中國儲能網(wǎng)訊：3月23日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦并聯(lián)合500余家機構(gòu)共同支持的第十五屆儲能大會暨展覽會（簡稱“CIES2025”）在杭州國際博覽中心召開。
CIES大會以“綠色、數(shù)智、融合、創(chuàng)新”為主題，針對儲能產(chǎn)業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)等重點、熱點、難點問題展開充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機制、資本市場、國際市場、成本疏導(dǎo)、智能化系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、技術(shù)標準、示范項目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和規(guī)模化工程應(yīng)用。
在3月24日下午的儲熱與長時儲能專場中，中國電力科學(xué)研究院有限公司儲能研究所教授級高級工程師胡曉作了題為《高溫復(fù)合相變儲熱技術(shù)及應(yīng)用》的主旨演講。
以下內(nèi)容根據(jù)大會發(fā)言整理提煉，僅供參考。
胡曉
大家好！我是來自中國電力科學(xué)研究院儲能研究所的胡曉，今天的報告題目是《高溫復(fù)合相變儲熱技術(shù)及應(yīng)用》，主要是想跟大家分享一下從電網(wǎng)的角度對儲熱技術(shù)的理解，報告分為三個部分：一是高溫儲熱技術(shù)在電網(wǎng)中的角色與定位，二是中國電科院在其中的探索與實踐，三是目前面臨的挑戰(zhàn)以及關(guān)于未來研究方向的思考。
一、高溫儲熱技術(shù)在電網(wǎng)中的角色與定位
在未來高比例新能源接入的情況下，可能新能源會超過60%。同時，電網(wǎng)也有越來越多的電力電子設(shè)備接入。在這樣的情況下，對于電網(wǎng)來說有一個“雙高”特性，它的穩(wěn)定性會受到非常大的影響，電網(wǎng)的短時功率平衡和長時能量平衡的難度就大幅度增加了，新型電力系統(tǒng)也會面臨前所未有的挑戰(zhàn)。
電網(wǎng)需要實時平衡，儲能技術(shù)的加入就可以打破電力系統(tǒng)在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電，這個全鏈條必須實時平衡的強耦合的瓶頸，提升整個系統(tǒng)的靈活性。同時儲能也是一個能源的樞紐，可以實現(xiàn)電能向多種能源的轉(zhuǎn)換，構(gòu)建一個以電為中心，包括熱、電、氣、氫能多能融合的綜合能源網(wǎng)。
但不同的場景對于儲能技術(shù)的需求有很大差異，主要分為這幾大類：一是系統(tǒng)的調(diào)峰和新能源消納，二是滿足尖峰負荷供電，三是參與電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的控制，包括提供慣量與一次調(diào)頻、暫態(tài)調(diào)控。參與電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的控制，是電化學(xué)儲能的主戰(zhàn)場；而儲熱技術(shù)更大的應(yīng)用空間在調(diào)峰和新能源消納。
在解決棄風(fēng)棄光、促進可再生能源消納，參與電網(wǎng)調(diào)峰、負荷側(cè)調(diào)節(jié)等電力輔助服務(wù)市場，以及綜合能源服務(wù)等市場，儲熱技術(shù)均有應(yīng)用價值和市場空間。除此之外，儲熱技術(shù)在電供暖、工業(yè)蒸汽、余熱回收等熱能利用市場，還擁有其它儲能技術(shù)無法參與的應(yīng)用場景。
