麻省理工学院能源计划未来研究报告（十）：热储能
第4章 热储能
4.1、简介
根据研究机构在2017年发布的一份调查报告，全球约75%的电力供应是由热力来源产生的，也就是燃烧燃料以加热蒸汽、空气或驱动涡轮机其他流体的发电厂。随着电力部门致力脱碳，用于火力发电的热源将从化石燃料转变为对地热能、氢燃料、太阳能热能、生物质能、核裂变和可能的核聚变等资源的更大依赖。其中一些发电设施需要应对可再生能源发电可用性的变化；对于这些类型的发电设施，热储能(TES)设施可以提供灵活性。一些集中式太阳能发电设施的部署程度远远低于太阳能发电设施，它们已经使用带有热油或熔盐的TES设施将电力从峰值日照时间转移到满足用户需求的时间。研究人员提到了用于核电站的TES设施，以将储能系统与核电相结合，以便可以同时提供基本负荷和峰值容量。在这些角色中，TES设施可以提高效率、满足热电联产需求，并提供其他服务。总之，这些机会为未来脱碳电网中的TES设施技术提供了更多的机会。
本章重点介绍电力与热能之间的存储，这对TES来说是一个重要但范围较窄的机会。TES的开发潜力集中在使用成本极低的储能材料（如碎石）的能力上。为了利用这种低成本的储能介质，需要克服的关键挑战是转换的低效率和高资本成本将热能转为电能。
高功率和低能源成本的结合表明，TES是一种比较特别的长时储能技术。其部署受到地理限制可能是一个主要因素，主要是提供数吉瓦时储能容量所需的数千吨存储材料的的大规模设施。TES设施的占地面积与火力发电厂相似，通常需要在相对平坦的土地上建设占地数十公顷到数百公顷的设施。其冷却用水量取决于系统设计。规模经济通常利于在小规模应用中使用TES设施，例如用户侧储能系统。
根据对商业开发商和研究人员提出的TES系统的回顾，提出了克服热电效率和电力成本等关键挑战的三种主要策略。在所有策略中，TES系统都使用低成本的储能材料。在第一个策略中，TES系统安装在现有的火力发电厂中（特别是燃煤发电厂），以替代燃料燃烧产生的热量，并重新利用现有的发电设备，从而降低电力成本。第二种策略考虑更有效的功率循环，峰值温度略高于目前使用的储热技术的范围。第三种策略依赖于更高温度的储能来提高效率，并且在一些实施例中，需要对更新的功率转换技术进行研究和开发。这些策略为TES支持脱碳电网提供了多种途径。
本章首先简要描述了热储能的工作原理，然后概述了按功能分组的TES技术：充电、存储和放电。在此基础上，描述了利用这三种方法中的每一种的系统克服TES的关键技术挑战的策略。最后提供了成本估算用于2050年的两个说明性系统。
4.2、什么是热储能？
TES系统使用电力加热材料；然后对加热的材料进行隔热，直到需要能量，最后通过功率转换装置将热量转换回电能。图4.1说明了具有47%往返效率的通用TES系统中与每一步相关的典型能量损失（其中“往返效率”定义为输送回电网的电力与从电网中提取的电力的比例）。
图4.1 热储能系统中的能量损失
该图显示了TES的主要挑战之一：热电转换步骤的效率是往返效率的限制因素。相比之下，第一步（将电能转化为热能）能够以最小的损失完成；如果有足够的隔热，在储热（第二步）期间对周围环境的损失也可以限制在可接受的水平。
4.3、热储能技术
TES热电转换的三个主要步骤是将电能转化为热能、储存热能以及将热能转化回电能。虽然这一基本描述适用于其自身介质中的储能技术，但在讨论热储能系统之前，需要在每个步骤中了解不同的技术选项。这些选项之间的某些协同作用与整体系统设计相关。
4.3.1 充电：电加热
