1.4 不同应用场景对储热系统的技术需求及经济性分析
如前所述，高温储热技术在电力系统中不仅能实现电能替代，还能在清洁替代上发挥其特点和优势，适用于电力系统中许多不同的应用场景，适应全球能源发展的趋势。在不同的具体的应用场景对高温储热系统提出了不同的技术需求（见表1-3），因此需要根据各个场景对高温储热系统的技术需求进行分析，明确储能容量、储热密度、功率等技术指标。此外，对不同应用场景下的经济性分析也是高温储热技术发展的主要关注点。
表1-3 几种典型应用场景对高温储热系统的技术需求
从表1-3中可以看出，不同的应用场景对储能系统在规模、释能时间、循环次数以及响应时间上有不同的技术需求。此外，储热系统还有如储热密度、成本等技术指标，如在用户侧对高温储热技术的技术需求比较注重储热系统的储热密度、使用寿命以及成本等。
高温储热技术作为一种储能方式，可以实现大容量储热，释能时间能达到24h以上，而通过不断地改进技术，也可以在储热密度和使用寿命上达到一个较好的水平，基本上都能满足大多应用场景的技术需求，而且其单位成本目前在各项储热技术中处于一个相对较低的水平，具有广阔的应用前景。
1.4.1 电网调峰、清洁电力消纳中的技术需求分析
在输配电领域，随着国民经济的发展，整个社会对电能需求不断增长，使电网负荷不断地扩大，这加剧了电网供电的峰谷差问题，谷期电力白白地浪费或者电厂机组降低负荷甚至停机，而峰期则不得不采取拉闸限电的方式来抑制峰期用电，导致电力设备的平均利用时间减少，发电机组的效率降低，对电厂和经济效益造成极大的影响，也对电网的安全稳定运行造成危险。因此电网也迫切需要诸如高温储热技术这样的大容量储能技术来实现削峰填谷，解决调峰的问题，提升电网调峰能力，提高电网安全。在用户侧，可利用高温储热技术以热能的形式将谷电（或者太阳能）储存起来以满足用户对不同温度热能的需求（包括工业高温用热、商场大厦采暖、居民采暖等）。在工业高温用热的场合，目前正积极推广电窑炉来替代传统化石能源窑炉，以实现电能替代。同样地，利用高温储热技术也可以以另一种形式对工业窑炉进行节能减排改造。如工业窑炉蓄热式燃烧系统中，一方面可以利用储热材料回收高温烟气的热量，用来预热冷空气，可节省燃料30%左右，另一方面，可以利用高温储热技术将谷电或所需消纳的电能以热能的形式储存起来，用以预热进入炉内的空气。一般来讲，预热温度每提高100℃，理论燃烧温度能提高50℃，这样不仅可以使炉内温度变得均匀，还节省了燃烧的用量。在一般工业用热领域，如食品加工中，用以冲洗、浓缩、干燥一般利用80~240℃的蒸汽或空气，在烟草行业中，用以制丝一般利用150~200℃的高温热源，此外如造纸、木材加工、玻璃加工等行业中也需要100~200℃的蒸汽或者空气用于不同的加工程序。采用高温储热技术可以结合能源梯级利用技术，在高温段满足一般工业用热，在低温段用于集中供暖的场合。此外，居民用电已经随着我国城镇化的进程增长迅速，这一部分的电力消费的增加给电力调峰也带来了很大的难度，通过高温储热技术作为储能手段之一，发展和推广储能式的家用电器，也可减少对化石燃料的消耗，协助电网削峰填谷。电网调峰示意图如图1-8所示。
图1-8 电网调峰示意图
我国目前的电力供应还是主要以火电为主，以火电机组为主的电网调峰手段使系统灵活性不足，调峰裕度有限。在我国“三北”地区，电源结构中火电的比例较大，而热电机组又占火电的比例较大。热电机组多采用“以热定电”的运行模式，即以满足热负荷的需要为主要目标，这造成了热电厂在夜晚用热高峰用电低谷时发电量降不下来，而在白天用热低谷用电高峰时发电量提不上去。在电网峰谷差不断增大的情况下，“以热定电”的运行模式增加了热电机组在电网中的调峰压力。另一方面，“三北”地区的电源结构中，风电的比例也比较大，风电具有典型的反调峰特性，这大大限制了风电的上网。此外，限制风力发电并网消纳的另一个问题是电网调峰容量的大小，在用电处于低负荷时，又恰恰是风电出力最大的时候，加之电网消纳能力有限和供暖季“以热定电”模式进一步钳制有限的风电消纳空间（见图1-9），导致了我国大量弃风现象的出现，白白浪费了风电资源。2020年前三季度，弃风电量约116亿千瓦时，平均弃风率为3.4%，尤其是新疆和甘肃依旧严峻，分别为10.3%和6.4%。采用高温储热技术，打破“以热定电”模式，实现“热电解耦”，提升热电机组的调峰能力，有助于提升可再生能源消纳能力，减少弃风浪费。
图1-9 “以热定电”对弃风的影响
