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储能产业初步研究(六)——储能产业补充技术的发展趋势(热、氢)

来源:BR0.10型板式换热器    发布时间:2024-03-01 21:18:32

  学习和研究二十大报告时,“科技”成为了频次明显提升的热词之一,“制造业高端化、智能化、绿色化发展”成为了建设现代化产业体系的发展方向。

  而对比报告审阅版本和最终版本,惊讶地发现最大变化落在了“新能源”,最终版本的报告在对“战略性新兴起的产业”过往成就回顾时加上了“新能源技术”,确实回顾过往十年,新能源技术成为了我们发展的底气之一。

  因此,我们也将目光聚集到了这一领域,而储能作为行业关键的一环,咱们进行了初步的探索。之后,我们将从储能产业高质量发展的背景、现状技术和鼓励发展的技术等角度进行分享。

  在储能产业的发展背景和产业高质量发展现状的研究基础上,文章将从其他更多的技术方向探索储能产业,前面重点介绍了钠离子电池、液流电池、固态电池、压缩空气电池和飞轮储能,这次重点涉及的是热储能和氢储能。

  热储能技术是以储热材料为媒介,将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等或者将电能转换为热能储存起来,在需要的时候释放,以解决由于时间、空间或强度上的热能供给与需求间不匹配所带来的问题,最大限度地提高总系统的能源利用率。

  在实际生活中,绝大多数能量是需要经过热能的形式和环节被转化和利用的,因此储热技术的应用最早也最为普遍,但却主要局限在低品位热能的储存和利用上。

  随着太阳能热发电等可再次生产的能源的推广应用和对工业余热高效回收利用愈发重视,尤其考虑到余热资源利用比例不足50%,有较大的提升空间,高品位储能技术具有强大的市场潜力和使用场景,因此低成本、高储热密度、高循环稳定性、长周期存储成为了储热技术的主要发展方向。

  目前,根据储热原理的不同,储热技术可分为显热储热、相变储热和热化学储热三类,尤其后两者中的高温材料的研发和改进具有较大潜力,各种混合盐类因其可以在中高温环境下通过调节配比调节熔融温度或反应温度而成为了研究的主要着力点。

  显热储热是利用材料本身在温度上升(或降低)时吸收(或放出)热量的性质来实现储热目的,是目前应用最广泛的储热方式之一。显热储热材料大致上可以分为液体和固体,如水、熔盐、卵石等。

  相变储热是利用材料晶型发生改变中有热量的吸收和释放这一性质来进行储热,主要依赖于固-液相变,其余的转换面临成本和工程难度的调整。相变材料可大致分为分为无机、有机及复合,主要如水合盐、石蜡等。

  热化学储热是利用可逆化学反应原理,通过热能与化学能的转换来储热。材料按温度区间可分为低温和中高温热化学材料,低温的以水合盐为主,中高温的包括金属氢化物、氧化物、碳酸盐等。

  相对电化学储能领域来说,储热领域的玩家相对较少,具有一定规模的有国家电投和上海电气。

  国家电投:储热研发技术方向已涉及水储热、相变储热、固体储热、熔盐储热等多种路径,并建成了宝之谷国际会议中心综合智慧能源示范项目、内蒙古通辽霍林河坑口发电公司电储热调峰项目等多个储热供暖及综合智慧能源示范项目。

  (图片来源:2021年第三届中国储热大会国家电投集团科学技术研究院储能技术研究所副所长白宁主题演讲)

  上海电气:在储热材料开发、关键设备研制、系统模块设计集成等技术方面形成了独有的知识产权体系,申请专利40多项。目前自主开发了双罐熔盐储热供蒸汽系统、储换热一体式熔盐储热蒸汽锅炉,系统效率达97%。

  中如集团:技术方向是水储热,利用斜温层原理将冷热分层,实现“储能+多能互补”,并在清洁供热市场中获取了较高的市场占有率,自主研发安装的涵盖斜温层技术的罐体量达到三十万立方米以上。

  金合能源:技术方向是相变材料的研发,目前已开发出数十种复合相变储热/冷材料,应用温度范围可覆盖-150℃到1000℃,具有储热密度高、导热性能好、体积变化小、常规使用的寿命长等特点。并基于材料研发,研制出可用于替代燃煤锅炉实现清洁供暖的电热储能产品——蓄热式电锅炉和蓄热式电暖器,以及可应用于冷链领域的高性能储冷材料及装置。

