中國儲能網訊：熱能存儲在全球熱能和電力脫碳上有著巨大潛力，并有助于能源系統(tǒng)在低成本下的可靠高效運營。
作者：Ken Somers、汪小帆、洪晟、陳持平、朱文穎
本文參考麥肯錫作為知識合作伙伴為長時儲能理事會（LDES Council）《凈零熱能報告》提供的研究和分析。
隨著全球能源系統(tǒng)脫碳的不斷推進，人們的視線也逐漸轉移到最重要也最難脫碳的介質之一——熱能。熱能主要應用于工業(yè)生產、樓宇供熱/制冷和區(qū)域供暖，在全球終端能源消耗中的占比已超過50%（見圖1）。由于目前大多數熱能的來源仍是化石燃料，供熱與制冷占到了全球能源相關碳排放【1】的45%，加速熱能脫碳對實現(xiàn)凈零排放至關重要。
電氣化有助于絕大多數熱能應用的脫碳，而熱能存儲（Thermal Energy Storage，TES）則進一步為熱電聯(lián)動提供了更加清潔、靈活的解決方案。儲熱技術可將介質加熱到特定高溫（或冷卻到低溫）后保持溫度，并在需要時釋放（或吸收）熱能，從而實現(xiàn)儲能的目的。儲熱可通過兩種機制協(xié)助實現(xiàn)零碳排放：一是與具有波動性的可再生能源協(xié)同，使更多熱能由清潔能源提供；二是在表后優(yōu)化熱能的使用，如在工業(yè)流程中儲存廢熱供后續(xù)使用，從而提高能效。
近日，長時儲能（LDES）理事會參考麥肯錫洞見發(fā)布了《凈零熱能報告》【2】，全面展示了熱能存儲在熱能脫碳中的作用、儲熱技術的成本與經濟性、儲熱的典型商業(yè)用例、“風+光+儲+熱”一體化能源系統(tǒng)，并總結了發(fā)展儲熱所需要的關鍵支持。本文將分享該報告中的部分重點內容，并結合中國熱能存儲的實踐，以期為各位讀者帶來啟發(fā)與思考。
三種技術路線，應用場景廣泛
儲熱技術包括顯熱儲能、潛熱儲能及熱化學儲能（見圖2），可滿足不同的儲能時長需求（從跨天到跨季）和溫度需求（從零下到2400°C）。其中，顯熱儲能的材料成本與設備成本較低、技術成熟，是目前較多商業(yè)化項目選擇的技術路線，主要應用領域包括工業(yè)窯爐和電采暖、居民采暖、光熱發(fā)電等。潛熱儲能由于相變材料的限制，材料成本較高，且對設備抗腐蝕性要求也高，導致總體造價高昂，商業(yè)化應用以熔鹽式相變材料為主。熱化學儲能具有很高的儲能密度與較低的熱損失，但因工藝技術復雜、儲能材料循環(huán)性不佳等因素，目前仍處于示范階段。
熱能存儲技術主要有三大應用場景，分別是電力、工業(yè)、區(qū)域和建筑供暖。
電力行業(yè)：熔鹽技術已經在光熱電站中實現(xiàn)商業(yè)化，通過晝間充電和夜間放電實現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。其它熱能存儲技術也有望在未來逐漸成熟，從光熱、光伏和風能電站中儲存多余能量，如使用混凝土的固態(tài)儲熱、高溫相變材料等。
工業(yè)領域：熱能存儲可以支持存儲大部分常見的工業(yè)熱能，包括熱水、蒸汽及熱空氣等典型用熱場景。例如，熱空氣及熱水（低于100℃的熱能）可用于工業(yè)生產中的干燥過程；低壓低溫蒸汽（約0.1兆帕，100°C）可用于食品加工消毒和清潔，而高壓高溫蒸汽（約10兆帕，320°C）則可用于金屬精煉和石油加工；熱空氣還通常用于高溫工藝，如溫度高達800°C至900°C的乙烯裂解過程。
