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冰浆是大规模蓄冷的重要发展趋势

发布时间:2023-03-04 15:01:28| 点击次数:
       中国清洁供热平台讯:从成本来看,按目前储电综合成本约3000元/kWh,移峰1kWh的电力负荷,蓄冷的成本仅为350-500元/kWh(LiB储能技术的10~20%)。此外,蓄冷的上下游产业配套比较成熟,规模化应用后的成本下降空间大。
在6月22-23日于常州召开的2021年第三届中国储热大会上,中国科学院广州能源研究所研究员、储能技术研究室副主任宋文吉就“过冷水冰浆技术及其蓄冷应用”作主题演讲。
发展蓄冷技术的重要意义
        宋文吉指出,制冷是社会能源消耗的重要组成部分。制冷空调的能耗和温室气体排放是中国30/60双碳目标的重要组成部分。中国夏季电力高峰负荷的40%以上是制冷空调造成的,商业/公共建筑50%以上的能耗是空调机组。同时,越来越多的楼宇采用热泵空调,夏季供冷、冬季供热,空调机组同时影响全年的供电负荷。因此,必须充分重视制冷空调对电力负荷的影响,否则反馈到上游,则直接影响电力的供应和可再生能源的消纳。
        宋文吉强调,大规模蓄冷是重要的储能调峰技术。以广州珠江新城为例,前40个中央空调的用电负荷就达到了106MW,约占广州从化抽水蓄能电站(8台30万kW机组)容量的1/20。相关规划实施后,珠江新城集中供冷系统采用冰蓄冷(约60MW电力负荷调节能力),使得制冷机的装机容量减少一半,不仅大幅降低了峰谷差、而且减少了制冷剂的使用量,系统综合运行能效大幅提高。
        宋文吉介绍称,在蓄冷领域,不管是从国际组织数据,还是国内自己的调研数据来看,在商业楼宇和区域供冷这两个应用领域中,以水和冰为储冷介质的蓄冷技术都是比较成熟的技术,也是主流的技术。国内在水蓄冷、冰蓄冷的细分领域中也培育了一批优秀的民族品牌,整体来看,中国蓄冷技术与日美欧并跑,处于国际先进水平。
蓄冷储能的优势
      从电池储能的角度来说,电力使用方便,储电调峰的好处显而易见。但从效率角度来看,对于空调机组来说,蓄冷储能的优势更加明显,因为蓄冷的热效率高于储电,而热效率决定了中央空调的运行成本。因此,蓄冷是最高效的中央空调储能调峰技术。
从成本来看,按目前储电综合成本约3000元/kWh,移峰1kWh的电力负荷,蓄冷的成本仅为350-500元/kWh(LiB储能技术的10~20%)。此外,蓄冷的上下游产业配套比较成熟,规模化应用后的成本下降空间大。
宋文吉表示,总体来看,蓄冷储能在用户侧调峰的优势明显,主要表现在以下几个方面:
1、成本低、效率高:大规模蓄冷技术以水为介质,成本低廉;靠近负荷中心,储能效率高,移峰1kWh的电力负荷成本仅是电池技术的10~20%;蓄冷作为冷量缓存装置,放冷时可大幅提高主机运行效率,进而提高系统的综合能效比。
2、功率和能量调节范围很宽、适应性好:蓄冷系统的功率变换装置为制冷主机和换热器,调节范围从MW~GW,储能装置为保温水槽,根据需要可满足Hour、Day、甚至跨季节的调节需求;系统寿命可达20年以上。
3、环保效益:蓄冷系统除了对电网产生移峰填谷效益外,能大幅度减少制冷机组的装机容量,从而减少氟利昂的使用,获取环保效益。
冰浆蓄冷的技术优势
       冰蓄冷技术发展至今主要经历了三个重要的发展阶段。首先是上个世纪80年代的冰球制冷方式,其次是90年代开始的盘管技术,2020年代后的第三代是冰浆的方式。
       宋文吉介绍称,与现有蓄冷技术相比,冰浆具有成本低、制冰能效高、负荷响应速度快、占地面积小等突出优势,国内自2010年开始兴起,经历十年发展,中国蓄冷储能技术正在进入冰浆蓄冷时代。
冰浆制取的基本原理