由于这项研究的范围仅限于将电能作为输入和输出的TES系统，因此忽略了其他潜在的热源，尽管这些热源可以在实际系统中使用，并且可以提高系统性能。这些其他潜在来源包括废热、核能、地热、太阳热能。
为TES系统充电（将电能转化为热能）的技术选项包括电阻加热器、感应加热器或热泵。热泵将热量从低温环境传递到高温环境，因此它们通常被描述为“反向运行的冰箱”。将电能转化为热能的品质因数称为性能系数(COP)，以区别于热效率。热效率是从一定量的热量中产生多少电能，当然不会超过100%，而且通常要低得多。但COP可以大于100%，这意味着在不违反热力学定律的情况下，传递的热量多于使用的电力。作为参考，住宅热泵的COP约为2到4，具体取决于环境和所需温度。对于相对较小的温差，COP可能会很高，但随着温差的增加，COP会下降，如图4.2所示。该图显示了一个标准情况，其中低温热量由25℃的环境空气提供。热泵设计的改变可以略微提高COP，并调整高低温热能的比例。与电阻和感应加热器相比，较高的资本和运营成本是热泵的缺点。其确切值未知，因为高温热泵尚未实现商业化。
图4.2充电性能系数（COP）
电阻加热器可以将电能转化为热能，COP超过90%，但其COP不能超过100%。电阻加热器可以直接放置在储能材料中，内置在管道中，或放置在容器或管道附近进行间接加热。感应加热使用振荡磁场在储能材料或中间传热流体内产生热量。感应加热相比间接电阻加热可以克服一些传热阻力；然而，感应加热设备更昂贵，并且不适用于所有材料。
最高储存温度将是选择加热器的一个因素。当前的热泵设计在550℃左右，并具有实际限制，这是由于可用于涡轮机械的材料的特性。与此同时，感应加热器可以将材料加热到3,000℃，但环境条件和密封材料可能会设定一个下限。由金属材料制成的电阻加热器在氧化环境中可达到1,400℃，而由陶瓷或其他材料制成的加热器可超过2,000℃，具体取决于环境。而更高温度的加热器往往成本更昂贵。
正如研究报告所讨论的，在可变的可再生能源发电份额较高的电力系统中，预计电价在一年中的许多时间都将处于低位。因此，在较高的COP与较低的充电功率成本之间进行权衡可能是有利的。即便如此，与其他参数相比，充电效率和成本仍然是次要的。
较低的充电效率意味着更多的电力将用于存储相同数量的热量。这对满足目标放电曲线所需的存储容量没有影响，目标放电曲线由放电效率和自放电率决定。电阻加热器很可能是用于TES系统的最常见类型的加热元件，因为它们单位成本较低。
4.3.2、蓄热
正如本章介绍中所提到的，与大多数其他形式的储能技术相比，热储能的优势在于能够使用低成本的储能材料。TES系统适用的长时储能应用以低于20美元/kWh的资本成本为目标。
为了帮助理解材料选择过程，可以将以电力为单位表示的蓄热成本(美元/kWh)分为排放效率损失和蓄热成本(美元/kWh)。如果假设热电效率为50%，则储能成本应低于10美元/kWh。其效率在大约40%到60%的范围内。无论确切的效率如何，其成本显著地限制了可以使用的材料。一些材料的成本就会超过预算，甚至在考虑到与能源容量相关的遏制、绝缘和建筑成本之前。
正如本文讨论的那样，重点是TES中的放电步骤，较高的蓄热温度可以提高热效率（将存储的热量转换回电能）。
尽管这一步骤的效率很大程度上取决于所使用的能量转换系统，但热效率低下会影响能源的资本成本。因此需要采用高温材料，因为它们可以实现更高的效率。然而，遏制和隔热的成本也随着温度的提高而上涨。不同的系统在能源成本、电力成本和热电效率是TES的主要设计挑战之一。
