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EASE欧洲储能协会:热能储存(中)

特普生科技 特普生科技 2024-03-11 12 31

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!

一、住宅、商业和区域供暖

热能储存有助于提高城市地区电网需求转换运行的运行性能。该调查还显示了输电系统的运营商(TSO)的一种新的市场选择方案,将从日前电力交易中受益,并利用低价收益在当地区域供暖网络中以热能的形式销售可再生能源。这样,当需求较低且在高供应时区内时,可以通过将需求转移到夜间来降低电网峰值需求。

1.1 土耳其办公楼的脱碳

该系统具有直接应用于旧建筑和历史建筑的优点,只需对建筑供暖系统进行微小的更改。这能够用蓄热单元取代化石锅炉。当电网运营商可以通过储热机组作为电网的调峰产品直接参与供暖计划时,该系统在经济上变得可行。目前,土耳其的日均电价被监管机构限制在209.5欧元/MW,然而,随着风力发电份额的增加,夜间的平均价格从30欧元/兆瓦降至20欧元/兆瓦。这些较低的可再生能源价格在示范在经济上可行,这是由于加热的电气化增加并有助于降低峰值负荷。其目标之一是调查新的运营商向其当前电力客户进行热储交易的收入流。这种方法可以通过提供部门一体化备选方案,为制定能源交易条例作出贡献。

当地TSO的办公楼是伊兹密尔市中心的创新中心,将被用作示范点。该地区的办公楼高度密集,白天电力负荷峰值,使当地电网资源紧张。开发的0.6 MWe固态热能储存装置将用于电网和热力电网的集成,并作为当地电网的峰值转移产品。TES的利用与电网集成以向地区或地方电网供热的系统也支持《建筑能效和能源性能指令》。这是通过促进建筑行业的供暖和制冷脱碳,并支持欧盟在建筑翻新和绿化方面的努力来实现的。


伊兹密尔市中心

1.2. 利用扇形耦合减少风限幅

中国区域供暖方案中的TES一个合作项目是在中国新疆地区成功地将TES集成到使用复合相变材料(cPCM)的区域供暖方案的商业示范试点中。该项目的驱动因素是需要解决可再生能源的间歇性以及可再生风能和热电联产区域供暖计划的高渗透率所带来的网络约束挑战。新疆当地电力需求较低,大部分可再生能源发电都在地理位置遥远的负荷中心使用然而,低需求和网络限制意味着2016年削减率高达40%。因此,中央和地方政府调查了提高可再生能源利用率的途径。供暖脱碳也在政府的议程上,并通过上网电价提供支持。电价波动也很大。他们解决方案的一个关键部分是最终将多余的可再生能源耦合并转化为使用储热系统储存的热量。这是一个很好的例子,说明技术解决方案正被用于补救具有挑战性的监管环境。自2016年10月以来,一个使用高温cPCM的6兆瓦/36兆瓦时(MWh)示范工厂已经投入运行。这家工厂在非高峰时段收费,此时电价是正常时段的一半。此外,据估计,超过80%的电力,即超过5000兆瓦时。这是每年原本会减少的风力发电量。该设施成功地利用了当地风力发电机的多余电力,减少了弃风,缓解了电网压力限制和储存脱碳热量。由于试点的成功,中国各地又建造了20座工厂并投入运营。

1.3. 智能制冷在商业零售场所提供需求侧管理服务

该项目在零售场所提供智能制冷,以在美国提供调峰服务。一家美国创新公司正在使用相变材料为具有高制冷能源负荷的超市和商业建筑提供能源管理解决方案。他们的产品是一种制冷电池,其工作原理是在夜间将低成本的非高峰电力储存在冷冻盐水溶液中,然后在高峰时段,当电力和需求充电最高时,系统排放以提供冷却。这显著降低了建筑物的峰值负荷。云平台评估能源使用和电价,以优化系统运行并最大限度地节省开支。事实上,加州需求响应拍卖机制允许该州最大公用事业公司的客户在电网需求高的时期从他们可以可靠抵消的电力中产生收入。迄今为止,该产品已在美国两家主要连锁超市进行了两次试点部署。