區(qū)域和建筑供暖：熱能存儲提供了一種將熱能生產與消費脫鉤的解決方案，從而有可能在小時級甚至季節(jié)性的時間范圍內儲存熱量。通過谷電蓄熱，熱能存儲可將富余的低價可再生能源電力轉換為熱能進行儲存，并在發(fā)電基載無法滿足熱能峰值需求時進行放熱，實現(xiàn)熱能供求的時空匹配優(yōu)化。
部分商業(yè)用例和場景應用已具盈利性
儲熱有助于實現(xiàn)經濟高效的清潔熱能供應?！秲袅銦崮軋蟾妗凤@示，根據2022年長時儲能理事會的成本對標結果，對于工業(yè)過程中最常見的蒸汽或熱空氣這兩種熱能形式，儲熱已經可以提供具有成本競爭力的電氣化與脫碳解決方案。如圖3所示，在燃氣鍋爐脫碳的應用中，相比燃氣鍋爐疊加碳捕捉與存儲技術、氫能鍋爐、生物質鍋爐、結合鋰電儲能的電鍋爐或熱泵等脫碳選項，結合了儲熱系統(tǒng)的電鍋爐或熱泵更具經濟性。
《凈零熱能報告》還詳細分析了熱能存儲的四個商業(yè)用例。結果顯示，部分用例已具備可盈利性，內部收益率（IRR）最高可達28%。評估用例包括化工廠中的中壓蒸汽、區(qū)域供熱、煉鋁廠中的高壓蒸汽、離網溫室所需的熱電聯(lián)產。以中壓蒸汽為例，將原有的燃氣鍋爐替換為電鍋爐配合熱能存儲，提供蒸汽用于石油煉化和化工產品生產，每年可減少4.7萬噸二氧化碳排放。通過鍋爐改造可帶來的收益包括節(jié)省燃料費用和碳排放相關成本，內部收益率在基礎情形下為6%（考慮碳價及電網收費），最高可達28%（考慮電網收費免除、靈活性獎勵）。當然，這些用例的可行性及收益率會顯著受到當地市場情況與機制設計的影響。比如，在太陽能和風能充足的地區(qū)或當前自有熱能供給的地區(qū)，儲熱最有可能蓬勃發(fā)展；此外，針對儲熱所帶來的系統(tǒng)靈活性，電力市場也需為其提供降低電網費等回饋。
隨著市場成熟、規(guī)模擴大，儲熱和其他形式的長時儲能技術一樣，都將變得更具成本競爭力。長時儲能理事會的數據表明，預計從目前到2040年，熱能存儲的單位資本成本將下降，其中熱能釋放設備成本將降低5%~30%，儲能介質成本降低15%~70%。技術降本將進一步推動更多商業(yè)用例的發(fā)展及落地。
脫碳綜合方法與實際案例
能源系統(tǒng)正在快速變得更加復雜、更加互聯(lián)互通，以綜合視角進行分析有助于更快發(fā)揮熱能存儲的潛在優(yōu)勢。例如，初步跡象表明，通過熱泵、電解槽或氫能鍋爐等技術，電力和熱能領域以及新興的氫能行業(yè)之間互聯(lián)程度越來越高，儲能技術對于整合復雜的能源系統(tǒng)和脫碳可發(fā)揮重要作用。
《凈零熱能報告》中展示了熱能存儲可與電力長時儲能相結合的用例，將鄰近海上風電場的可變輸出轉化為更穩(wěn)定的工業(yè)清潔熱能供給，既為海上風能開發(fā)商創(chuàng)造了額外的需求來源，也為工業(yè)能源用戶提供了更具成本效益的脫碳路徑。
正是通過類似的舉措，熱能存儲得以加速全球減排并接近凈零目標。報告顯示，通過提供高溫熱能應用等成本效益更高的熱能脫碳工藝，熱能存儲可使全球長時儲能產能翻倍。全球系統(tǒng)成本每年有望因此降低高達5400億美元，賦能更快速的可再生能源建設，并優(yōu)化電網利用率。
專題一：國內外儲熱項目實踐案例
工業(yè)應用：
