11月23日，北京兆陽光熱技術有限公司（簡稱兆陽光熱）經理王芳出席了由ESPLAZA長時儲能網、國家儲能技術產教融合創新平臺（華北電力大學）共同主辦的2023首屆中國長時儲能大會，并作主題報告《兆陽固體儲熱技術在長時儲能領域的顯著優勢》。

王芳本次報告分為長時儲能產業發展現狀、耐高溫固體儲熱技術應用場景分析、兆陽光熱高溫固體儲熱技術的特點三個部分。

▲兆陽光熱經理王芳

一、長時儲能產業發展現狀

儲能技術為什么成為剛需？

眾所周知，雙碳目標是新能源電力體系近年來快速發展的一個推手，這個推手導致了什么結果呢？王芳表示，觀察2022年各種類型的發電裝機占比，可以看出火電已經被壓縮了將近一半的水平，這就導致了新能源電力發展過程中一個不好的現象——大規模棄電。

一組數據顯示，2023年1月-9月，全國風電棄電率約2.9%，光伏棄電率約1.7%峰值。數據表明，新疆9月風電棄電約10.9%，西藏光伏棄電14.7%。從棄電量來看，總裝機量為1821.1萬千瓦的青海光伏棄電10.3%，也就是每小時棄電約187萬千瓦時，這個棄電量是非常巨大的。

我國電力發展的基本要求是構建以新能源為主體的新型電力系統，統籌煤電發展和保供調峰，嚴控煤電裝機規模，要求火電站具有20%的深度調峰能力。而觀察光伏和風電冬夏兩季的日出力曲線，可以看出分別呈現尖峰的拋物線的趨勢和波浪式的趨勢，表明這兩種能源都具有間歇性和不穩定性。由于光伏和風電這種不穩定能源電力的大力發展，今年5月份我國甚至還出現了負電價的產生，這是從未有過的現象。

我們需要什么樣的儲能技術？

王芳認為，短時的儲能并不能解決上述新型電力的大規模棄風棄電現象，長時儲能技術相對安全，可以平衡光伏和風電等不穩定的電力輸出，且可以得到大規模的發展。

普遍情況下，充放電時間超過6小時的儲能稱之為長時儲能。觀察全球范圍內儲能裝機情況，可以看出我國的儲能裝機領先于世界范圍內其他國家，王芳指出，該成果證明儲能技術在中國的生存和發展市場是很廣闊的。

王芳介紹，從近20年來的儲能技術文章和專利的數量分布來看，儲熱或者是儲冷的專利和文章占比在40%左右。相關數據顯示，全球能源預算中90%的能源也是圍繞熱能的轉換、傳輸和存儲進行的。受到熱力學定律的約束，熱能是重要的中間產物和副產物，存在大量的熱能可以被利用。因此儲熱技術是最安全、最經濟、最高效的城市儲能技術。

王芳表示，顯熱儲熱技術成熟、操作簡單，仍是目前應用最廣泛的儲熱方式之一。顯熱儲熱按照材料的物態可分為固態和液態。常見的固態相變材料包含混凝土、鎂磚、鵝卵石等。常見的液態顯熱材料包括水、導熱油、液態金屬和熔融鹽等。不同的儲熱材料對應不同的儲熱方式，而不同儲熱方式的有著各自的特點：

王芳指出，耐高溫固體儲熱具有運行安全、運維成本低且生產環境無污染的優點，是目前需要大力發展的儲熱技術之一。

二、耐高溫固體儲熱技術的應用場景及案例分析

王芳介紹，耐高溫固體儲熱和熔鹽儲熱一樣，可以進行蒸汽存儲和谷電存儲，例如火電站汽輪機的抽氣、聚光集熱系統的蒸汽、谷電或棄電都可以被利用。輸出的蒸汽、油、熱水等可以用于發電、酒店和醫院等消毒、商業樓宇和酒店供暖及工業熱水和小區的冬季供暖等場景。

