创新前景储热S支up持p单ort位ed：by:basedonadecisionoftheGermanBundestag©IRENA除非另有说明，本出版物中的材料可以自由使用、共享、复制、印刷和或存储，前提是需恰当确认IRENA为资料来源和版权所有者。本出版物中属于第三方的材料可能受单独的使用条款和限制的约束，在使用此类材料之前，可能需要获得这些第三方的相应许可。引文：IRENA()，创新前景：储热，国际可再生能源署(IRENA)，阿布扎比。ISBN：----本文件为“InnovationoutlookThermalenergystorage”的译本ISBN----()。如中文译本与英文原版的内容不一致，概以英文版为准。下载地址：www.irena.org/publications请通过以下网址了解更多信息或向我们提供反馈：publications@irena.org关于IRENA国际可再生能源署(IRENA)是国际合作的主要平台、英才中心、政策、技术、资源和金融知识库，也是推动全球能源系统转型的动力。作为成立于年的政府间组织，IRENA推进广泛采用和可持续利用各种形式的可再生能源，包括生物能源、地热、水电、海洋、太阳能和风能，以追求可持续发展、能源获取、能源安全和低碳经济的发展与繁荣。www.irena.orgIKI支持本报告是“未来城市能源解决方案”项目的一部分，该项目得到了国际气候倡议(IKI)的支持。德国联邦环境、自然保护与核安全部(BMU)基于一项德国联邦议院决议为该项计划提供支持。致谢本创新前景报告在FranciscoBoshell(IRENA)的指导下，由AlessandraSalgado、NadeemGoussous(IRENA)、ManuRavishankar、OliverRichards、JamesWalker、TomJennings和FloraBuchanan（碳信托）、AnabelTrujillo、OmarSaeed、HelenaNavarro、YulongDing和Yi-ChungChen（伯明翰大学）等人共同合作撰写。IRENA专家也为该展望做出了积极贡献，他们是：DolfGielen、ArinaAnisie、ElenaOcenic、LilianaAndreiaMoraisGomes、CarlosFernandez、PaulKomor、GayathriPrakash、LuisJaneiro、RolandRoesch、LucaAngelino、YongChen、PaulDurrant和EmanueleTaibi。以下外部专家对本报告进行审阅并提供了宝贵的反馈意见：MichaelGeyer（德国航空太空中心[DLR]）、DegerSaygin（SHURA能源转型中心）、SamanNimaliGunasekara（皇家理工学院）、RuudKempener（欧盟委员会）、DariaDraganova和Jean-MichelDurand（欧洲储能协会(EuropeanAssociationforStorageofEnergy)）、AlessandroProvaggi（区域供热供冷系统技术平台欧洲区域供热供冷协会）、WimvanHelden（国际能源署太阳能供热和供冷实施协议第研究任务美国能源工程师协会–可持续技术研究所）、FernandoMorales(HighviewPower)、JorisMKoornneef(TNO)、LionelNadau（苏伊士环能集团）、JanDirikenandRobbeSalenbien(VITO)。IRENA感谢PabloRalon(IRENA)、MarcusVABianchi（国家可再生能源实验室）和KevinKnosala（能源与气候研究所技术经济系统分析，于利希研究中心）提供的章节评论、市场评估关键性意见及第章中的预测分析。第章中的技术评估和重点事项得到了国际能源署太阳能供热和供冷实施协议第研究任务(IEASHCTask)国际能源署蓄能节能委员会Annex(ECESAnnex)多位专家的反馈，他们是：WimvanHelden、DannyMuller、SamanNimaliGunasekara、HaraldMehling、DominicGroulx和PimDonkers。下列技术专家通过引导性访谈提供了有用的反馈和信息：DavidSanders(Dearman)、RuudvandeBosch(Ecovat)、NitinGoel(Inficold)、JiuliangChenNanjing（金合能源材料有限公司）、JohnLerch(AxiomEnergy)、MikeHopkins（IceEnergy前职工）、SoniaFerrer（阿苯哥）、HuubKeizers(TNO)；ChrisHeaton（ETI前职工）、AndrewBissell和DavidOliver(Sunamp)、BobbyDunn（萨默赛德）以及AndrewTong（俄亥俄州立大学）。本报告的编辑为JustinFrench-Brooks。IRENA由衷感谢德国联邦经济事务和能源部的大力支持。免责声明本出版物及所使用的资料均按“原样”提供。IRENA已经采取了所有合理的措施，以验证本出版物中资料的可靠性。然而，IRENA、其任何官员、代理人、数据或其他第三方内容提供者均不提供任何明示或暗示的担保，且对使用本出版物或材料的任何后果不承担任何责任或法律责任。本文中包含的信息不一定代表IRENA所有成员的观点。提及特定的公司或特定的项目或产品并不意味着IRENA认可或推荐这些公司或产品，认为其优先于未提及的类似性质的其他公司或产品。此处采用的名称和本材料的表述，并不意味着IRENA会就任何地区、国家、领土、城市或地区或其当局的法律地位或对边界或边界的划定表示任何意见。蓄热为整合高比例的太阳能和风能提供了必要的灵活性。目录图片.....................................................................................................................................................................................................6表格.....................................................................................................................................................................................................8案例研究..............................................................................................................................................................................................9缩写...................................................................................................................................................................................................10计量单位.............................................................................................................................................................................................11关键发现............................................................................................................................................................................................12对政策制定者的启示....................................................................................................................................................................16TES为城市所有能源需求部门提供灵活性..................................................................................................................16TES市场评估.............................................................................................................................................................................18部门应用和创新展望.............................................................................................................................................................22政策建议.....................................................................................................................................................................................321设置情景.....................................................................................................................................................................................381.1全球能源转型.................................................................................................................................................................381.2TES市场评估..................................................................................................................................................................421.3TES在集成能源系统中的作用................................................................................................................................491.4系统方法............................................................................................................................................................................512技术概览.....................................................................................................