综合以上需求，对储热装置的要求应包括但不限于以下几点：
1）装置可规模化配置，既能满足小型储热要求，也能满足集中式大容量储热系统规模化扩大要求。
2）装置响应速度以满足平抑新能源间歇性波动为主，不宜作为平滑随机性波动使用，速度秒级即可满足要求。
3）对于削峰填谷，由于储热再发电效率不高，功能上以发挥填谷作用为主。
4）电热转化效率高，应高于90%，以提高系统整体能效。
5）热能储存时间长，满足断电不断热的要求。
6）热能输出应稳定，满足工业等稳定用热要求。
7）装置占地面积小，易于安装，安装不受地理条件限制。
8）装置应满足噪声小、无排放特点，适应不同应用场合需求。
对于新能源消纳和削峰填谷需求来说，需要根据就近供热的用户需求和弃风弃光情况、峰谷电价时间等配置合理规模的储热系统，要求储热系统规模可灵活配置；根据客户对热量的需求或使用工况，储热系统需要充分发挥模块化可配置的特点配置不同温度的基本相变蓄热模块，并实现多个（几十甚至上百个）储能模块灵活地串联、并联布置，对这种多个级联方式进行仿真、实验和控制策略研究，开发出不同容量的模块化相变蓄热模块，适用于家庭、写字楼、社区、城镇等不同场合的需求，满足客户所需要的各种热容量。
储热系统的响应速度应以满足平抑间歇性波动为主，满足规模化消纳要求，不宜以平滑随机性快速波动为主要目标。在这方面，从电气角度来看，相变储热系统中的电加热器是一台大功率的电力调功设备，系统的输出功率越高，电功率的输出也就越大。电功率的输出调节采用有级功率调节方式，即采用交流接触器控制，对消纳新能源调度指令的响应时间近似等于交流接触器投切时间（秒级）。
另外，系统的加热控制是对电流的控制，为了减少对电网的冲击影响，采取电加热管组逐级投切方式。各组加热器投切之间的间隔时间为逐级投切间隔时间。每组的功率越大，间隔时间越长。因此，间隔时间根据需要可以任意设定。控制方式采用多级控制，循环投切。即先投者先切，后投者后切，先停的先起动，后停的后起动。这样就可以保证交流接触器的动作次数完全相同，电加热管的工作时间也大致相同。另外，还需通过合理的保温设计，延缓外部释热特性，最大化发挥热能利用效应。通过充分发挥控制的作用及合理的工程设计，稳定热量的输出，保障供热的稳定性。
1.4.2 高温储热技术在不同应用场景中的经济性分析
风电供热供暖与利用谷电进行供热供暖除了需要考虑电力来源不同而存在的电源特性不同外，其在技术路线上大致是一致的，因此将两者结合起来考虑其经济性。此外，目前储热系统在光热发电的成本构成中占15%～20%，包含高温储热系统的太阳能光热电站收益-成本的经济性分析也是进一步发展光热电站的重要基础。
1.4.2.1 清洁电力供热供暖经济性分析
“十三五”期间，各级政府均不同程度地出台了相关配套支持政策，在推进北方地区清洁供暖过程中都发挥了积极作用。
（1）清洁电力供暖供热市场容量
由于京津冀地区的大气污染治理压力最大，因此京津冀成为清洁能源供暖改造最迫切的地区。2017年底，北京供热总面积为8.4亿平方米，其中清洁能源（热电联产、电、燃气、热泵等）供暖面积达到6.6亿平方米，燃煤供暖面积为1.5亿平方米。天津供热总面积为4亿平方米，燃气、地热、热电联产等绿色供热面积占到本市总供热面积的近一半。河北省集中供热总面积约为3.9亿平方米，热电联产供热约占供热总面积的40%，其他大部分为燃煤锅炉供热，面临迫切的清洁能源供暖改造压力。以张家口为例，《河北省张家口市可再生能源示范区发展规划》中要求张家口积极推进风电、太阳能、地热供暖示范项目建设。到2020年，市县主城区可再生能源供暖面积达1600万平方米以上。从以上统计可见，在京津冀地区集中供热的清洁能源供暖改造需求（包括燃煤和热电联产）巨大。此外，由东北、内蒙古、新疆等风电、太阳能资源丰富地区也有较大的供暖改造需求，蓄热电采暖技术有着较大的市场容量和较好的应用前景。
（2）蓄热电采暖的政策分析
1）户用电采暖。
在电价补贴方面，以北京为例，据《关于完善北京农村地区“煤改电”“煤改气”相关政策的意见》政策规定北京农村地区享受“煤改电”补贴政策，补贴后采暖季峰谷电价为0.1元/kWh（见表1-4）。
表1-4 北京市采暖季峰谷电价
在装置补贴方面，以河北为例，针对“煤改电”用户部分地区则实行由四级政府出资补助，省厅补助500元，市政补助500元，另外加上镇级政府和村财政各补贴500元，市民可获得2000元的政策补贴。中心城区及城中村居民家庭改造采用蓄热式电散热器采暖，每户可获得3000元补助。
