中國儲能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務廳、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會聯(lián)合主辦，100余家機構共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了江蘇金合能源科技有限公司董事長任愛分享主題報告《復合相變儲熱/冷技術及其應用研究》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
任愛：非常高興有機會與在座的各位專家一起交流，下面我把我們公司在相變儲熱和儲冷技術研發(fā)和應用實踐做一個的匯報。
為了實現(xiàn)雙碳目標，非化石能源占一次能源消費比重需將大幅度地提高，從短期的目標來講非化石能源消費2030年要達到25%。在電力系統(tǒng)中主要是風電、太陽能等清潔能源的比例也將大幅度的提高，而以風電和太陽能為代表的新能源固有的波動性、間歇性等特征對電網(wǎng)調(diào)峰也帶來了挑戰(zhàn)，迫切需要解決電源側、用戶側和電網(wǎng)側協(xié)調(diào)發(fā)展的問題。
在雙碳目標下，國家出臺了一系列的政策和指導文件，以促進新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲協(xié)調(diào)發(fā)展。儲能技術作為新型電力系統(tǒng)發(fā)展的重要手段之一，可以有效提高能源效率，解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾。
儲能技術種類很多，但是目前談論較多的儲能技術往往指儲電，實際上儲熱/冷也是重要儲能技術之一。儲熱/冷技術通過與用戶用能需求相結合可為電力需求側管理、電網(wǎng)削峰填谷、可再生能源消納等場景提供技術保障，所以開發(fā)高能量密度的儲熱/冷技術將有極好的應用前景。
我們的工作偏重于在相變儲熱/冷材料的開發(fā)和工程應用研究，下面從材料開發(fā)和應用實踐做主要的匯報。
儲熱/冷不是新的概念，當前常用的水儲熱、冰蓄冷技術相對成熟，而更高儲能密度、更經(jīng)濟可靠，且能夠實現(xiàn)更大使用溫度范圍的儲熱技術是我們的工作方向。其中相變儲熱、吸附儲熱和化學儲熱是我們未來儲熱/冷技術重要的發(fā)展方向。目前已對相變儲熱和吸附儲熱做了大量的開發(fā)，下面我逐項進行匯報。
高溫材料，特別是超過500℃以上應用的場景，既要保持相變儲熱材料的高能量密度的特點，還要解決高溫下的相變材料的封裝技術。為此我們首次提出了復合相變儲熱材料的概念，利用高溫穩(wěn)定性高的陶瓷顆粒組建起納微結構的微孔，并將相變材料包覆在陶瓷顆粒間的微孔道內(nèi)。在這里，不再是百分之百的純相變材料，而是在利用納微尺度陶瓷顆?；w的空隙結構里面填充相變材料，既保留了高儲能密度同時無需再次封裝。在高溫相變儲熱過程中，可始終保持固體形態(tài)并具有足夠的強度。在經(jīng)過長周期運行測試，可滿足15到20年的使用要求。
材料開發(fā)方面就不做過多的介紹，主要是從材料的技術指標比較方面，以及應用實踐方面做簡要的報告。
現(xiàn)在高溫儲熱技術中比較常用的材料包括熔融鹽，鎂磚，高溫相變儲熱材料等，熔融鹽和鎂磚主要是利用材料在升溫或降溫過程中溫差進行顯熱儲能。而我們開發(fā)的儲熱材料包括兩個部分，材料顯熱部分和相變潛熱部分，在工作溫度范圍內(nèi)儲熱密度非常高。結合應用場景來分析的話，每立方米水儲熱密度是1670兆焦，氧化鎂磚將近800兆焦每立方米，相變材料可以達到1600兆焦每立方米，按照質(zhì)量儲能密度來說，我們的相變材料達到熔鹽3倍以上。