................................................................................532.1蓄热技术的主要类型...................................................................................................................................................532.2TES技术的关键属性...................................................................................................................................................674创新展望3各部门现状和趋势.................................................................................................................................................................703.1电力......................................................................................................................................................................................713.2工业.....................................................................................................................................................................................763.3冷链.....................................................................................................................................................................................833.4区域供热和供冷............................................................................................................................................................903.5建筑.....................................................................................................................................................................................984加快部署的政策干预措施.................................................................................................................................................1064.1TES应用的系统层面障碍........................................................................................................................................1074.2可用的支持机制..........................................................................................................................................................1094.3各部门面临的主要障碍及建议...............................................................................................................................1124.4广泛部署TES的主要障碍........................................................................................................................................1165参考文件...................................................................................................................................................................................1206附录..............................................................................................................................................................................................1286.1本创新展望技术选择背后的方法论....................................................................................................................1286.2显热蓄热..........................................................................................................................................................................1296.3潜热蓄热...........................................................................................................................................................................1316.4热化学蓄热.....................................................................................................................................................................1336.5机械热储能系统...........................................................................................................................................................137蓄热5图片TES在能源部门的关键应用..............................................................................................................................17所研究TES技术的工作温度和时间范围.....................................................................................................18图1.与《巴黎协定》一致的IRENA“能源转型情景”中的TES装机容量预测................................19图2.熔融盐TES装机容量...........................................................................................................................................19图3.全球范围内TES空间供冷装机容量和预测容量.....................................................................................20图4.TES供热应用的装机容量..................................................................................................................................20图5.TES在电力部门的技术现状和创新展望.....................................................................................................23图6.TES在工业部门的技术现状和创新展望.....................................................................................................25图7.TES在冷链部门的技术现状和创新展望.....................................................................................................27图8.TES在区域供热和供冷部门的技术现状和创新展望............................................................................29图9.TES在建筑部门的技术现状和创新展望......................................................................................................31图10.TES部署所面临的障碍.......................................................................................................................................33图11.给政策制定者的建议...........................................................................................................................................36图12.2010-2050年各部门能源相关的年度CO2排放......................................................................................39图13.截至2019年的装机容量....................................................................................................................................42图14.