2. 热能储存余热回收

在各个行业中,每年超过11000 TWh用于输送500°C以下的热量。TES可以与产生大量废热的工业中的废热回收系统相结合。热能储存废热回收是一个引人注目的商业案例,适用于制造业、石化、钢铁、纸浆和造纸等行业。制造过程通常涉及材料的生产、转化或处理,这些材料会产生大量废热,通常会释放到大气或未利用的水中。通过捕获和利用废热,该行业可以降低整体能源消耗并降低碳强度。

2.1. 荷兰的钢铁生产和余热回收

钢铁行业的废热是指各种工业过程的副产品所产生的余热。荷兰Ijmuiden钢铁厂的一个项目展示了充分利用该工厂废热能源潜力的潜力。整个设施的全面实施显示出令人印象深刻的结果:500 MWh TES每年可节省230万GJ的天然气(6500万Nm3)消耗量,并消除130000吨二氧化碳排放,投资回报不到三年。

TES系统需要可扩展,以满足钢铁生产过程的密集能源需求。此外,在不中断生产工作流程的情况下将存储系统集成到现有的基础架构和流程是一项技术挑战,需要仔细规划和设计。

实现脱碳需要国际合作和标准的统一。监管挑战包括提供稳定的政策框架和长期规划,以支持向脱碳的过渡。可以通过投资研发新技术来改善和加速钢铁行业的脱碳,以最大限度地减少钢铁生产中的碳排放,包括探索替代的钢铁生产方法,以及开发更高效和可持续的TES和利用系统。这可以通过引入支持性政策和财政激励来实现(然而,这些政策和激励应该是技术中性的,仅限于市场失灵的情况,为能源系统提供最佳的社会性价比,并通过竞争程序授予),以推动钢铁行业采用低碳技术,如碳定价机制、清洁技术税收抵免、研发拨款.


   荷兰Ijmuiden钢铁厂

3.纸浆和造纸工业中温工业热的脱碳

据评估,2021年纸浆和造纸行业的总价值为3515.3亿美元,预计将增长。根据国际能源署的说法,在该行业内,热量用于加工和干燥材料,约占总热量需求的8%,约占全球工业二氧化碳排放量的2%。如今,天然气热电联产循环或锅炉为其工业过程产生大部分热量。为了实现工业脱碳,热量必须通电。该行业的直接电气化,如果在需求现场没有存储,将直接暴露在电网和电价中。即使有有利的购电协议(PPA),电网在高峰时段也可能出现拥堵,这可能导致电力短缺,并使该行业面临潜在的停产风险。

TES以“即热即服务”(HaaS)的形式提供给客户,没有资本支出(CapEx)需求,但按每兆瓦时消耗的热量支付。将安装一个离网太阳能光伏发电厂,并将其连接到TES,以进一步降低电价。在这种情况下,总热量需求为30 GWh/年,通过客户的电气化和脱碳,可以避免6667吨二氧化碳排放,与天然气相比,每MWh可为客户节省高达25%的热量。通过从离网解决方案中获得供暖所需的能量,可以降低与电网的连接成本。然而,该行业不能仅仅依赖离网光伏发电,因为目前该行业全面电气化面临的一些挑战是对用电生产热量的广泛征税和缓慢的公共融资过程。此外,电力市场的专业知识有限,以及未来发展和监管的高度不确定性,增加了该行业脱碳的挑战。

针对成熟和其他TES技术推出TES的激励措施可能会到位。如果将储能系统置于需求侧,将降低电价的运营费用补贴可以为商业案例提供额外的优势,并加快行业的电气化。SDE++已经在荷兰推出了这样的补贴计划,如果在欧盟其他地方推广,这些计划可能会带来社会经济效益。


   造纸厂

4.农业

供暖在农业环境中有多种用途,包括畜牧业生产、可耕种作物的烘干和其他用途。将运营范围扩大到办公室、商业中心或休闲设施,有机会实施区域供暖系统。然而,为了充分利用可再生能源供热的优势并减少农业排放,至关重要的是要建立有效的方式在过程的不同阶段之间传递热量。

