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顧名思義，“電-熱-電”模式即將電能轉(zhuǎn)換為熱能，然后再將熱能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)模式。這一技術(shù)模式在作者十年前提出時(shí)曾作為笑談，因?yàn)楦鶕?jù)熱工原理這一技術(shù)模式能效顯然太低了，簡(jiǎn)直可視為對(duì)能源的浪費(fèi)。毋庸諱言，在倡導(dǎo)節(jié)能減排、增效降耗大環(huán)境中，突然冒出這么個(gè)技術(shù)著實(shí)讓人覺得可笑。其實(shí)，現(xiàn)在仍有很多科班出身的熱工技術(shù)人員對(duì)此不屑一顧。“碳達(dá)峰·和碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，為中國(guó)未來的綠色能源發(fā)展指明了方向，特別是未來可再生能源在我國(guó)能源領(lǐng)域逐漸由配角轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹘牵?ldquo;電-熱-電”技術(shù)模式的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)。

舊題新解

毫無疑問，“電-熱-電”技術(shù)模式針對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)景是不穩(wěn)定不連續(xù)的可再生能源及電力，特別是風(fēng)電、光伏電力很不穩(wěn)定且品質(zhì)低，光熱發(fā)電投資成本高，而太陽也不總是高高掛在天空，只有發(fā)揮各自長(zhǎng)處，趨利避害，才能從根本上克服太陽能熱發(fā)電和風(fēng)電、光伏各自存在的缺陷，最終實(shí)現(xiàn)可再生能源替代化石能源的終極目標(biāo)。而它們之間的結(jié)合點(diǎn)，就是通過電加熱并儲(chǔ)熱來實(shí)現(xiàn)，“電-熱-電”技術(shù)模式的新穎之處在于：

1、充分發(fā)揮太陽能熱發(fā)電的儲(chǔ)熱優(yōu)勢(shì)。通過電加熱器將不穩(wěn)定的風(fēng)電、光伏電力為儲(chǔ)熱裝置補(bǔ)熱，克服太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電、光伏共有的不連續(xù)、不可控的缺陷。

2、利用太陽能熱發(fā)電儲(chǔ)熱優(yōu)勢(shì)將低品質(zhì)電力轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)電力，同時(shí)延長(zhǎng)發(fā)電時(shí)數(shù)至5000小時(shí)以上，提高可再生能源的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)性。

3、可提高太陽能熱發(fā)電技術(shù)的地域適應(yīng)性。只要具備一定光照時(shí)數(shù)和具有一定風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模的地區(qū)都可以采用這項(xiàng)技術(shù)。

能效靜態(tài)分析

“電-熱-電”技術(shù)能效靜態(tài)分析并不復(fù)雜。我國(guó)現(xiàn)有電轉(zhuǎn)熱技術(shù)主要依賴電阻式加熱器或電熱鍋爐實(shí)現(xiàn)，這里既有采用直流電的，也有采用交流電的，其能效多在95%～98%。“熱-電”轉(zhuǎn)換則主要采用蒸汽朗肯循環(huán)或超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電機(jī)組，能效一般在38%～50%，總能效在30%上下。

由此看來“電-熱-電”技術(shù)被詬病也不足為奇。但是如果放到以可再生能源為主體的電力環(huán)境中，這一技術(shù)就大有作為，其優(yōu)勢(shì)在于“電-熱-電”可以使用不穩(wěn)定的所謂垃圾電力來制熱；可借助光熱發(fā)電的儲(chǔ)熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)多達(dá)10小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能；熱儲(chǔ)能設(shè)備技術(shù)成熟度高，產(chǎn)業(yè)鏈簡(jiǎn)單，總的制造過程碳排放量低。特別是依托規(guī)模儲(chǔ)能，單位儲(chǔ)能成本低，可與其他儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行有效競(jìng)爭(zhēng)。

與”電-氫-電“技術(shù)相比較

“電-熱-電”技術(shù)與“電-氫-電”技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)明顯，例如電解水制氫每立方需耗電4～5kWh，氫液化需要消耗運(yùn)輸?shù)臍涞哪芰康?0%，相當(dāng)于每運(yùn)輸1kg氫氣消耗7～10kWh能量。由于液態(tài)氫為冷氫，通常，液態(tài)氫運(yùn)輸溫度應(yīng)該保持在-253℃左右，與環(huán)境溫度存較大溫差，因此對(duì)所用耐壓和絕緣材料有很高的要求，還需要制冷系統(tǒng)維護(hù)，能耗也很可觀。如果將氫氣由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)輸送用戶，以及使用燃料電池轉(zhuǎn)換為電能，現(xiàn)有技術(shù)能效多在40%左右。另外，所有電解水制氫、氫液化、運(yùn)輸設(shè)備和車輛，閥門管道、燃料電池等的設(shè)備制造和產(chǎn)業(yè)鏈，其技術(shù)復(fù)雜程度以及碳排放量遠(yuǎn)高于“電-熱-電”技術(shù)模式。

儲(chǔ)熱是關(guān)鍵技術(shù)