熱能在社會中的用能占比非常大，所以也決定了它可以成為電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)的資源。儲熱作為典型的長時儲能，靈活性突出，可為新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供有力支撐：在電源側(cè)整合新能源的同時耦合火電機組提高靈活性；在工業(yè)用熱、民用供暖等用戶側(cè)實現(xiàn)熱能高效利用與靈活調(diào)節(jié)資源構(gòu)建；并通過與電網(wǎng)側(cè)的互動共同支撐新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建。
這是這幾年越來越多的政策去支撐儲熱用到電網(wǎng)調(diào)峰和消納，政策也提到用熱儲能的方式將電能存儲，實現(xiàn)綠電、谷電的存儲和轉(zhuǎn)化利用，不僅可以有效解決電網(wǎng)削峰填谷和可再生能源電力并網(wǎng)消納問題，而且對于推動清潔供暖、改善大氣環(huán)境有重要意義。
二、中國電科院的探索與實踐
從2014年開始的，我們開展了10多年的熱能技術(shù)研究，主要集中在四個方面：一是高溫復(fù)合相變儲熱材料的配方和批量制備的工藝，二是蓄熱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，三是儲/換熱測試技術(shù)，四是系統(tǒng)集成。
1.高儲熱密度高導(dǎo)熱高溫復(fù)合相變儲熱材料配方設(shè)計
我們選擇的是高溫復(fù)合相變材料這條技術(shù)路線，因為它的儲能密度比較高，開發(fā)了系列相變材料，相變溫度包括300、500、700到最高的800，它可以實現(xiàn)較高的儲熱密度。
但是研發(fā)高溫復(fù)合相變材料也存在很多難題，包括多元體系的物性平衡難題、相變材料本身導(dǎo)熱系數(shù)低帶來的熱應(yīng)力問題，也會導(dǎo)致循環(huán)壽命不足的問題。針對這些難題，我們選擇了氧化鎂的骨架材料，以它為基材去提升整體材料的導(dǎo)熱性能和機械性能，以碳酸鹽等作為相變儲熱介質(zhì)，由它們承擔儲熱這部分的功能，提升儲熱密度。我們現(xiàn)在的材料可以基本上循環(huán)3000次。比如說用在供暖行業(yè)，民用供暖一年供暖期128天，它基本可以到20年的壽命。
2.高成品率工業(yè)級儲熱模塊批量化制備技術(shù)
在實驗室制備小的儲熱模塊相對比較容易的，不會涉及到均一性的問題，包括材料組分本身的均一性，以及制備材料時的環(huán)境條件均勻性，比如說燒結(jié)環(huán)境溫度場的均勻性，基于這些挑戰(zhàn)，我們開發(fā)出了微包裹、壓制成型、燒結(jié)制度相結(jié)合的批量化制備工藝。通過配方組分之間合理的顆粒匹配的方案，讓它的結(jié)構(gòu)在壓制的時候，致密度和成型率能夠得到提升，目前已經(jīng)實現(xiàn)噸級每天的制備規(guī)模。
3.差異化布置電熱元件與緊湊型蓄熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
如果我們的加熱元件是均勻分布的，這個蓄熱體的溫度一定是不均勻的，因為它內(nèi)外的傳熱邊界條件都不一樣。這樣帶來的情況就是蓄熱體的溫差會非常大，比如現(xiàn)在1兆瓦級的裝置最熱點和最冷點的溫差能到兩三百度。它帶來的問題是裝置最高溫點達到溫度上限時，比如800度，其他地方才到500度、600度，其實很多材料沒有被有效利用起來，整個儲熱密度也上不去。
所以，我們會根據(jù)仿真或者實際實驗中的數(shù)據(jù)分析，給它提供一個差異化布置加熱元件的方式，來保證整個蓄熱體的溫度均勻性，我們現(xiàn)在大概能做到1兆瓦溫差在100度左右。
4.基于響應(yīng)面分析的換熱流道參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法
我們也搭建了一個1MW/10MWh驗證的實驗平臺，來支撐我們的研發(fā)工作。
5.海外研發(fā)
