储能在煤改电中的应用

黄承荣 黄子龙

摘要：自18世纪进入工业革命以来，中国形成了以煤、石油、天然气等化石能源为主的能源消费格局。其中，供热项目消耗的能源主要靠煤炭。为了节约能源和保护环境，中国实行城市集中供热。主要方式有热电联产集中供热和区域锅炉集中供热。由于集中供热管网的辐射范围有限，郊区、城镇和农村供热用的小型燃煤锅炉和散煤较多。煤炭在燃烧过程中会产生CO2、SO2、粉尘等温室气体，是某些地区形成重污染天气的重要原因之一。

关键词：储能;煤改电;电网峰谷差

指出了中国北方冬季取暖能源以燃煤为主，主要方式有三种：热电联产集中供暖，区域锅炉集中供暖，户内分散采暖。为了保护环境，改善空气质量，国家八部委联合下发《推进电能替代指导意见》，积极在北方推进“煤改电”清洁取暖。对“煤改电”工程耦合储能系统进行了分析，结果表明：不仅可以提高系统可靠性，而且可以降低系统运行成本。可见，储能在“煤改电”中的应用应受到重视，其商业推广将日益广泛。

一、储热技术

储能技术在我国发展已经比较成熟了，大致可以分为四类：（1）抽水储能;（2）储热;（3）电化学储能;（4）机械储能。由于供暖主要涉及热能应用，主要讨论储热技术。储热的具体原理是利用其他形式能量转换为热能，并通过特定的蓄热介质将热能在保温良好的条件下储存起来，当需要利用时再通过换热把所储存的热量提取出来加以利用。储热，根据蓄热介质的状态可以分为显热储能和相变储能。相变材料储热具有较大的储能密度，因而发展潜力更大。由于材料成本和配套设备的限制，目前储热市场仍然以显热储能为主。随着新型储热材料的研发应用和配套设备制造工艺的提升，储热技术应用的成本逐年下降，越来越多商业化工程应用得到推广。根据能源品位划分，储热可以归纳为3个梯度：①高品位能源（≥1000℃）;②中品位能源（160～550℃）;③低品位能源（0～160℃）。供暖热源的温度范围一般在50～120℃，从能量品位层次划分来看，属于低品位能源。由于供暖所需能源品位要求不高，可利用的能源很广泛。

二、“煤改电”的概况

电供暖是指直接利用电力向用户供暖，是一种安全、清洁、舒适的取暖方式。以电代煤实质是一种能源消费方式的转变。以电能替代煤炭等传统化石能源，有助于推动能源结构绿色转型，加快清洁能源开发利用，提高可再生能源消纳能力，促进我国能源可持续发展。“煤改电”可以从根本上转变北方供暖过度依赖燃煤的传统热力发展方式，在源头控制大气污染，缓解环境污染压力，推动社会节能减排，满足经济、社会、环境协调发展的需求。北京是我国率先实施“煤改电”的试点城市。北京累计完成58.25万户“煤改电”工程，减少散煤燃烧180万t/年，减排CO2 468万t/年、SO2 4.34万t/年、NOx1.24万t/年，具有良好的环保效益。在试点城市取得成功经验之后，国家政府将北方地区冬季清洁取暖试点扩展至京津冀及周边地区，囊括了 大气污染传输通道“2+26”城市，并出台了一系列支持政策。電供暖具有多种实现形式，例如电锅炉、发热电缆、电热膜以及各种电驱动热泵等。我国北方大力推进“煤改电”清洁供暖，在取得了一定的成绩的同时，也存在着一些问题。（1）设备安装条件限制。“煤改电”工程主要针对是城市集中热力管网辐射不到的城郊或者农村地区。以上地区公共基础设施相对落后，由于工程实际需要，“煤改电”的相关设备，例如空气源热泵、变压器很多情况下需要安装在胡同内、马路边、街巷等地，施工难度大，难以做到整体规划。（2）电力负荷不匹配。“煤改电”会造成在局部区域电力需求量出现剧增，原有配电网设计与新增电力需求负荷不匹配。电力增容工程需要繁杂的办理手续，而且电力基础设施投资使得整体工程造价成本大幅提高。（3）取暖成本较高。在当前主要的取暖方式中，燃煤供暖是最廉价的。在“煤改电”试点前期，在一些政策补贴的推动下，不少用户采购了直热电锅炉、蓄热电锅炉进行冬季取暖，后来因为承担不起昂贵的电费成本不得不选择了放弃，散煤取暖卷土重来。空气源热泵有“大自然能量的搬运工”的美誉，具备节能环保、操作简单、维护方便等显著优点，是实现北方“煤改电”的主要途径之一。然而，空气源热泵在运行过程会产生较大的噪音，对住宅小区产生噪音污染。