温度-效率关系通常排除一些温度不能超过400℃的材料。这些材料可能仍可用于发电以外的应用。因此，基于材料的能源成本的考虑可以快速过滤掉不相容的选择。每单位热能的材料成本可以通过几个变量来估计。对于显热，变量是单位质量成本、比热容和温度变化。对于储存潜热，其变量是单位质量成本和熔化潜热；熔化潜热是与固体和液体之间的相变相关的能量。
除了成本之外，还有几种方法可以对储热材料进行分类。最广泛的区别是将热能存储为显热或潜热，如图4.3所示。当储热材料被加热时温度升高会获得显热，其中“显热”一词是指可以通过温度变化感知热量的事实。相比之下，潜热是在相变过程中在恒定温度或温度范围内吸收或释放的热量。
图4.3 储热材料的分类
与显热存储相比，潜热存储的一个好处是更高的比能量和能量密度。对于潜热，这些值可能比显热大一个数量级。然而，对于电网规模的储能系统，储能系统占用的空间并不是主要问题。与其相反，主要关注的是成本——其前提是储能技术能够满足特定应用的要求。例如住宅供暖，更高的能量密度是有利的。
（1）显热蓄热
用于显热储热的材料可以根据它们是固体还是液体来分组。液体可以流动，这有利于有效的热传递，但存在凝固的风险，这可能会损坏热储能系统。而在聚光太阳能发电设施中，通过在管道和冷藏罐中使用电伴热方法解决了这个问题。这种方法的缺点是增加了资本成本和寄生能量损失。
熔盐是液体存储材料的一个例子，它已被用于在集中式太阳能发电厂中提供13GWh以上的电能。目前用于热储能的大多数熔盐是硝酸盐，最高温度约为550℃，但它们的成本超过了10美元/kWh的目标。开发商致力通过提高碳酸盐和氯化物熔盐的温度限制来降低成本，但腐蚀一直是一个主要挑战。其他液体如熔融玻璃和硅已被提议作为候选材料。玻璃和硅可以分别达到1,200℃和2,400℃的温度，但每一种材料都会带来新的挑战。
在传统应用中，液体存储材料储存在两个罐中，热罐用于储存热液体，冷罐用于储存冷液体。这要求容纳体积是存储材料体积的两倍。另一种设计是温跃层罐，它将冷热液体存储在同一个罐中，以减少内部传热损失。这种方式包括物理障碍和分层。而取消一个储罐所节省的成本必须超过从热区到冷区增加热量损失的运营成本。
一个研究领域涉及采用成本更低的固体填充温跃层罐，同时使用液体将热量传入和传出储罐。由于大部分热容量由固体提供，因此可以更好地将其理解为浸入传热流体中的固体存储形式，而不是液体存储形式。其他形式的固体存储在没有持续浸泡的情况下运行。
如果使用地球储量丰富的材料，固体储存的成本可能低于液体储存。然后，其挑战变成了向固体传递热量和从固体传递热量。在较大的存储体积下，如果该过程仅依赖于通过固体的热传导，则传热速率和有用热量都会降低。
为避免这种情况，一种选择是排列固体材料，使流体可以流过空隙。与碎石等散装材料相比，耐火砖等成型材料的流动更容易控制。传热流体可以直接接触或在管道中流动以进行间接传热。与温跃层罐系统一样，固体存储设计需要考虑由于充电或放电过程中的温度梯度造成的内部损失。此外，由于热循环，固体会随着时间的推移而分解。可以通过控制传热速率和材料选择来管理这种损坏。热循环还会导致松散固体沉降到容器底部，从而在容器冷却时对容器施加应力。
另一种固体储存选择使用储存在罐中的颗粒以及与颗粒兼容的热交换器。与其他形式的固体不同，这些颗粒可以很容易地四处移动，从这使得储热部件的设计与传热过程的设计分离成为可能。如果固体存储组件不需要同时完成这两项工作，则热交换器的尺寸可以独立于系统的储能容量，以降低系统总成本。颗粒可通过传送带或流态化进行移动。流态化涉及在颗粒下方吹气并提升这些颗粒，使它们像流体一样移动。流态化已经在一些燃烧和化学过程中使用了几十年。与液体储存一样，颗粒可以储存在两个罐或一个罐中。
