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直击长沙|金合能源任爱:复合相变储热/冷技术及其应用研究

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2022-12-06 浏览:

中国储能网讯:11月24-26日,由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办,100余家机构共同支持的湖南(长沙)电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间,组委会邀请了江苏金合能源科技有限公司董事长任爱分享主题报告《复合相变储热/冷技术及其应用研究》。以下是发言主要内容:

任爱:非常高兴有机会与在座的各位专家一起交流,下面我把我们公司在相变储热和储冷技术研发和应用实践做一个的汇报。

为了实现双碳目标,非化石能源占一次能源消费比重需将大幅度地提高,从短期的目标来讲非化石能源消费2030年要达到25%。在电力系统中主要是风电、太阳能等清洁能源的比例也将大幅度的提高,而以风电和太阳能为代表的新能源固有的波动性、间歇性等特征对电网调峰也带来了挑战,迫切需要解决电源侧、用户侧和电网侧协调发展的问题。

在双碳目标下,国家出台了一系列的政策和指导文件,以促进新型电力系统的发展,实现源、网、荷、储协调发展。储能技术作为新型电力系统发展的重要手段之一,可以有效提高能源效率,解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。

储能技术种类很多,但是目前谈论较多的储能技术往往指储电,实际上储热/冷也是重要储能技术之一。储热/冷技术通过与用户用能需求相结合可为电力需求侧管理、电网削峰填谷、可再生能源消纳等场景提供技术保障,所以开发高能量密度的储热/冷技术将有极好的应用前景。

我们的工作偏重于在相变储热/冷材料的开发和工程应用研究,下面从材料开发和应用实践做主要的汇报。

储热/冷不是新的概念,当前常用的水储热、冰蓄冷技术相对成熟,而更高储能密度、更经济可靠,且能够实现更大使用温度范围的储热技术是我们的工作方向。其中相变储热、吸附储热和化学储热是我们未来储热/冷技术重要的发展方向。目前已对相变储热和吸附储热做了大量的开发,下面我逐项进行汇报。

高温材料,特别是超过500℃以上应用的场景,既要保持相变储热材料的高能量密度的特点,还要解决高温下的相变材料的封装技术。为此我们首次提出了复合相变储热材料的概念,利用高温稳定性高的陶瓷颗粒组建起纳微结构的微孔,并将相变材料包覆在陶瓷颗粒间的微孔道内。在这里,不再是百分之百的纯相变材料,而是在利用纳微尺度陶瓷颗粒基体的空隙结构里面填充相变材料,既保留了高储能密度同时无需再次封装。在高温相变储热过程中,可始终保持固体形态并具有足够的强度。在经过长周期运行测试,可满足15到20年的使用要求。

材料开发方面就不做过多的介绍,主要是从材料的技术指标比较方面,以及应用实践方面做简要的报告。

现在高温储热技术中比较常用的材料包括熔融盐,镁砖,高温相变储热材料等,熔融盐和镁砖主要是利用材料在升温或降温过程中温差进行显热储能。而我们开发的储热材料包括两个部分,材料显热部分和相变潜热部分,在工作温度范围内储热密度非常高。结合应用场景来分析的话,每立方米水储热密度是1670兆焦,氧化镁砖将近800兆焦每立方米,相变材料可以达到1600兆焦每立方米,按照质量储能密度来说,我们的相变材料达到熔盐3倍以上。

在整个材料开发过程当中,公司依托所承担的国家重点研发计划--“高效能仿生型储热材料和过程设计”,开展了多种材料配方的设计和对应配方的工艺制备工作,刚刚重点列举了已开发成熟的中高温储热材料,目前也已形成了相应的工程应用。在相变储热材料配方的设计和优化方面,主要针对的也是材料的相变温度和储热性能,除了高温下的储热性能以外,还需要有良好的导热性能,以确保储热时能够做到快速储的进放的出的目的。而工程材料的应用也是从多个维度来考虑,某一个方面达不到,材料使用推广也会受到极大的限制,这里也要考虑环保、成本等重要指标。而随着应用场景的不同也对材料的相变温度会有不同的要求,我们也开发了多种相变储热材料,材料工作温度可以覆盖180~600℃。

此外,储热里面也包括了储冷,储冷材料开发是我们公司重要的开发应用方向之一。前面介绍储热技术,工作温度范围往往是从100℃到700℃,甚至更高,而与之不同的是储冷技术主要应用在冷链行业,往往工作温度范围很窄,储冷和释冷过程的温差非常小,一般采用自然对流的方式进行换热,换热系数较低,这就对储冷材料的热化学性能提出了很高的要求。此外,由于主要应用于药品、医疗、食品等领域,所以也会对材料的安全性、稳定性、无毒性提出更高的要求。

相变材料和储冷系统在冷链行业医用要满足以下几个方面的要求,一是精确的相变温度,冷链行业通常有几个特别的温度段,这也对相变材料的工作温度提出了特别的要求;二是低过冷度,过冷度是低温相变材料固有的特性,通过添加复合材料,可以降低材料的过冷度;三是高导热性能,在一定的时间尺度和小温差范围内,合理的导热性能有利于发挥材料的储冷特性;此外也要考虑高储冷密度、食品级的安全性和高循环寿命等各项辅助性能。

