中國儲能網(wǎng)訊：熱能存儲在全球熱能和電力脫碳上有著巨大潛力，并有助于能源系統(tǒng)在低成本下的可靠高效運營。
作者：Ken Somers、汪小帆、洪晟、陳持平、朱文穎
本文參考麥肯錫作為知識合作伙伴為長時儲能理事會（LDES Council）《凈零熱能報告》提供的研究和分析。
隨著全球能源系統(tǒng)脫碳的不斷推進，人們的視線也逐漸轉(zhuǎn)移到最重要也最難脫碳的介質(zhì)之一——熱能。熱能主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、樓宇供熱/制冷和區(qū)域供暖，在全球終端能源消耗中的占比已超過50%（見圖1）。由于目前大多數(shù)熱能的來源仍是化石燃料，供熱與制冷占到了全球能源相關(guān)碳排放【1】的45%，加速熱能脫碳對實現(xiàn)凈零排放至關(guān)重要。
電氣化有助于絕大多數(shù)熱能應(yīng)用的脫碳，而熱能存儲（Thermal Energy Storage，TES）則進一步為熱電聯(lián)動提供了更加清潔、靈活的解決方案。儲熱技術(shù)可將介質(zhì)加熱到特定高溫（或冷卻到低溫）后保持溫度，并在需要時釋放（或吸收）熱能，從而實現(xiàn)儲能的目的。儲熱可通過兩種機制協(xié)助實現(xiàn)零碳排放：一是與具有波動性的可再生能源協(xié)同，使更多熱能由清潔能源提供；二是在表后優(yōu)化熱能的使用，如在工業(yè)流程中儲存廢熱供后續(xù)使用，從而提高能效。
近日，長時儲能（LDES）理事會參考麥肯錫洞見發(fā)布了《凈零熱能報告》【2】，全面展示了熱能存儲在熱能脫碳中的作用、儲熱技術(shù)的成本與經(jīng)濟性、儲熱的典型商業(yè)用例、“風+光+儲+熱”一體化能源系統(tǒng)，并總結(jié)了發(fā)展儲熱所需要的關(guān)鍵支持。本文將分享該報告中的部分重點內(nèi)容，并結(jié)合中國熱能存儲的實踐，以期為各位讀者帶來啟發(fā)與思考。
三種技術(shù)路線，應(yīng)用場景廣泛
儲熱技術(shù)包括顯熱儲能、潛熱儲能及熱化學儲能（見圖2），可滿足不同的儲能時長需求（從跨天到跨季）和溫度需求（從零下到2400°C）。其中，顯熱儲能的材料成本與設(shè)備成本較低、技術(shù)成熟，是目前較多商業(yè)化項目選擇的技術(shù)路線，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)窯爐和電采暖、居民采暖、光熱發(fā)電等。潛熱儲能由于相變材料的限制，材料成本較高，且對設(shè)備抗腐蝕性要求也高，導(dǎo)致總體造價高昂，商業(yè)化應(yīng)用以熔鹽式相變材料為主。熱化學儲能具有很高的儲能密度與較低的熱損失，但因工藝技術(shù)復(fù)雜、儲能材料循環(huán)性不佳等因素，目前仍處于示范階段。
熱能存儲技術(shù)主要有三大應(yīng)用場景，分別是電力、工業(yè)、區(qū)域和建筑供暖。
電力行業(yè)：熔鹽技術(shù)已經(jīng)在光熱電站中實現(xiàn)商業(yè)化，通過晝間充電和夜間放電實現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。其它熱能存儲技術(shù)也有望在未來逐漸成熟，從光熱、光伏和風能電站中儲存多余能量，如使用混凝土的固態(tài)儲熱、高溫相變材料等。
工業(yè)領(lǐng)域：熱能存儲可以支持存儲大部分常見的工業(yè)熱能，包括熱水、蒸汽及熱空氣等典型用熱場景。例如，熱空氣及熱水（低于100℃的熱能）可用于工業(yè)生產(chǎn)中的干燥過程；低壓低溫蒸汽（約0.1兆帕，100°C）可用于食品加工消毒和清潔，而高壓高溫蒸汽（約10兆帕，320°C）則可用于金屬精煉和石油加工；熱空氣還通常用于高溫工藝，如溫度高達800°C至900°C的乙烯裂解過程。
