能在2050年之前實現(xiàn)。
4.4.3 高溫系統(tǒng)
第三種策略使用高溫儲存技術，其溫度范圍從1,000℃到2,400℃或可能更高。在此范圍內的溫度可以使用聯(lián)合循環(huán)或固態(tài)能量轉換器，它們可以實現(xiàn)50%～60%的效率。這兩種技術都可以產(chǎn)生顯熱或潛熱。每種類型的示例如圖4.13所示。
圖4.13不同設計的高溫TES系統(tǒng)示例
對于顯熱或潛熱系統(tǒng)，基于渦輪機械的設計通常將技術風險限制在將儲能系統(tǒng)連接到渦輪機械的熱交換器以及與能源相關的組件上。然而，在啟動時間和升溫速率等屬性方面的技術改進可能會受到限制，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，替代能源轉換器（即固態(tài)設備）仍需要研發(fā)才能實現(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)模下也能實現(xiàn)高效率。
在系統(tǒng)層面，這些設計在儲能系統(tǒng)和排放組件中都引入了風險。相比之下，改造策略可以使用既定的儲能和排放技術。第二種策略的大部分風險在于排放組件，盡管使用潛熱儲存也會帶來風險。
圖4.13沒有提供高溫系統(tǒng)的抽樣。但可用設計的多樣性表明，鑒于技術上的不確定性，尚未出現(xiàn)主導設計。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來為聯(lián)合循環(huán)提供動力。右上角的系統(tǒng)使用帶有空氣布雷頓渦輪機的硅潛熱。該系統(tǒng)的一個版本已被部署用于澳大利亞的一個商業(yè)試點項目。但是，該項目包含燃氣加熱，因此它并不代表純粹的儲能技術。隨著進一步的發(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型熱光伏電池。它的模塊化設計可能有助于克服擴展挑戰(zhàn)。左下角的系統(tǒng)使用來自液態(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)面臨幾個挑戰(zhàn)。例如冶金級硅是高溫系統(tǒng)中的常見選擇，因為它在高溫(1,414℃)下熔化并且價格低廉。然而，硅在這一過程中會膨脹，這會在容器中產(chǎn)生應力。隨著時間的推移，這些應力會導致裂縫并導致安全殼失效。一種解決方案是使用合金硅來減少這種膨脹；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)生化學反應——因此，確保低反應性一直是研究的主題。
一種設計使用平行鋪設的石墨塊來儲存約2,000℃的熱量，并通過熱光伏電池面板發(fā)電。當熱光伏電池面板在石墨塊之間滑動時，熱量會以輻射方式傳遞到熱光伏電池面板。更少的運動部件和顯熱的使用簡化了系統(tǒng)設計。與所有散裝固體儲能系統(tǒng)一樣，這種設計的權衡是，在局部放電條件下，石墨塊塊內或石墨塊塊之間會產(chǎn)生熱梯度，并導致一些能量損失。
另一個挑戰(zhàn)來自一種被稱為“蠕變”的現(xiàn)象，它指的是材料在應力下的變形，即使在明顯低于材料斷裂強度的應力水平下。高溫會加速蠕變，導致密封不完善和預期失效模式發(fā)生變化等問題。
在成本、性能和技術準備度之間的權衡中，高溫策略選擇了前兩者。在保持低存儲成本的同時，實現(xiàn)更高的效率和靈活性需要高溫存儲或新的功率轉換設備。在結構方面，需要更多的研究來了解高溫下的材料性能并確保工廠預期壽命的可靠性。
4.5 成本估算
表4.3顯示了兩個代表性熱儲能系統(tǒng)的關鍵指標的說明。而一些發(fā)表論文和報告的數(shù)據(jù)被直接使用或作為參數(shù)來進行成本估算。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設施。在這個早期階段，在預測到2050年的成本和性能時存在很大的不確定性。這項研究做出了幾個假設，例如關于功率轉換設備的學習率。具有sCO2功率塊的碎石存儲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)硅存儲是遵循高溫策略的系統(tǒng)的代表。盡管目前這兩個系統(tǒng)在技術上都沒有準備好，但由于技術風險較低，碎石和二氧化碳系統(tǒng)被選為產(chǎn)能擴張模型中的代表性TES技術。
