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宋文吉:新型冰浆蓄冷技术在用户侧储能及电力需求响应的应用实践

作者:mg娱乐手机版网新闻中心 来源:mg娱乐手机版网 发布时间:2021-06-11 浏览:
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mg娱乐手机版网讯:5月24日,由中国化学与物理电源行业协会主办,200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。此次大会主题是“坚守储能安全底线,推动产业创新发展”。来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的718家产业链企业,1952位嘉宾参加了本届大会,其中88家企业展示了储能产品。

在5月26日下午的“新型储能技术及应用”专场,中国科学院广州能源研究所储能技术研究室副主任、研究员宋文吉分享了主题报告《新型冰浆蓄冷技术在用户侧储能及电力需求响应的应用实践》。经演讲人本人授权同意,小编整理了演讲速记,并将速记内容分享如下:

宋文吉:谢谢江总的介绍,也感谢大会的邀请!我听了三天,前面绝大多数都是讲电化学储能,今天我带来了一个物理储能的技术和大家分享。

主要从以下四方面向大家做汇报,首先,汇报一下蓄冷技术应用的技术场景及其重要性。

在城市里用电高峰期的负荷,空调的用电占了非常大的比例,有人说是30%,有人说是40%,甚至有的专家说是50%,但是我觉得这可能还是和应用场景的,如果在CBD这样的情景下,这个区域里因空调产生的电力峰值占比60%都有可能。制冷空调不仅会在夏天导致电力负荷的增长,空调冬天也可以制热,所以从发展的眼光来看,夏天制冷,冬天制热,空调对电力负荷的影响是全年的。因此,我们要重视空调对电力负荷的影响,如果不重视,反馈到发电侧,有可能会直接影响到电力的供应和可再生能源的消纳。

(图示)右边这张图是日本从上世纪80年代-90年代逐年用电负荷以日为单位的峰谷差演变情况。这个情况基本上和我们现在国内大城市的演变情况是差不多的。不管是城镇化也好,还是气候变暖也好,都会导致空调负荷越来越大,出现以天为周期的峰谷差的波动越来越大。随着以新能源为主体的新型电力系统的建设进程,我们觉得对储能技术的要求会更加全面,要在源侧、网侧、荷侧以及分布式侧配合不同的储能手段。

举个例子,因为我们单位在广州,广州有一个CBD,就是珠江新城,以它的核心区为例,前40个大型建筑的中央空调用电负荷大概有106MW,大概是什么量级?相当于广州从化抽水蓄能电站容量的1/20。所以说,珠江新城集中供冷系统采用冰蓄冷,约60MW电力负荷调节能力,使得制冷机的装机容量减少一半,不仅可以大幅降低峰谷差,还减少了制冷剂的使用量,系统综合运行的能效大幅提高。有了蓄冷和没有蓄冷前后对比,可以发现,我们可以通过蓄冷这种方式来削减因为空调制冷而产生的用电高峰。

目前,从技术上来讲,蓄冷应该是应用比较广泛的储能调峰技术。大家听的比较少,我个人觉得有几个原因:第一,电化学储能宣传的太到位了,连普通老百姓都知道。第二,蓄冷技术比较低调,没有向国家要政策,但是随着现在的发展趋势,很多像IEA等国际组织,已经连续发布了几个关于制冷相关的产业预测报告,和制冷相关的就会强调蓄冷,所以国际可再生能源署,到2030年,全球蓄冷容量会达到26GWh。

关于蓄冷调峰技术应用的领域,因为它要和制冷结合起来,所以我们说大型的制冷系统里都可以用蓄冷,就涵盖了以下这些(图示),大概分类可以分为:第一,建筑空间的冷却。包括各种中央空调系统,也包括体育场馆等等?;褂芯褪谴笮颓蚬├?,比如说大学城、CBD、全国地铁等?;褂幸桓龊艽蟮谋壤枪ひ道锖芏嗟某Х渴切枰阄潞闶?,空调里的能耗也占很大的比例。第二,食品冷冻冷藏及冷链。第三,生产过程中的工艺冷却,工艺冷却包括了数据中心,还有其他的一些应用。