我们相变材料的开发工作也经历了十余年的实践,已经累计了很多工程经验,为快速开发出不同应用场景下的相变储热材料并满足工程应用需求打下坚实的基础。

通过多年的研究,也包括对应用市场需求的研究,部分相变储冷材料也已经应用到了工程实践或形成产品,这个表格里面对储冷材料的主要技术指标和相关性能也做了客观的测试和描述,稍后我也会结合工程应用的情况对相关的性能指标需求进行介绍。

总的来讲,低温相变材料到高温相变材料,各个温度区间的相变材料都会有它相应的应用场景,而且不同温度段的相变材料主要应用场景是不一样的,关键性能指标的需求也会有所不一样。这张图是我们展示的各个温度段的一些典型应用场景, -50℃到常温相变材料主要是用户侧能源管理和冷链的蓄冷装置,常温到200℃相变材料用于温度调控的应用和余热回收利用,200到500℃相变材料主要应用于火电灵活性改造的储热装置换热和工业余热回收利用。更高温度的材料目前也是在源网荷储的电热储热装置中开展应用,这块工作开展得比较早,并已形成较大的规模。

针对不同的应用场景,结合我们在材料研发工作的基础,开发了相应的储热系统和装置,下面也将对我们所开发的装置和系统进行介绍。

前面谈到了500℃以上的复合相变储热材料,既解决了材料高温下的相变储热问题,还实现了低成本的封装,在应用的时候同时用到了显热和潜热两部分的储热从而获得了很高的储热密度。而把这种材料应用于电热蓄热装置也是基于两个大的背景,一是与双碳目标相关的新能源的消纳,国家率先在新疆开展了风电清洁功能的项目,二是大气污染治理的政策实施。

前期开发的相变储热砖在储热装置里面如图进行布置,对内部的流动、传热、风动等开展了设计和分析研究。因为大容量的储能装置采用的是10kv和35kv的高电压直热模式,这里就需要把蓄热模块集成,并通过自动化控制对炉体内的温度平衡和安全开展全面的研究工作,这张图是我们产品的外观。

这样的电蓄热储热装置储热温度在600~700℃,因为储存的温度比较高,这就可以实现多种供热方式,包括供热水、热风、蒸汽、导热油,不仅能满足北方清洁供暖需求,该技术还能满足工业领域的蒸汽、热风等需求。

依托高温储热装置,最早在新疆的阿勒泰市开展能源局风电清洁示范项目,后续在辽宁、内蒙、青海等多地开展了新能源消纳的工作,项目也曾获得辽宁省科技进步一等奖,有机会欢迎同行到公司交流或者是到项目现场进行指导。

相较于建筑供热来说,工业蒸汽的需求是不分冬夏,不分南北,基于功能的实现和成本的考虑,会对储热材料有特别的要求,为什么这么讲?供蒸汽要求参数更高,储热要储更高的温度,要有更高的储热密度,例如我需要200℃蒸汽,储温度为300℃,之间存在100℃的温差,如果没有潜热,功能上可以实现,但是经济上不能接受,产品一定要兼顾性能和成本。这都是实际应用的案例,包括在安徽、陕西做的蒸汽供热系统在酿造、矿业等行业已得到应用。

电热储热装置已可以实施远程技术支撑,手机APP,加上互联网和5G通信技术。应用地区比较多,在北方各省都有应用,截止到今年10月份装机超过500兆瓦的电热储热装置,这个是电功率,储热能力要比这个高得多,3倍的关系,每年能够消纳清洁能源超过6亿千瓦时,减少二氧化碳排放达到200万吨,大容量长时间的储能和小容量储能,对整个储热系统和储热解决方案的关注重点不一样,很多专家或者是同行都是非常了解的。

关于储热技术的另外一个应用需求是抽气蓄热能。这将为火电核电调峰提供支撑,电池储能是一个方面,但是更多的还是电网通过火电和核电实现调峰。发改委和能源局提出抽蒸汽蓄热,由于时间关系,对政策背景我不多说了,相变材料的高储热能力,相对低的成本和技术成熟性能很好地解决这个需求。

相变材料的开发,抽蒸汽蓄热采用梯级蓄热的方式用到多个温度段材料。高的参数以高品位储存下来,但是储存完之后温度有所降低,应尽量靠近比较高的参数,再采取另外一种相变材料进行储存,采用梯级的存储理念和设计。释放也是一样的,尽量提高输出热的品质,高的品质进来,高的品质出去。

工艺流程的设置需求解决两个问题:一是热从哪来?不同的温度段的蒸汽来源,对于温度和流量关键的参数都有不同;二是到哪里去?是供热水,还是蒸汽,对储热系统的要求也不一样,这里面针对不同的应用场景,我们开展了广泛的研讨、论证,以及设计验证等等工作。

