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EASE欧洲储能协会:热能储存报告(上篇)

TPS特普生 储能热管理研究院 2024-03-06 14 36

编者按:本文来源于EASE,鸣谢自主研制NTC芯片的特普生储能CCS集成温度采集母排的技术支持,感谢特普生海外技术翻译官林博女士!

EASE欧洲储能协会准备了一篇论文报告,旨在通过概述技术、鼓舞人心的项目、业务案例和收入流来阐明热能存储 (TES) 的众多优势。还讨论了政策建议。

预计到2030年,可再生能源将占欧盟电力结构的 69%,TES 成为解决能源需求、电网稳定性和脱碳挑战的关键解决方案。随着欧洲迈向碳中和的未来,TES致力于弥合当前能源格局与2030年和2050年设定的可再生能源目标之间的差距。

TES技术将在欧洲向可再生能源主导地位的过渡中发挥不可或缺的作用,提供更长时间的存储解决方案并减少对化石燃料的依赖。随着欧盟追求气候中和和能源安全,TES值得更多的认可并融入能源政策,以支持欧盟的长期能源目标。

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概述

2021年,可再生能源只占欧盟电力结构的37%,预计到2030年将达到69%。随着欧洲联盟(EU)努力实现气候中和,解决供应安全问题,并应对高能源价格,可再生能源将逐步在能源前景中发挥更重要的作用。

可再生能源在现有电力、供暖和制冷基础设施中所占比例不断增加,这带来了一系列独特的挑战。运营可变性、电网稳定、平衡和需求响应管理成为需要关注的关键领域。因此,必须探索有效的战略来应对这些挑战,并确保可再生能源与能源系统的无缝整合。

欧洲一半的能源消耗用于供暖和制冷,其中约89%的需求由化石燃料供应,尤其是天然气。自乌俄战争和随后的能源危机以来,天然气消费发生了重大变化。然而,住宅部门仍然占其需求的大部分(50%),其次是天然气和电力的工业使用,根据最新数据,自2000年以来下降了20%。

工业和家庭(包括建筑物)的能源需求通常遵循一种需求模式,这种需求模式在高峰时期可能会给电网带来负担,在某些情况下甚至可能导致能源供应中断。热能储存与可再生能源一起,在解决这一问题方面发挥着关键作用 这些能源供应挑战,同时使电网脱碳。

技术概述

在清洁能源一揽子计划(CEP)中,欧盟委员会提供了能源储存的定义。该定义涵盖了当前可用的所有类型的能量存储。就本文而言基于CEP中能量存储的定义,提出了热能存储的具体定义:

热能储存,作为一种能量储存技术,是指将热能(或通过热能的电能)的最终使用推迟到热能产生后的某一时刻,或将任何形式的能量转换为可储存的能量,以及随后将这种能量重新转化为电能或热能。

三种不同的热能储存原理为:显热储存,潜热储存和热化学储热。这些技术储存的能量范围很广,能够满足各种能源系统对于不同的温度以及时间范围的需求。

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图1:热能储存的主要类型

1、感热存储(SHS)提高或降低液体或固体存储介质(例如,水、沙子、熔盐、石墨、岩石,其中水是最便宜的选择)的温度,以便存储和释放热能用于低温至极高温度的应用。这是最常见的热能存储形式,并在住宅和工业规模上取得了商业成功。储能温度范围为<0°C-2400°C,持续时间从几分钟到(在低温储能的情况下,如地下水储能)几个月不等。

2、潜热储存(LHS)使用相变材料在非峰值期间通过熔化在恒定温度下吸收和储存热能,然后在峰值需求时间期间在其固化时释放储存的热能。这可以在低于0°C-1600°C的温度下储存热量数小时至数天。

3、热化学储热(TCS)以两种方式运行:化学反应和吸附过程。前者,能量储存为可逆反应的反应热。后者储存热能通过吸附(物理结合)或吸收(材料的吸收/溶解)。TCS技术可以在<0°C-900°C的温度范围内储存热能,通常持续数小时至数天,或者甚至可能长达数月。

热能储存在能源系统中的位置

储能系统大致可分为集中式系统(储能系统直接为电网或大规模应用提供服务)或分布式系统,储能系统主要为能源系统中的最终用户提供服务。

两者的区别在于客户。在集中式系统中客户是TSO或公用事业公司,而对于分布式系统,客户是工业/私营企业。集中式应用程序通常可以应用于区域供暖和制冷系统、大型工业工厂、热电联产工厂,发电机和工业级/公用事业规模的高温热泵(HTHP)。对于用于电源到X场景的集中式系统。

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TES分布式系统主要应用于家庭、商业和工业建筑中,用于水和空间供暖或制冷,或与热泵相结合。分布式系统利用锅炉、热交换器和管道等互连部件的网络,在大型工业设施中高效地产生和分配热量,从而改变了工业热量的输送方式。

此外,通过集成电表后的可再生能源,分布式系统也有助于减少碳足迹与促进环境可持续性。集中式和分布式热能存储系统都为能源部门的自我消费或生产消费者提供了动力,包括工业、住宅、社区、商业和公共生产消费者。