在整個材料開發(fā)過程當中，公司依托所承擔的國家重點研發(fā)計劃--“高效能仿生型儲熱材料和過程設計”，開展了多種材料配方的設計和對應配方的工藝制備工作，剛剛重點列舉了已開發(fā)成熟的中高溫儲熱材料，目前也已形成了相應的工程應用。在相變儲熱材料配方的設計和優(yōu)化方面，主要針對的也是材料的相變溫度和儲熱性能，除了高溫下的儲熱性能以外，還需要有良好的導熱性能，以確保儲熱時能夠做到快速儲的進放的出的目的。而工程材料的應用也是從多個維度來考慮，某一個方面達不到，材料使用推廣也會受到極大的限制，這里也要考慮環(huán)保、成本等重要指標。而隨著應用場景的不同也對材料的相變溫度會有不同的要求，我們也開發(fā)了多種相變儲熱材料，材料工作溫度可以覆蓋180~600℃。
此外，儲熱里面也包括了儲冷，儲冷材料開發(fā)是我們公司重要的開發(fā)應用方向之一。前面介紹儲熱技術，工作溫度范圍往往是從100℃到700℃，甚至更高，而與之不同的是儲冷技術主要應用在冷鏈行業(yè)，往往工作溫度范圍很窄，儲冷和釋冷過程的溫差非常小，一般采用自然對流的方式進行換熱，換熱系數(shù)較低，這就對儲冷材料的熱化學性能提出了很高的要求。此外，由于主要應用于藥品、醫(yī)療、食品等領域，所以也會對材料的安全性、穩(wěn)定性、無毒性提出更高的要求。
相變材料和儲冷系統(tǒng)在冷鏈行業(yè)醫(yī)用要滿足以下幾個方面的要求，一是精確的相變溫度，冷鏈行業(yè)通常有幾個特別的溫度段，這也對相變材料的工作溫度提出了特別的要求；二是低過冷度，過冷度是低溫相變材料固有的特性，通過添加復合材料，可以降低材料的過冷度；三是高導熱性能，在一定的時間尺度和小溫差范圍內(nèi)，合理的導熱性能有利于發(fā)揮材料的儲冷特性；此外也要考慮高儲冷密度、食品級的安全性和高循環(huán)壽命等各項輔助性能。
我們相變材料的開發(fā)工作也經(jīng)歷了十余年的實踐，已經(jīng)累計了很多工程經(jīng)驗，為快速開發(fā)出不同應用場景下的相變儲熱材料并滿足工程應用需求打下堅實的基礎。
通過多年的研究，也包括對應用市場需求的研究，部分相變儲冷材料也已經(jīng)應用到了工程實踐或形成產(chǎn)品，這個表格里面對儲冷材料的主要技術指標和相關性能也做了客觀的測試和描述，稍后我也會結合工程應用的情況對相關的性能指標需求進行介紹。
總的來講，低溫相變材料到高溫相變材料，各個溫度區(qū)間的相變材料都會有它相應的應用場景，而且不同溫度段的相變材料主要應用場景是不一樣的，關鍵性能指標的需求也會有所不一樣。這張圖是我們展示的各個溫度段的一些典型應用場景， -50℃到常溫相變材料主要是用戶側能源管理和冷鏈的蓄冷裝置，常溫到200℃相變材料用于溫度調(diào)控的應用和余熱回收利用，200到500℃相變材料主要應用于火電靈活性改造的儲熱裝置換熱和工業(yè)余熱回收利用。更高溫度的材料目前也是在源網(wǎng)荷儲的電熱儲熱裝置中開展應用，這塊工作開展得比較早，并已形成較大的規(guī)模。
針對不同的應用場景，結合我們在材料研發(fā)工作的基礎，開發(fā)了相應的儲熱系統(tǒng)和裝置，下面也將對我們所開發(fā)的裝置和系統(tǒng)進行介紹。
前面談到了500℃以上的復合相變儲熱材料，既解決了材料高溫下的相變儲熱問題，還實現(xiàn)了低成本的封裝，在應用的時候同時用到了顯熱和潛熱兩部分的儲熱從而獲得了很高的儲熱密度。而把這種材料應用于電熱蓄熱裝置也是基于兩個大的背景，一是與雙碳目標相關的新能源的消納，國家率先在新疆開展了風電清潔功能的項目，二是大氣污染治理的政策實施。
前期開發(fā)的相變儲熱磚在儲熱裝置里面如圖進行布置，對內(nèi)部的流動、傳熱、風動等開展了設計和分析研究。因為大容量的儲能裝置采用的是10kv和35kv的高電壓直熱模式，這里就需要把蓄熱模塊集成，并通過自動化控制對爐體內(nèi)的溫度平衡和安全開展全面的研究工作，這張圖是我們產(chǎn)品的外觀。
這樣的電蓄熱儲熱裝置儲熱溫度在600~700℃，因為儲存的溫度比較高，這就可以實現(xiàn)多種供熱方式，包括供熱水、熱風、蒸汽、導熱油，不僅能滿足北方清潔供暖需求，該技術還能滿足工業(yè)領域的蒸汽、熱風等需求。