全球熔融盐TES装机容量（吉瓦）.............................................................................................................43图15.熔融盐TES装机容量.........................................................................................................................................44图16.全球范围内TES空间供冷装机容量和预测容量.....................................................................................45图17.ATES预测.................................................................................................................................................................46图18.供热应用的TES装机容量（占总装机容量的百分比）......................................................................47图19.TES装机容量预测................................................................................................................................................48图20.满足电力和热能需求灵活性的集成集中式和分布式电力基础设施概述.....................................48图21.TES在能源系统的关键应用.............................................................................................................................49图22.直接熔融盐蓄热系统...........................................................................................................................................56图23.间接熔融盐蓄热系统...........................................................................................................................................56图24.地下储能概念..........................................................................................................................................................57图25.本报告中分析的PCM的性质，揭示了熔化热和熔点方面的差异..................................................58图26.大容量蓄热系统中的PCM封装......................................................................................................................59图27.图28.6创新展望图29.冰盘管系统...............................................................................................................................................................60图30.热化学蓄热方法和材料......................................................................................................................................62图31.CaL工艺方案..........................................................................................................................................................62图32.CREATE演示蓄热系统图...................................................................................................................................63图33.配备分离反应器的吸收式系统配置..............................................................................................................64图34.A-CAES提议现场装置图...................................................................................................................................65图35.发电应用LAES的通用系统配置....................................................................................................................66图36.所研究TES技术的工作温度和时间范围....................................................................................................68图37.TES在各部门的主要应用概述........................................................................................................................70图38.各种储能技术额定容量下的系统额定功率和潜在释能时间.............................................................72图39.2018年电力部门适用技术的商业就绪水平..............................................................................................72图40.适用于工业部门不同工作温度范围的技术...............................................................................................79图41.TES技术在工业部门应用中的商业就绪水平...........................................................................................79图42.使用水作为短期蓄热介质的工厂位置..........................................................................................................81图43.TES技术在冷链中的商业就绪水平..............................................................................................................86图44.未来集成冷链中使用LAES的愿景...............................................................................................................87图45.TES技术在区域供热和供冷中的商业就绪水平......................................................................................93图46.TES技术在建筑部门的商业就绪水平.........................................................................................................101图47.促进TES技术商业化的政策方案清单......................................................................................................109图48.不同水罐配置........................................................................................................................................................130图49.BICPV-石蜡系统概念..........................................................................................................................................132图50.用于热化学蓄热的CSP-CaL整合.................................................................................................................134图51.水合盐封闭式系统(a)和开放式系统(b)的配置..................................................................................135图52.分离反应器概念的工艺配置............................................................................................................................136图53.吸收式蓄热系统原理图.....................................................................................................................................137图54.TES绝热CAES......................................................................................................................................................138附录图1.2010-2050年与能源相关的CO2排放量(Gt/yr)...................................................................139蓄热7表格表1.