由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月26日上午的“能源互联网与多能互补“专场,中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司赵晓辉在会上分享了主题报告《基于太阳能热发电的多能互补方式探讨》,以下为演讲实录:
赵晓辉：大家上午好!我注意到这次会场上面好像没有高温储热方面的东西,我从事这个大概十年时间,也参与一些项目,从这个角度作为一个切入谈一下它和储能以及多能互补的结合的构思。
第一部分是相关背景,第二部分是基于太阳能热发电,高温储热的应用场景,第三部分就是简单的结论。什么是太阳能热发电,简单介绍一下,它的聚光形式来讲,有槽式还有塔式。还有储放热系统,常规的管控组成的。第三部分就是我们燃煤机组相似的这种发动机的。称之为进厂还有吸热器,就是加热吸热器里面流动的介质,一般是熔融盐最高使用温度570度介质是液态的。熔融盐的温度范围在电站里面使用的范围一般就是290度到550度这个区间,把弃风弃电的电能如何存储到热能里面,这是储热系统,这是发电系统。储能大概这么几种形式,比较有竞争优势的可能就是有客观条件的。你去构造它可能会需要大量的成本不现实的,还有右下角的电化学储能,谈的比较多的电池,我要阐述的就是高温熔融盐结合的这部分。
刚刚谈了一下太阳能热发电,左上角还有右上角的曲线,处理特性,绿线是太阳能热发电的塔式电站的对于电网机组电力输出特性,我们可以看到24小时横坐标时间段,纵坐标是发电功率等各个指标。绿线的直线可以看到这个太阳能热发电相对于光伏发电来讲可以实现这个比较平稳输出的特性的,使这个太阳辐射的随着时间变化的波动性还有这个发电的平稳性。灰色的间断线就是充满度一个在24小时变化的情况。从0点到6点这个在放热,晚上基本上放完了,对应绿线发电的。一直从8点多到下午14点多这个水平,储热系统的状态逐渐提高并达到最高点,16点左右三四个小时就是充饱状态,随着时间的进一步推移,太阳能资源下降,就是午后的太阳能资源比较弱的,光太阳的辐射角度等等,储热系统开始放电的,对外保证机组的出力,这个时候能量不是直接来自于太阳。
储热系统的状态就在下降,我们想象一下如果把这个储热系统做得足够大,不仅仅来自于太阳,也可以来自于低廉的有些政策的关系,后面再说,低廉的气电。储热系统的话,它使用率就会大大的提高,同时一些机油的投资,也会大大提高。
背景方面的是什么为什么要干这个事情,简单列举一个清洁能源行动计划,2018年10月30号发布的,可以看到西北几个省份,以及东北黑龙江有一个目标,就是降低这个风电光伏的气电率,有一个很大的背景,储能电池扮演的一个较小角色,国内的电网还是以这个燃煤为主的,牺牲了燃煤电站性能,这样的话,设计的很好的煤耗能耗指标实际上得到了一些牺牲。从全社会来讲的话,虽然增大了光伏风电的消纳,与此同时也带来了燃煤机组的这个不经济的利用。
这上面具体的几个数,2017年的几个数已经发生的,2018年这个还没有统计出来,这个是去年发布的,2017年都是逐渐下降的。还有这个2017年10月发布的这个关于促进储能技术与产能指导的意见,重点包括高温储热技术,提到的飞轮储能电池,大容量的储热装置。建立补偿机制,推动纯能参与电力辅助服务,试点功能。这是一个资金补贴的问题。熔融盐储能不仅在刚刚的气电回收有应用,还有同时在全国能源全国各个行业能源的消耗简单的例子,可以看出在这个排烟部分,它的温度400度到500度这个范围,跟刚刚谈到的比较契合的,这也是后面的应用场景。
国外方面也在研究高温储能,有一个实验室,当年有一个诺尔而物理学奖得主，在做一些推进。这一组可以看出从2006年以后,尤其是2010年以后,这些堆积的紫色就是储热,有一小部分是氢能的存储,中间的绿色部分是电能的机械能,最上面那个是电池。实际上全球范围内来讲,美国能源局统计的数据,我们现在是高温储热。
第二个部分介绍一些具体的应用场景,通过电加热器,再加上把这个熔融盐从低温加热到高温,再通过容颜崩需要能量的时候再循环,就是高温熔融盐的热量转换成水或者蒸汽的热量,以供这个工业用气或者用热。有一个效率的问题,我们知道热的效率基本上百分之百的,这样的利率方式热再供热效率比较可观的,如果不考虑散热的话,基本上百分之百的。这个天然气的燃机余热烟气建设一台熔融盐余热波炉,也可以实现上一个场景有类似的问题。因为我们那个燃机负荷的需求特性随着时间不是那么稳定,为了高效的利用能源我希望这个天然气的利用这一侧比较好的在它的高效点工作。匹配负荷需求的时候,用储热系统存储起来。
刚刚谈到效率的问题,这一块体现的比较明确,就是从气电转换成热能,再转换成电能。最后一步热到电,我们知道这个转换目前来讲大容量的机组可能也就是平均下来45%左右的效率,好的话到50%。一度电到最后一个环节,从存储以后再变成电,大约就是40%就是损失60%的电的。这就是有一个问题对于这种高温熔融盐储能或者回收气电,在发电的应用场景,这个40%有竞争优势,电视行业的人就是经常在这里谈到的效率有观点认为效率低于75以下的储能都是没有前景的。其实有另外一个因素,成本的问题,如果成本足够低,效率这个问题不是问题,我要大容量回收气电,最终的比的还是综合发出一度电的成本,不是纯投资。还有一个问题,这个蓄能电厂用30年甚至更长时间都可以,电化学储能的话可能就是比较脆弱的,储热的话，目前来讲25年是没有什么质疑的。
