11月23日，北京兆阳光热技术有限公司（简称兆阳光热）经理王芳出席了由ESPLAZA长时储能网、国家储能技术产教融合创新平台（华北电力大学）共同主办的2023首届中国长时储能大会，并作主题报告《兆阳固体储热技术在长时储能领域的显著优势》。

王芳本次报告分为长时储能产业发展现状、耐高温固体储热技术应用场景分析、兆阳光热高温固体储热技术的特点三个部分。

▲兆阳光热经理王芳

一、长时储能产业发展现状

储能技术为什么成为刚需？

众所周知，双碳目标是新能源电力体系近年来快速发展的一个推手，这个推手导致了什么结果呢？王芳表示，观察2022年各种类型的发电装机占比，可以看出火电已经被压缩了将近一半的水平，这就导致了新能源电力发展过程中一个不好的现象——大规模弃电。

一组数据显示，2023年1月-9月，全国风电弃电率约2.9%，光伏弃电率约1.7%峰值。数据表明，新疆9月风电弃电约10.9%，西藏光伏弃电14.7%。从弃电量来看，总装机量为1821.1万千瓦的青海光伏弃电10.3%，也就是每小时弃电约187万千瓦时，这个弃电量是非常巨大的。

我国电力发展的基本要求是构建以新能源为主体的新型电力系统，统筹煤电发展和保供调峰，严控煤电装机规模，要求火电站具有20%的深度调峰能力。而观察光伏和风电冬夏两季的日出力曲线，可以看出分别呈现尖峰的抛物线的趋势和波浪式的趋势，表明这两种能源都具有间歇性和不稳定性。由于光伏和风电这种不稳定能源电力的大力发展，今年5月份我国甚至还出现了负电价的产生，这是从未有过的现象。

我们需要什么样的储能技术？

王芳认为，短时的储能并不能解决上述新型电力的大规模弃风弃电现象，长时储能技术相对安全，可以平衡光伏和风电等不稳定的电力输出，且可以得到大规模的发展。

普遍情况下，充放电时间超过6小时的储能称之为长时储能。观察全球范围内储能装机情况，可以看出我国的储能装机领先于世界范围内其他国家，王芳指出，该成果证明储能技术在中国的生存和发展市场是很广阔的。

王芳介绍，从近20年来的储能技术文章和专利的数量分布来看，储热或者是储冷的专利和文章占比在40%左右。相关数据显示，全球能源预算中90%的能源也是围绕热能的转换、传输和存储进行的。受到热力学定律的约束，热能是重要的中间产物和副产物，存在大量的热能可以被利用。因此储热技术是最安全、最经济、最高效的城市储能技术。

王芳表示，显热储热技术成熟、操作简单，仍是目前应用最广泛的储热方式之一。显热储热按照材料的物态可分为固态和液态。常见的固态相变材料包含混凝土、镁砖、鹅卵石等。常见的液态显热材料包括水、导热油、液态金属和熔融盐等。不同的储热材料对应不同的储热方式，而不同储热方式的有着各自的特点：

王芳指出，耐高温固体储热具有运行安全、运维成本低且生产环境无污染的优点，是目前需要大力发展的储热技术之一。

二、耐高温固体储热技术的应用场景及案例分析

王芳介绍，耐高温固体储热和熔盐储热一样，可以进行蒸汽存储和谷电存储，例如火电站汽轮机的抽气、聚光集热系统的蒸汽、谷电或弃电都可以被利用。输出的蒸汽、油、热水等可以用于发电、酒店和医院等消毒、商业楼宇和酒店供暖及工业热水和小区的冬季供暖等场景。

1.蒸汽蓄热运行原理及经济性分析

储耐高温固体储热技术存蒸汽、输出蒸汽系统的运行原理是将聚光集热系统或者是其他热力电站的一些蒸汽，输送到固体储热体里边，固体储热分为多个模块，设置多个模块的目的能够同时拥有储热和取热两种功能。

这幅图中，左边的4个模块正在进行储热，右边的两个模块在进行取热。

王芳介绍，设置一个算例，储热容量大概452MWh，储热时长是24h，输入蒸汽的时长是8h，输入的蒸汽参数是7.5MPa，290℃，输出的蒸汽参数是1MPa，180℃，每天产生的蒸汽量是600t，占地面积大概是1500平方米。

在什么样的条件下才能采用或更适合采用这套系统，使这套系统有较好的经济性。王芳指出，上图展现固定蒸汽原价格在200元/蒸吨的情况下，不同的出售蒸汽价格对应的静态回收期。可以看到，在高于240元/蒸吨的时候，静态回收期可以在6年以内。固定出售蒸汽的价格为300元/蒸吨时，在250元/蒸吨的蒸汽原价格的情况下，可以做到6年的静态回收期。如果回收的蒸汽价格和售出的蒸汽价格差在60元以上，就可以保持静态回收期在6年以内的水平。

2.电蓄热运行原理及经济性分析

王芳介绍，耐高温固体储热技术利用电蓄热与利用蒸汽蓄热类似，只不过储存的是一些谷电或弃电。但设备的应用场景会受到两方面的限制：

（1）用弃电或者谷电，首先这个应用的场景得有一个比较大的电容。如果为了采用这个设备再去扩容，成本是一般用户难以承受的。

（2）能拿到一个什么样的谷电或者是弃电价格，参考网上的2023年9月份各省市的平价、谷价，还有一些尖峰电价。

观察上图可知，南方各省份的电价相对于北方来说，峰值电价更高一些。谷电和风电的价差也会高一些。这就导致南北方运行电蓄热系统投入成本是有所差别的。

王芳指出，耐高温固体储热技术利用电蓄热的经济性可以从两方面进行分析。

一是采用电蓄热生产蒸汽的算例，蓄热时长为8h，储热容量是306MWh，储热时长是24h，入口水温15℃，输出蒸汽参数1MPa,180℃，每天的输出也是蒸汽量600t，一天的耗电量大概是45.9万KWh，占地面积是800㎡。这个算法中相对于天然气的年减碳量大概在31430t。