各终端用能部门中TES相关政策干预概述..................................................................................................34表2.所选TES技术的适用规模、工作时间和相关能量矢量..........................................................................68表3.所选TES技术的关键技术属性...........................................................................................................................69表4.CSPTES技术创新的主要目标............................................................................................................................74表5.太阳能光伏发电和风力发电TES技术创新的关键目标..........................................................................75表6.工业部门的可再生能源技术...............................................................................................................................78表7.工业部门TES技术创新的主要目标..................................................................................................................81表8.冷链中TES技术创新的关键指标......................................................................................................................88表9.冷链应用中TES技术的关键材料和系统创新需求....................................................................................88表10.区域供热和供冷TES技术创新的关键目标..................................................................................................96表11.建筑部门TES技术创新的主要目标...............................................................................................................103表12.欧盟三个成员国的NREAP介绍，揭示了2020年各部门的可再生能源渗透率目标...............112表13.欧盟确定的储能部署障碍.....................................................................................................................................113表14.各终端用能部门中TES相关主要支持需求概述.........................................................................................116表15.各终端用能部门中TES相关政策干预概述..................................................................................................118表16.科学文献中提出的无机复合材料......................................................................................................................133表17.研究人员针对季节性储能应用提出的TCM材料.......................................................................................135表18.TES技术与能源部门.............................................................................................................................................1408创新展望案例研究案例研究1.中国利用部门耦合降低弃风率..................................................................................................................51案例研究2.货运集装箱的蓄热.........................................................................................................................................85案例研究3.智能供冷在商业零售场所提供需求侧管理服务...............................................................................85案例研究4.季节性储能太阳能区域供热方案............................................................................................................94案例研究5.柏林区域供热方案使用的水合盐蓄热原型.........................................................................................95案例研究6.将充能的TES材料从充能地点运输到需求点...................................................................................97案例研究7.具备智能能源管理功能的PCM热电池可实现低谷期可再生能源的整合..........................100案例研究8.市政当局引入家用TES以减少家庭开支并提高风能利用率....................................................102案例研究9.英国的LAES技术推动干预措施............................................................................................................110案例研究10.加利福尼亚州为拉动储能市场实行强制干预措施...........................................................................111案例研究11.市场改革有助于减少中国的可再生能源弃电问题..........................................................................113案例研究12.印度实行技术推动和市场拉动干预措施以发展清洁冷链............................................................114蓄热9缩写A-CAES绝热压缩空气储能LAES液态空气储能LCOE平均电力成本ATES含水层蓄热LNG液态天然气NREAP可再生能源国家行动计划BTES地埋管蓄热PCM相变材料PTES热井蓄热CAES压缩空气储能PV光伏P2H电制热CaL钙循环R&D研究与开发SETS智能电力蓄热CAPEX资本支出TES蓄热TTES罐式蓄热（通常以水作为蓄热介质）COP性能系数UTES地下蓄热VRE波动性可再生能源cPCM复合相变材料WTTES水罐蓄热CSP聚光太阳能热发电HT-cPCM高温复合相变材料IEA国际能源署10创新展望计量单位EJ艾焦耳GW吉瓦GWh吉瓦时Gwth吉瓦热K开kJ/kg千焦每千克kW千瓦kWh千瓦时MW兆瓦MWh兆瓦时m2平方米m3立方米W/m·K瓦每米开尔文°C摄氏度蓄热11主要研究结论《巴黎协定》倡导的全球能源系统转型要求快速实现•全球TES的供冷装机容量需要增加一倍才能满足可再生能源的应用。蓄热(TES)技术有助于在发电、2030年的预期供冷需求。这意味着未来十年内需工业和建筑部门整合高比例的可再生能源。要投资约5.6亿美元，使全球投资总额达到28.2亿美元。相变材料(PCM)和其他TES技术可补充冷在接下来的篇幅中，将阐明TES的关键作用。链应用，实现生产、存储和运输等各环节制冷负荷的灵活性。•TES技术具备独特优势，例如将供热供冷需求与即时发电和能源供应的可用性分离。由此带来的灵活•TES应用于区域供热和供冷时，可有效地分离需求性促成了更广泛利用太阳能和风能等波动性可再生与供应，从而根据季节储存能源。区域供热已采用资源的可能性。利用TES可减少成本高昂的电网提显热技术，例如罐式蓄热（或TTES）和地下蓄热升需求，帮助平衡季节性需求并支持向以可再生能（或UTES）。源为主的能源系统转型。•水罐蓄热（或WTTES）技术已在全球的建筑部门•到2030年，TES的全球市场规模可能会增加两中广泛使用。小范围内，地下蓄热也开始应用于较倍。这意味着十年内其装机容量从去年（2019年）小规模装置。冰和固态热电池的应用当前处于早期的234吉瓦时(GWh)增加至超过800GWh。同开发阶段。时，预计TES在供冷和电力应用方面的投资将达到130亿美元至280亿美元。通过支持向可再生能•而水罐与太阳能热电厂的结合在工业低温热能的生源、提高能效和更大规模电气化的转变，TES投资产和储存中得到了广泛应用。其主要应用领域为采有助于实现长期的气候和可持续性目标。矿、食品和纺织工业。当前，显热、潜热和热化学蓄热等相关创新技术也在试验之中，以储存高级热•熔融盐储能技术在电力部门得到了广泛应用。能。这得益于其先进的技术成熟度及其在聚光太阳能热发电(CSP)厂中的应用。到2030年，预计将•投资于技术开发以及采取相关措施增强市场吸引力有491GWh至631GWh的熔融盐蓄热装机容量投有助于促进TES部署的快速增长。这些举措可构入使用。其他TES技术短期内可能会实现商业上的成以扩大可再生能源规模及能源应用脱碳为目标的可行性，包括储存CSP、太阳能光伏(PV)和风能整体能源政策的一部分。等过剩能源的固态和液态空气储能技术。TES是能源转型投资计划的重要组成部分，可帮助各个国家/地区在后新冠疫情时代逐步复苏。TES以及可再生能源、能源效率和电气化等方面的投资可促进健康、经济的基础设施建设、推动短期复苏并使能源发展跟上全球气候和可持续性目标的步伐。12创新展望可再生能源与城市图片来源：Shutterstock蓄热13蓄热可能成为提高能源系统中可再生能源渗透率的重要推动力太阳能和风力发电在每日和季节性时间范围内都在波动。能源系统运营商可以利用诸如储能等灵活的技术匹配能源供需。这将使能源系统更稳定、更灵活，且建设和运行成本更低。数据中心热化学储能系统相变材料(PCM)冷链工业PCM和其他TES技术可整合到冷链的所有环节中，水罐可用于现场太阳能热发电，为工业提供低品位热能。在生产、储存和运输等冷链的各环节实现制冷负荷的当前，显热、潜热和热化学等相关创新技术也在试验之中，以储存高品位热能。灵活性。