这是工艺流程图,流程比较复杂,挑战性也很大的。前期已经完成了中试的研究,明年年初将在电厂进行实际的装置示范和验证,这里也包括相变蓄热换热器的模拟计算。

同样的应用场景会有不同的解决方案,对用户来讲主要是关心投资,包括效率等等。不同的应用场景各有优劣,没有绝对的领先。

下面介绍一下储冷技术在冷链中一些应用情况。储冷我们接触得很多,冰箱、网上购买的食品、医药运输,都有冷链的应用,但是对于其中的储冷研究相对比较少。目前有两个需求,一个是社会需求,一个是政策导,向双轮驱动整个冷链行业将高速发展。

市场的需求增加了,就意味着对整个供应链和解决方案提出了相应的要求,包括仓储、运输和配送等环节方面的需求,以市场为导向,以用户需求为导向,提出解决方案,并对材料的开发提出需求,主要还是以市场化需求来开发产品。

利用好蓄冷技术,其主要的优点可以概况为以下几个方面:1、利用谷电来降低用能成本;2、和分布式的新能源相结合,利用蓄冷技术耦合可再生能源,从电网来讲提高谷电的利用是和消纳清洁能源紧密相关;3、避免人为或非人为因素(机械故障)导致的“断链”;4、低成本、便捷化解决冷链前后一公里缺失问题;5、提升冷藏效果,降低物品腐损率,延长货架期。我们已经有相应的解决方案和良好实践。总的要求就是提升冷藏的效果,不同储存的物品对温度的要求更精准,更准确,这也是趋势,与社会的发展紧密相关。

应用场景比较多,我举两个方面的例子,一个是针对冷库,不同的温度对能源的降本提效的需求不一样,比如说-18℃冷库,能源成本占的比重非常高,主要的成本是电费,如何降低用能成本是这个行业的痛点。

这里有一个示意图,大家可以看一下,这个是冷库的侧视图,货架的顶部安装储冷的模块,B17、B19、B20等类似材料装在储冷的模块里面,并对材料的导热、使用寿命等一系列指标进行优化。材料封装在这个模块组件里面,并整体安装在冷库的货架顶端,做这样的布置(下图),风机制冷先经过储能模块,再到货物,非谷电时段,利用储能模块中的冷能会利用自然对流释放出来,维持冷库的温度。

没有PCM的时候,整个库内的温度波动性比较大。蓝色区域是谷电时段,红色的是高峰电时段,黄色的是平电时段。蓝色条代表制冷机组开启状态,蓝色表示制冷机工作并消耗能,白色表示制冷机没有工作。对比安装了相变材料前后的状态可以看出,最大的区别在谷电的时候满负荷全时段的运行,库内温度波动的范围和频率明显降低,高峰电的时候基本上没有开或者是很少开的比例。这里面开了多少,跟开关门,包括货物的周转频率都是相关的。这个系统在济南、郑州、上海、南京、芜湖都有相应的工程应用案例。

目前该技术产品已经从实验室走向示范,经过了近两年的测试分析,部分库也已有了超过一年的完整运行数据。

这套系统安装之后不仅解决移峰填谷的问题,还提高制冷压缩机的效果。这个通过什么来体现?能耗下降率5~10%,而整体的运行电费降低了30%左右,这个跟峰平谷的电价差有关系,跟库的运行特点有关系,还有跟制冷原理有关系。

刚才介绍的是冷库的系统,2018年我们就通过与中车的合作开展了冷链车的应用工作,技术产品被应用在公铁联运集装箱,箱体内部的顶部安装了储冷冷板或者是冷梁。使用的情况类似于电动汽车一样的,使用过程实现了全程无源释放,不需要电、柴油等各类能源,能够实现整个集装箱的恒温恒湿,同时可以实现一箱到底而不需要倒运。在农产品的最先一公里和最后一公里中都有了很好的应用,在箱体尺寸上面也可以根据需要开发大小不同箱体。

从使用效果来看,针对储存和运输服务开展了第三方机构评价测试,不管是肉类还是蔬果,干耗和失重情况都得到了大幅度的改善,农产品的储存时间较以往有了大幅度的提高。从技术指标对比来看,蓄冷式箱体内温度非常的平稳,而湿度也优于取消了制冷风机并得到明显的改善效果。装置在体积和空间占用上与原有的制冷机基本一致,而能耗水平对比原有的柴油制冷系统,可以明显看出在能耗减少和费用节省上面具有极大的优势。

关于未来的展望,围绕着双碳目标,包括新能源的比例大幅度的提高,新能源的波动性和间歇性,以及电网调峰、调频等对储能技术的需求也将快速增长,而整个热能的消费占比超过50%以上,如果用更经济的办法来解决热和冷的需求,就不一定非要用储电,比如说利用高品质的清洁电力在冬天来制热,替代原有的燃煤或者是其他的方式来供暖,对于用户来说是经济的清洁的。因此,储热技术是储能重要的分支,一定会在电源侧、用户侧发挥重要的作用,为源网荷储一体化和多能互补提供保障手段,为实现双碳战略提供技术支撑。希望以后与各位专家,包括业内人士开展交流和合作。

谢谢大家!

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关键字:相变储热/冷

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