（2）潜热蓄热
正如人们已经注意到的，潜热存储利用相变，因此被称为“相变材料”（PCM）。大多数PCM依赖于固液相变。液-气和固-气转换是不切实际的，因为体积上的巨大差异会带来巨大的工程挑战和成本。而固-固转换或者发生在低温下或者具有相对较低的潜热——这还不到经历固液转变的金属基PCM潜热的 25%。
PCM可以在其液相和固相中以显热的形式存储额外的热量。在最简单的情况下，金属合金等单一材料会发生相变以吸收或释放热量。材料的混合物也可用于降低成本或降低廉价材料（如硅）的高熔点。
降低熔化温度对于低温系统来说是可取的，因为它降低了与高温耐受性相关的成本。在组成材料的特定比例下，混合物是共晶的，这意味着混合物在单一温度下发生相变。非共晶混合物在固相和液相共存的温度范围内经历相变。
图 4.4 显示了PCM的几个选项，并将它们的熔化温度与能量密度进行了比较。由于PCM在释放热量时会固化，因此它们不能像用于显热存储的液体那样流动。出于这个原因，PCM的传热提出了与显热存储中使用的散装固体类似的挑战。如今有几种潜在的工程解决方案。一些设计将热交换器嵌入到PCM中，并通过组件泵送传热流体。可以将具有高导热性的填充材料（例如金属纤维）添加到PCM中以提高传热率。
图4.4 潜热材料
PCM可以被封装，这样传热流体可以流过PCM，而不会与其混合或反应。封装的一个有趣变化涉及使用混溶性间隙合金，它将PCM嵌入不同材料的基质中。整体封装过程可能比单独封装更便宜。例如，铝可以嵌入石墨基体中，铜可以嵌入铁基体中。除了传热之外，其他设计问题还包括循环寿命、多组分材料的组分分离以及与密封材料的不良反应。一些系统中的另一个挑战是熔化或凝固过程中的体积膨胀。这会引入应力，导致安全壳随着时间的推移而破裂。
图4.5显示了几种显热和潜热储存方案的成本估算。该估计仅基于直接材料成本以提供一般比较。
图4.5 材料温度与储存成本
除了根据材料使用的储热机制（即显热与潜热）对材料进行分组外，材料还可以根据其热量和机械性能以及其他特性（例如毒性和与容器材料的反应性）进行分类。虽然在选择存储材料方面具有灵活性，但这种设计选择涉及权衡影响系统其余部分的能力，即实现较低的单位能源成本和可接受的效率和放电功率成本。
（3）密封和隔热
密封和隔热是热储能系统的组成部分。较高的温度会通过腐蚀和蠕变等机制增加容器密封失效的可能性。可靠的密封是必要的，这样热储能系统才能在其整个生命周期内持续数百次或数千次循环。如果没有可靠的密封措施，存储材料或传热流体的泄漏将导致停机，并且需要对某些设计进行潜在的具有挑战性的维修。存储材料和密封材料之间的兼容性可以是储能系统特定的。
隔热是设置自放电率的关键因素。作为参考，目前的熔盐罐每天损失大约1%的储存热量。尽管与其他技术相比，这种损失似乎很高，但每天1%的恒定热损失率在两周后会留下大约85%的总容量。除了隔热之外，另外两个重要因素是容器的表面积与其体积的比率以及存储材料的温度。系统越大，其表面积相对于其热质量越小。这会降低热泄漏率，并使隔热更具成本效益。
在显热存储系统中，热损失减少了存储的能量和介质的温度。较低的温度会降低放电效率。在潜热储存系统中，能量容量会较低，但如果 PCM 尚未完全固化，温度将保持恒定。这可能有利于保持放电效率，但与周围环境的温差保持较高的自放电率。在这两种情况下，假设系统可以承受更高的温度，存储介质可以被加热到设计的放电温度以上，以抵消预测的自放电损失。