依托高溫儲熱裝置，最早在新疆的阿勒泰市開展能源局風電清潔示范項目，后續(xù)在遼寧、內(nèi)蒙、青海等多地開展了新能源消納的工作，項目也曾獲得遼寧省科技進步一等獎，有機會歡迎同行到公司交流或者是到項目現(xiàn)場進行指導。
相較于建筑供熱來說，工業(yè)蒸汽的需求是不分冬夏，不分南北，基于功能的實現(xiàn)和成本的考慮，會對儲熱材料有特別的要求，為什么這么講？供蒸汽要求參數(shù)更高，儲熱要儲更高的溫度，要有更高的儲熱密度，例如我需要200℃蒸汽，儲溫度為300℃，之間存在100℃的溫差，如果沒有潛熱，功能上可以實現(xiàn)，但是經(jīng)濟上不能接受，產(chǎn)品一定要兼顧性能和成本。這都是實際應用的案例，包括在安徽、陜西做的蒸汽供熱系統(tǒng)在釀造、礦業(yè)等行業(yè)已得到應用。
電熱儲熱裝置已可以實施遠程技術支撐，手機APP，加上互聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術。應用地區(qū)比較多，在北方各省都有應用，截止到今年10月份裝機超過500兆瓦的電熱儲熱裝置，這個是電功率，儲熱能力要比這個高得多，3倍的關系，每年能夠消納清潔能源超過6億千瓦時，減少二氧化碳排放達到200萬噸，大容量長時間的儲能和小容量儲能，對整個儲熱系統(tǒng)和儲熱解決方案的關注重點不一樣，很多專家或者是同行都是非常了解的。
關于儲熱技術的另外一個應用需求是抽氣蓄熱能。這將為火電核電調(diào)峰提供支撐，電池儲能是一個方面，但是更多的還是電網(wǎng)通過火電和核電實現(xiàn)調(diào)峰。發(fā)改委和能源局提出抽蒸汽蓄熱，由于時間關系，對政策背景我不多說了，相變材料的高儲熱能力，相對低的成本和技術成熟性能很好地解決這個需求。
相變材料的開發(fā)，抽蒸汽蓄熱采用梯級蓄熱的方式用到多個溫度段材料。高的參數(shù)以高品位儲存下來，但是儲存完之后溫度有所降低，應盡量靠近比較高的參數(shù)，再采取另外一種相變材料進行儲存，采用梯級的存儲理念和設計。釋放也是一樣的，盡量提高輸出熱的品質(zhì)，高的品質(zhì)進來，高的品質(zhì)出去。
工藝流程的設置需求解決兩個問題：一是熱從哪來？不同的溫度段的蒸汽來源，對于溫度和流量關鍵的參數(shù)都有不同；二是到哪里去？是供熱水，還是蒸汽，對儲熱系統(tǒng)的要求也不一樣，這里面針對不同的應用場景，我們開展了廣泛的研討、論證，以及設計驗證等等工作。
這是工藝流程圖，流程比較復雜，挑戰(zhàn)性也很大的。前期已經(jīng)完成了中試的研究，明年年初將在電廠進行實際的裝置示范和驗證，這里也包括相變蓄熱換熱器的模擬計算。
同樣的應用場景會有不同的解決方案，對用戶來講主要是關心投資，包括效率等等。不同的應用場景各有優(yōu)劣，沒有絕對的領先。
下面介紹一下儲冷技術在冷鏈中一些應用情況。儲冷我們接觸得很多，冰箱、網(wǎng)上購買的食品、醫(yī)藥運輸，都有冷鏈的應用，但是對于其中的儲冷研究相對比較少。目前有兩個需求，一個是社會需求，一個是政策導，向雙輪驅動整個冷鏈行業(yè)將高速發(fā)展。
市場的需求增加了，就意味著對整個供應鏈和解決方案提出了相應的要求，包括倉儲、運輸和配送等環(huán)節(jié)方面的需求，以市場為導向，以用戶需求為導向，提出解決方案，并對材料的開發(fā)提出需求，主要還是以市場化需求來開發(fā)產(chǎn)品。
利用好蓄冷技術，其主要的優(yōu)點可以概況為以下幾個方面：1、利用谷電來降低用能成本；2、和分布式的新能源相結合，利用蓄冷技術耦合可再生能源，從電網(wǎng)來講提高谷電的利用是和消納清潔能源緊密相關；3、避免人為或非人為因素（機械故障）導致的“斷鏈”;4、低成本、便捷化解決冷鏈前后一公里缺失問題；5、提升冷藏效果，降低物品腐損率，延長貨架期。我們已經(jīng)有相應的解決方案和良好實踐?？偟囊缶褪翘嵘洳氐男Ч?，不同儲存的物品對溫度的要求更精準，更準確，這也是趨勢，與社會的發(fā)展緊密相關。