位于浙江某工業(yè)園區(qū)的熔鹽顯熱儲能項目利用來自西部地區(qū)的清潔風光電力以及較為廉價的谷電進行儲能，在電網低負荷時段取電、轉化為熱能存儲于熔鹽罐內，在高峰時段則對外供熱或發(fā)電，既可用清潔熱能替代園區(qū)內目前使用的燃氣熱能，也可協(xié)助電力供需實現(xiàn)削峰填谷。項目可滿足園區(qū)內30余家印染加工企業(yè)的熱能和蒸汽需求，每年可節(jié)約標準煤7.75萬噸，減排二氧化碳約14.5萬噸；2023年，該項目還將新增發(fā)電功能，滿足園區(qū)耗能之外的多余熱能可用于發(fā)電。屆時，項目每年可發(fā)電3200萬千瓦時，節(jié)約動力煤13.9萬噸，減排二氧化碳36萬噸，每月可產生300萬元的經濟效益。項目預期投資回收期6年，內部收益率可達約15%。
一些規(guī)劃中的國內熔鹽儲能項目包括：內蒙古自治區(qū)達拉特經濟開發(fā)區(qū)配置61兆瓦熔鹽儲能，預計2023年底建成投產；江蘇省淮安市洪澤經濟開發(fā)區(qū)預計將建設150t/h的綠電熔鹽供熱儲能項目，滿足開發(fā)區(qū)內的熱負荷和清潔能源需求；杭州醫(yī)藥港零碳電廠的200兆瓦熔鹽儲能示范項目將于2025年建成。
電力應用：
阿聯(lián)酋迪拜的穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆光伏電站配套了700兆瓦的熔鹽儲能，2022年底有300兆瓦可實現(xiàn)并網發(fā)電，剩余容量也將進入建設安裝階段。
遼寧省風力電熱聯(lián)供項目已經從試點走向全面推廣。截至2018年底，國網遼寧電力已經構建了一體化源網荷儲協(xié)調系統(tǒng)，遼寧地區(qū)利用風電蓄熱供熱面積近1000萬平方米，服務約10萬戶居民。供熱期供熱機組運行容量1850萬千瓦左右，利用棄風電量11.6億千瓦時，將棄風率降低了7.1個百分點。以某市電蓄熱調峰項目為例，項目供暖期可為清潔能源讓出2.1億千瓦時的發(fā)電空間，可獲得調峰收入約1.3億元，減少散煤燃燒量4.55萬噸，減排二氧化碳約8萬噸。
國內還在規(guī)劃一些表前新能源發(fā)電端項目。將于“十四五”內建成的青海省格爾木市烏圖美仁光伏光熱園區(qū)，配套600兆瓦熔鹽儲熱系統(tǒng)；德令哈光熱儲一體化項目配套光熱熔鹽儲能400兆瓦，是國內儲能配比率最高的光熱儲多能互補項目，配比達到25%。
建筑和區(qū)域供暖應用：
歐洲最大的儲熱裝置將于2023年在德國柏林投入使用。該儲熱項目主要由一個高45米、可容納5600萬升水的罐體組成，功率可達200兆瓦。該項目利用當地多余的風電加熱罐中的水，罐體與當地區(qū)域供熱管道相連，可為居民和工業(yè)用戶供暖供熱。
克服潛在挑戰(zhàn)，助推熱能存儲應用
熱能存儲要獲得廣泛應用仍需克服多項潛在挑戰(zhàn)。提高商業(yè)領袖、政策制定者和投資者對熱能存儲潛力的認知，并讓他們了解儲熱技術如何為能源系統(tǒng)創(chuàng)造成本效益更優(yōu)的凈零路徑，可能有助于克服這些挑戰(zhàn)。與此同時，行業(yè)處于相對初期階段，熱能存儲技術的商業(yè)成熟度不一，且項目投資周期較長、投資金額較大，意味著潛在商務風險仍然存在。
對此，《凈零熱能報告》提出了幾項建議。首先，商業(yè)領袖可以投資于試點和示范工廠，提高對于儲熱的認知，實現(xiàn)儲熱項目在商業(yè)模式上的驗證與跑通，并與供應鏈各環(huán)節(jié)的關鍵相關方聯(lián)合行動。其次，政策制定者可以設計長期框架與激勵機制，減少不確定性（見專題二）。此外，投資者也可通過持續(xù)關注熱能存儲，深化對儲熱技術應用和機遇的理解，對熱能存儲的進一步發(fā)展做出貢獻。