我們有一個海外研發(fā)團隊，歐洲院，它也和英國伯明翰大學(xué)建立了聯(lián)合實驗室，在材料制備、理化性能表征等方面做了許多工作。在去年的時候，我們合作的一個項目也入圍了全球可再生能源獎項。
我們的研發(fā)成果也在很多地方實現(xiàn)了示范應(yīng)用，主要分兩個方面：一是民用供暖，二是工業(yè)用熱。
民用供暖方面，主要采用700度相變材料，因為它的溫度比較高，儲能密度比較高，能夠做得緊湊。在蘇州同里做了冷熱聯(lián)供的示范。同時我們也針對青海等高海拔地區(qū)特殊的地理條件研發(fā)了適應(yīng)它的裝置。
工業(yè)方面，這是一個非常大的市場。因為蒸汽是工業(yè)生產(chǎn)所需要的一個很重要的介質(zhì)，比如福建沿海一帶的工業(yè)，他們用燃氣作為燃料供蒸汽，成本比較高，而且天然氣的供應(yīng)不是那么穩(wěn)定。
我們當時做示范項目的時候測算過，蒸汽的價格不到400元時，用電價谷電3毛錢就可以跟它持平。剛才老師也講到可能有的時候蒸汽價格可以到600，用電來作為能源的經(jīng)濟效益就會凸顯。
此外，現(xiàn)在有些地方出現(xiàn)了負電價的情況，這種情況也會讓我們以電加熱的形式，會比燃氣形式的經(jīng)濟性更加凸顯。我們已經(jīng)示范的這幾個項目，都很大程度地降低了平時的能源成本。
三、面臨挑戰(zhàn)及未來方向的思考
儲熱技術(shù)作為典型的長時儲能技術(shù)，通過“電熱”或“電熱電”能量轉(zhuǎn)換路徑，已成為支撐新型電力系統(tǒng)靈活性與安全性的核心手段。
然而，其發(fā)展長期受限于兩大瓶頸：一是電熱電效率限制，傳統(tǒng)“電熱電”循環(huán)效率較低，通常≤40%，難以與電化學(xué)儲能（效率≥85%）競爭；二是功能單一性，早期技術(shù)以“電→熱”單向調(diào)節(jié)為主（如區(qū)域供熱），缺乏雙向能量轉(zhuǎn)換能力，難以滿足電網(wǎng)對靈活性資源的多元化需求。
這種情況下，我們希望它突破的方向：一是讓它具有慣量支撐能力，比如說熔鹽儲熱+汽輪機，其實它可以給電網(wǎng)提供類似火電的慣量響應(yīng)。目前火電還是電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的壓艙石，如果儲熱這塊也能起到這部分的作用，其實對于電網(wǎng)后續(xù)的平衡是非常有利的；
二是長時調(diào)節(jié)的能力?，F(xiàn)在長時的需求還不是那么明顯，但是到后面可再生能源達到60%以上，那個時候季節(jié)性的電力缺口會更加明顯?，F(xiàn)在國外也有很多用地下含水層跨季節(jié)存儲的案例，它可以實現(xiàn)天級、周級、季節(jié)這種不同時間尺度的能量的轉(zhuǎn)移。以儲熱、液流電池為代表的長時儲能技術(shù)，非常有優(yōu)勢的一點是它是能量和功率解耦的儲能方式，可以根據(jù)不同儲能時長的需求去配儲不一樣的系統(tǒng)。這一點對于電網(wǎng)來說，也是一個非常靈活的方式。
在儲熱本身的角度，目前傳統(tǒng)的儲熱主要處在響應(yīng)速度、儲熱時長比較適中的中間階段，對于在電網(wǎng)中未來的應(yīng)用，它可能會朝著兩端發(fā)展：一個是短時快速響應(yīng)的儲熱技術(shù)。它面臨的場景還是針對以后可再生能源接入更多的情況帶來的電價頻繁波動，雖然目前國內(nèi)大部分還是以一天波動一次的峰谷電價的循環(huán)去配儲熱，但歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了每天多次電價波動的情況，比如3小時波動一次。這就需要我們短時間之內(nèi)快速把熱量加進去，一天可能響應(yīng)兩三次的峰谷電價，它的盈利模式會更加靈活。
另一個是剛才說到的面向電網(wǎng)的跨季節(jié)調(diào)節(jié)的資源，包括剛才老師們講到的熱化學(xué)儲能，還有近些年比較前沿的深過冷的的儲能技術(shù)，都是能夠?qū)崿F(xiàn)跨級儲能的技術(shù)路線。
我的分享就到這里，謝謝大家！