4.1. 农业产业园区太阳能温室供暖方案

土耳其的alıkesir Gönen农业区将被开发为接近零排放区。与主要来自化石燃料的传统农业供暖不同,该地区旨在通过可再生能源供热。土耳其西部地热资源丰富。以下挑战给现有基础设施的扩建工作带来了压力:

1.新地热井的成本至少为150万欧元,达到所需流动温度和流速的成功率为50%。针对环境条件需要多个操作井来确保波动时的连续热能。

2.土耳其西部当地居民反对地热能,当地地热源含有高达10%的不凝性气体。不完整和错误的应用程序导致环境破坏,并危及广泛出口的当地产品。

项目开发商选择增加已开发的1MW TES装置。新区占地800公顷,该系统与计划为工业区供电的光伏电池板相结合。按需发电将作为热能储存,最高可达400°C。在这种情况下,储热系统以下方式支持当地地热源:

1.通过提高最高作业能力消除新井钻井

2.维护和操作紧急情况下的支持系统

存储系统在电表后面工作,以符合电力市场法规。然而,仍然面临的主要技术挑战是不间断的操作要求,如果没有任何熟练的劳动力来支持远程操作条件,可能会非常困难。不管怎样,与使用单一地热源或天然气的情况相比,使用储热系统可将整个系统的资本支出减少45%。估计通过该TES应用的调峰操作防止了128吨CO2排放。


   土耳其农业区

5.食品和饮料

热能储存在食品和饮料行业发挥着重要作用,实现了高效和可持续的能源理。该行业在很大程度上依赖于食品保存、加工和储存的制冷和加热工艺。通过实施TES系统,可以捕获和储存生产某些阶段产生的多余热量,以备日后使用,从而减少能源浪费并优化能源消耗。在需求高峰期,储存的热能可用于补充供暖或制冷需求,确保整个生产和储存设施的温度一致且可控。此外,TES通过允许食品和饮料公司利用非高峰电价为储热系统充电,进一步提高能源效率和成本效益。

5.1. 货运集装箱的热储存

2018年,伯明翰大学(英国)储能中心的学者与中国轨道运输维护和制造公司中国中车石家庄合作,在可互换的公路和铁路单元上演示了基于相变材料(PCM)的冷却系统。

该系统将储存温度保持在5°C至12°C的目标温度下长达120小时。冷藏集装箱通过公路运输了35000公里,通过铁路运输了1000公里,途经一系列气候区。项目团队注意到,其他运输公司也对所研究的集装箱表示了兴趣。与机械替代品相比,新集装箱的储存温度保持得更一致,从而满足物流运营商的财务需求。此外,由于集装箱不需要电源,它们可以在不同的运输类型之间更有效地运输,例如在这种情况下从铁路到公路。

6、电网灵活性服务的脱碳

大型可再生能源容量及其固有可变性的快速整合给以化石发电固有惯性为标志的电力系统带来了巨大挑战。


100MWe同步泵送热电储能系统取代燃气电网 ©马耳他

6.1. 为电网增加运营灵活性

Sun2Store项目开发、实施和运营一种创新的公用事业规模的泵送热电LDES系统,该系统具有100 MWe的净交流同步放电功率、10 GWhe的太阳能电力和超过10小时的容量,可以存储无碳可变太阳能电力,并每天将其转换为可调度的同步电力。它将减少1777311吨二氧化碳当量的温室气体排放(1502934吨二氧化碳当量用于储存排放的能量,加上274377吨二氧化碳当量,用于直接输送到电网的太阳能光伏能源),以及 在其运营的前10年内,替代了7.8亿立方米的天然气。它可以在不受限制的循环中100%充电和放电,而不会降低存储介质的性能。