TES热能应用的当前分类空间供冷TES预计显著增加电力部门的熔融盐需求增加（热水罐除外）（假设全球部署率26GWh目前21GWh与美国相似）2030年91GWh105GWh2GWh2030年491-631GWh建筑区域供热工业目前增加14GWh（家用热1水4罐除创外新）展望2倍…以满足与《巴黎协定》一致的IRENA情景所需的CSP数量与其他技术形式相比，TES技术在灵活性方面具备独特优势：需求转移波动性能源供应整合部门整合电网管理季节性储能TES有助于灵活的冷热即使无太阳直射和强劲TES通过推动部门整合通过部署TES可以提高TES可在阳光充足的输送并实现供需分离风力时，也可以利用可再生使整个系统受益，依靠灵活性、缓解电网压力及夏季储存热能以满足冬季能源高峰供电时产生的热能/可再生能源电力满足降低昂贵的电网提升需求的供热需求，同时在寒冷更大规模的能源需求的冬季储存冷能以满足冷能满足需求。夏季的供冷需求熔融盐系统地下蓄热(UTES)家用热水罐Hotel电力建筑区域供热和供冷熔融盐用于使聚光太阳能热发电(CSP)厂利用家用热水罐和新型显热、潜热和地下蓄热以及新型PCM及热化学TES技术在夜间释能。热化学热电池的创新技术可与热泵整合，已实现了完全由可再生能源供热，包括跨季节新型显热蓄热技术正在研发之中，为建筑热能需求提供灵活性。供热模式。以实现大容量独立储能。冰或PCM技术也有助于在温暖气候下冰或PCM储能技术可转移区域供冷计划实现灵活的供冷负荷。的能源需求。加速蓄热部署所需的关键行动确保在能源系统政策制定和规划中采用技术中立的全系统方法，以避免因热能、能源和运输任一部门的孤立思维而产生相互矛盾的规章制度为研发活动投入更多资金，帮助攻克某些相对而言还不成熟的技术在能源系统的所有部分增加TES示范项目的数量，以帮助利益相关方更好地认识到相关技术的优势蓄热15对政策制定者的启示蓄热为城市所有能源需求部门提供什么是蓄热？灵活性指通过加热或冷却储能介质暂时储存能源，以便到2050年，波动性可再生能源应占发电未来将储存的能源用于发电、供热和供冷。（欧量的60%以上，而蓄热是实现这一转变洲储能协会，2017年）。的推动性技术之一。TES可与机械储能技术耦合使用；这对于两种技术从电力部门的角度来看，每年将有更高比例的波动性而言都是一种互补。可再生能源(VRE)（主要是太阳能光伏和风能）进入电力系统。2018年，全球能源系统中约有10％的电力应用于何处？来自VRE发电。IRENA估计，为了遵守《巴黎协定》的气候目标，到2030年VRE将增长3倍，在全球能如今TES已在多种应用中进行了测试和部署，例源系统中的占比增至35％，到2050年将增长六倍，如并网发电、工业、区域供热和供冷、建筑和冷提供60％以上的全球发电量（IRENA，2020a）。链物流等。由于VRE占据如此高的比例，灵活性对于整个能源系从输电配电来看，TES有助于推迟或避免昂贵的电网统运营而言至关重要。从根本上讲，蓄热是更广泛的提升需求。通过负荷转移可更好地利用可再生能源，灵活性方案组合（包括电力储存和需求侧措施）的一缓解电网拥堵及规避基础设施投资。部分。整合各种蓄热(TES)技术成为一种颇具前途的解决方案，带来了一系列应用和优势。TES的特殊优势是能够根据季节性需求储存能源。夏季将可再生能源产生的过剩超过234吉瓦时(GWh)的蓄热可为整热能储存在TES系统中用于满足冬季的个能源链（从供应到需求）提供灵活性供热需求。（图1）。从能源需求来看，TES能够为整个能源系统提供解决全球现在大约有234GWh1的TES，是可靠、安全和灵方案，而不是着眼于发电、供热或供冷等单个矢量。活的能源系统的关键推动因素。图1描绘了TES在能建筑等终端用能部门的能源需求受到季节性因素的强源系统中的关键应用。从供应侧来看，TES可以储存烈影响。蓄热可将能源储存数小时、数天、数周甚至太阳能和风能产生的过剩电力，减少弃电、缓解产量数月，从而解决供求的季节性变化。诸如蓄热罐（使的急剧变化并实现稳定的产能。成熟TES技术的一个用水）、固态（使用岩石、混凝土和陶瓷砖等储能介示例是聚光太阳能热发电厂中的熔融盐储能。质）和地下蓄热(UTES)等TES技术可在夏季储存过剩发电量，用于冬季取暖。同样，反过来可在冬季使1基于IRENA公开项目的数据收集。16创新展望图1：TES在能源部门的关键应用推迟电网强化储能储能波动性部门能源供整合应整合供应电网DER需求转移季节性储能注：DER=分布式能源。基于IRENA2019a分析。用冷冻储水罐和UTES为夏季提供区域供冷。这有助低成本和可靠的可再生电力为可再生能源部门与建筑于应对消费者的供热或供冷用电需求高峰。和工业部门整合，实现跨部门脱碳战略打开了大门。例如，在低谷时段为蓄热系统充能并在需要时释能，转向下游能源，TES有能力耦合不同部门及改善供可以将建筑空间供热和/或供冷的电力需求转移至较低热和供冷负荷曲线。在确保本世纪全球升温水平低成本时段。这样可以缓解电网拥堵、提高可再生能源于2°C且接近1.5°C的情景下，供热、供冷和交通运的渗透率并降低成本。输的电气化极大增加了电力负担。最终能源中的电力比例将从2017年的20％增加到2050年的49％工业部门同样可以从TES应用中受益匪浅。工业的（IRENA，2020a）。仅依靠发电厂可能会消耗能源特点是能源密集型过程，而TES技术的储能介质工系统资源并增加总成本。TES有助于提高诸如电力制作温度范围较广，从而可以促进这一部门实现更广热/制冷等策略的潜力。泛的电气化。例如通过化学循环和固态介质等可达到500°C以上的TES技术优势，工业部门可储存低成TES可采用对电力和热力系统两者都有利本能源用于高峰负荷时段，智能地管理能源需求，同的智能方式帮助整合电力、供热和供冷时还能保证工业过程的高温供热（图2）。部门。蓄热17图2：本报告所研究的TES技术的工作温度和时间范围能源系统中使用了哪些TES技术？化学循环本报告将蓄热技术分为：高高温CPCM(>500°C)•显热熔融盐•潜热中•热化学(100-500°C)固态•机械-热耦合探讨13种主流TES技术的现工作温度低低温吸收式水合盐状、优势和创新需求。第3章详细(0-100°C)PCM系统UTES介绍了这些TES具体技术。零度以下WTTES(<0°C)冰显热零度以下温度PCM液态空气小时天月潜热热化学机械热注：cPCM=复合相变材料；PCM=相变材料；WTTS=水罐蓄热。TES市场评估TES技术的商业前景将越来越广阔–未来十年，预计用于电力和供冷TES应用的到2030年，TES可能增长三倍，全球装投资将达到128亿美元至272.2亿美元。机容量将超过800GWh。电力能源系统正在寻找更多解决方案，以顺利整合不断增长的可再生能源比例。例如，近来电池储能已成为电TES在电力部门用于负荷转移、产能稳定和辅助服力、建筑和运输部门实现灵活性的关键推动因素。所务。当前，熔融盐TES凭借其先进的技术成熟度及有这些解决方案的供应链和应用各不相同，储能部门其在聚光太阳能热发电(CSP)厂中的应用而成为电力需要实现多样化以避免潜在瓶颈和集中风险。TES技部门应用最为广泛的技术。目前全球范围内的熔融术的特性，例如季节性储能、超大储能容量、更高的盐储能装机容量已超过21GWh。与当前趋势、政策储放效率潜力及更长的生命周期使其成为能源市场极和规划相比，与《巴黎协定》一致的IRENA“能源具吸引力的解决方案。图3展示了IRENA分析结果，转型情景”预计可再生能源的增长目标更为宏大，表明了到2019年底全球234GWhTES装机容量的情到2030年需要增加56吉瓦(GW)的CSP装机容量况，以及根据与《巴黎协定》一致的IRENA“能源转（IRENA，2020a）。CSP装机容量的这种增长（如图型情景”，预计到2030年容量增加三倍，达到至少4所示）将使熔融盐TES的装机容量（与“规划能源800GWh时的情况。情景”相比）增加四倍，达到491GWh至631GWh。取决于使用的CSP技术，未来10年内，熔融盐TES所需的累计投资为123亿美元至244亿美元。18创新展望图3：与《巴黎协定》一致的IRENA“能源转型情景”中的TES装机容量预测900800700600GWh500400300200100020302019电力供热空间供冷注：由于缺乏含水层和小型分布式TES（例如住宅储水罐）相关数据，本分析不涉及供热预测。尽管如此，鉴于相关技术从短期到季节性范围的广泛应用，预计其装机容量仍将增长。图4：熔融盐TES装机容量GWh631.3491.2700600147.650093.9400300200100020082009201020112012201320142015201620172018201920202021202220232024202520262027202820292030规划项目规划能源情景能源转型情景（70-90%部署，累计值）蓄热19空间供冷合度。如图5所示，为满足2030年的供冷需求，预计全球用于供冷的TES部署量需增加一倍，未来十年在IRENA于2019年底确定的400个TES项目中，当所需投资约为5.6亿美元至28.2亿美元。前约有160个项目的装机容量已超过13.9GWh，用于建筑和区域供冷系统。未来几年，这个数字可能还会供热迅速增加，尤其是一些新兴经济体，这些国家/地区的气温水平即将达到极限，正在寻求更先进的大规模供由于使用了大规模含水层蓄热(ATES)和地埋管蓄热冷技术。TES可为电力系统运营商提供帮助，通过额(BTES)，区域供热应用在TES当前装机容量中占据最外的需求侧管理确保更低的系统成本和更高的VRE整大比例。当前约一半的区域供热项目使用季节性储能（图6），这是TES技术为能源系统带来的独特优势。图5：全球范围内TES空间供冷装机容量和预测容量302520GWh151050201920202021202220232024202520262027202820292030规划能源情景能源转型情景(TES)图6：TES供热应用的装机容量供热TES（总装机容量：199GWh）53%46%建筑区域供热49%为工业季节性储能1%20创新展望太阳能塔图片来源：Shutterstock蓄热21各部门应用和创新展望图7展示了其他有前景的TES技术。随着这些技术突破初期的技术成熟度水平，很有可能用来降低VRE供TES技术可在能源转型中发挥重要作用，电的快速波动性，帮助电网接纳越来越多的可再生能但其潜力尚未得到开发。仍需进一步创源。新以提高TES技术的商业就绪水平。这些系统需要在未来几年乃至数十年中取得突破，以TES有助于引入更多可再生能源，并促进电力、工使正在开发的技术成功实现商业化，同时进一步推广业、区域供热和供冷、冷链应用和建筑五大关键部门熔融盐储热技术。的脱碳。未来五年，下一代熔融盐的工作温度范围可提高至电力700°C，性能也会提高，这将使CSP工厂的储放效率2提高至92％以上。可能出现更多固态储能和新型独电力部门通过在CSP工厂使用熔融盐立熔融盐蓄热电池试点项目。储能技术，将TES应用扩展至商业规模。未来几年，其他TES技术（例如储到2030年，TES发电技术的成本可降存CSP、太阳能光伏和风能产生的过剩低50％以上，达到每千瓦时(kWh)15美能量的固态和液态空气储能技术）可能元。也会更趋向于商业规模。到2030年，液态空气储能(LAES)、绝热压缩空气储如今，熔融盐已用于通过白天充能、晚上释能，以实能(A-CAES)和固态储能系统的效率将进一步提高，现CSP工厂的持续发电。诸如混凝土固态储能技术等扩大TES在风能和太阳能光伏发电中的利用范围，并其他TES技术也正在试验之中。在本示例中，由于原且还有望成为CSP熔融盐的有效替代品。材料价格便宜，因此可以降低CSP应用的资本成本。到2050年，热化学储能的发展可提高CSP工厂的转CSP所利用的太阳能也可以通过热化学循环系统储存化效率。同样，熔融盐储能可为化石燃料发电厂带来为化学能，之后再通过化学反应将这些存储的太阳能新的活力，将其重新利用于可再生能源储存，从而节释放出来（Pardo等人，2014年）。省退役成本并推动发电厂脱碳。2储放效率是指储存能量与最后输出能量之间的关系。它代表该技术在储存和释放热能方面的效率情况。此参数可能很大程度上取决于系统的工作条件（例如每天或季节性）。22创新展望图7：TES在电力部门的技术现状和创新展望电力应用研究原型示范商用效率(%)成本（美元/kWh）寿命（循环）温度（℃）20182030201820302018203020182030显热固态熔融盐210000<565600-熔融盐1>10000700>90>9225-30<15潜热高温相变材料3000-4000-<600600-50005000750>90>9225-3525-90热化学水合盐45-50<100500-500-500-机械热化学循环80-1601000900900LAES20-4020-40<200-<200-A-CAES年>400>400年40-6545-75400-870短期（5年）长期（10+年）•下一代熔融盐具有更高的工作温度范围和性能，•热化学储能的发展将提高CSP工厂的转化效率。可提高转化效率并降低CSP工厂的成本。•熔融盐储能可为化石燃料发电厂带来新的活力，•可能出现固态储能和新型独立熔融盐蓄热电池试将其重新利用于可再生能源储存。