  相较其余技术路线,氢能的发展带了更多技术之争的话题性,尤其是围绕氢燃料电池在汽车领域的应用,似乎真的成了马斯克口中的“智商税”,但又处处存在转机。

  一边是领军企业本田和丰田相继宣布终止氢能车的生产,公布纯电动车项目,一边是中国、美国等大国普遍加快了氢能领域的布局,宝马、博世、国氢科技等企业相继公布了氢燃料电池开发计划,氢能发展似乎又再次来到了岔路口。

  氢储能是一种新型储能,作为一种清洁、高效、可持续的无碳能源存储技术,在能量维度、时间维度和空间维度上具有突出优势,从长久来看极具前景。

  除了氢储能自身具有的优势外,各国普遍在同一个时期加速布局,这背后也有着一定其他的考量。

  纯电赛道的风生水起迫使丰田公开了约5680项燃料电池相关专利,以及随着各国前期积累,日本构筑的专利壁垒的阻碍正在慢慢地变小;

  锂电池的上限越发明显,而氢能技术正在慢慢成熟,到了临门一脚的关键时刻,盲目死守一条路线会带来技术掉队;

  氢能与油气息息相关,油气资源可以加工制作而成氢气、加油站可以转化为加氢站、油气管道的技术可运用到氢气管道建设中,也因此能让传统能源企业加入新能源赛道,减小发展阻力、提供资金支持。相较以往电能发展中的沉默,此次氢能布局中随处可见三桶油的身影。

  作为一个发展还比较初期,但长期具有一定确定性的产业,氢能历来是研究的重点,且在近几年加速布局后,研究的热度也出现了快速增长。

  目前,储氢技术方向主要有两类,分为物理储氢和化学储氢。其中化学储能中的氢氨融合技术的热度在近期快速提升。

  根据福州大学研究数据显示,氨现场制氢改变了氢气的运输状态,一辆液氨槽罐车载氨量可达30吨,相当于载氢5.29吨,与长管拖车单车载氢量不到400千克相比,该技术的液氨载氢量提高一个数量级。与此同时,国内首座氨现场制氢加氢一体站示范项目启动仪式已经于9月在福州长乐举行,这是“氨制氢加氢”这一技术首次走出实验室、投入商业应用。

  总的来说,当前氢储能路线较多,且各有优劣,考虑到整体市场化程度低,阶段内技术重心同时还会明显受到政策导向的影响。2022年3月,发改委与能源局联合印发了《氢能产业高质量发展中长期规划(2021-2035年)》,提出到2025年,“氢能示范应用取得明显成效,清洁能源制氢及氢能储运技术取得较大进展,市场竞争力大幅度的提高,初步建立以工业副产氢和可再次生产的能源制氢就近利用为主的氢能供应体系”。

  结合政策也能看出,阶段内安全性高、效率高的技术更易受到青睐,长距离运输的需求在“就近利用”导向下,并非考量重点。

  氢储能主要涉及到了产业链中游的储存运输和下游的氢燃料电池、加氢站等环节。

  目前国内参与的企业以国央企居多,据国新办中央企业经济运作情况举行新闻发布会介绍,已有超过三分之一的央企在制定相关产业的布局,中石化计划“打造中国第一氢能公司”,十四五期间拟规划布局1000座加氢站或油氢合建站。

  此外,在国内市场支撑下,氢能领域中海内外企业在资本、技术等层面的合作显著增加,最为突出的就是丰田,与国内产、学、研领域均开展了合作,柯斯达氢擎更是在冬奥会期间提供了保障服务,市场和技术结合的过程中,更好地推动氢能的规模化、产业化发展。

  CSPPLAZA《上海电气中央研究院:熔盐储热技术是目前大规模中高温储热技术的首选》

  中国工程科学杂志2022年第3期《氢储能在我国新型电力系统中的应用价值、挑战及展望》

  国际能源网 《中石油、中石化领跑!五大发电入局!一文纵览氢能全产业链!》

  北京市朝阳区国际绿色经济协会《超30家央企布局氢能!氢能产业全景分析(附产业图谱)》