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摘 要 蓄熱技術(shù)在平衡可再生能源的波動性、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《中國蓄熱儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(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，對當(dāng)前我國蓄熱儲能行業(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)的特點及其適用場景，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)的市場規(guī)模、發(fā)展趨勢及相關(guān)政策。重點關(guān)注了蓄熱技術(shù)在建筑、區(qū)域供熱/供冷、電力和工業(yè)過程中的典型示范，并總結(jié)了蓄熱技術(shù)在多種應(yīng)用場景中的實用性，為行業(yè)推廣提供了經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞 蓄熱；顯熱；潛熱；熱化學(xué)；項目示范；產(chǎn)業(yè)技術(shù)
蓄熱技術(shù)是一種通過儲存熱能并在需要時釋放為熱能或其他形式能量的儲能技術(shù)。其顯著特點在于能夠?qū)崿F(xiàn)用能錯峰，從而解決能源供需之間的時間差問題，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，以實現(xiàn)熱與熱、熱與電、電與熱、電與電的能量轉(zhuǎn)換。預(yù)計2030年，全球蓄熱市場規(guī)模估計為423.7億美元，全球蓄熱系統(tǒng)的裝機(jī)容量將超過800 GWh。中國的蓄熱市場近年來迅速增長，已經(jīng)成為全球蓄熱技術(shù)發(fā)展最快的國家。本文將以《中國熱儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2024)》為基礎(chǔ)，同時結(jié)合其他示范項目，進(jìn)一步探討中國現(xiàn)有的熱技術(shù)和蓄熱行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并重點介紹在建筑、區(qū)域供熱/供暖、電力和工業(yè)部門的示范項目。
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。油類具有相對較高的導(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(冷卻過程：67~76 ℃，加熱過程：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，因為其具有高體積熱容、高沸點、高溫穩(wěn)定性及接近于零的蒸氣壓。Wang等提出的低熔點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、高分解溫度、高穩(wěn)定性和寬液體溫度范圍的特點，適用于高效太陽能熱發(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)的鋼渣儲熱材料，通過優(yōu)化高溫預(yù)處理和燒結(jié)工藝，解決了鋼渣在成型過程中的不穩(wěn)定性問題并使其在50~1000 ℃區(qū)間內(nèi)的儲熱密度達(dá)到1222.2 J/g?；炷列顭嵯到y(tǒng)由于具有易于設(shè)計的特點，成為了太陽能聚光應(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)，通常運用在空間供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)、太陽能和電力系統(tǒng)。壓力水蓄熱也是蓄熱式壓縮空氣儲能的關(guān)鍵技術(shù)，通過回收壓縮熱進(jìn)一步提升膨脹機(jī)組運行效率，在電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中較為常見。而熔鹽雙罐系統(tǒng)在大型工業(yè)工廠、核電站和太陽能發(fā)電廠中具有顯著的應(yīng)用潛力。填充床儲熱裝置是利用顆粒儲存熱能的技術(shù)，多用于建筑領(lǐng)域。地下蓄熱中的熱能來自太陽能、工業(yè)工藝以及冬季空氣中的冷能，長期儲存用于供暖或制冷。
1.2 潛熱蓄熱
根據(jù)相變材料的化學(xué)成分和性質(zhì)，分為無機(jī)、有機(jī)以及復(fù)合相變材料。無機(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，但過冷以及相分離問題常發(fā)生在相變過程。劉云漢等發(fā)現(xiàn)通過提升儲熱溫度和流量，能有效縮短三水合乙酸鈉填充床相變儲熱裝置的儲熱時間并使熱效率達(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)過冷和相分離現(xiàn)象。Geng等總結(jié)了有機(jī)相變材料在共價鍵修飾方面的研究進(jìn)展，重點討論了通過分子水平的結(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、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Υ妗?