与有限的长期收入确定性和反映TES资产交付价值的多重合同安排的需求相关的挑战影响了吸引足够投资的能力,尤其是在市场不景气的时候。为了应对这些挑战,根据当地电网环境和能源系统需求,以下措施可能值得考虑:

l 在超售电网节点的电网接入分配中给予LDES优先权

l 根据存储资产的双重功能(耗电设备和发电机),明确存储资产的电网接入流程

l 协调储能的市场激励和连接规则

l 通过建立确保LDES长期收入流的市场机制吸引投资

l 建立市场机制,确保LDES资产的长期充电功率和成本,即优先考虑与邻近和远程可再生能源发电厂的混合

6.2. 酿造厂集中太阳能-热能(CST)技术的热能储存

CST技术使用反射镜配置将太阳的直接法向辐照度(DNI)反射并集中到接收器中,以加热高温流体。这种热量可以用来产生蒸汽,驱动涡轮机发电,也可以直接用作重工业的热量,称为工业过程太阳能热(SHIP)。由于TES,CST的产生可以在夜间和阴天进行,或者在任何需要热量的时候(在总储存热量的限制范围内)进行。TES使CST成为一种更灵活、更可调度的太阳能形式。


   西班牙一家酿造厂的30兆瓦CST工厂满足了55%的热量需求,其余45%由生物质提供。

CST装置产生28,7 GWh/y的蒸汽,其中包括TES溶液(68MWh,占总需求的50%)。本案的总预算相当于2000万欧元,其中700万欧元为股权。CST本身可能难以参与系统的任何灵活性和辅助服务。对于SHIP,有两种技术替代方案:CST与TES配对和/或电加热器与TES耦合。SHIP与TES相关的挑战主要集中在为具有高温(>400ºC)工艺的商业解决方案寻找新的储能材料,并满足空间要求(屋顶和地面)。

电力批发市场没有提供足够的投资信号,因此需要监管机制来吸引投资。还需要允许包括储能在内的所有分布式能源参与灵活机制。关于SHIP,缺乏对“电力换热”的监管激励措施,例如,作为减少削减、银行化以及从自我消费转向能够利用SHIP供应更大份额的工业热需求的一种手段。

因此,更多的技术传播和资本支出激励措施将有助于TES的推出,这将最终加速我们能源系统的脱碳。然而,任何财政激励措施都应该是技术中立的,仅限于市场失灵的情况,为能源系统提供优化的社会资金价值(以技术中立的经济研究为支持,如成本效益分析),并在可能的情况下通过竞争过程来实现。

6.3. 用于光伏超浓缩技术的热电储能

光伏发电可用于在电网弃电期间为热电池充电。在没有太阳能的情况下,热力发动机可以产生输出到电网的电力,使其能够每天24小时发电。太阳能既可以转换成电能,也可以储存成热量,然后在Power-to-heat-to-Power应用程序中转换回电能。

RayGen在维多利亚州新桥的项目是世界上首次部署安装了额外储热器的PV Ultra。PV Ultra通过使用镜子将阳光聚焦到包含高效PV Ultra模块的塔顶部的光伏接收器上来共同发电和发热。光伏接收器和闭环水冷却系统产生电力,并将热量作为有用的副产品储存。Thermal Hydro将能量有效存储为90⁰C两个储液罐之间的温差。当需要时,通过热驱动的有机朗肯循环(ORC)发动机输送稳定的电力。每个PV Ultra接收器包含一组PV Ultra模块,可产生1MW的电力和3MW的热量。该技术的主要优点包括:

l 与标准光伏太阳能相比,PV Ultra的能量更强大4000倍(750千瓦vs 0.18千瓦/平方米),太阳能系统效率翻了一番(32%vs 15-17%)

l 长时间储能时间(与传统电池相比,10小时vs 1-4小时)

l 总往返效率(与其他ETES系统相比,>70%vs<50%)

l 它可以提供黑启动、惯性和无功功率


   位于澳大利亚Carwarp的项目,将4MWp的太阳能+3MW的交流电从热机连接到50MWh的储热器

政策建议

低碳能源系统需要适应不断变化的能源生产和消费模式,并加大对冷热脱碳的努力。储能将在提供所需的灵活性和为综合能源系统提供平衡选择方面发挥关键作用。这一点尤其适用于热能储存概念,它具有独特的特点,可用于管理不同规模的供需变化。在提高电网容量和实现储能的同时,制定一个监管框架至关重要,该框架将认可已取得的进步,并鼓励TES与其他储能技术一起进一步研发。