表4.3中的估計表明，TES有可能實現(xiàn)長期存儲技術的成本目標低于20美元/kWh。這兩個系統(tǒng)之間的區(qū)別之一是它們在儲能成本和效率之間做出的權衡。液態(tài)硅系統(tǒng)由于溫度較高而具有較高的儲能成本，這使得效率略高。由于TPV電池的模塊化和制造工藝，預計未來基于TPV的系統(tǒng)的放電功率成本會低于基于渦輪機的系統(tǒng)。
4.6 結論和要點
TES是一種有前途的長時儲能的選擇，因為熱量可以存儲在廉價材料中。這類技術的主要挑戰(zhàn)是將熱量高效且經(jīng)濟地轉化為電能。本章介紹了應對這一挑戰(zhàn)的三種方法：重新利用現(xiàn)有蒸汽輪機的發(fā)電廠、使用替代動力循環(huán)以及開發(fā)高溫材料和動力轉換設備以達到更高的效率水平，并降低電力成本。每項戰(zhàn)略的主要內容和相關政策建議總結如下。
?通過用儲熱裝置和新的蒸汽發(fā)生器替代現(xiàn)有蒸汽輪機發(fā)電廠使用的化石燃料和鍋爐，現(xiàn)在可以實施重新利用現(xiàn)有蒸汽輪機發(fā)電廠的戰(zhàn)略。
–需要改進的領域包括降低能源成本和制定優(yōu)化集成和運營的工程計劃。而運營聚光太陽能發(fā)電的經(jīng)驗可以轉化為亞臨界蒸汽電廠，通過更多的實踐，TES可以擴展到超臨界和超超臨界電廠。后兩種類型的工廠可能會在更長的時間內保持在線狀態(tài)，因為它們的效率更高，并且部署在脫碳時間表更長的國家。
–在此期間，添加TES來補充燃燒將減少排放，并為應對太陽能和風力發(fā)電機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發(fā)現(xiàn)TES為重新利用其他擱淺的資產(chǎn)提供了一個有吸引力的機會。
?第二種策略使用替代動力循環(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)演示正在非存儲應用中進行。
–隨著對燃氣開放式布雷頓渦輪機的需求下降，燃氣輪機行業(yè)可能會發(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的重要機會。
–非儲能應用的進步將降低成本，并為遵循這一策略的儲能系統(tǒng)帶來好處。
?需要研發(fā)以推進利用高溫材料和功率轉換器件的第三個戰(zhàn)略，以達到高效率并降低電力成本。出于這個原因，電網(wǎng)規(guī)模部署在2030年代不太可能實現(xiàn)，但在2050年前可能是可行的。
–這種方法的一個挑戰(zhàn)是提高高溫材料的壽命性能，以確保它們在工廠的整個生命周期內都是可靠的。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應物重新設計。
–如果可以解決工程問題，高溫TES系統(tǒng)有望實現(xiàn)低能源成本、相對較低的電力成本、高效率和良好的靈活性。
?推進這些戰(zhàn)略中的每一項的政策應反映各國的發(fā)展階段。
–美國能源部已經(jīng)資助了TES與燃煤電廠整合的研究。對改造能力的分析與對代表性工廠的詳細研究相結合，將為改造戰(zhàn)略的潛力提供更準確的評估。
–通過美國能源部貸款計劃辦公室、州能源創(chuàng)新贈款或其他計劃支持首創(chuàng)項目，可以啟動該行業(yè)。
–將替代動力循環(huán)商業(yè)化的努力將受益于擴大計劃的資金和對制造的支持。
–開發(fā)高溫TES系統(tǒng)（第三種策略）的努力將受益于應用研究，以提高對高溫材料、工程和能量轉換系統(tǒng)的理解和能力。
?正如個人電子產(chǎn)品和電動汽車等大容量市場推動了可充電電池的經(jīng)驗和降價一樣，TES將受益于早期在火力發(fā)電廠靈活性和熱儲能的應用。在這些領域學習將增加行業(yè)經(jīng)驗和市場對此類儲能的熟悉度，為電網(wǎng)規(guī)模的TES鋪平道路。與此同時，該技術可以支持建筑和工業(yè)部門的減排。
（未經(jīng)許可，嚴禁轉載，未完待續(xù)）