三、带储能的清洁供暖系统

某省是《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》中清洁供暖改造的重点省份，“2+26”城市中某省占了7个。在“宜气则气，宜电则电”、“新旧动能转换”等政策推动下，省在城郊以及乡镇街道开展了一系列“煤改电”工程。以某市某“煤改电”工程为例，简单阐述一下储热在“煤改电”供暖领域的应用。原来的工程项目采用空气源热泵对小区燃煤锅炉进行“煤改电”清洁供暖改造。小区供暖面积7.2万m2，采用25台额定制热量140 kW空气源热泵低温机组进行供暖。系统主要设备配置及工艺流程简图如图1所示。

某市属于北温带季风区，四季的气温分布分明，1月份为全年的最冷月，日均最低温达到-8℃。工程投入使用第一年的供暖季，空气源热泵在极端严寒天气出现部分机组结霜严重，能效降低，甚至停机保护的情况，用户室内温度达不到供暖指标要求。第二年，为了保障供暖效果，对空气源热泵采暖系统进行了升级改造，增加了储能系统。储能系统由热池模块和换热模块组成。热池模块包含了热池罐、缓冲罐、电加热器以及特种储热材料“骆驼二号”。“骆驼二号”的设计储热温度在60～130℃，化学性质稳定，无腐蚀，损耗率小，使用寿命周期长，是一种高品质的传热、储热材料。储热包含了热能储存和热能转换两个过程。热能储存：谷电时段，利用电加热器加热热池罐中“骆驼二号”，将电能转化为热能储存。热能转换：在峰电时段或者空气源热泵出力不足的情况，“骆驼二号”与供暖管道中的循环水进行换热，将储存的热能传递到供暖循环水中，再通过给水泵输送到用户末端进行供暖。增加储能模块之后，上述“煤改电”清洁供暖系统的运行可靠性提高，即使在极端寒冷天气依然能够通过延长储能系统的运行时间使得用户室内温度维持在18±2℃。在个别空气源热泵机组出现停机保护时，还可以启动电加热进行直接热量补充。此外，储能系统可以跟随供暖系统总热负荷随机性和波动性的特点，灵活调节储存热能的总量，以及合理控制储存热能的换热，充分利用“峰谷电价”杠杆最大化能源利用的经济效益。当地峰谷电价比为4.12∶1，通过储热不仅可以削峰填谷，利于调节当地电力供应负荷平衡，提高能源利用效率，还能降低供暖系统的电费成本。根据供暖系统改造前后2年的运维数据统计，增加储能模块之后，供暖季谷电利用占比由原来的32.6%提升到了44.0%，单位面积能耗增加了4.5%，单位面积电费降低了14.2%。

总之，电能替代是我国能源消费结构转型升级的关键一环。电是二次能源，也是一种清洁、零排放、高品质的绿色能源。从这个意义上来说，“煤改电”清洁供暖低碳环保毋庸置疑。“煤改电”耦合储能的清洁供暖系统，不仅能够提高系统的安全可靠性，削峰填谷，提高电网效率，还能利用“峰谷”电价杠杆降低运行成本。储能在“煤改电”清洁供暖工程发挥着不可替代的作用，具有显著的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]刘敏.关于储能在煤改电中的应用.2019.

[2]王东平.探讨储能在煤改电中的应用.2020.

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