确保储能税费,反映能源系统的附加值

1.废除对储能项目的双重征税,以便税收系统考虑到储能的独特服务,并在欧盟委员会即将提出的修订能源税收指令提案中消除不必要的市场壁垒。

2.TES应通过确保国家法规中反映成本的电网收费来保证在欧盟有一个公平的竞争环境。

消除潜在的扭曲性附加费将鼓励这种转变。

3、将储能作为能源系统的新的基本支柱

使分拆规则更加一致,提供法律清晰度,并解决立法中的不一致之处。换言之,有必要认识到,(热能)储存既不属于“发电”也不属于“消费”,因为它目前在大多数法律体系中都是这样。

揭示长期投资和收入流

1.建立资金支持机制

通过提供投资补贴和长期承购协议来激励TES的推出,以促进可行的商业案例。例如,TES制造商可以与国家、地区和地方政府合作,尝试租赁自有主张。Suchschemes可以改善TES的商业案例,并鼓励客户安装TES,而不会带来与前期投资相关的风险和节约。这些激励措施应该是公正的,针对市场尚未充分鼓励的有益使用案例,优化能源系统价值,并进行竞争性分配。

2.为余热回收提供激励措施

通过促进行业、供暖公司、公用事业公司和公民之间的合作,提高发电厂、工业、建筑、区域供暖和制冷的能源效率。废热回收可以为能源系统回收大量能源,并有助于减少欧盟供暖和制冷部门的浪费。Thoseincentives应该是公正的,针对市场尚未充分鼓励的集体有益用例,优化能源系统价值,并进行有竞争力的分配。

3.为低碳系统中更长时间的存储释放投资信号

应对可再生能源渗透率的提高和电网频率的提高约束。目前,市场条件还不能激励热能储存能力长期转移能源。

4.脱碳能力薪酬机制

热能储存有助于确保供应安全,尤其是从长期能源转移的角度来看,这一点可能至关重要。应逐步改革现行立法,以确保产能市场与气候保持一致,同时继续确保供应安全。关于如何实现容量机制脱碳的更详细建议,可在电力市场设计修订的政策文件中找到

5.减少缩减

通过改革市场条件,使欧洲能够利用能源储存,从而有效地帮助限制废弃能源,并加强欧盟对可再生能源削减的上限。此外,储能,特别是热能储存,可以提供长期的能源转换,在取代化石燃料发电厂时,应将其视为一种更安全、更具成本效益且(如果使用低碳能源发电)无排放的替代方案。

使电网连接过程适应(热)储能 ,加快并网进程

通过制定具体的欧盟级别要求。总的来说,欧盟网络法规没有充分解决储能设施问题,这导致了各成员国之间的不平等待遇,尤其是在电网连接要求方面。目前的情况将部署时间延长了数月/数年,加剧了竞争,阻碍了储能设施的发展。

为投资者提供长期愿景和战略

1.重新评估欧盟供暖和制冷战略

与气候和能源安全的当务之急保持一致。欧盟供暖和制冷战略没有反映欧盟绿色协议和REPowerEU一揽子计划的当前目标。必须通过金融和监管工具激励建筑和工业中的可再生和清洁供暖技术,以吸收可再生和废弃热源以及高效供暖技术。这些措施必须通过其他欧盟立法机构进行精简,并与成员国、地方当局和利益相关者一起进一步发展。