点项目。中期（5-10年）•LAES、绝热CAES和固态储能系统将扩大TES在风能和太阳能光伏发电中的利用范围，并且有望成为CSP熔融盐的有效替代品。注：放大镜是指由于技术成熟度低而无法获得相关数值；(1)独立系统；(2)与CSP并置。可再生能源蓄热有助于电力、工业、供热、供冷和建筑部门实现脱碳。蓄热23工业到2030年，包括TTES在内的显热储热技术成本预计将下降约30％，从35美元/kWh下降至25美元/工业中的热能生产消耗大量能源，因此kWh。结合现有TTES整合、管理和控制系统方面的急需脱碳。改进，这将鼓励需要低温热能的工艺更多地部署太阳能热发电。TES已经可以用于储存电动热泵或现场太阳能热电厂产生的低温热能。将热能从发电中分离有助于实现灵未来十年，固态储热技术可提供一种类活性和智能的能源应用，并利用间歇性的可再生能源似于当今热电联产电厂的低成本储能方发电满足持续需求。式，为工业过程提供电力和热能。水罐蓄热（WTTES或TTES）与太阳能热电厂的结到2030年，高能量密度的PCM和水合盐储能解决方合刚刚兴起，但当前正在不断增长，主要用于生产案将有效减少TES系统的占用空间，从而扩大其应用和储存采矿、食品和纺织子部门中使用的低温热能范围。长远来看，还需进一步研究了解将化学循环和（图8）。主要市场为奥地利、中国、法国、德国、其他热化学反应储热系统整合到制造工艺中的潜力，印度、墨西哥和西班牙（Weiss和Spork-Dur，2019以满足更高温度的工艺热能需求。年）。水罐与太阳能热电厂的结合将在低温热能的生产和储存中得到广泛应用。24创新展望图8：TES在工业部门的技术现状和创新展望工业应用研究原型示范商用效率(%)成本（美元/kWh）寿命（循环）温度（℃）TTES20182030201820302018203020182030显热1000-3000--150--150-3000500010001000固态50-9060-900.1-350.1-25潜热高温相变材料1000-3000--40--50->90>9260-12060-9530005000700850热化学化学循环水合盐40-<100500-500-500-4550-5%080-1601000900900短期（5年）长期（10+年）•成本的降低以及现有TTES整合和控制系统的改进•可再生能源、以及整合到制造工艺中的化学循环将鼓励需要低温热能的工艺更多地部署太阳能热和其他热化学蓄热系统，能够帮助需要高温热能发电。的工艺实现脱碳。中期（5-10年）•固态技术能够提供一种成本相对较低的储能形式，为工业工艺提供电力和热能。•高温cPCM和水合盐储能解决方案将减少TES系统的占用空间，从而以极具竞争力的效率扩大其应用范围。注：放大镜是指由于技术成熟度低而无法获得相关数值。蓄热25冷链例如，有几家服务于非洲、中国、欧洲、印度和中东市场的公司将经过改造的PCM整合到冷藏车辆和集装冰和其他PCM等TES技术如今已经实现箱中以运输和/或储存食品和疫苗。例如，英国研究了商业化，并应用于整个冷链的冷藏车人员开发了一种PCM供冷系统，用于在可互换的公路辆和静态冷却装置中。和铁路集装箱中保持低温（伯明翰大学，2018年）。冷链是指将必须低温储存的产品从生产商处运往消费未来五年中，材料和运营方面的改进以及更好的整点所需的不间断供应链。合可以提高其他PCM系统的应用效率并降低成本（图9）。预计电力制冷的增长将极大增加相关电网需求，在气候非常炎热的新兴经济体中尤其如此。随着这些经济未来几十年，可使用TES（特别是吸收式体的发展，他们将必须以清洁和经济的方式发展冷系统）储存可再生能源（例如太阳能和链。生物质热电联产）产生的冷能。TES尤其能够为冷链的生产、储存、运输和零售环节由于吸收式系统的能量密度高，热能损失极小，可在提供支持，因为TES能够将电力、供冷和移动性结合短时间和长时间范围内（例如季节性地）储存冷能，在一起。另一可能受益的领域是离网可再生能源发电以在冷链中进行空间供冷。长远来看，液态空气可用制冷，用于提高食品和药品供应链的效率。于为车辆提供动力及保持车辆凉爽。储热可将可再生电力、供冷和移动性有效结合起来。26创新展望图9：TES在冷链部门的技术现状和创新展望冷链应用研究原型示范商用效率(%)成本（美元/kWh）寿命（循环）温度（℃）20182030201820302018203020182030潜热低温相变材料1,2冰1,25-2010-25-115-150零度以下58-23045-185至8至8相变材料1,2>90>92热化学液体吸收2,3COP2020-255-305-300.6-12-15012-1200.8机械热LAES1,2,320-40-150至环境温度短期（5年）长期（10+年）•材料和运营方面的改进以及更好的整合可以提高•在低温LAES中应用液态空气可以降低成本并开冰及其他PCM系统的应用效率并降低成本。跨部辟新的应用领域，对于冷电联产系统而言更是如门链接冷链资产可以产生协同效应。此。改造现有的化石燃料网络以使用TES储存可再生能源生产的冷能，可有效推进该部门脱碳。中期（5-10年）•下一代PCM可实现零度以下的储存温度和被动供冷注：放大镜是指由于技术成熟度低而无法获得数值；旗帜指示范阶段；喇叭筒指商业化阶段；(1)用于蓄冷；(2)用于冷藏运输；(3)用于冷能生产。蓄热27区域供热和供冷预计到2030年，工业应用中的TES技术效率水平将超过92％。TTES已在全球范围内广泛部署，而冰蓄热当前已应用于区域供冷方案。其他未来十年，正在进行的PCM供冷研究和示范项目有望PCM和热化学储热技术也在研发之中，推动更广泛的部署。有望帮助该部门实现脱碳。到2050年，热化学系统将进入示范阶段，以低至如今，TTES和UTES等显热储热技术已与区域供热方10美元/kWh的价格增加可再生能源在区域供热和供案广泛结合。冰和其他PCM解决方案也开始在区域供冷部门的部署机会，在冷电联产应用中更是如此。在冷部门中得以实施。区域供热和供冷应用TES的主要这十年中，部门整合和智能控制技术将获得更多的应优势是能够将热/冷能的生产与使用分离，从而可能实用机会，尤其应促成从工业应用中收集（和储存）废现从数小时到季节性的能源储存。弃热能/冷能（图10）。中期来看，其他创新PCM和固态储热解决方案可通过电加热或季节性太阳能热技术整合大量可再生能源，加拿大、中国和欧洲已经成功进行了相关试验。将储能与区域供热供冷网络相关联后，可将发电需求与使用分离开来。28创新展望图10：TES在区域供热和供冷部门的技术现状和创新展望区域供热供冷应用研究原型示范商用效率(%)成本（美元/kWh）寿命（循环）温度（℃）20182030201820302018203020182030显热UTES1,255-9065-900.1-350.1-2510-3020-305-955->95TTES1,2固态潜热零度以下相变高温相变材料1冰2>90>9260-23045-18510-20>250-7500-750热化学材料2吸收式系统1,240-15-15-水合盐1,25500-6%515-2520-2515015015-15015-120短期（5年）长期（10+年）•TTES整合和管理系统方面的改进可显著降低成本•预计PCM和热化学系统将为冷电联产应用提供更并扩大部署机会。多机会。•部门整合和智能控制技术将促进其他部门和应用收集（和储存）废弃热能/冷能。中期（5-10年）•正在进行的PCM供冷研究和示范项目有望推动更广泛的部署。注：放大镜是指由于技术成熟度低而无法获得数值；(1)用于区域供热；(2)用于区域供冷。蓄热29建筑与燃气锅炉相比，基于PCM的系统已被证实可为消费者节省费用，应该受到更无论是否配备热泵，基于简单TTES、固多关注。态或更先进PCM技术的热电池都可用于电加热。目前正在进行与能源管理系统相结合的PCM热电池试验。这些试验可以证明该类电池如何利用低谷期水罐蓄热在全球范围内广泛应用于建筑蓄热，生产的电力实现供热脱碳并帮助消费者节省费用。具而UTES则在多个案例中应用规模较小。PCM和固有改良的热性能及耐腐蚀性的材料也正在开发之中，态热电池及代替空调的冰储能技术已经过验证，但以用于罐体和固态TES技术；这有助于将效率提高至当前仅进行了相对较小规模的部署。正处于研究中90％，而整合和控制系统方面的改进创新则将提高其的热化学技术可作为分布式季节性储能的一种形式成本效益。（图11）。到2030年，下一代高低温PCM及复合相变材料(cPCM)的成本降低和技术改进将促进建筑中潜热储热技术的部署。长远来看，预计研究和开发(R＆D)活动的重点是实现热化学TES技术材料和系统改进，并可能进入示范阶段。储存低谷电力的热电池有助于实现热能脱碳，并为消费者节省费用。30创新展望图11：TES在建筑部门的技术现状和创新展望建筑应用研究原型示范商用效率(%)成本（美元/kWh）寿命（循环）温度（℃）UTESTTES20182030201820302018203020182030固态显热55-9065-900.1-350.1-2510-3015-305-955->95潜热低温相变材料高温相变材料冰>10>150-7500-750>90>9260-23060-185热化学40-15-15-5500-%6515-2020-25150150水合盐吸收式系统15-15012-80短期（5年）长期（10+年）•当前，正在进行PCM热电池与能源管理系统耦合•专注于实现热化学TES技术的材料及系统改进研的相关测试，以示范利用低谷电力实现供热/供冷究和开发活动可促进该研究进入示范阶段。脱碳并为消费者节省费用。•旨在改进罐体和固态TES技术热性能和耐腐蚀性的材料开发可以提高效率，而整合和控制系统方面的创新将提高成本效益。中期（5-10年）•新一代高温和低温PCM和cPCM的成本降低和技术改进有助于增加建筑物中潜热储能的部署。注：放大镜是指由于技术成熟度低而无法获得相关数值。蓄热31政策建议一系列的技术推动、市场拉动及扶持机制有助于储热行业的政策制定者和主要参与者有效解决面临的障电力部门脱碳已经取得进展，但需要制定相关政策充碍，同时鼓励更广泛地部署TES。政策制定者和其他分解决供热供冷部门面临的脱碳挑战，尤其是要进一主要利益相关方应考虑采取以下行动：步提高这些领域的终端用能部门的可再生能源渗透率。•更多关注工业脱碳计划以及供冷供热部门。将这些领域作为整合能源政策开发的一部分进行开发，以跨能源系统应用TES的主要障碍包括（图12）：实现更高的系统效益水平。•某些TES技术缺乏技术成熟度，以及竞争性技术•采用全系统方法进行能源系统脱碳对于实现经济高具有较高的技术成熟度(TRL)（例如廉价的化石燃效的能源转型至关重要。考虑所有能源种类的各种料供热）。的灵活性技术，以确定实现最具成本效益的能源系统脱碳途径。•对TES如何使社会、公共部门和工业受益缺乏相关知识和了解。这一点体现为，一方面，蓄热是实•为TES技术研发投入更多资金，与其帮助供热、现高比例可再生能源所需灵活性的重要手段，而另电力、供冷部门脱碳所具备的独特潜力相匹配。为一方面，对于电池储能的研发工作的关注度却相对示范项目投入资金，以帮助建立市场意识、增强消较低。费者信心，同时提高技术成熟度。•未来能源系统的发展存在不确定性，这导致人们不•政策制定部门应出台全方位的能源政策，考虑取消愿投资长期或大型项目。化石燃料补贴并引入碳排放价格，由此显著提高低碳供热系统的竞争力。•不同能源矢量（即热/冷和电）和不同部门的孤立思维，某些情况下会导致政策冲突及规划效率低•建立诸如分时定价的市场机制以促进需求侧的灵活下。此外，与电力部门相比，供热部门缺乏脱碳的性、降低消费者支出并增加可再生能源的使用。建相关政策。立技术中立的辅助服务市场帮助克服电池储能方面通常遇到的困难，并为TES所有者/运营商提供额外的收入流。3特定部门所面临的障碍将在第4章进行详细讨论。32创新展望图12：TES部署所面临的障碍尽管有诸多优势，但是TES部署方面仍存在系统性障碍：技术和系统相对而言不够缺乏对于这些技术及其优对于能源系统未来发展的跨能源矢量（即热能/冷能成熟势的认识不确定性和电能）的孤立思维导致的政策和规划系统冲突技术推动、市场拉动以及关键的扶持机制结合在一起，可促进蓄热的快速增长。蓄热33表1列出了各部门推进TES部署相关的其他潜在政策干预措施。表1.各终端用能部门中TES相关政策干预概述应用监管/政策环境利益相关者接受度技术表现财务主张电力•出台脱碳政策。•为显热储热以及高温•为显热储热以及高温•为显热储热以及高温cPCM的示范及试点项cPCM的研发、示范及cPCM的研发、示范项目•将热能市场作为整体多目投入资金，以向投资试点项目投入资金，以及企业支持投入资金，矢量能源监管的一部分者和其他利益相关方证加快技术成熟。以利用创新降低成本。进行监管。明该技术的优势和商业利益。