1.3 熱化學(xué)蓄熱
熱化學(xué)蓄熱方式適用于長期甚至是季節(jié)性的熱儲存，儲存時間長，熱損失小。吸收/吸附蓄熱材料除了常見的硅膠、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/吸附蓄熱適用于儲存低品位熱量(<100℃)和中品位熱量(100~400℃)。Wu等開發(fā)了一種新型MOF-氨工作對，通過CaCl2@ZIF-8(Zn)復(fù)合材料的原位生長，提高了太陽能驅(qū)動的季節(jié)性熱能儲存器在極端低溫條件下的熱能儲存效率和容量。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、低工作壓力且價格低廉等特點。徐云軒等通過分子動力學(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。鹽水合物在低溫儲熱和建筑環(huán)境中的季節(jié)性儲熱應(yīng)用中的潛力來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存中的動力學(xué)特性、鹽負(fù)載能力和熱儲存容量。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Ca(OH)2/CaO2在管殼式間接反應(yīng)器中反應(yīng)時間、傳熱效率和蓄熱效率的影響。金屬氧化物的氧還原反應(yīng)避免了對高溫?zé)峤粨Q器的需求，且工作溫度與集中太陽能發(fā)電廠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)在近年來得到了快速發(fā)展。2023年全球蓄熱市場規(guī)模估計為234.8億美元，預(yù)計到2032年將超過505.7億美元。2022—2032年，全球市場規(guī)模預(yù)計將以8.9%的年均復(fù)合增長率持續(xù)增長[圖1(a)]。在全球各地區(qū)的蓄熱市場規(guī)模占比中，歐洲的市場規(guī)模占比最大，達(dá)到了36.7%。亞太地區(qū)的蓄熱儲能技術(shù)規(guī)模的增大幅度僅次于歐洲，占比為28.9%[圖1(b)]。
圖1 全球蓄熱市場規(guī)模與各地區(qū)蓄熱市場收入占比
在全球范圍內(nèi)，已安裝的蓄熱項目超過200個，其總儲熱容量超過20 GWh。中國的年儲熱容量區(qū)間約0.01~1 GWh。其余全球各地區(qū)已投產(chǎn)累計蓄熱容量占比見圖2。2023年，中國在亞太地區(qū)蓄熱儲能市場中占據(jù)了主導(dǎo)地位，并有望保持這一領(lǐng)先地位。預(yù)計到2030年，中國蓄熱行業(yè)的市場規(guī)模將達(dá)到2020年的3倍。此外，中國被認(rèn)為是全球蓄熱領(lǐng)域中發(fā)展最快、潛力最大的國家。
圖2 全球各地區(qū)累計蓄熱容量
目前，3種蓄熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀如下：顯熱蓄熱儲能具有最大的市場，其占據(jù)了2022年市場總量的84.8%，而潛熱蓄熱的市場比例不足10%[圖3(a)]。這主要是因為顯熱儲熱技術(shù)適用于大規(guī)模暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)，并且隨著太陽能熱系統(tǒng)需求的持續(xù)增長，其應(yīng)用潛力不斷擴(kuò)大。在材料方面，熔鹽蓄熱占據(jù)了市場規(guī)模的50%，以9.3%的復(fù)合年增長率增長，且亞太地區(qū)的市場增速最快。截至2023年，中國已經(jīng)投運電力熔融鹽項目累計605.5 MW。若按照終端用戶劃分，工業(yè)部門在2022年占40%的市場份額[圖3(b)]，這一比例預(yù)計將隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)支出的增加而進(jìn)一步上升。分時電價政策的推出會進(jìn)一步促進(jìn)公共事業(yè)在蓄熱市場的投入。
圖3 蓄熱技術(shù)的市場規(guī)模與以終端用戶為基準(zhǔn)的蓄熱市場占比
近年來，我國為推廣蓄熱技術(shù)，先后印發(fā)了《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》《關(guān)于加強(qiáng)新形勢下電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作的指導(dǎo)意見》等政策文件。這些政策鼓勵蓄熱系統(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匯總了近幾年我國政府發(fā)布的部分政策文件。除此以外，各地方均出臺了提升蓄熱技術(shù)和蓄熱系統(tǒng)的專項規(guī)劃和實施方案，包括推廣蓄熱式電鍋爐、蓄冷式空調(diào)和熔鹽儲熱等技術(shù)?？梢灶A(yù)期，在各級政府的大力支持和推動下，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，同時推動清潔能源的廣泛應(yīng)用。
表1 中國蓄熱行業(yè)相關(guān)政策
3 典型項目示范
蓄熱技術(shù)在平衡能源供需和整合能源部門關(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，特別是太陽能熱發(fā)電項目，蓄熱技術(shù)在電力部門中逐漸顯得至關(guān)重要。固體蓄熱技術(shù)和相變蓄熱技術(shù)通過結(jié)合峰谷電價政策，有效平衡電力供需，提升電力部門的靈活性和效率。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)。冷鏈運輸對食品、醫(yī)藥等易腐商品的儲存有嚴(yán)格的溫度控制，這與潛熱蓄熱技術(shù)具有穩(wěn)定的相變過程的特點相吻合。為滿足工業(yè)生產(chǎn)對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)域項目，旨在展示并驗證蓄熱技術(shù)的實際效果及應(yīng)用潛力。通過這些示范項目，對蓄熱技術(shù)在不同應(yīng)用場景中的表現(xiàn)進(jìn)行實證評估，并對其技術(shù)可行性進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而為未來廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐參考。