要综合比的是发出一度电的,同样生命周期内的成本,暗含了两个关键因素,一个是投资性能效率问题。这是供给侧的一些应用,时间关系不展开了。怎么配置这些问题呢?因为我们公司做这个比较多,也有一些模式的方案,在前年国家能源局批的青海那里也做一些应用,就是400兆瓦的风电,还有2小时的电池储能。如果把太阳能热发电的储能做的足够大,最好的是这个风电光伏还有电站同样一家企业运营的,这样的话可能就会带来一个比较好的结果就是我都在电厂里面没有人给我电,这个气电的过往费这个成本就会少很多,或者没有。一个业主的运行的厂的,这是研究的几种太阳能热发电作为这种调峰的,不参与调峰的时候,如何配置它的能量,储热时间相当于是一个发动机组的功率,这个时间就是兆瓦时,横坐标就是储热的能量,然后做了几个场景分析。大概可以看出来,随着储热能量的增大,呈下降趋势。到10小时以上又开始上扬的,有一个背景使储热部分的投资利用率最高。对投资方收益肯定不一样的,在方案配合的时候,做这些工作。
那个图是电站不作为调峰机组,这个新能源是想什么时候放就什么时候放,无偿的接受电力,还有一些配置的电线条件,就是作为调峰机组的配置和那边不一样的。这边可能就是有很多很专业的一些背景的问题,这里不展开了。储能多能互补关键的设备,目前还没有得到大容量的是电加热器这个问题,其他的电这些东西都是成熟的,非常成熟的,有几十年的设备,这个是实现电能到热能的转换,一般两种形式,一般第一个展示的就是在大容量浸没式的,还有循环式的加热器,很显然循环式加热器的比较紧凑。通过一些成本的分析,比较了一些进口设备还有国产设备的综合的成本。我们现在电加热器一般的功率电压等级做到1000伏以下是比较成熟的,各个都是有能力解决的。美国一两个全球知名的公司也是有认证的,但是没有大量的应用。
目前来看还是低压的,或者中低压的综合的成本还是比较优的,因为电压越低整个配电的电的成本很高,包括电加热器的成本很高,结合起来就是中低压的这种电热器的成本比较高。这边同时考虑了电压器的寿命问题,搞这个电站的话,比较寿命很重要的。很多信息可以折算出来,按照它的设计条件使用的话,可以达到68年,我的运行只是一段时间内的运行的。简单讲一下这个设备就是经济的而且是长寿命的设备。
结论与展望。再来回顾一下前面几张PPT提到的目标,2018年,2019年这些省份,根据2017年的装机,按照这个计划目标来讲,在新疆和甘肃地区,这两个地区对它的电网装机还有电力生产的特性比较熟悉,在新疆还有甘肃地区仅需要建设两座一百兆瓦的熔融盐储能电站,配置的储热时间大概是10到12小时,便可以使得气电率减少60%,风电加光伏的气电率,减少气电率15个百分点。大约是投资60亿这个水平。再强调一下它的寿命应该是很可靠的,25年应该没有问题的。同时做了一个简单的财务测算,资本经10%还有8%的前提下不收取过往费时,我这个就是回收气电发出来的是5毛钱到5毛2每度,这里面一个背景跟刚刚谈到的效率有关系,过往费是这样盈利的很脆弱的条件。
总结一下储热提高光伏发电的消纳比例,与既有的结合可以实现较低的储热投资,看到热发电的机组,就是在4000小时以下,投资那么大,就意味着这个投资设备的使用率不高,或者说让它挣钱的潜能没有彻底发挥出来,如果场景1利用到热发电里面可以做一些文章的,基本解决了气电回收与供热机组的发电量的评估。在做方案的过程当中,比较仔细分析了,这一块的疑问基本上可以明确的客观的解答。还有高参数的熔融盐,可以符合下游可以符合时间不同步的问题,这个不是我们今天的重点。这里只点一下,2020年和2030年,非化石能源消纳目标15%和20%按照现在的模式,需要投资7.2亿千瓦的光伏,这是一个很大的量,必须配置合适的储能,这里面的储能肯定有多种形式,如果这个目标真的要实现,是哪种形式,需要未来历史的验证,大家公认的这种做了一个比较,这是甘肃的一个项目,大概投资60亿,建设时间非常长,相继可能需要8年以上时间。这就是储能电站回收气电的能力的问题,谈这个电池储能的人喜欢谈兆瓦时,大家可能喜欢以功率的单位来界定储能电站的容量。
建设一个高温熔融盐的储能的电站,可以低于500元每千瓦,综合的话储能模块的投资是700块钱每千瓦时,至少在一个水平上面,当然这个暗含一个条件就是我的光热电站的有可能投资是挖掘了既有投资的潜能,所以说跟太阳能热发电结合还是大有可为的。因此和光热技术的结合,混合电站具有建站快等优势,即使新增发电也有优势的,这个成本的投资实际上在整个电站里面很小的。我的PPT就是这些,谢谢。
(本文根据演讲录音整理,未经演讲人本人审核)
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