•利用市场拉动政策推动•颁布储能指令。采用TES并置储存。工业•确保脱碳政策涵盖工业•牵头政府项目，与行业•为研发、示范和试点项•为研发、示范和试点项部门。参与者共同进行技术试目投入资金（特别是化目投入资金（特别是化验。学和潜热储能方面）以学和潜热储能方面）以•开展国际性合作，以克加快开发速度利用创新降低成本。服竞争力方面的担忧。•利用示范项目和“冠军”组织支持知识共享•一旦证明技术有助于克•取消化石燃料补贴，帮和传播，降低技术应用服财务障碍，为其提供助提高TES的价值定的感知风险。投资和价格支持以作为位。市场拉动方案。•共享潜热储热示范项目的相关知识。•取消化石燃料补贴，以冷链使冷链技术相比柴油替•帮助企业向客户展示传N/AN/A代方案更具竞争力达TES的优势，从而帮助企业打入/创建冷链市场。区域供热和供冷•更全面地改善区域供热•共享潜热储能示范项目•为化学和潜热储能解决•通过市场拉动机制改善和供冷的监管环境。的相关知识方案提供一系列技术推区域供热和供冷部门的动支持。财务状况。•取消化石燃料补贴，帮助提高TES的价值定•为化学储能解决方案提•共享相关知识，以增强位。供市场拉动支持机制。对TES优势的了解。•取消化石燃料补贴，帮•提供生态系统支持，以•提供技术推动支持，以助提高TES的价值定开发低温PCM和水合盐位。产品。建筑•整合和规范热电市场。增强公众对家用TES应N/A用优势的了解。•提供市场拉动支持，以•颁布储能指令、建筑法激励家用/非家用消费者规等。购买设备。注：N/A表示没有发现主要需求。34创新展望应用产业供应链和技能市场机遇公司成熟度使能基础设施•建立平衡市场、推出分时定价机制或其他激励措施，以了解定期储能•加速可再生能源的渗对电力部门的价值。透，以推动诸如TES等电力N/AN/A灵活性解决方案的需•引入长期储能收入机制求。（例如电力购买协议）以满足全天候需求（如迪拜、南非、智利）。•建立平衡市场，推出分时定价机制或其他激励措施，以了解需求灵活•引入可信赖的第三方技•加快太阳能热发电和热工业N/A性带来的价值，同时术认证/认可，以降低感泵在工业中的渗透。帮助开发蓄热（和现场知风险。可再生能源）的价值定位。•协调LAES与LNG气化•支持企业和生态系统，基础设施。冷链•支持供应链发展（例如N/A以提高全新技术（例如LAES）。LAES）的知名度。•开发基于LAES的冷链。•提供生态系统支持以强•作为整合系统方法的一区域供热和供冷N/A调TES可为可再生区域N/A部分，加快可再生能源能源项目带来的优势。区域供热和供冷计划的渗透。•支持热泵的开发和渗透。建筑N/AN/AN/A•确保制定正确的激励措施，以实现有效的电网管理和调整。注：N/A表示没有发现主要需求。蓄热35图13：给政策制定者的建议政策制定部门为支持TES发展可利用的工具：政策和规划规划和监管框架对研发活动和示范项目进行投资可以帮助克服技术难题，确保能源政策制定的连贯性，例如引入碳定价建立市场对于TES系统独特能力的认识，并降低部署的预系统，取消化石燃料补贴，出台建筑规范以使期风险。供暖系统与化石燃料脱钩。市场结构研究与创新支持技术中立的市场结构的发展，以便TES可以与其采用整体系统方法进行能源系统规划和制定策他灵活性来源竞争，以向能源系统提供服务。略，确保在脱碳工作中考虑供热、供冷和工业能源的使用。政策制定部门还可以通过有针对性的干预措施应对特定部门的挑战电力提供补贴或其他技术推动干预措施，以改善财务价值定位并提高消费者对新技术的认识工业和接受度发展产业供应链和技能实行排放限额制度和碳交易制度，提高企业使用可再生能源和储热技术的财务效益，使其优于化石燃料引入认证制度、媒体宣传和示范项目，以提高认识并建立对新技术的信任冷链作为整体能源政策的一部分，解决监管框架中储能的系统性障碍提供价格信号以提高灵活性，提升储能技术的价值定位建筑增加专门针对TES研发和示范项目的资金区域供热引入投资支持机制和指令与控制机制，例如通过政府采购加快可再生能源区域供热/供冷供冷计划的发展为规划、建筑标准和环境保护提供明确的指导方针和规定增加用于研发和示范项目的资金，以帮助加速技术开发通过针对TES的媒体活动和价格支持机制或热泵等使能基础设施来鼓励消费者采纳新技术引入强制性建筑法规，以取代化石燃料供暖系统36创新展望热电厂图片来源：Shutterstock蓄热371.设置情景1.1能源转型能源广泛应用于人类活动的各个部门和领域，包括发电、供热供冷以及工业、运输和建筑等。图14总结了全球范围内的能源系统正在经历由脱碳这些部门当前与能源使用相关的全球温室气体排放比驱动的重大转型例，还列出了每个部门的减排预测，展示了“能源转型情景”下可利用的脱碳机会。全球能源的生产、储存、输送、分配和使用方式都在变化。这些变化受到各种因素推动，如扩大能源使用在电力部门中有效整合更高比例的可再范围、确保能源供应更加低价和安全，以及非常关键生能源将是一项关键挑战的一点⸺减少与能源系统相关的温室气体排放。最近《巴黎协定》重申了国际上为缓解气候变化所做的当前的重点是电力部门脱碳。由于技术成本降低，人努力，并设定了一个目标，即将全球平均气温的上升们越发关注利用可再生能源发电，这既促进了相关幅度控制在2°C以下。撰写本文时，法国、挪威、瑞应用，又受到应用规模增长的推动。例如，2010年典和英国已通过出台法律，承诺到2050年实现温室至2019年，全球并网规模太阳能光伏(PV)的平均气体净零排放，4其他国家也在努力跟上步伐。电力成本(LCOE)下降了82％（IRENA，2020b）。2017年可再生能源发电所占比例为26％，预计到展望2050年，若要实现这些国际上减缓气候变化2050年将增长至86％（IRENA，2020a）。因此，电的宏大目标，需要实现能源系统脱碳及整体经济转力生产部门脱碳仍将是重要的优先事项。型。IRENA定期发布“2050年能源转型情景”的最新预测，设想如何以有助于实现这些目标的方式进行预计风能、太阳能光伏和聚光太阳能热发电(CSP)等全球能源系统转型。近期报告给出了实现这些目标的可再生能源技术将得到更广泛的部署。然而，多变重大挑战包括（IRENA，2020a）：的天气条件使这些技术本质上具有波动性及间歇性（IRENA，2017a）。•全球经济的能源强度需降低约三分之二。应对可再生能源的波动性将对电力系统运营商的规模•与今天相比，2050年能源相关排放需要减少70％。扩大构成独特挑战，尤其是需要确保电力分配有效性、系统稳定性和供电安全性。扩大可再生能源部•到2050年，可再生能源发电所占比例需要从目前署战略管理的优先事项将是避免弃电，即可再生能的26％提高至86％。源发电厂必须停止发电以满足电网平衡要求的情况（IRENA，2019b）。4挪威设定了一个2030年目标，瑞典设定了一个2045年目标。英国和法国设定了一个2050年目标。38创新展望图14：2010-2050年各部门每年与能源相关的CO2排放量能源相关的CO2排放，2010-2050基准能源情景CO（Gt/年）43Gt2050454045%35规划能源情景26%33Gt205029%建筑30建筑运输能源转型情景52%区域供热中减排潜力的25三分之二27%运输电力21%20工业区域供热15电力105能源转型情景工业9.5Gt2050020152020202520302035204020452050可再生能源2010能源效率燃料转换和其他来源：IRENA，2020。供热和供冷部门的脱碳将是另一项重大需求增长，并辅以蓄热(TES)系统最大程度地减少对挑战本地电网的影响。在全球最终能源消耗中，一半为热能，而在这其中，其他终端用能部门的电气化也有助于实空间供热和工业工艺又各占一半。可再生能源目前现脱碳仅满足全球热能需求（包括热水）的9％，相比之下，2017年可再生能源的26％用于发电（Collier，随着可再生能源发电装机容量不断增加，电力、运2018年）。因此，关键是要寻找一种廉价且可持续的输、建筑（供热和供冷）和工业等其他部门的能源利方式实现供热脱碳。用向电力的转型可能有助于实现脱碳。其他终端用能部门的电气化是更广泛的部门整合战略的一部分。电空间供冷是建筑部门增长最快的能源使用方式，这气化供冷、供热和运输（例如通过空调、热泵和电动一趋势在经济快速增长、气温较高的国家（例如印车辆）可与可再生能源的直接部署相互补充以满足工度、印度尼西亚、巴西和中东国家）尤为明显。业工艺或老旧建筑等更复杂的需求。电气化与可再生到2050年，全球约三分之二的家庭将拥有空调能源直接部署的精确公式因能源系统而异，具体取决（IEA，2018a）。鉴于供冷应用的能源几乎完全是电于现有基础设施和需求状况。力，有效脱碳的关键挑战是确保可再生能源满足电力蓄热39需要针对特定部门和地理位置制定脱碳建筑部门涵盖商业和住宅用房，面积约为1500亿平解决方案方米(m2)，到2050年预计将增加至2700亿m2。到2050年，可再生能源在建筑部门的使用比例需要IRENA制定的“2050年能源转型情景”阐明了其他提高到81％，可再生能源的应用与目前相比将有显关键能源消费部门所需的转型规模。著增长，包括太阳能热利用和热泵（约10倍）、现代灶具（约12倍）、生物质（约2倍）和地热（约4在运输方面，IRENA分析预计到2050年，全球电动倍）（IRENA，2020a）。提高建筑中的可再生能源比汽车(EV)数量将从目前的790万辆增长至11.09亿例需要考虑一些重点领域，如扩大热泵部署规模、有辆，运输部门的生物燃料产量将从2017年的1360亿效管理用电高峰、加倍发展（可再生能源）区域供热升/年增加到6520亿升/年（IRENA，2020a）。全球系统以及提高能源效率。范围内配套基础设施的推广促进了电动汽车销量的持续增长，这为运输部门脱碳提供了机会。但是，电力能源系统需要灵活性才能实现可再生能需求的增长可能对电力部门构成挑战。最近针对英国源与所有部门的整合在2035年前广泛推广EV所产生影响的建模表明，不协调的非智能充电可能会给英国电网带来风险。该研实现能源系统脱碳的艰巨挑战显而易见。随着VRE究发现，如果所有预测的一千万辆车辆同时充电，则发电及跨多个部门电气化的迅速增长，开发灵活的夜间尖峰需求可能增加3GW，而若鼓励智能充电，能源系统以确保能源基础设施的有效整合和使用非则仅增加0.5GW（AuroraEnergy，2018年）。英国常重要。灵活性是指系统“面对供需的快速大幅波和所有其他预期EV普及率较高的国家一样，都需要动时仍能可靠和持续地提供服务”的能力（IRENA，采取策略优化充电模式。2017b）。工业是向可再生能源应用转型最缓慢的部门，当前可能源系统管理中的灵活性措施可分为六大类：再生能源的占比仅为13％（主要是生物质）。鉴于该部门与能源相关的CO2排放位列全球第二，需要•供给侧，主要根据需求变化及网络拥堵情况增加或大幅提高其可再生能源比例以帮助实现气候变化目标减少发电量。（IRENA，2020a）。扩大规模意味着需要更多的太阳能热泵满足低温热能需求、可再生电力制氢和扩大•需求侧，能源使用随时间而改变，可通过市场参与生物质的使用规模以满足中高温热能需求。未来可能者远程控制特定负荷或客户响应价格信号实现。这通过CSP满足高温热能需求。但是，考虑到这些来有助于管理尤其是智能系统中波动性可再生能源发源的间歇性，有效整合可再生能源与不同的工业工艺电输出的动态变化。（包括通过燃料转换或部门整合）对于该部门而言至关重要。•市场设计，用于通过有效的价格信号调节发电或消费活动，并对其灵活性进行奖励，从而帮助管理系统并推动适当的长期投资。•系统运营，系统运营商采用各种平衡服务确保供应时刻满足需求。随着VRE来源越来越多，情况也将越发复杂，需要更加先进的市场规则、预测、沟通及控制。40创新展望•输电和配电网络运营商，管理连接供需的有形资可用的储存和释放矢量非常多样，此外，储能技术的产，可在智能系统管理中发挥重要作用。应用范围也比较广泛，可应用于从发电厂到住宅的整个能源系统，还能够根据系统需求应用于从数秒到数•储能基础设施，用于储存能源以供未来使用。许多个季节的时间跨度。技术都可提供储能服务，这些技术在不同的储能介质（即电化学、机械、电力、热物理或化学介质）根据美国能源部的全球能源储存数据库，抽水蓄能中吸收不同的能源矢量（即电和热[热或冷]）。根电站占全球当前储能装机容量的96％，其余部分据其地点和用途，储能可用于实现供给侧和/或需为储热(1.6％)、电化学电池储能(1.1％)以及机械储求侧的灵活性以及提供额外的网络服务，从而延迟能(0.9%)（美国能源部，未注明出版日期）。但请注昂贵的网络提升需求（IRENA，2017b）。意，这些数字不包括诸如家用热水罐或电池等分布式小型储能装置。储能对于实现能源系统的灵活性至关重要电化学储能（电池）最近已成为焦点，全球装机容量大幅增加。由于成本的快速下降，锂离子电池在最近作为能源系统的关键应用技术，储能技术已在全球范的部署中占据了主导地位。