第二部分,蓄冷与储能的技术对比。

对储电来说,电进电出,用起来很方便,所以大家都喜欢做这种东西,对于我们在空调这个应用场景里,电是变成冷,最后用户用的是冷,所以我们的思路是要从用户的角度来看这个事情,到底是储电好,还是储冷好,所以我们就做了一个从终端热效率,实际上就是用冷的效率角度来讲做了一个对比:先储电,储电的效率按照80%算,制冷的机组有一个转换的效率,最后得到一个最终的效率,大概是240%。如果以终端用冷用热的角度来看,它的效率是要比储电的效率要高,所以我们觉得蓄冷是中央空调这个领域里非常好的一个技术,蓄冷比蓄电要划得来。

我举个例子,以液流电池为例做了一个对比,为什么以液流电池为例,因为我们这个系统在运行的时候和液流电池是一样的,制冰的系统相当于液流电池的电堆,槽就相当于液流电池的罐。目前我们蓄冷的成本大概是350元,和电池比还是有成本上的优势。而且,我们看下面这张图可以看的很清楚,我们这里实际上都是一些传统的上下游产业非常成熟的,无论是制冷的系统,我们的材料是水,整个系统里规?;院?,成本下降的空间还是很大的。

第三个层面,我想说蓄冷在用户侧调峰里有储电的一些不可替代的优势,我大概总结了三方面:第一个方面,成本低、效率高。从效率来讲,我在放冷的过程,和主机有一个协同作用,就像混合动力车一样,放冷可以非常灵活的调节,可以使制冷主机的效率可以在很高的效率区间来运行。第二个方面,功率和能量调节范围很宽,适应性好。第三,环保。任何制冷系统都要用制冷剂,目前我们国内氟利昂替代的步伐相对比较慢,以R22为代表的氟利昂还是在逐步淘汰的过程中,所以我们用了蓄冷储能系统之后,可以减少制冷机组的使用,一定程度上可以减少氟利昂的使用。

第三部分,蓄冷储能技术的发展趋势。

(图示)这是国际可再生能源署2020年的报告,提到不管是在区域用能领域,还是建筑用能领域,以冰为介质的方式是一个主流方式。目前我们国内做蓄冷的大概经历了从90年代的示范验证,到现在基本上有一个比较好的应用场景。比如说在江浙沪、珠三角等地区已经有很多的实际工程在用,相关的品牌也有,比如说杭州的源牌,就是比较早从事这方面技术的龙头企业。从技术上来讲,国内的蓄冷技术和日本、美国、欧洲大概处于并跑的阶段,属于第一梯队。

(图示)从细分的技术上来讲,分为三代:第一代,80年代开始的冰球,可以是金属球,也可以是塑料球,把材料放在里面,然后冻住。第二代是盘管,泡在池子里,让冰在管子外面结冰。第三代,流态化冰浆。目前处于第二代和第三代同时并存的状态。

(图示)既然是讲在用户侧做负荷响应,那么一方面是要关注蓄冷的过程,另一方面是要关注放冷的过程,因为放冷的过程也是削峰的过程,所以它放冷的特性是怎么样,就可以决定了它可以削峰的性能是怎么样的。这里,我就单独把这块列出来了,冰浆放冷的能力可以是蓄冷能力的4倍以上,这个特点就可以实现电力调峰的快速响应。

它的基本原理,简单说一下,就是怎么把冰浆做出来,用水做出冰来。这里面核心的技术利用的是水过冷的特性,基于过冷的原理把它工程化实现,就可以制出冰浆来。

从系统上来说,制冷主机是现有的,只需要增加制冰机、蓄冷装置和放冷装置,这样就可以完成对既有制冷系统的改造,当然也可以新建。我稍微做一个类比,类比电化学储能,这种冰浆蓄冷可以实现功率和容量的解耦,也可以实现蓄冷功率和放冷功率的解耦。液流电池实际上放电的时候也要用同一个电堆,充电功率和放电功率差不多,我们这个可以说我们把这个放热器做的更大一点,放冷的功率会更快。