區(qū)域和建筑供暖：熱能存儲提供了一種將熱能生產(chǎn)與消費脫鉤的解決方案，從而有可能在小時級甚至季節(jié)性的時間范圍內(nèi)儲存熱量。通過谷電蓄熱，熱能存儲可將富余的低價可再生能源電力轉(zhuǎn)換為熱能進行儲存，并在發(fā)電基載無法滿足熱能峰值需求時進行放熱，實現(xiàn)熱能供求的時空匹配優(yōu)化。
部分商業(yè)用例和場景應(yīng)用已具盈利性
儲熱有助于實現(xiàn)經(jīng)濟高效的清潔熱能供應(yīng)?！秲袅銦崮軋蟾妗凤@示，根據(jù)2022年長時儲能理事會的成本對標結(jié)果，對于工業(yè)過程中最常見的蒸汽或熱空氣這兩種熱能形式，儲熱已經(jīng)可以提供具有成本競爭力的電氣化與脫碳解決方案。如圖3所示，在燃氣鍋爐脫碳的應(yīng)用中，相比燃氣鍋爐疊加碳捕捉與存儲技術(shù)、氫能鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、結(jié)合鋰電儲能的電鍋爐或熱泵等脫碳選項，結(jié)合了儲熱系統(tǒng)的電鍋爐或熱泵更具經(jīng)濟性。
《凈零熱能報告》還詳細分析了熱能存儲的四個商業(yè)用例。結(jié)果顯示，部分用例已具備可盈利性，內(nèi)部收益率（IRR）最高可達28%。評估用例包括化工廠中的中壓蒸汽、區(qū)域供熱、煉鋁廠中的高壓蒸汽、離網(wǎng)溫室所需的熱電聯(lián)產(chǎn)。以中壓蒸汽為例，將原有的燃氣鍋爐替換為電鍋爐配合熱能存儲，提供蒸汽用于石油煉化和化工產(chǎn)品生產(chǎn)，每年可減少4.7萬噸二氧化碳排放。通過鍋爐改造可帶來的收益包括節(jié)省燃料費用和碳排放相關(guān)成本，內(nèi)部收益率在基礎(chǔ)情形下為6%（考慮碳價及電網(wǎng)收費），最高可達28%（考慮電網(wǎng)收費免除、靈活性獎勵）。當然，這些用例的可行性及收益率會顯著受到當?shù)厥袌銮闆r與機制設(shè)計的影響。比如，在太陽能和風能充足的地區(qū)或當前自有熱能供給的地區(qū)，儲熱最有可能蓬勃發(fā)展；此外，針對儲熱所帶來的系統(tǒng)靈活性，電力市場也需為其提供降低電網(wǎng)費等回饋。
隨著市場成熟、規(guī)模擴大，儲熱和其他形式的長時儲能技術(shù)一樣，都將變得更具成本競爭力。長時儲能理事會的數(shù)據(jù)表明，預(yù)計從目前到2040年，熱能存儲的單位資本成本將下降，其中熱能釋放設(shè)備成本將降低5%~30%，儲能介質(zhì)成本降低15%~70%。技術(shù)降本將進一步推動更多商業(yè)用例的發(fā)展及落地。
脫碳綜合方法與實際案例
能源系統(tǒng)正在快速變得更加復(fù)雜、更加互聯(lián)互通，以綜合視角進行分析有助于更快發(fā)揮熱能存儲的潛在優(yōu)勢。例如，初步跡象表明，通過熱泵、電解槽或氫能鍋爐等技術(shù)，電力和熱能領(lǐng)域以及新興的氫能行業(yè)之間互聯(lián)程度越來越高，儲能技術(shù)對于整合復(fù)雜的能源系統(tǒng)和脫碳可發(fā)揮重要作用。
《凈零熱能報告》中展示了熱能存儲可與電力長時儲能相結(jié)合的用例，將鄰近海上風電場的可變輸出轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的工業(yè)清潔熱能供給，既為海上風能開發(fā)商創(chuàng)造了額外的需求來源，也為工業(yè)能源用戶提供了更具成本效益的脫碳路徑。
正是通過類似的舉措，熱能存儲得以加速全球減排并接近凈零目標。報告顯示，通過提供高溫熱能應(yīng)用等成本效益更高的熱能脫碳工藝，熱能存儲可使全球長時儲能產(chǎn)能翻倍。全球系統(tǒng)成本每年有望因此降低高達5400億美元，賦能更快速的可再生能源建設(shè)，并優(yōu)化電網(wǎng)利用率。
專題一：國內(nèi)外儲熱項目實踐案例
工業(yè)應(yīng)用：