“電-熱-電”技術(shù)依托的是熱儲(chǔ)能技術(shù)，與抽水蓄能和空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)相比，都屬于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。但熱儲(chǔ)能的設(shè)備技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟，關(guān)鍵是熱儲(chǔ)能可吸納不穩(wěn)定和波動(dòng)性很強(qiáng)的可再生電力；而抽水蓄能和空氣壓縮技術(shù)則需要穩(wěn)定的低谷電支撐。隨著燃煤電站減少和調(diào)峰能力下降，一旦可再生能源成為能源主力軍，低谷電成為歷史，抽水蓄能和空氣壓縮儲(chǔ)能設(shè)備就會(huì)被閑置，巨額投資就會(huì)成為垃圾資產(chǎn)。尤其在我國(guó)快速提高可再生能源發(fā)電比例的情況下，未雨綢繆很有必要。

熱儲(chǔ)能與化學(xué)電池儲(chǔ)能相比，突出特點(diǎn)是儲(chǔ)能容量大，單位儲(chǔ)能成本低，這些是化學(xué)電池儲(chǔ)能無法與之競(jìng)爭(zhēng)的，但是相較靈活性熱儲(chǔ)能顯然不如化學(xué)電池儲(chǔ)能。

儲(chǔ)熱型光熱發(fā)電

光熱發(fā)電技術(shù)本身是發(fā)展中的技術(shù)，特別是通過電制熱為儲(chǔ)熱裝置提供熱源，目前尚未成熟一致的技術(shù)方案。例如作者最早提出光熱發(fā)電與風(fēng)電互補(bǔ)，其中最主要的是擺脫太陽能倍數(shù)理論束縛，在設(shè)計(jì)中要求光熱發(fā)電站最多按1.5倍鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)，而原計(jì)劃用于儲(chǔ)能的鏡場(chǎng)投資轉(zhuǎn)為投資風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。如圖1所示。


圖1 儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)與鏡場(chǎng)規(guī)模中的太陽能倍數(shù)關(guān)系

此方式的優(yōu)勢(shì)在于：一、可平抑和降低投資總費(fèi)用；二、可通過電制熱裝置借助風(fēng)電為儲(chǔ)能裝置補(bǔ)熱。在設(shè)計(jì)中尤其需兼顧風(fēng)電波動(dòng)性的電力沖擊，最好通過氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)電穩(wěn)定程度來決定補(bǔ)熱方式。

作者因此建議圍繞儲(chǔ)能設(shè)備采用串并聯(lián)電加熱鍋爐和將電加熱器直接布置在儲(chǔ)能設(shè)備中的技術(shù)方案，該方案可較好的應(yīng)對(duì)忽高忽低的風(fēng)電沖擊。如果能夠接納電網(wǎng)過載電力則建議使用串并聯(lián)電加熱鍋爐模式，以提高電熱轉(zhuǎn)換效率。如圖2所示：


實(shí)際上“電-熱-電”技術(shù)已經(jīng)被國(guó)外很多科研技術(shù)人員采納，例如歐盟2020年10月新推出的SOLARSCO?OL計(jì)劃，決定采用光伏電站與光熱發(fā)電互補(bǔ)，通過電加熱為儲(chǔ)熱罐熔鹽補(bǔ)熱，動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)劃采用超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)，效率提高至50%以上。該計(jì)劃動(dòng)靜不小，歐盟資助該項(xiàng)目約1000萬歐元，由來自6個(gè)歐盟國(guó)家（意大利，西班牙，德國(guó)，希臘，比利時(shí)，瑞典）和1個(gè)歐盟外國(guó)家（摩洛哥）的15個(gè)國(guó)際企業(yè)組成項(xiàng)目聯(lián)盟來實(shí)施；旨在致力于開發(fā)一種具有創(chuàng)新性，經(jīng)濟(jì)上可行且易于復(fù)制的超臨界CO?電站，再加上快速反應(yīng)的電加熱器和高效熱交換器，帶來全新的電站布局設(shè)計(jì)和運(yùn)行理念。如圖3所示：


近年來，西班牙比較有名氣的企業(yè)也準(zhǔn)備采用該技術(shù)投標(biāo)該國(guó)新的光熱發(fā)電項(xiàng)目。經(jīng)查美國(guó)專利中包括日本東芝和美國(guó)企業(yè)也有類似利用風(fēng)電進(jìn)行“電-熱-電”互補(bǔ)的太陽能熱發(fā)電專利，而且已經(jīng)獲得授權(quán)，但與我們的技術(shù)差別還很大，特別是在審查中還曾引用我們的專利做對(duì)照。2013年后我國(guó)很多院校和科研單位也都發(fā)表過相關(guān)論文，均證明了該技術(shù)的可行性。

近來國(guó)內(nèi)很多央企相繼準(zhǔn)備建立包括風(fēng)電、光伏和光熱發(fā)電在內(nèi)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目；同時(shí)國(guó)家能源局也鼓勵(lì)重大創(chuàng)新示范，要求各省級(jí)能源主管部門在確保安全前提下，以需求為導(dǎo)向，優(yōu)先考慮含光熱發(fā)電、氫能制輸儲(chǔ)用，梯級(jí)電站儲(chǔ)能、抽氣蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)能示范的“一體化”項(xiàng)目。因此“電-熱-電”技術(shù)的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)必將凸顯，在未來的可再生能源電站中或?qū)⒊蔀榧夹g(shù)主流。圖片

原標(biāo)題：“電-熱-電”模式中的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)