中国蓄热储能产业发展报告(2024)

编委会 主编：代彦军陈讲运李鸿波编委：（按姓氏笔画） 丁胜王会孔俊龙毕扬刘洪绪孙田津苏士强苏万振李智李海建李培伦宋岷桦张玉杰张吉礼张慧鑫陈进周庞静赵辰淏郭海新韩荣涛谭持中樊建华魏晨晨 审稿专家：郭炳庆路宾杨旭东李建强孙培军主编单位： 中国建筑金属结构协会清洁能源应用分会太阳能发电及制冷教育部工程研究中心法兰克福展览（上海）有限公司 中展智奥(北京)国际展览有限公司参编单位： 中国建筑金属结构协会采暖散热器委员会上海交通大学 中国电力科学研究院 中国科学院过程工程研究所中国建筑材料科学研究总院大连理工大学 丹麦科技大学 北京建筑材料检验研究院 内蒙古梅捷新能源科技有限公司江苏昂彼特堡能源集团有限公司山东盛拓科能源有限公司 山东力诺瑞特新能源有限公司杭州华源前线能源设备有限公司远能（苏州）环境科技有限公司北京热力装备制造有限公司 前言 根据《Renewables2023》，2022年热能是终端用能占比最高的能源消耗，热能消耗约占最终能源消耗总量的一半。当前，热能生产主要以化石能源为基础，其中只有13%来自可再生能源。全球工业领域总共消耗的能源主要由燃烧一次能源—石油、煤炭和天然气产生，可再生能源做出的热能贡献仅占12%。预计2023年至2028年期间，全球工业部门热能需求将增长16%。根据国际能源署的相关报告，建筑的区域供热和制冷系统仍然主要依赖化石能源（约占总供热量的90%）。2020年9月，中国提出“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”目标。实现“双碳”目标，需要大幅度压减使用化石燃料。 根据《BP世界能源统计年鉴2023》，2022年全球太阳能风能发电装机容量达到了220GW的历史新高，其中中国太阳能和风能发电的增长比率最大，分别达到了37%和41%。为了提升可再生能源的稳定性、平衡可再生能源的波动性，高比例消纳可再生能源，蓄热储能技术已成为新能源系统的重要组成部分。 为响应国家新能源政策，提升新能源利用率，推动“双碳”目标实现，中国建筑金属结构协会与太阳能发电及制冷教育部工程研究中心合作，调研、分析了中国蓄热储能行业发展情况。主要工作有：对蓄热储能技术进行调研、归纳、对比分析；查找、归纳了中国乃至世界范围内的蓄热储能技术的政策以及相关标准；分析了全球蓄热储能技术利用现状、各类技术的特点；立足蓄热行业的上游、中游和下游，从蓄热设备、相变材料等方面分析了产业链情况；介绍了蓄热储能项目的工程设计和施工；讨论了中国蓄热储能技术的趋势、机遇和挑战；提供了中国蓄热储能发展的建议。 由于时间紧、调查范围广，工作团队掌握的资源有限，不足之处敬请各位读 者批评指正。 编制组 2024年5月 目录 1.概述5 1.1蓄热储能发展历程5 1.2应用价值8 1.2.1平衡可再生能源的波动性9 1.2.2提高能源利用效率10 1.2.3高灵活性12 1.2.4助力双碳13 2.型式分类16 2.1显热蓄热储能16 2.1.1显热蓄热方式17 2.2潜热蓄热储能19 2.2.1潜热蓄热储能材料20 2.2.2潜热蓄热储能方式25 2.3热化学蓄热储能28 2.3.1吸附/吸收蓄热储能29 2.3.2化学反应蓄热储能31 2.4其他34 2.4.1复合蓄热储能34 2.4.2物理吸附/吸收蓄热储能34 3.政策与标准36 3.1中国蓄热储能支持政策36 3.2其他国家蓄热储能支持政策39 3.2.1美国39 3.2.2欧盟40 3.2.3日本43 3.2.4加拿大44 3.2.5澳大利亚44 3.3中国蓄热储能标准44 3.4其它国家蓄热储能标准45 4.蓄热储能市场47 4.1市场概况47 4.2蓄热储能技术对比分析51 4.2.1三种蓄热储能技术对比51 4.2.2多种蓄热储能技术对比54 5.