3.1 建筑部門
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%的熱量來源于化石燃料。建筑部門對熱能的需求大、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蓄熱技術(shù)和依靠動力設(shè)備促進(jìn)蓄熱和釋熱的主動蓄熱技術(shù)。下文將以主動蓄熱技術(shù)示范項目展開介紹。
中國科學(xué)院過程工程研究所和北京科技大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊研發(fā)了長壽命和高儲熱密度的水合鹽相變材料，在張家口北京冬奧會核心場館建成了“相變儲熱-電網(wǎng)谷電”清潔供暖示范項目，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)蓄冷示范項目運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)成為國內(nèi)首個參與夏季城市電力負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)的超大型儲冷項目。深圳前海區(qū)域集中供冷系統(tǒng)中的5個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目采用LMPS Ⅲ號低熔點熔鹽，其工作溫度范圍為200~500 ℃，蓄熱容量為20 MWh。熔融鹽儲熱技術(shù)用于嚴(yán)寒地區(qū)供熱系統(tǒng)推廣示范項目的低熔點、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%。河北辛集崇陽小區(qū)熔鹽綠色供熱示范項目使用蓄熱容量37 MWh的熔鹽罐和夜間谷電，使得每年減排圖片3537 t。滁州市來安縣雙創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園能源站冷熱雙蓄示范項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。國家電投集團(tuán)中央研究院負(fù)責(zé)的北京寶之谷國際會議中心綜合智慧能源示范項目以谷電為熱源，并采用斜溫層冷熱雙蓄水儲能罐，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^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)建示范項目、同德縣尕巴松多鎮(zhèn)一二民中片區(qū)清潔供暖示范項目等。2023年，中國大唐集團(tuán)有限公司的興海清潔供暖示范項目采用電極鍋爐、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。其余示范項目見表2。
表2 建筑部門蓄熱技術(shù)示范項目
被動蓄熱技術(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。在建筑部門中，這兩種技術(shù)相對于熱化學(xué)蓄熱更為常見的原因有以下3個方面：①顯熱蓄熱和相變蓄熱技術(shù)相對簡單，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)計相對成本效益較高。③熱化學(xué)蓄熱技術(shù)對處理化學(xué)反應(yīng)的控制和安全性具有一定的風(fēng)險，因而增加了實施的復(fù)雜性和成本。上述主要以谷電作為熱源，并以風(fēng)能和太陽能作為輔助熱源。當(dāng)前實施的分時電價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的末端用能部門，還可作為建筑部門能源使用的集成單位。因此，本節(jié)將重點探討以可再生能源為直接熱源的區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)中的蓄熱示范項目。西藏自治區(qū)浪卡子縣的大型太陽能跨季節(jié)蓄熱儲能采暖項目是中國在實施跨季節(jié)蓄熱儲能技術(shù)方面的典型案例，也是世界上第一個太陽能實際運行保證率達(dá)到100%的大型太陽能集中供暖項目。該項目利用太陽能技術(shù)，實現(xiàn)在非供暖季節(jié)捕獲和儲存太陽能熱量，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t碳酸鋰項目太陽能供熱示范項目配有大型儲熱池，年設(shè)計供熱量約圖片 GJ。其余太陽能集中供熱示范項目見表3。
表3 太陽能集中供熱示范項目
目前大型的以可再生能源為直接熱源的區(qū)域供熱/供冷示范項目通過太陽能集熱器捕獲和儲存太陽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)之間有效地存儲和調(diào)節(jié)，即使在冬季光照不足或天氣陰雨時，也能提供較為穩(wěn)定的供熱服務(wù)。
3.3 電力部門
預(yù)計到2050年，風(fēng)能和太陽能光伏合計將占全球總發(fā)電量的61%。太陽能和風(fēng)能的波動性和間歇性對能源系統(tǒng)構(gòu)成挑戰(zhàn)，而熱儲存系統(tǒng)在緩解短期和周期性電力供應(yīng)波動方面具有優(yōu)勢。此外，利用谷電以及電廠調(diào)峰能夠優(yōu)化電力系統(tǒng)、降低電網(wǎng)運行成本、提高能源利用效率和促進(jìn)能源消費和電力供應(yīng)之間的合理利用、分配。