應用場景比較多，我舉兩個方面的例子，一個是針對冷庫，不同的溫度對能源的降本提效的需求不一樣，比如說-18℃冷庫，能源成本占的比重非常高，主要的成本是電費，如何降低用能成本是這個行業(yè)的痛點。
這里有一個示意圖，大家可以看一下，這個是冷庫的側視圖，貨架的頂部安裝儲冷的模塊，B17、B19、B20等類似材料裝在儲冷的模塊里面，并對材料的導熱、使用壽命等一系列指標進行優(yōu)化。材料封裝在這個模塊組件里面，并整體安裝在冷庫的貨架頂端，做這樣的布置（下圖），風機制冷先經(jīng)過儲能模塊，再到貨物，非谷電時段，利用儲能模塊中的冷能會利用自然對流釋放出來，維持冷庫的溫度。
沒有PCM的時候，整個庫內(nèi)的溫度波動性比較大。藍色區(qū)域是谷電時段，紅色的是高峰電時段，黃色的是平電時段。藍色條代表制冷機組開啟狀態(tài)，藍色表示制冷機工作并消耗能，白色表示制冷機沒有工作。對比安裝了相變材料前后的狀態(tài)可以看出，最大的區(qū)別在谷電的時候滿負荷全時段的運行，庫內(nèi)溫度波動的范圍和頻率明顯降低，高峰電的時候基本上沒有開或者是很少開的比例。這里面開了多少，跟開關門，包括貨物的周轉頻率都是相關的。這個系統(tǒng)在濟南、鄭州、上海、南京、蕪湖都有相應的工程應用案例。
目前該技術產(chǎn)品已經(jīng)從實驗室走向示范，經(jīng)過了近兩年的測試分析，部分庫也已有了超過一年的完整運行數(shù)據(jù)。
這套系統(tǒng)安裝之后不僅解決移峰填谷的問題，還提高制冷壓縮機的效果。這個通過什么來體現(xiàn)？能耗下降率5~10%，而整體的運行電費降低了30%左右，這個跟峰平谷的電價差有關系，跟庫的運行特點有關系，還有跟制冷原理有關系。
剛才介紹的是冷庫的系統(tǒng)，2018年我們就通過與中車的合作開展了冷鏈車的應用工作，技術產(chǎn)品被應用在公鐵聯(lián)運集裝箱，箱體內(nèi)部的頂部安裝了儲冷冷板或者是冷梁。使用的情況類似于電動汽車一樣的，使用過程實現(xiàn)了全程無源釋放，不需要電、柴油等各類能源，能夠實現(xiàn)整個集裝箱的恒溫恒濕，同時可以實現(xiàn)一箱到底而不需要倒運。在農(nóng)產(chǎn)品的最先一公里和最后一公里中都有了很好的應用，在箱體尺寸上面也可以根據(jù)需要開發(fā)大小不同箱體。
從使用效果來看，針對儲存和運輸服務開展了第三方機構評價測試，不管是肉類還是蔬果，干耗和失重情況都得到了大幅度的改善，農(nóng)產(chǎn)品的儲存時間較以往有了大幅度的提高。從技術指標對比來看，蓄冷式箱體內(nèi)溫度非常的平穩(wěn)，而濕度也優(yōu)于取消了制冷風機并得到明顯的改善效果。裝置在體積和空間占用上與原有的制冷機基本一致，而能耗水平對比原有的柴油制冷系統(tǒng)，可以明顯看出在能耗減少和費用節(jié)省上面具有極大的優(yōu)勢。
關于未來的展望，圍繞著雙碳目標，包括新能源的比例大幅度的提高，新能源的波動性和間歇性，以及電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等對儲能技術的需求也將快速增長，而整個熱能的消費占比超過50%以上，如果用更經(jīng)濟的辦法來解決熱和冷的需求，就不一定非要用儲電，比如說利用高品質(zhì)的清潔電力在冬天來制熱，替代原有的燃煤或者是其他的方式來供暖，對于用戶來說是經(jīng)濟的清潔的。因此，儲熱技術是儲能重要的分支，一定會在電源側、用戶側發(fā)揮重要的作用，為源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補提供保障手段，為實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略提供技術支撐。希望以后與各位專家，包括業(yè)內(nèi)人士開展交流和合作。
謝謝大家！