蓄热储能技术应用领域以及案例56 5.1以热源为分类的应用58 5.1.1谷电蓄热储能58 5.1.2可再生能源及工业余热作为蓄热储能热源62 5.2建筑蓄热储能供热和供冷案例分析69 5.2.1相变材料蓄热储能技术案例分析72 5.2.2固体蓄热储能案例分析77 5.2.3熔盐蓄热储能技术案例分析81 5.2.4水/冰蓄冷储能技术案例分析83 5.2.5土壤蓄热储能技术案例分析86 5.3工农业蓄热储能案例分析89 5.3.1工农业用热现状89 5.3.2酒、饮料和精茶制造业蓄热储能92 5.3.3纺织业蓄热储能94 5.3.4工业余热蓄热储能案例96 5.3.5农业蓄热储能案例分析98 5.4电力领域蓄热储能案例分析100 5.4.1熔盐蓄热与聚光太阳能热发电系统101 5.4.2蓄热储能参与电网调峰103 6.中国蓄热储能产业链分析107 6.1产业链上游分析：蓄热储能材料与配件109 6.1.1相变蓄热储能材料发展现状109 6.1.2相变蓄热储能材料制造商及其产品概况110 6.2产业链中游分析：蓄热储能设备和系统110 6.3其他蓄热储能产业链115 6.3.1电锅炉+水蓄热储能产业链115 6.3.2固体电蓄热锅炉技术产业链116 6.3.3熔盐蓄热产业链117 6.4产业链下游分析：工程设计117 6.4.1工程设计117 7.中国蓄热储能技术趋势、机遇与挑战123 7.1中国蓄热储能技术趋势123 7.1.1电力123 7.1.2工业124 7.1.3建筑128 7.2中国蓄热储能机遇129 7.3中国蓄热储能挑战132 7.3.1固体蓄热储能面临的挑战132 7.3.2相变蓄热储能面临的挑战132 7.3.3化学蓄热储能面临的挑战133 8.中国蓄热储能发展建议135 参考文献：137 图表清单：142 1.概述 1.1蓄热储能发展历程 蓄热储能技术有着悠久的历史。最古老的能源储存形式是从湖泊、河流和山脉中收集天然的冰雪，用于食物保存、冷饮和空间冷却。当时的人类利用简单的蓄冷方式储存自然界所馈赠的冰或雪。周朝时，中国已经运用储存的冰块来保证食物的口感和降低房间的温度（西汉的冰窖，如图1-1）；古罗马人和古希腊人依靠运输山顶上的积雪来制作冰饮；时至今日，日本的一些地区（京都、金泽和草松）还依然保留着将天然冰收集在冰舍中以供夏天解暑使用的习惯。 图1-1：故宫博物馆的冰窖（现已经改造为餐厅） 蓄热储能的概念可以追溯到19世纪初，当时发明了防止黄油融化的冰盒。 现代蓄热储能的发展始于20世纪初和20世纪70年代末的建筑供暖和制冷以及用于聚光太阳能热发电【1】【2】。 20世纪60年代前后，中国首次提出地下含水层蓄能系统。上海市依靠该系统将大量的地下水提取出来用于工业冷却的系统，为了抑制沉降便将地表水注入含水层，发现储存的水在注入后仍然保持冷态，从而可继续用于工业冷却。1970年前后进一步建议在含水层中储存热能，法国、瑞士、美国和日本对其进行了现场试验和可行性研究。目前全球有超过2800个地下含水层蓄能系统运行，每年 超过2.5亿千瓦时的能量用于供暖和制冷。 早在1873年，美国麦克马洪（MacMahon）设计了以高温热水的形式间接地储蓄蒸汽的方案，取得了专利，为现代的蒸汽蓄热器奠定基础。20世纪中期出现了蒸汽蓄热罐的技术【3】。而中国于1961年在上海渔轮厂装用自行设计的一台 22立方米蒸汽蓄热器；1964年铁道部运用蒸汽蓄热罐配合小锅炉在机车洗车前回收机车锅炉内余热【3】。70年代时，日本和西欧国家发现蒸汽蓄热系统吸收锅炉的余热可以将锅炉热效率效率提升10%【4】。之后，我国专家致力于发掘除锅炉余热以外的冶金、化工等工业冷却生热作为热源耦合蒸汽蓄热罐以用于供热、供暖等领域。 20世纪60年代，美国伊利诺伊大学的Penrod首次提出了将太阳能集热器 与地埋管换热器组合的技术设想【5】。到20世纪70年代后半期，欧洲也开始了对太阳能跨季节蓄热系统的研究并用于供暖系统，并取得了一定的成果。从1979年起，太阳能跨季节蓄热已成为国际共同研究的课题。在国际能源署（IEA）的大力支持下，跨季节蓄热的研究取得了较大的进展。 