專題二：熱能存儲需要的政策支撐
政策制定者可在五大方面協(xié)助包括熱能存儲在內的儲能技術推廣應用，包括建立與完善市場化機制、協(xié)助降低初期投資風險、出臺相關政策與標準體系、協(xié)調減碳規(guī)劃與路徑，并提供公平的競爭環(huán)境。
例如，英國政府推出了一系列政策消除儲能商業(yè)化的發(fā)展障礙，包括不斷完善容量市場、平衡機制規(guī)則及輔助服務市場以激勵儲能為電網帶來靈活性，取消儲能充電時需支付的過網費電價避免“雙重收費”，不斷優(yōu)化儲能項目的規(guī)劃審批制度等。如今，英國擁有歐洲最大的表前儲能容量，并且還在不斷建設30兆瓦以上的大容量獨立儲能項目。在熱能存儲方面，英國也是世界上首個打造電網級蓄熱儲能系統(tǒng)示范項目的國家。
我國政府也在不斷推動包括熱能存儲在內的新型儲能技術的發(fā)展。例如，《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》提及，到2025年，氫儲能、熱（冷）儲能等長時間尺度儲能技術要取得突破，并推動關鍵核心技術、裝備和集成優(yōu)化設計研究與攻關。其中，“新型儲能區(qū)域示范”也包含了熱儲能技術與新能源應用場景的結合，例如青海省國家儲能發(fā)展先行示范區(qū)重點項目中的烏圖美仁鄉(xiāng)“風光熱儲”一體化示范項目。
研究表明，熱能存儲如果得到大規(guī)模應用，可成為熱能脫碳最具成本效益的路徑，同時為熱能和電力領域的凈零轉型提供穩(wěn)定性和韌性。熱能存儲技術前景廣闊，行業(yè)應即刻采取行動，盡早實現(xiàn)技術推廣，方能充分發(fā)揮熱能存儲潛力，推動能源系統(tǒng)轉型。
麥肯錫聯(lián)合長時儲能理事會，在零碳電力、全天候綠電、技術對標、政策分析、投融資平臺等相關話題下均有洞見或詳細報告，詳情請參照長時儲能理事會網站【3】 或聯(lián)系麥肯錫gcr_sustainability@mckinsey.com；同時，我們也將組織儲能相關的行業(yè)論壇與專家研討（如歐洲儲能峰會、長時儲能理事會澳大利亞戰(zhàn)略圓桌討論會等，詳情參見理事會網站【4】 ），歡迎和我們聯(lián)系獲取參會鏈接。
注釋：
【1】碳排放基線包括來自供暖、工業(yè)加工、運輸和其他能源部門的排放，不包括發(fā)電碳排放。
【2】 《凈零熱能：長時儲能加速能源系統(tǒng)脫碳》英文版報告全文請見：https://www.ldescouncil.com/assets/pdf/221108_NZH_LDES%20brochure.pdf；英文版報告摘要文章請見：https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/net-zero-heat-long-duration-energy-storage-to-accelerate-energy-system-decarbonization。
【3】 更多報告請參見長時儲能理事會網站：https://www.ldescouncil.com/insights/
【4】 詳細會議安排請參見長時儲能理事會網站：https://www.ldescouncil.com/events/