高温隔热材料的成本可能很昂贵，它有时比玻璃纤维绝缘材料的成本高10或100倍，玻璃纤维隔热材料通常用于低温应用。因此，高温隔热通常仅限于系统最热的部分。随着远离内层的温度降低，可以使用成本较低的材料，例如硅酸铝和矿物纤维。可以使用惰性气体（例如氮气和氩气）代替隔热材料中的空气来减少氧化，从而降低隔热材料的质量。
在高温系统中，辐射热损失也将是一个问题。已提出的一种选择涉及使用金属薄膜的低发射率涂层。有人建议将环境或真空隔热板作为通过减少对流传热来提高隔热性的手段。虽然此类面板用于建筑物，但可靠性可能对较热的结构构成挑战。
作为系统成本的一小部分，隔热成本可能非常重要。尽管成本低，但这会使高温储热材料的吸引力降低。根据文献的一些估计，绝缘成本可占热储能系统总能量容量成本的一半左右。这表明低成本的生产方法或更便宜的隔热替代品是未来研究的领域。
4.3.3 放电：热电转换
在热电转换步骤中，更高的温度产生更高的效率，如图4.6 所示，尽管在非常高的温度下进一步的效率增益会增加（超过1,200℃）。
图4.6 根据卡诺效率绘制的热电联产技术的近似效率
尽管如此，高温的一个原因是为了实现更高的辐射传热率，这对于一些固态能量转换设备来说是至关重要的。除了效率之外，关键指标是成本、灵活性和技术准备情况。灵活性包括启动时间和成本、斜坡率、最小负载和部分负载效率。出于这项研究的目的，假设未来的热储能系统（2050 年时间框架）将足够灵活，保证在建模分析中排除这些考虑因素。灵活性的价值取决于存储设备边界之外的因素。表 4.1 比较了目前占主导地位的热电转换技术和处于不同发展阶段的替代方案。
表4.1 热电转换方法比较
（1）蒸汽朗肯循环
蒸汽朗肯循环通过泵送和加热水，然后在涡轮叶片上膨胀热的加压蒸汽来工作。这会转动连接到发电机的轴。然后在重复循环之前将蒸汽冷凝。基本蒸汽朗肯循环的改进，例如过热、再热和再生，通常用于提高效率。此外，工厂可以设计为使用亚临界、超临界或超超临界蒸汽运行。更高的压力和温度需要更昂贵的材料。蒸汽温度可高达620℃，目前正在研究达到700℃的系统。作为参考，目前用于聚光太阳能发电系统的硝酸盐熔盐的最高工作温度约为550℃。
如果发电厂已经关闭了一段时间，使得组件已经冷却，发电组件在发电前会在几个小时内逐渐加热。这减少了热应力，从而缩短了组件的寿命。电伴热加热器和其他措施可以减少启动时间。一旦运行，蒸汽发电厂可以更快地调整功率输出，速度约为每分钟铭牌容量的2%。
总体而言，蒸汽朗肯循环使用成熟的技术，可以实现30%～45%的热电转换效率。
（2）开放式布雷顿循环
在开放式布雷顿循环中，气体从大气中抽出、压缩、加热（通过燃烧）至通常在 1,000℃ 至 1,500℃范围内的温度，并在排放回大气之前膨胀。由于称为工作流体的气体是从大气中抽出并排放到大气中的，因此唯一实用的工作流体是空气。尽管各种开放式布雷顿循环设计都是可能的，但最常见的设计涉及轴向压缩机和膨胀机。在这种情况下，来自膨胀机的动力用于旋转压缩机和发电机。
布雷顿循环是几十年来发电的燃气轮机的基础。尽管可以使用石油和其他燃料，但如今大多数燃气轮机直接在工作流体中燃烧天然气以提供热量。而不太常见的是间接燃烧的开放式布雷顿涡轮机，它使用热交换器从煤炭、生物质或其他燃料中提供热量含有高灰分的燃料，否则会损坏设备。在核能和聚光太阳能社区的兴趣的推动下，正在努力使涡轮机适应非燃烧应用。
与蒸汽轮机相比，开放式布雷顿涡轮机的启动和响应时间要快得多，因为它们的热惯性较低；有些可以在不到10分钟的时间内启动，并且每分钟的升温速率约为10%。