位于浙江某工業(yè)園區(qū)的熔鹽顯熱儲能項目利用來自西部地區(qū)的清潔風光電力以及較為廉價的谷電進行儲能，在電網(wǎng)低負荷時段取電、轉(zhuǎn)化為熱能存儲于熔鹽罐內(nèi)，在高峰時段則對外供熱或發(fā)電，既可用清潔熱能替代園區(qū)內(nèi)目前使用的燃氣熱能，也可協(xié)助電力供需實現(xiàn)削峰填谷。項目可滿足園區(qū)內(nèi)30余家印染加工企業(yè)的熱能和蒸汽需求，每年可節(jié)約標準煤7.75萬噸，減排二氧化碳約14.5萬噸；2023年，該項目還將新增發(fā)電功能，滿足園區(qū)耗能之外的多余熱能可用于發(fā)電。屆時，項目每年可發(fā)電3200萬千瓦時，節(jié)約動力煤13.9萬噸，減排二氧化碳36萬噸，每月可產(chǎn)生300萬元的經(jīng)濟效益。項目預(yù)期投資回收期6年，內(nèi)部收益率可達約15%。
一些規(guī)劃中的國內(nèi)熔鹽儲能項目包括：內(nèi)蒙古自治區(qū)達拉特經(jīng)濟開發(fā)區(qū)配置61兆瓦熔鹽儲能，預(yù)計2023年底建成投產(chǎn)；江蘇省淮安市洪澤經(jīng)濟開發(fā)區(qū)預(yù)計將建設(shè)150t/h的綠電熔鹽供熱儲能項目，滿足開發(fā)區(qū)內(nèi)的熱負荷和清潔能源需求；杭州醫(yī)藥港零碳電廠的200兆瓦熔鹽儲能示范項目將于2025年建成。
電力應(yīng)用：
阿聯(lián)酋迪拜的穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆光伏電站配套了700兆瓦的熔鹽儲能，2022年底有300兆瓦可實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，剩余容量也將進入建設(shè)安裝階段。
遼寧省風力電熱聯(lián)供項目已經(jīng)從試點走向全面推廣。截至2018年底，國網(wǎng)遼寧電力已經(jīng)構(gòu)建了一體化源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)系統(tǒng)，遼寧地區(qū)利用風電蓄熱供熱面積近1000萬平方米，服務(wù)約10萬戶居民。供熱期供熱機組運行容量1850萬千瓦左右，利用棄風電量11.6億千瓦時，將棄風率降低了7.1個百分點。以某市電蓄熱調(diào)峰項目為例，項目供暖期可為清潔能源讓出2.1億千瓦時的發(fā)電空間，可獲得調(diào)峰收入約1.3億元，減少散煤燃燒量4.55萬噸，減排二氧化碳約8萬噸。
國內(nèi)還在規(guī)劃一些表前新能源發(fā)電端項目。將于“十四五”內(nèi)建成的青海省格爾木市烏圖美仁光伏光熱園區(qū)，配套600兆瓦熔鹽儲熱系統(tǒng)；德令哈光熱儲一體化項目配套光熱熔鹽儲能400兆瓦，是國內(nèi)儲能配比率最高的光熱儲多能互補項目，配比達到25%。
建筑和區(qū)域供暖應(yīng)用：
歐洲最大的儲熱裝置將于2023年在德國柏林投入使用。該儲熱項目主要由一個高45米、可容納5600萬升水的罐體組成，功率可達200兆瓦。該項目利用當?shù)囟嘤嗟娘L電加熱罐中的水，罐體與當?shù)貐^(qū)域供熱管道相連，可為居民和工業(yè)用戶供暖供熱。
克服潛在挑戰(zhàn)，助推熱能存儲應(yīng)用
熱能存儲要獲得廣泛應(yīng)用仍需克服多項潛在挑戰(zhàn)。提高商業(yè)領(lǐng)袖、政策制定者和投資者對熱能存儲潛力的認知，并讓他們了解儲熱技術(shù)如何為能源系統(tǒng)創(chuàng)造成本效益更優(yōu)的凈零路徑，可能有助于克服這些挑戰(zhàn)。與此同時，行業(yè)處于相對初期階段，熱能存儲技術(shù)的商業(yè)成熟度不一，且項目投資周期較長、投資金額較大，意味著潛在商務(wù)風險仍然存在。