2.要求成员国制定指示性的国家储能目标,并反映在其国家能源和气候计划中。

这些目标应该是技术中立的,并考虑不同的时间框架,即从秒到季节的储能需求,以及由于年际变化而产生的需求。

改进能源系统的规划和功能

1.规划储能开发的关键地点

以解决其在加快能源转型计划方面的潜力。绘制关键地点的地图将突出潜在的发展机会,并为投资提供长期前景。

2.向成员国提供设定可再生能源削减上限的选项

以实现2030年可再生能源目标。应优先考虑基于市场的调度,尽管缩减仍将在经济优化的系统中发挥重要作用。

加快热能储存技术的成熟和发展

1.进一步鼓励欧盟层面的TES技术研发

将更先进的解决方案推向市场,并加快已经在降低的长期储能成本。一般来说,除非由国家、地区或地方政府牵头,否则公共和私营部门获得新技术的机会有限。研发可以通过将新技术纳入主流并使其更易于通用,来缩小新颖性和可及性之间的差距。

2.加强欧洲的储能技术制造

虽然从研发的角度来看,欧洲在热能储存方面发挥着关键作用,但在制造方面仍有很大的改进空间。

3.提高TES项目和技术进步的数据可访问性

在私营和公共部门。对TES技术信息的可用访问提高了其可见性,并强调了对现有流程的改进将鼓励行业在生产中部署资源。技术数据的可访问性将对其成本产生积极影响,并使其更容易被更广泛的公众访问。

欧洲联盟一级目前正在讨论若干立法和档案。还有机会解决上述政策建议——以下文件与热能储存特别相关:

1.确保储能在《净零工业法》(NZIA)中发挥关键作用

根据欧洲委员会的建议,储能应被视为新西兰投资协定中的一项战略性净零技术。这是访问的关键,例如,更快的许可、劳动力再培训和监管沙盒。

2.修订十年网络发展计划(TYNDP)中关于存储潜力的假设

更好地发挥储能设施的作用。重要的是要充分整合储能的特性和潜在优势,不要忽视TES的作用。应在部门一体化和跨境连接的背景下进一步研究储能的作用。分销网络发展计划也应考虑到这一点。

3.改进电力市场设计

通过考虑储能的独特服务,并取消长期投资和收入流(如容量和电网辅助服务)的映射,将储能解锁为未来气候中性能源系统的重要催化剂。有关这方面的更多信息,请参阅关于电力市场设计修订的政策文件

结论

随着欧洲从化石燃料向以负担得起的可再生和长期能源为主的能源系统过渡,TES可以帮助将当前的过渡能源系统过渡到未来的碳中和能源系统。EASE估计,到2030年,欧盟将需要达到约200 GW的储能(现有和新建储能的总和),到2050年,欧盟需要达到600 GW(其中三分之二以上涉及能源转换技术,即电力到X到电力),以实现其可再生能源目标。此外,一旦能源系统的可再生能源渗透率达到60%以上,就可能需要增加更长时间的储能,以保持供应安全,而TES是提供更长时间灵活性的关键解决方案。对TES用例的进一步经济研究将非常有用,使决策者能够建立支持性的监管框架,只要这些用例在满足能源系统需求方面提供了社会经济附加值。

用于加热和冷却的热能的脱碳是TES独特定位以帮助克服的能量转换的一个特殊挑战。它可以解决电气化效率方面的差距,有助于使难以减少的部门更容易降低碳强度。目前,各种TES技术已经足够成熟,而且还有更多的技术在酝酿中,已经为工业提供了热灵活性,为电网提供了电灵活性。此外,某些TES还可以使消费者在脱碳的同时为热能和电能系统提供服务。

热能储存技术将继续发展,成为提供能源和热灵活性的整体解决方案

欧洲能源体系由不断增长的间歇性可再生能源构成。此外,尽管TES可能在往返效率和其他存储/灵活性解决方案的竞争方面面临挑战,但在许多情况下,TES可以通过存储本土可再生能源来帮助减少欧盟对化石燃料的依赖,并加强能源安全,否则其中一些可再生能源将被削减。

TES是提供大规模和更长时间储能的关键解决方案,以促进未来几十年的能源转换。TES解决方案可能有助于解决欧洲一些排放量最高、最难减排的行业的排放问题,值得在欧盟政策中给予更明确的考虑。为了使欧盟实现其气候中立目标,并使REPowerEU在应对能源危机方面取得长期成功,需要更好地利用TES等长期解决方案。

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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