材料和叶片冷却的改进使得燃气轮机的峰值温度更高，从而提高了效率。热储能系统的局限性在于构建能够承受高压和高温以提供所需效率的热交换器。演示被限制在1,000℃左右。
来自一台涡轮机或多台涡轮机的废气可以热到足以在朗肯循环中加热蒸汽；这种配置称为联合循环发电厂。与效率约为30%～40%的独立天然气涡轮机相比，联合循环发电厂的效率可达到50%～62%。
然而，由于蒸汽朗肯循环的限制，联合循环电厂的启动时间和整体灵活性比独立涡轮机差。
（3）替代技术
一些替代技术不一定是新的，但它们迄今为止的较低性能或它们的早期开发阶段限制了它们在发电中的广泛应用。通过额外的研究、开发和部署，他们可能拥有有可能变得比当今的技术更具成本效益或与当今的技术一起使用。
（4）封闭式布雷顿循环
尽管当今封闭式布雷顿循环涡轮机并不常见，但在上世纪50年代，它们最初比开放式循环燃气轮机更受欢迎因为劣质燃料的内燃会毁坏涡轮机。在封闭的布雷顿循环中，工作流体被重复使用，它在膨胀机之后冷却，然后返回压缩机。为了提高效率，在提供外部热量之前，热量从低压膨胀机排气转移到高压气体，而这个过程称为回收，减少了外部加热需求。封闭式布雷顿循环允许使用空气以外的工作流体。这些设计的另一个优点是可以增加背景压力（即低压气体的压力）以提高气体密度，从而提高热储能系统的功率密度，并降低成本。
早期的设计使用空气、氮气或氦气作为工作流体。与使用空气相比，氮气减少了氧化，从而延长了组件的使用寿命。尽管如此，就像开放式布雷顿循环一样，空气和氮气需要高温（高于1,000℃）才能实现高效率。
氦气因其良好的传热特性和与核反应堆潜在耦合的惰性而具有吸引力。然而，氦气系统也存在一些挑战，例如可能导致损坏的泄漏和不必要的振动。研究报告描述了氦涡轮机的历史经验以及有关该技术挑战的更多细节。对氦气的一个担忧是长期供应充足性：目前的供应预计将持续约100年，尽管新发现将扩大这一估计。尽管100年的供应量将超过这一研究的2050年时间框架，但大多数氦气是与天然气开采共同生产的，预计天然气开采量会下降，从而在当前估计中引入不确定性。鉴于这种担忧，与其他工作流体相比，氦气的好处可能不会超过其缺点。
目前，超临界二氧化碳（sCO2）已成为许多研究的焦点。在峰值温度约为700℃时，有可能实现50%或更高的热效率，并且正在努力提高温度。在基于化石燃料的发电厂中使用sCO2也引起了人们的兴趣，其中一些设计包括集成碳捕获。sCO2动力循环的想法自从上世纪世纪中叶就已经存在。然而，有在开发能够承受高温和高压的材料和组件方面一直面临挑战。还有一个版本，sCO2在动力循环的压缩阶段变成液体，在这种情况下就是sCO2朗肯循环。
由于开发sCO2技术的工作正在进行中，并且商业运营的热储能设施很少，因此目前的成本估计是不确定的。在其SunShot计划中，美国能源部(DOE)设定了900美元/kW的成本目标，其中50%的热发电40℃时的效率和空气冷却。正在建造使用sCO2的项目超出了台式规模。一家公司使用称为Allam-Fetvedt循环的变体从德克萨斯州的50MW燃烧型sCO2示范工厂向电网供电。另一家公司提供8MW的CO2Rankine系统，专为废热回收而设计；该系统已经过工厂测试，一台装置计划于2022年投入使用。尽管sCO2循环的早期应用可能依赖于燃烧，但大部分基础知识和经验将是可转移到热储能系统（TES）和其他非燃烧应用。
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