在这个算法下，设置三档谷电价格，分别是0.3元/度、0.32元/度和0.35元/度，观察不同的蒸汽售价对应的静态回收期：谷电价格在0.35元/度时，如果想要做到6年的回收期，售价就得高于310元/蒸吨；谷电价格在0.32元/度的情况下，如果想做到6年回收期，大概的蒸汽售价需285元/蒸吨的水平；谷电价格在0.3元/度时，280元/蒸吨以上的价格，可以做到5年回收期。

二是采用谷电蓄热，再进行蒸汽轮机发电。这个算例也要做一个假设，假设汽轮发电机是原有的设备，参与到原有的系统里，电加热的时长是8h，储热容量是770MWh，发电时长是6h。只在早高峰或者是晚高峰进行高峰电力输出或者是尖峰电价的电力输出，汽轮发电机的效率是41%，一年的发电量大概是1.08亿度，占地面积是800㎡。

王芳将同样将谷电价格划分为三档：0.15元/度、0.2元/度和0.3元/度。首先在最高0.3元/度价格的情况下，如果想要做到8年以内的静态回收期，售电价格就要在0.95元/度以上；谷电价格在0.2元/度的时候，要想做到8年以内的回收期，售电价格在0.7元/度以上就可以；谷电价格在0.15元/度的时候，如果是0.7元/度的售电电价，静态回收期大概是4年左右。

王芳介绍，兆阳光热在张家口的15MW光热电站建设了一个720MWh的混凝土固体储热，这是全球范围内第一个大容量的商业化混凝土储热体，采用菲涅尔式聚光技术、直接蒸汽发生技术（DSG）以及耐热混凝土储热技术，储热时长为14小时。该应用实例进行了一系列性能测试及试运，测试结果满足系统的设计要求，储取热性能满足设计要求。

三、兆阳高温固体储热技术特点

王芳介绍，兆阳高温固体储热技术具有传热工质和蓄热介质安全经济、装机规模相对较大、使用寿命长、建设周期短、安全性高、响应速度快、环境友好、全天候热力供应保障能力强、经济性优等特点。

1.从系统基本结构型式来看

兆阳固体储热系统通常由多个混凝土储热单元组合而成，单元结构包括换热管、匹配及热扩散结构、混凝土储热体及外部保温层，标准截面上均匀布置用于热交换的换热管路，换热管路与混凝土储热体之间通过兆阳专利技术的高导热性能的匹配及热扩散结构相连，在达到储放过程换热功率的同时，又能有效解决金属管路与储热混凝土之间的涨缩尺寸匹配问题，从而实现该固体储热系统的长期安全可靠工作，具有低成本高性能的显著优势。

图：720MWh项目的结构图，里边有几万吨的管束

储热体每天高温变化情况下，能够承受住吗？是否会开裂或者粉化？

王芳解释到，该储热体分为很多层，以最上层的储热体为例：当最上层的储热体储满时，温度可以达到450℃；当储热结束时，它的温度是410℃。每一次热循环的温度交变也就是40℃，40℃的温度差相当于常见混凝土住宅每天的温度变化，所以并不用担心安全性能上的问题。

2.从原料和施工过程来看

王芳指出，该系统的原料来源朴素简单，主要是水泥、沙子、石子和一些专有配方的耐高温添加剂，具有来源广泛且成本低的特点。

王芳介绍了一号电站储热体的施工过程，该系统是采用现场浇筑的方式来进行建设的：

兆阳光热固体储热系统建设过程可模块化生产，现场拼装焊接，建设周期在1年内，建设周期短，且混凝土储能系统的制造和运行对环境不产生任何污染。

3.从储热混凝土的热性能测试及热学、力学性能指标检测来看

王芳介绍，热物性由专业机构使用进口高品质热物性测试仪器进行测试，结果表明：兆阳光热专利配方储热混凝土在常温下综合导热系数＞2.2W/（m.K），350℃下的综合导热系数＞1.6W/（m.K），导热性能优良。该性能指标混凝土的综合成本较低，完全满足光热发电储热要求。

王芳指出，在500℃的时候，配方混凝土的比热容可以达到1.105kJ/（kg·K），抗压强度随着循环次数的增加，也是逐渐趋于稳定的状态，蓄热介质安全经济，获得了第三方权威监测报告点的认可。

4.从单根管路储热、取热测试及设备运维来看

王芳介绍了在上述一号电站的储热体做的一个实验，目的是验证储、取热性能。理论温差10℃，蒸发段换热系数的单位长度理论设计取热功率是100W/m；实际测量值是98.76W/m，偏差＜2%。证明混凝土储热体系从工艺性能和造价等方面，都满足了设计要求。

王芳指出，在最后的设备运维环节，运维人员数量要求比较少，储热体可以实现远程智能巡查，大大减少了人工成本；类似常规火电站的设备，检修和更换的费用相对较低，且水工质常年都在5℃以上，无需防凝；对运维人员的能力要求也不高，常规火电站运维人员即可，无需特殊的能力和经验要求。