1.蒸汽蓄熱運行原理及經濟性分析

儲耐高溫固體儲熱技術存蒸汽、輸出蒸汽系統的運行原理是將聚光集熱系統或者是其他熱力電站的一些蒸汽，輸送到固體儲熱體里邊，固體儲熱分為多個模塊，設置多個模塊的目的能夠同時擁有儲熱和取熱兩種功能。

這幅圖中，左邊的4個模塊正在進行儲熱，右邊的兩個模塊在進行取熱。

王芳介紹，設置一個算例，儲熱容量大概452MWh，儲熱時長是24h，輸入蒸汽的時長是8h，輸入的蒸汽參數是7.5MPa，290℃，輸出的蒸汽參數是1MPa，180℃，每天產生的蒸汽量是600t，占地面積大概是1500平方米。

在什么樣的條件下才能采用或更適合采用這套系統，使這套系統有較好的經濟性。王芳指出，上圖展現固定蒸汽原價格在200元/蒸噸的情況下，不同的出售蒸汽價格對應的靜態回收期。可以看到，在高于240元/蒸噸的時候，靜態回收期可以在6年以內。固定出售蒸汽的價格為300元/蒸噸時，在250元/蒸噸的蒸汽原價格的情況下，可以做到6年的靜態回收期。如果回收的蒸汽價格和售出的蒸汽價格差在60元以上，就可以保持靜態回收期在6年以內的水平。

2.電蓄熱運行原理及經濟性分析

王芳介紹，耐高溫固體儲熱技術利用電蓄熱與利用蒸汽蓄熱類似，只不過儲存的是一些谷電或棄電。但設備的應用場景會受到兩方面的限制：

（1）用棄電或者谷電，首先這個應用的場景得有一個比較大的電容。如果為了采用這個設備再去擴容，成本是一般用戶難以承受的。

（2）能拿到一個什么樣的谷電或者是棄電價格，參考網上的2023年9月份各省市的平價、谷價，還有一些尖峰電價。

觀察上圖可知，南方各省份的電價相對于北方來說，峰值電價更高一些。谷電和風電的價差也會高一些。這就導致南北方運行電蓄熱系統投入成本是有所差別的。

王芳指出，耐高溫固體儲熱技術利用電蓄熱的經濟性可以從兩方面進行分析。

一是采用電蓄熱生產蒸汽的算例，蓄熱時長為8h，儲熱容量是306MWh，儲熱時長是24h，入口水溫15℃，輸出蒸汽參數1MPa,180℃，每天的輸出也是蒸汽量600t，一天的耗電量大概是45.9萬KWh，占地面積是800㎡。這個算法中相對于天然氣的年減碳量大概在31430t。

在這個算法下，設置三檔谷電價格，分別是0.3元/度、0.32元/度和0.35元/度，觀察不同的蒸汽售價對應的靜態回收期：谷電價格在0.35元/度時，如果想要做到6年的回收期，售價就得高于310元/蒸噸；谷電價格在0.32元/度的情況下，如果想做到6年回收期，大概的蒸汽售價需285元/蒸噸的水平；谷電價格在0.3元/度時，280元/蒸噸以上的價格，可以做到5年回收期。

二是采用谷電蓄熱，再進行蒸汽輪機發電。這個算例也要做一個假設，假設汽輪發電機是原有的設備，參與到原有的系統里，電加熱的時長是8h，儲熱容量是770MWh，發電時長是6h。只在早高峰或者是晚高峰進行高峰電力輸出或者是尖峰電價的電力輸出，汽輪發電機的效率是41%，一年的發電量大概是1.08億度，占地面積是800㎡。

王芳將同樣將谷電價格劃分為三檔：0.15元/度、0.2元/度和0.3元/度。首先在最高0.3元/度價格的情況下，如果想要做到8年以內的靜態回收期，售電價格就要在0.95元/度以上；谷電價格在0.2元/度的時候，要想做到8年以內的回收期，售電價格在0.7元/度以上就可以；谷電價格在0.15元/度的時候，如果是0.7元/度的售電電價，靜態回收期大概是4年左右。