(图示)这是我们的案例。2019年时,我们的技术被评为“新中国成立70周年暖通空调与制冷行业70项创新成果”。

如果蓄冷要参与到用户侧响应的话,还是要有一些和数据相关的,所以我们在这方面也有一些经验,比如说蓄冷的设施,现在可以做地上的蓄冷槽,也可放在地下。也可以把整个系统相关的参数采集出来,可以对它进行一些远程监控等等。

在这个基础上,我们现在觉得如果我要实现跨季节的蓄冷,现在比较少,但是从长远来看,它有一定的前景。但是跨季节蓄冷就要解决怎么能够比较便宜的获得冷量,所以我们想在冬冷夏热的地区,冬天用这种技术供热,同时得到免费的冰,把冰存储起来,夏天用来供冷。这里有一个技术叫冰源热泵技术,可以跨季节储冷。以青岛的气候为例,采用冰源热泵技术为10万平方建筑进行分布式供暖,大概需要10万立方的水池,就可以把过程中的冰存储起来。这个水池跨季节存储的冷量如果在夏天去替代电能,大概可以折合1.4GWh的电能,这是我们现在初步在做事情。

跨季节蓄冷是一个GWh的储能技术,对跨季节蓄冷来讲,从功能实现上,可能会难度更小一点,有前面跨季节蓄热的很多工程案例在走着,也验证了跨季节蓄冷的可能性。随着经济发展到一定程度,对冷的需求越来越大的情况下,跨季节蓄冷是值得期待的。

第四部分,新形势下大规模蓄冷技术的思考。

因为我们以前做的时候,很简单,就是左下角这张图,我就是利用工业电价的分时电价政策,晚上电价便宜,就用低谷电蓄能,高峰时段的时候就放冷来替代智能主机,减少电能负荷,这样峰谷差是3:1。在这样的情况下,我们现在蓄冷的事情已经是走通了商业模式的,像华南地区空调季8个月,基本上是2年多,可能长三角因为空调季相对短一点,时间就会长一点。但是随着技术的发展,以新能源为主体的新型电力系统,源侧也在变,峰谷的趋势可能也在变了,那么我们这时候蓄冷可能就要以新的价格机制来参与响应,这个可能就要基于实时电价的用电政策,来依托蓄冷技术,和大数据、优化算法一起来构建动态的响应策略,实现用户侧的规?;苫蛘呦煊?。

这是我们针对“十四五”的时候,现在我们也在向上提关于储冷的技术建议,希望在“十四五”期间,在用户侧,支撑以新能源为主体的新型电力系统建设,支持可再生能源大规模接入和全额消纳。站在国家角度,促进蓄冷储能产业的健康发展,提升核心竞争力,虽然我们是在第一梯队,但是这个行业的技术进步是比较慢的,所以我们希望得到一些国家项目上、政策上的资助,促进我们技术的发展。我们提出构建“源-荷智能互动、绿电规?;?、电-冷高效转化、冷量高效利用”的新一代用户侧大规模储冷技术。

(图示)具体上来讲,我们在蓄冷的过程中还存在能耗、效率和稳定性方面的问题,从这张图上可以看出,目前是处于一代的水平上,已经是国际先进水平了,目前我们正在做二代,希望能够达到国际领先的水平。

(图示)第二,从应用的角度来讲,我们想直接把制冷系统和制冰系统集成在一起,这样从工程的角度来讲,更加集成化、??榛痛笮突?,实施的角度来讲更加便利。

第三,怎么更好地去参与,无论是负荷侧的需求响应也好,还是虚拟电厂也好,因为终端用能就是电冷热,我们觉得在用户侧来讲是一个非常好的机遇,所以从我们自身来讲,要主动往这方面来靠,我们自己要做一些什么工作。

最后,简单总结一下。我国在“30/60双碳”目标的驱动下,开展以新型为主体的新型电力系统建设,在源网荷等各环节都需要新型储能技术的有力支撑。新型冰浆蓄冷技术是用户侧的高效储能技术,可以有效聚合和调节制冷空调领域的电力需求,以分布式储能的方式来支撑新型电力系统的建设和运行。

以上是我的分享,谢谢!

关键字:蓄冷 用户侧储能

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