中廣核新能源德令哈50 MW光熱項目作為國內(nèi)首個大型商業(yè)化光熱示范電站，采用了槽式導(dǎo)熱油太陽能熱發(fā)電技術(shù)配熔融鹽蓄熱系統(tǒng)。青海中控德令哈50 MW塔式熔鹽儲能光熱項目配置7 h熔鹽儲能系統(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)電示范項目(已并網(wǎng))見表4。截至2023年，中國各省市自治區(qū)在建和擬建(列入政府名單)光熱發(fā)電項目約43個，總裝機(jī)容量達(dá)到4800 MW。其中光熱發(fā)電項目主要分布在太陽能資源豐富地區(qū)。目前在建成的太陽能光熱項目中，主要采用熔鹽作為蓄熱材料。
表4 中國50 MW 以上光熱發(fā)電示范項目(已并網(wǎng))
壓縮空氣儲能系統(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 ℃)，雖然儲熱溫度較高，但其高成本、短使用壽命及揮發(fā)和碳化問題顯著增加了系統(tǒng)的成本。因此，隨著熔鹽蓄熱技術(shù)的進(jìn)步，熔鹽儲熱和壓力水儲熱的聯(lián)合應(yīng)用成為了一種有效的解決方案。除了表5所示的示范項目外，中國科學(xué)院工程熱物理研究所與中儲國能(北京)技術(shù)有限公司合作開展的肥城300 MW/1800 MWh壓縮空氣儲能示范項目，成功突破了高效超臨界蓄熱技術(shù)。該項目由8個單體容積為8000 m3的蓄冷和熱球罐組成，總儲熱量達(dá)到8.3 TJ。在二氧化碳儲能領(lǐng)域，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與博睿鼎能動力科技有限公司在河北廊坊聯(lián)合開發(fā)的百kW液態(tài)二氧化碳儲能示范項目，采用了油水雙工質(zhì)雙級高效蓄熱技術(shù)，并于2023年投入運行。此外，位于安徽蕪湖的全球首套10 MW/80 MWh二氧化碳儲能示范項目，其儲能容量達(dá)到1000 MWh，充分利用水泥窯廢熱，并于2023年底并網(wǎng)。
表5 壓縮空氣儲能示范項目中的蓄熱技術(shù)
在早期的調(diào)峰示范項目中，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)勢標(biāo)志著蓄熱技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和對新技術(shù)的逐步采納。此外，榆神榆橫熔圖片機(jī)組熔鹽儲能示范項目、鄭州豫能熱電熔鹽儲能靈活性改造示范項目以及國能龍山電廠600 MW機(jī)組熔鹽儲熱調(diào)峰靈活性改造示范項目等正通過熔鹽蓄熱技術(shù)促進(jìn)電力系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)頻能力的提升。
表6 電力部門調(diào)峰示范項目
3.4 工業(yè)部門
我國工業(yè)領(lǐng)域的能源消費量約占全國的66%。此外，我國工業(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、余熱資源浪費的現(xiàn)象需要蓄熱技術(shù)對工業(yè)用熱進(jìn)行優(yōu)化和管理。
工業(yè)部門示范項目中(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)因其能夠存儲高溫?zé)崃慷m用于多種工業(yè)場景，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)高溫過程中的余熱或廢熱回收。從工業(yè)部門作為用能終端來看，谷電作為熱源相對經(jīng)濟(jì)。從工業(yè)部門作為熱源部門來看，工業(yè)部門產(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，以太陽能等可再生能源作為補充。值得一提的是，江蘇金合能源科技有限公司于2023年成功投運了國內(nèi)首套結(jié)合導(dǎo)熱油的固體蓄熱式儲能技術(shù)的橡膠制品生產(chǎn)示范項目，該項目實現(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“儲熱+光熱一體化應(yīng)用裝置”采用混凝土改性材料作為儲熱介質(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年投入運行。
表7 工業(yè)部門示范項目
4 結(jié)論
在全球氣候變化和能源安全挑戰(zhàn)的背景下，中國的蓄熱產(chǎn)業(yè)將在實現(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。本文通過系統(tǒng)分析中國蓄熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，揭示3種蓄熱技術(shù)在不同應(yīng)用場景中的優(yōu)勢與挑戰(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)動已顯著推動中國蓄熱產(chǎn)業(yè)市場的蓬勃發(fā)展，中國蓄熱市場規(guī)模將在2030年實現(xiàn)兩倍增長。
（2）目前，在建筑被動蓄熱技術(shù)方面，主要熱源來自谷電，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“太陽能發(fā)熱+蓄熱裝置”的模式。熔鹽是太陽能光熱發(fā)電的主要蓄熱材料。壓縮空氣儲能示范項目中以壓力水蓄熱、導(dǎo)熱油蓄熱和熔鹽蓄熱為主。在電廠調(diào)峰示范項目中，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，由于用熱溫度范圍廣，對各種蓄熱技術(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，尚未廣泛實現(xiàn)商業(yè)化，其推廣和應(yīng)用仍需進(jìn)一步探索和推動。
中國蓄熱產(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)化和市場機(jī)制的完善將進(jìn)一步推動產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