       冰浆蓄冷充分利用水的过冷特性,在时间和空间上将换热和相变解耦,做到“换热时不相变,相变时不换热”,由此大幅提高系统效率。冰浆蓄冷的技术优势主要体现在以下几个方面:
1、蓄冷能效高:制冷剂蒸发温度高,制冷机组COP大幅度提高,制冰能耗比冰球和盘管技术降低20%以上。
2、放冷速度快:冰浆的比表面积是冰球和盘管的100倍以上,融冰速度快、负荷响应灵敏,可满足任何建筑的负荷变动需求。动态响应特性好,可实现电力调峰的快速响应。
3、占地面积小、易维护:蓄冰槽中无冰球和盘管,冰槽体积大幅度减小。冰浆具有流动性,对蓄冰槽形状无特殊要求,可以利用现有的各种地下室、停车场、现有水槽等。
4、投资回收期短:虽然蓄冷空调的初投资略高于普通空调,但运行费用却大幅度降低,新增设备的投资回收期仅需2-4年。以水为介质,安全可靠,维护成本低,使用寿命至少20年。
冰浆蓄冷在中央空调领域的应用
       中央空调蓄冷充分利用峰谷电价,夜间制冰蓄冷、白天融冰放冷,为各种中央空调和产业制冷系统提供冷量,为用户节约运行费用的同时,实现电力负荷移峰填谷。
       一般情况下,在用户现有中央空调系统基础上,增加一套冰浆机组和相应的蓄冷/放冷设备,即可满足用户不同时段的用冷需求。类比化学储电系统,可实现功率与容量、制冷功率与放冷功率的双解耦。
部分典型工程案例
       从技术升级方向来看,下一代冰浆蓄冷技术升级将坚持能效提升和装备提升两个思路,一是简化系统,减少载冷剂循环,可节省约20%泵功;减少换热损失,可提高约6%的效率;二是提高制冰设备的集成度,减小占地面积;研发大容量制冰机组,实现电-冷转换(制冰)装备的集成化、模块化、大型化,降低蓄冷系统成本,提高场景适应性。
冰浆技术在供热及其他领域的应用
       宋文吉指出,冰浆技术也可在供热领域实现应用。利用可控相变技术,可以进一步提取由水到冰的相变潜热,这个热可以作为热泵供热的热源,冰源热泵可为跨季节储冷提供免费的冰。
       基于冰源热泵(可控相变)清洁供暖技术,可以取地下水,地表水,用热泵方式解决清洁供暖的问题,近年来,中科院广州能源研究所已建成运行南京银杏山庄等多个项目。
       以华东某城市冬季供暖为例:热负荷25W/m²,供暖季4个月,以冰源热泵技术进行清洁供暖,只需要0.5吨水(由15℃降为0℃的冰);按清洁供暖面积10万m²计算,耗水量仅为5万吨。在满足供暖需求的同时,可跨季节收集冷量1,40万RTh,约折合1.40GWh的电能。
此外,宋文吉还提到了冰浆跨季节蓄冷储能概念。结合冬季气候特点和电力供应特点高效制冰,将冷量储存起来用于夏季及过渡季节的集中供冷,从而实现空调制冷系统的GWh级储能。由于浅层土壤温度与储冷介质的温差较小(最低0℃),所以跨季节蓄冷的热效率要高于跨季节蓄热(热水温度80-90℃),且工程难度更低。
冰浆跨季节蓄冷涉及以下几个关键技术:
1、如何高效、低成本地蓄冷:蓄冷周期内的低价电力制冷(低谷电、可再生发电的富余电、等等);蓄冰槽内的温度管理(水温分层、斜温层控制等等)、中短周期操作策略等。
2、如何高效地用冷:蓄冰槽内的温度管理(蓄冷-放冷);冷能品位的梯级利用(直接换热-制冷机组提冷、除湿(温湿度独立控制等)、大温差供冷等等)。
3、如何构建大型人工储冷设施:结构对性能的影响(能效、储能效率、等效循环次数等)、对环境的影响等;选址、投资分析、盈利模式等等。
此外,除制冷供热领域以外,冰浆可为用户提供0-1℃的高品质洁净冷源,尤其适合食品加工、饮品工艺冷却、冰温保鲜等领域。与此同时,冰浆是天然优质的潜热输送介质,因冰晶相变潜热的存在,单位体积可携带更多冷量,可大幅降低冷量输送能耗和系统初投资。

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