王芳介紹，兆陽光熱在張家口的15MW光熱電站建設了一個720MWh的混凝土固體儲熱，這是全球范圍內第一個大容量的商業化混凝土儲熱體，采用菲涅爾式聚光技術、直接蒸汽發生技術（DSG）以及耐熱混凝土儲熱技術，儲熱時長為14小時。該應用實例進行了一系列性能測試及試運，測試結果滿足系統的設計要求，儲取熱性能滿足設計要求。

三、兆陽高溫固體儲熱技術特點

王芳介紹，兆陽高溫固體儲熱技術具有傳熱工質和蓄熱介質安全經濟、裝機規模相對較大、使用壽命長、建設周期短、安全性高、響應速度快、環境友好、全天候熱力供應保障能力強、經濟性優等特點。

1.從系統基本結構型式來看

兆陽固體儲熱系統通常由多個混凝土儲熱單元組合而成，單元結構包括換熱管、匹配及熱擴散結構、混凝土儲熱體及外部保溫層，標準截面上均勻布置用于熱交換的換熱管路，換熱管路與混凝土儲熱體之間通過兆陽專利技術的高導熱性能的匹配及熱擴散結構相連，在達到儲放過程換熱功率的同時，又能有效解決金屬管路與儲熱混凝土之間的漲縮尺寸匹配問題，從而實現該固體儲熱系統的長期安全可靠工作，具有低成本高性能的顯著優勢。

圖：720MWh項目的結構圖，里邊有幾萬噸的管束

儲熱體每天高溫變化情況下，能夠承受住嗎？是否會開裂或者粉化？

王芳解釋到，該儲熱體分為很多層，以最上層的儲熱體為例：當最上層的儲熱體儲滿時，溫度可以達到450℃；當儲熱結束時，它的溫度是410℃。每一次熱循環的溫度交變也就是40℃，40℃的溫度差相當于常見混凝土住宅每天的溫度變化，所以并不用擔心安全性能上的問題。

2.從原料和施工過程來看

王芳指出，該系統的原料來源樸素簡單，主要是水泥、沙子、石子和一些專有配方的耐高溫添加劑，具有來源廣泛且成本低的特點。

王芳介紹了一號電站儲熱體的施工過程，該系統是采用現場澆筑的方式來進行建設的：

兆陽光熱固體儲熱系統建設過程可模塊化生產，現場拼裝焊接，建設周期在1年內，建設周期短，且混凝土儲能系統的制造和運行對環境不產生任何污染。

3.從儲熱混凝土的熱性能測試及熱學、力學性能指標檢測來看

王芳介紹，熱物性由專業機構使用進口高品質熱物性測試儀器進行測試，結果表明：兆陽光熱專利配方儲熱混凝土在常溫下綜合導熱系數＞2.2W/（m.K），350℃下的綜合導熱系數＞1.6W/（m.K），導熱性能優良。該性能指標混凝土的綜合成本較低，完全滿足光熱發電儲熱要求。

王芳指出，在500℃的時候，配方混凝土的比熱容可以達到1.105kJ/（kg·K），抗壓強度隨著循環次數的增加，也是逐漸趨于穩定的狀態，蓄熱介質安全經濟，獲得了第三方權威監測報告點的認可。

4.從單根管路儲熱、取熱測試及設備運維來看

王芳介紹了在上述一號電站的儲熱體做的一個實驗，目的是驗證儲、取熱性能。理論溫差10℃，蒸發段換熱系數的單位長度理論設計取熱功率是100W/m；實際測量值是98.76W/m，偏差＜2%。證明混凝土儲熱體系從工藝性能和造價等方面，都滿足了設計要求。

王芳指出，在最后的設備運維環節，運維人員數量要求比較少，儲熱體可以實現遠程智能巡查，大大減少了人工成本；類似常規火電站的設備，檢修和更換的費用相對較低，且水工質常年都在5℃以上，無需防凝；對運維人員的能力要求也不高，常規火電站運維人員即可，無需特殊的能力和經驗要求。