對此，《凈零熱能報告》提出了幾項建議。首先，商業(yè)領(lǐng)袖可以投資于試點和示范工廠，提高對于儲熱的認知，實現(xiàn)儲熱項目在商業(yè)模式上的驗證與跑通，并與供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵相關(guān)方聯(lián)合行動。其次，政策制定者可以設(shè)計長期框架與激勵機制，減少不確定性（見專題二）。此外，投資者也可通過持續(xù)關(guān)注熱能存儲，深化對儲熱技術(shù)應(yīng)用和機遇的理解，對熱能存儲的進一步發(fā)展做出貢獻。
專題二：熱能存儲需要的政策支撐
政策制定者可在五大方面協(xié)助包括熱能存儲在內(nèi)的儲能技術(shù)推廣應(yīng)用，包括建立與完善市場化機制、協(xié)助降低初期投資風險、出臺相關(guān)政策與標準體系、協(xié)調(diào)減碳規(guī)劃與路徑，并提供公平的競爭環(huán)境。
例如，英國政府推出了一系列政策消除儲能商業(yè)化的發(fā)展障礙，包括不斷完善容量市場、平衡機制規(guī)則及輔助服務(wù)市場以激勵儲能為電網(wǎng)帶來靈活性，取消儲能充電時需支付的過網(wǎng)費電價避免“雙重收費”，不斷優(yōu)化儲能項目的規(guī)劃審批制度等。如今，英國擁有歐洲最大的表前儲能容量，并且還在不斷建設(shè)30兆瓦以上的大容量獨立儲能項目。在熱能存儲方面，英國也是世界上首個打造電網(wǎng)級蓄熱儲能系統(tǒng)示范項目的國家。
我國政府也在不斷推動包括熱能存儲在內(nèi)的新型儲能技術(shù)的發(fā)展。例如，《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》提及，到2025年，氫儲能、熱（冷）儲能等長時間尺度儲能技術(shù)要取得突破，并推動關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計研究與攻關(guān)。其中，“新型儲能區(qū)域示范”也包含了熱儲能技術(shù)與新能源應(yīng)用場景的結(jié)合，例如青海省國家儲能發(fā)展先行示范區(qū)重點項目中的烏圖美仁鄉(xiāng)“風光熱儲”一體化示范項目。
研究表明，熱能存儲如果得到大規(guī)模應(yīng)用，可成為熱能脫碳最具成本效益的路徑，同時為熱能和電力領(lǐng)域的凈零轉(zhuǎn)型提供穩(wěn)定性和韌性。熱能存儲技術(shù)前景廣闊，行業(yè)應(yīng)即刻采取行動，盡早實現(xiàn)技術(shù)推廣，方能充分發(fā)揮熱能存儲潛力，推動能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。
麥肯錫聯(lián)合長時儲能理事會，在零碳電力、全天候綠電、技術(shù)對標、政策分析、投融資平臺等相關(guān)話題下均有洞見或詳細報告，詳情請參照長時儲能理事會網(wǎng)站【3】 或聯(lián)系麥肯錫[email protected]；同時，我們也將組織儲能相關(guān)的行業(yè)論壇與專家研討（如歐洲儲能峰會、長時儲能理事會澳大利亞戰(zhàn)略圓桌討論會等，詳情參見理事會網(wǎng)站【4】 ），歡迎和我們聯(lián)系獲取參會鏈接。
注釋：
【1】碳排放基線包括來自供暖、工業(yè)加工、運輸和其他能源部門的排放，不包括發(fā)電碳排放。
【2】 《凈零熱能：長時儲能加速能源系統(tǒng)脫碳》英文版報告全文請見：https://www.ldescouncil.com/assets/pdf/221108_NZH_LDES%20brochure.pdf；英文版報告摘要文章請見：https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/net-zero-heat-long-duration-energy-storage-to-accelerate-energy-system-decarbonization。
【3】 更多報告請參見長時儲能理事會網(wǎng)站：https://www.ldescouncil.com/insights/
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