显热蓄热技术起源于蓄热罐。蓄热罐多用于回收转炉余热，以此解决转炉间歇性工作带来的热水温度不一致的问题。例如锅炉对工业淬火炉废热进行二次加热继而利用于蒸汽式制冷和蓄热式供暖的方法【4】。 全世界太阳能研究热潮发生在20世纪70年代，促进了蓄热技术的发展。美国俄亥俄州迈阿密斯堡安装了一套供热系统，巧妙地结合了集热和蓄热的过程，能够全年收集和储存太阳能，用于工业和住宅区的供热【6】。20世纪90年代，中国科研人员开始关注太阳能集热器与土壤蓄热结合，并进行模拟分析。 图1-2：太阳能蓄热池【7】 20世纪80年代，研究人员逐步关注到相变蓄热领域。1981年，从潜热被动式太阳能房的蓄热墙体以及建筑围护结构耦合相变蓄热材料的研究工作开始，逐步拓展了相变蓄热的应用范围，聚焦于相变蓄热材料和蓄热器的研发。早期主要研究对象是相变蓄热材料中的无机水合盐类。20世纪90年代中期，研究重点转向有机蓄热材料及“固-固”相变蓄热材料（例如多元醇、CO(NH2)2等）。此外，研究人员在相变材料方向上不断突破，发展了具有多孔结构特性的相变材料。 “地源热泵”的概念，于1912年由瑞士的专家提出。1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个地源热泵系统。中国在地源热泵方面的研究起源于20世纪80年代。其中土壤源热泵发展最快，地表水地源热泵的工程运用范围最广【8】。 1993年中国第一个冰蓄冷系统在深圳电子科技大厦正式运用。截至到2006 年中国大陆已有300多个蓄冷项目【9】。 图1-3：发展历程示意图 1.2应用价值 蓄热储能是一种储能技术，其原理是将热能储存起来，在需要时以热能或其他能量形式释放出来的一种技术。推广这种技术的目的是实现错时用能，以便匹配能源供给与需求之间的时间不同期问题，提高能源系统的运行效率。 蓄热储能技术具有重大的应用价值。 首先，蓄热储能技术可以有效缓解可再生能源的间歇性特性。通过将太阳能和风能等不稳定能源的多余能量转化并储存起来，再在需要时释放，可以提高能源利用率、降低能源浪费，从而增强能源系统的稳定性和可靠性。蓄热储能技术有助于提高能源供应的灵活性。在能源需求高峰时段，可以释放储存的能量以满足需求，从而平衡供需关系，减少能源供应不足的情况发生，保障能源安全。 其次，蓄热储能技术还能够提升能源的利用效率。通过将太阳能和风能等可再生能源的能量进行储存和调度，可以实现清洁能源的稳定供应，减少对传统化石能源的依赖，推动能源结构向清洁、低碳方向转型。 最后，蓄热储能技术在节能方面潜力巨大。将工业等部门的余热运用在建筑热能的运行阶段，例如废热余热供暖、废热余热供热等，减少了由一次能源燃烧带来的气候问题。将夜间电能储存用于白天的热能需求，既减少了燃烧化石燃料产生的电能的浪费，也减少了白天需热、重新燃烧一次能源带来的能源浪费和二氧化碳排放。 蓄热储能具有独特的优势，可以促进供暖和制冷系统的电气化，同时通过提供能源和热的灵活性来促进可再生能源发电。表1-1概述了不同市场中提供的服务。 表1-1：蓄热储能服务和价值概述【10】 部门 服务 价值 具体内容 蓄热储能被认为是弥补可再生能源间歇性的关键技术之一这些系统能 加速可再生 够储存来自可再生能源的多余能量，将其保留数小时甚至数周，甚至 联合 能源增长 有些技术能够实现长达数月的储存，而不会有功率输出的损失，例如 电力 可再 地下水中的显热储存。 领域 生能源 减少对化石燃料发电的 在可再生能源发电量过剩的情况下，蓄热储能允许这些能源系统通过用储存的可再生能源取代碳排放的化石燃料发电，减少对日益昂贵的化石 依赖 燃料的依赖。 灵活性 供应安全 蓄热储能通过存储电网规模的可再生能源和优化本土能源的使用来提供能源安全（特别是在长期应用中）。 利用电网基础设施 蓄热储能可以稳定电网并推迟对基础设施的维护需求。 服务 能源套利 蓄热储能系统可以通过在低需求和低价格期间购买电力，并在高需求和高价格期