2）集中电采暖。
针对采用电力采暖的集中供热企业，北京市市政市容管理委员会对供热企业给予燃料补贴，补贴资金由市、区两级财政按照8:2的比例分担。
针对“煤改电”供暖用户，各地政府采用“宜集中则集中，宜分散则分散”原则，因地制宜出台相关政策，促进电采暖合理开展。
以北京市为例，针对采用电力采暖的集中供热企业，《关于完善北京城镇居民“煤改电”“煤改气”相关政策的意见》及相关补充规定中，明确了城镇居民采用空气源、地源、太阳能、燃气、电等清洁能源实施集中供暖的项目，其配套建设的蓄热设施投资计入热源投资，由市政府固定资产投资按一定比例给予支持，其中，采用空气源、地源、太阳能等集中供暖的项目，对其配套蓄热设施投资给予50%的资金支持，采用燃气和电能集中供暖的项目，对其配套蓄热设施投资给予30%的资金支持。
以“煤改电”集中式电采暖使用比例最高的山东为例，《青岛市推进农村清洁取暖实施方案》中指出，以社区为单位实施区域集中供热的可再生能源取暖、多能互补取暖等清洁取暖工程项目，依据建设项目的评估可供热面积，市级财政按照22元/平方米且每户不高于1540元的标准一次性奖补区（市）。
针对集中电力采暖的供热企业用电，通过华北集中电采暖用户与东北低谷富余风电直接交易试点，促成京津冀地区的集中电采暖企业购买东北廉价风电作为电源。其中以北京韩村河电采暖项目和石景山莲花河两个项目为例，向东北某风电场直接购电，用电成本为0.23元/千瓦时（含过网费），比一般工商业用电低谷电价低0.14元/千瓦时。
由此可见，在政策的支持下，电采暖具有一定的优势。
（3）不同蓄热电采暖技术方案
蓄热电采暖的技术方案主要包括小型蓄热式电暖器、小型家庭式蓄热电锅炉、大型集中式蓄热电锅炉，其中，小型蓄热式电暖器、小型家庭式蓄热电锅炉主要应用于家庭小型用户，大型集中式蓄热电锅炉主要应用于集中供暖的社区用户。
1）小型蓄热式电暖器。
小型蓄热式电暖器适用于楼房用户，或者无暖气管道的独栋建筑用户，尤其是距离市政热力管网较远的独立住户，南方无集中供暖但有供暖需求的地区等。与电热油汀、冷暖空调等电采暖设备不同的是，小型蓄热式电暖器采用蓄热技术，利用21时到次日早晨6时电价谷段时段，将低谷电以热能形式进行储存和释放，满足24h供暖需求。
2）小型家庭式蓄热电锅炉。
与小型蓄热式电暖器相比，运行模式基本相同，但小型家庭式蓄热电锅炉设备成本高、投资回收期长，因此，在市场应用中可优先采用小型蓄热式电暖器。
3）大型集中式蓄热电锅炉。
大型集中式蓄热电锅炉适用于工业园区、工业企业或者居民社区、学校供暖，利用谷电或者弃风电制热并利用储热材料储热，热能平稳地输出以满足供暖需求，装置可以直接在10~66kV的电压等级下工作，蓄热能力可以达到百兆瓦时，可以为上万平方米的用户供热。设备将夜晚电网的低价电或弃风电转换成热能储存起来，根据不同需求通过交换装置，将储存的热能转换成热水、热风、蒸汽用于大面积城市供暖及工业热源或在用电高峰时段发电馈送到电网，实现了大功率和超大功率电能储存高峰，可以有效地缓解电网峰谷矛盾。
电蓄热技术相比燃煤锅炉等初始投资较大，投资包含蓄热电锅炉设备、10kV以下配电设备、低压配电设备等，且较燃煤锅炉运行费用高。在目前煤炭价格水平及充分利用低谷电价的条件下，蓄热电锅炉与燃煤锅炉相比，不具有经济优势，与燃气锅炉相比有一定的优势。需要特殊电价政策，以降低电锅炉运行费用，更好地发挥节能减排优势。
1.4.2.2 光热电站高温储热技术经济性分析
光热电站的储热系统主要包括：高低温熔盐罐、储热材料（熔融盐）、熔融盐循环泵、熔融盐三级换热系统、总控系统等设备以及其相应的辅助设施、土建设施等。对于储热系统的投资成本大小主要受储热时间的长短的影响。储热系统的单位成本为768美元/kW，其中熔融盐的投资成本将近占储热系统投资成本的一半，是储热系统投资的主要部分。而在我国内蒙古自治区鄂尔多斯地区某50MW带4h储热的槽式光热电站的储热系统占总投资的11%，储热系统的单位成本为3500元/kW。而塔式的投资成本与槽式有一定的差异，由于塔式的运行温度比槽式的运行温度要高，其储热的投资成本要比槽式低。在南非某100MW带15h储热的塔式电站，其储热系统的投资占总投资的10%。
总体上，带储热系统的光热电站的平均化电力成本比同形式下的不带储热系统的光热电站要小。但是储热系统容量的大小不是越大越好，更大的储热系统容量会增大初始投资，需要进行储热系统容量最优化设计。