热能储存的附加值

TES在促进供暖和制冷系统电气化方面具有独特的地位,同时通过提供能源和供暖灵活性来推进可再生能源发电。下表概述了TES在不同市场中提供的服务:

1. 电力市场:

服务1: RES集成

  • 加速可再生能源增长:TES补偿了可再生能源的间歇性,使能源转型得以继续,甚至加速,以实现欧盟的可再生能源和气候目标。某些TES可以将多余的可再生能源储存数小时甚至数周,(对于某些技术,如地下水中的显热储存,无需电力输出)甚至长达数月,这可能是推动可再生能源整合超过60%的重要工具。TES可以将多余的可再生能源储存数小时甚至数周,否则就会减少。

  • 减少对化石燃料发电的依赖:在可再生能源发电量过多的情况下,TES通过用储存的可再生能源取代碳排放的化石燃料发电,使这些能源系统能够减少对日益昂贵和波动的化石燃料和欧盟碳市场的依赖。

  • 减少缩减:根据往返效率,TES系统可以通过在高发电量期间储存多余的能量,并在可再生能源发电量低或不可用时输送,来固定间歇性可再生能源的容量。

  • 减少电网堵塞:目前,由于生产过剩和电网堵塞,欧盟浪费了大量可再生能源。将TES技术与RES相结合将为欧洲的脱碳解决方案工具箱提供宝贵的补充,通过减少能源削减来支持系统效率。

服务2:网格规模灵活性

  • 供应安全:TES通过存储电网规模的可再生能源和优化使用本土能源来提供能源安全(尤其是在长期应用中)。

  • 最大限度地利用现有电网基础设施:如果以电网驱动(而不是市场驱动)的方式运行,TES可以稳定电网并推迟基础设施的维护需求。

  • 减少对化石燃料的依赖灵活性:化石燃料(主要是燃气轮机)仍然广泛提供灵活性。TES技术代表了一个不错的替代方案。

服务3:辅助服务

  • 能源套利:TES系统可以通过在低需求和低价格甚至负价格时期购买电力,并在高需求和高价格时期将其售回电网来参与能源批发市场。这种做法被称为能源套利,允许TES从价格差异中受益。然而,不利的一面是,这里还需要考虑来自其他储能技术的严重竞争,不仅是能源套利,而且是所有辅助服务。

  • 频率服务:某些TES可以在几秒钟内对电网波动做出快速响应,以保持电网频率稳定。

  • 负荷跟随:通过调整其输出,TES可以在需求下降时缓解局部拥堵。

  • 稳定惯性:参与电网的各种辅助服务,如频率控制储备(FCR)、惯性等。

  • 附加收入流:TES资产可以通过将辅助服务堆叠到其商业模式中来赚取收入。

2:供暖和制冷

服务1:工业过程脱碳

  • 减少对化石燃料的依赖:TES可以使工业减少在其工业过程中使用挥发性化石燃料商品市场,并降低总体生产成本。

  • 定制热能需求:不同的工业过程需要不同的加热能力和公用设施,如蒸汽、工艺空气和热水,可以应用不同的TES技术。

  • 优化电气化供暖和制冷:TES可以提供电气化工业级供暖和制冷解决方案,利用非高峰定价来降低生产成本。

  • 废热回收:TES可以优化工业过程排放的热能,使其在能源系统中再次使用,而不是作为废物排放。

服务2:脱碳加热和冷却

  • 减少对化石燃料的依赖:TES和电气化可以以成本竞争力消除用于供暖和制冷的化石燃料消耗。

  • 单体建筑储能系统:储能系统可在建筑中的电表后面用于供暖和制冷,同时提供消费者能源管理服务,如最终用户调峰、最大限度地提高生产-消费者参与度、需求侧管理等。

  • 安全的区域供暖和制冷:储热系统(地下储热系统、储罐和地坑储存)可用于在区域应用中提供大规模的热灵活性和每小时、每天或季节性的供应安全性。

  • 优化电气化供暖和制冷:TES可以通过最大限度地减少过度使用和利用非高峰定价,允许电气化供暖与制冷系统(热泵、电加热器等)优化其运营和成本效益。

  • 废热回收:TES可以通过将热能转化为再利用来优化某些住宅和商业应用中的热能浪费,并降低总体能耗。

3:合并/后化石市场

服务1:热电联产

  • 组合产品:热电联产与储热系统相结合,可以同时参与电力和热能市场,这有助于为消费者提供独特、更清洁的能源产品。

  • 收入的多样化和叠加:热电联产服务使TES资产能够叠加来自多个能源市场的收入,并根据多个能源需求调整产出。

  • 因此,这使他们的收入来源多样化,并缓解了单一市场对市场冲击的过度暴露。

服务2:重新利用闲置资产

  • 后化石发电厂:TES可以与退役化石发电厂的蒸汽循环集成,并为其他潜在搁浅资产注入第二生命。

  • 地区的公正过渡:退役发电厂的重新利用使传统上依赖化石燃料的地区能够公正过渡到清洁能源地区。这使这些地区保持了能源生产,并限制了能源的迁移。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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