事实上，2010年至2016围内引起广泛关注，该技术有助于能源系统整合更高年，运输应用成本降低比例高达73％。该类储能预测比例的VRE并最大程度地减少弃电。储能的基本原主要来源于EV市场以及全球日益增长的风能和太阳理是能够吸收和储存能量并在系统需要时释放能量。能发电规模。由此可实现供需分离，从而为使用高比例VRE发电的系统提供关键的管理能力。IRENA估计，要使可再生能源发电量增加一倍，需将电池储能部署增加17倍（IRENA，2017a）。最近的一般意义上，储能指在时间和/或空间上以受控方式市场估计表明，得益于有力的政策环境，部署规模将吸收、储存和释放能量。它与不同能源矢量有关，例增加六倍（Chediak，2018年）。如电力、热能和合成燃料（包括天然气）。储能技术通常根据所涉及的矢量进行高级别分类。储电技术由于需要平衡供热和供冷的供需关系，蓄热的重要性吸收并释放电力。该矢量或者直接以电力形式储存，也越发显著。它还有可能提高纯电应用（包括火电厂或者转换为其他形式（即势能、机械能、热能、化学改造）的灵活性。能、电化学能、静电能或磁能）储存。同时，储热通过加热或冷却储能介质储存热能，以便未来将储本“创新前景”强调了TES的独特能力，其能够进一存的热能用于供热和供冷应用或发电（欧洲储能协步促进全球跨部门可再生能源整合，并更高效地满足会，2017年）。5供热/供冷需求。本报告优先考虑了现有和正在开发的29项TES技术，并说明了其在未来几十年可为能源系统和细分部门带来的价值和收益。5还有将蓄热与电力储存结合使用的混合动力系统。蓄热411.2TES的市场评估GWh本节重点探讨三个主要部门（电力、空间供冷和供热）的TES市场。该分析基于IRENA从430多个项有越来越多的解决方案可将更高比例的VRE平稳整合目中收集的数据，其中包括：到能源系统中。储电技术已成为灵活性的关键来源，特别是对于电力、建筑和运输部门。但是，储能部门发电需要多元化发展，以避免生产供应链中可能出现的瓶熔融盐技术：非洲、美洲、亚洲和欧洲已投入运行和颈，并满足各种终端用能需求。因此，TES作为热能规划中的熔融盐TES。压缩空气储能(CAES)、液态空解决方案在为电力部门以及供热和供冷应用提供灵活气储能(LAES)和固态技术。性方面的作用显著。2.3节解释了将TES整合到能源系统中的优势。空间供冷图15展示了TES及其他广受青睐的储能技术的装机TES供冷项目大部分位于美国，还有一些大型项目位容量。IRENA分析估计，到2019年底，全球TES装于约旦、葡萄牙和卡塔尔等气温较高的国家。机容量已超过234GWh，成为私营和公共部门越来越重视的一项技术。对于其他技术的市场状况，到2019区域集中供热系统、建筑和工业供热年底，电动汽车应用的累计电池装机容量约为TES供热项目（不包括小型热水罐）的大部分大型200GWh，而固定式电池储能应用的装机容量约TES设施装机容量来自中欧和北欧（尤其是丹麦、德为30GWh，包括用于并网发电和分布式系统（屋顶国和瑞典）区域供热系统。PV系统）（IRENA，2020a）。6运输（冷链）图15：截至2019年的TES装机容量相变材料(PCM)项目。250电力部门200TES已经在电力部门应用于负荷转移及产能稳固。根据IRENA数据库，凭借其先进的技术成熟度及其150在CSP发电厂中的应用，熔融盐储能是该部门应用最为广泛的TES技术。同时，固态材料（例如陶瓷或100热岩石）和PCM等其他TES技术也已应用于CSP和非CSP部门的示范和试点项目。5002019蓄热6由于储能介质性质不同，电化学和热能技术的装机容量无法直接进行比较。这意味着1GWh的电化学储能装机容量并不等于1GWh的蓄热装机容量。因此基于所提供的信息给出相应值，以证明特定技术的市场地位。42创新展望熔融盐TES与当前趋势、政策和规划相比，与《巴黎协定》一致的IRENA“能源转型情景”预计可再生能源的增长由于适合与CSP发电厂相结合，大部分熔融盐热装机目标更为宏大，到2030年需要增加56吉瓦(GW)的容量用于电力部门。全球目前的熔融盐储能装机容量CSP装机容量（IRENA，2020a）。已超过21GWh。截至2019年底，装机容量最高的三个国家/地区是西班牙、美国和南非（图16）。CSP装机容量的增长（如图17所示）将使熔融盐TES的装机容量增加四倍（与“能源规划情景”相比），随着使用TES的CSP电厂比例及储热装机容量不断达到491GWh至631GWh。该数据为保守估计，即增加，熔融盐储能也会随着CSP电厂的进一步建设而70％至90％的全新CSP发电厂将安装熔融盐储热装快速增长。自2014年以来，大多数CSP电厂都安装置。该情景要求各国实施适当政策（请参阅第5章）了TES（21世纪可再生能源政策网公司，2020年）。和激励措施，以加快CSP和TES的部署。该情景考虑到该部门因新冠疫情造成的增长放缓情况，并假设计划到2030年，熔融盐TES的装机容量至少达到接下来三年（2020-2023年）需要建立正确的政策环74GWh。为了在当前和规划政策下与当年预测境，以在2030年之前实现这一部署速度。的20GWCSP容量相匹配，还将需要约126GWh的额外熔融盐储能装机容量（相比原计划多52GWh）。图16：全球熔融盐TES装机容量（吉瓦时）意大利美国西班牙0.044土耳其科威特3.9816.9380.0040.450希腊摩洛哥0.260以色列中国1.8800.4952.342智利南非0.4684.074免责声明：该地图上显示的边界和名称并不意味着IRENA官方认可或接受。蓄热43图17：熔融盐TES装机容量GWh700631.3600491.2500400147.630093.92001000规划项目20082009201020112012201320142015201620172018201920202021202220232024202520262027202820292030规划能源情景能源转型情景（70-90%部署，累计值）IRENA估计，熔融盐TES当前的安装成本为26.1美冷的能源需求达到8.1艾焦耳(EJ)，并且还在继续增长，元/kWh至40美元/kWh。假设TES的额定工作能力预计到2030年将达到约11.3EJ。另一方面，IRENA估计为8-11小时，则为满足CSP装机容量（根据IRENA通过提高能效措施（例如建筑保温和改造）和可再生“能源转型情景”），未来10年所需的熔融盐TES能源技术，到2030年，在“能源转型情景”下的增累计投资为123亿美元至244亿美元，具体数据取决长可能会放缓至9.3EJ。无论如何，需求增长要求进一于使用的CSP技术。步利用TES供冷技术，以实现更大的灵活性和需求转移（请参阅2.3节）。如此有助于以较低的整体系统成本但是，如果储热技术的成本继续下降（假设到2030满足供冷需求。这些储热技术还包括罐式蓄热(TTES)、年成本为21.8-25.8美元/kWh），那么所需投资可能地下蓄热(UTES)及PCM。会减少至102-157亿美元。当前，在IRENA于2019年底确定的400个TES项目熔融盐储热部署的进一步增长也可能来自电力部门的中，超过160个已用于建筑和区域空间供冷，装机容独立大容量储能，已有计划将退役的燃煤发电厂改造量超过13.9GWh。未来十年这个数字可能会快速增成储能设施（请参阅第4.1节）。长，尤其是在北非和撒哈拉以南非洲、东南亚和中东地区，因为这些地区的气温已达到极限水平，并已大空间供冷规模采用更先进的供冷技术。TES可通过为电力系统运营商提供额外的需求侧管理作为这种增长的补充，由于整体经济繁荣、气候变化影响及全球气温上升，确保降低系统成本及整合更高比例的VRE。全球范围内的空间供冷需求正逐步增加。家用空调销售额持续快速增长。根据IRENA分析，2016年空间供44创新展望图18探讨了全球TES供冷应用增长的两种情景，7供同时，还需要技术进步（例如数字化和提高储热容冷需求的增长基于两种情况：一种是当前的政策情量）、提高效率以及在建筑中实施节能措施。景，即“能源规划情景”；另一种是与气候变化相协调的情况，即“能源转型情景”，主要基于可再生能如前文所述，2020-2023年将是政策实施的关键时源和能源效率技术。期，这些政策可加快供冷中TES技术的应用，使其在全球范围内与美国的部署率相匹配（请参阅在第一种情境下，TES供冷应用以目前的速度增长。第5章）。在“能源转型情景”中，TES供冷的全球装机容量将根据美国8的TES装机容量与供冷需求比例增长。全考虑当前供冷中TES技术的安装成本，可以估算出达球TES供冷装机容量需增加两倍才能满足供冷需求，到“能源转型情案”所需装机容量的投资。以TES区并推动更多需求侧灵活性方案的出现。域和建筑供冷技术的平均安装成本为60-230美元/kWh计算，未来十年，TES在供冷中的应用大约需要投资5.6亿至28.2亿美元，才能使全球TES装机容量达到与美国相近的部署水平。图18：全球范围内空间供冷TES装机容量和预测容量302520GWh151050201920202021202220232024202520262027202820292030规划能源情景能源转型情景(TES)7由于技术、地理位置和资源数据的可用性受到限制，本预测不涉及含水层蓄热(ATES)（请参阅方框中的内容）。8请注意，这并不意味着美国的TES供冷装机容量最高，但美国项目的可用性相对较高，供冷需求数据较为充分，因此可将其案例作为该技术全球部署的参考。蓄热45含水层蓄热含水层蓄热(ATES)项目具备最大的TES项目储热容量，因此非常适合季节性储能。全球目前已安装了超过2,800个ATES项目，大多数位于荷兰和西欧（图19）。这些项目每年提供超过2.5TWh的供冷和供热能力（Fleuchaus等人，2018年）图19：ATES项目5%10%荷兰比利时、丹麦和瑞典世界其他国家和地区85%来源：改编自Fleuchaus等人，2018年。全球最大的项目位于斯德哥尔摩的阿兰达机场。含水层体积为2亿立方米(m)，最多可储能9GWh。各季节使用相同水量用于供冷和供热，例如融化跑道上的积雪及预热通风系统。该项目使机场每年的能耗减少19GWh，并且仅使用生物燃料能源（SwedaviaAirports，未注明出版日期）。建筑、区域供热及工业应用电力部门出台了相关法规和政策，旨在将更高比例的可再生能源整合到电力系统中，这可能将会刺激工近年来，供热系统（空间供热和热水供应）效率迅速业TES比例的增加。尽管全球供热需求保持稳定，提高，全球供热需求增长放缓。2018年，全球供热需但TES供热系统的整体装机容量可能因此增加，从而求达到212EJ（IEA，2019年）。提高工业中的工艺加热效率，同时将可再生能源整合到低碳能源系统中。2019年，IRENA统计的用于全球建筑、区域供热和工业过程供热的中大型TES总装机容量达到了199GWh由于热水罐储热的普遍性及分布式小规模性质，全球（图20），其中包括TTES、UTES和固态TES。范围内的装机容量难以衡量。固态和PCM等其他蓄热技术的持续进步可能促进整体装机容量的大幅增长，由于使用了大体积的ATES和地埋管蓄热(BTES)，区域从而为电网提供急需的灵活性和需求侧管理功能。英供热应用占TES现有装机容量的最大比例。约一半的国的一项研究预测，如果英国要在2050年之前实现区域供热项目采用了季节性储热，这是TES技术为能碳净零排放，则使用电力供热的英国家庭可能需要安源系统带来的独特优势。装TES（EnergySystemsCatapult,2020）。46创新展望图20：供热应用的TES装机容量（占总装机容量的百分比）53%49%为建筑46%季节性区域供热工业1%储能另一项研究预测到2030年，在区域供热储能方预测总结面，法国供热网将部署5-10GWh的TES（ATEE，2016年），仅次于丹麦、德国和瑞典等欧盟领先国未来的电力系统需要储能替代方案的组合，因为每种家。由于UTES的广泛使用，目前这些国家/地区的区替代方案具有不同的价值定位（储存期限、能源密域供热储能装机容量占全球60％以上。度、具有不同响应时间的市场服务及工作温度等）。图21展示了当前和未来的TES装机容量估算，尤其是中国正迅速采用各种形式的TES供热技术，包括使用固定式储能（用于并网规模和分布式屋顶PV发电装复合相变材料(cPCM)储存过剩的可再生能源（否则置）、电动汽车储能和蓄热方面。将发生弃电）并用于清洁供暖。降低燃煤供热产生的碳排放及造成的空气质量影响这一意愿推动了相关技总体而言，储能技术前景广阔。在“能源转型情景”术应用。根据金合能源数据，中国的TES装机容量超中，固定式储能装机容量预计将从2019年的30GWh过1.5GWh（JinheEnergy，2020年）。增长至2030年的745GWh，电动汽车储能装机容量将从2019年的200GWh增加至2030年的5065GWh由于原型和演示阶段采用了几种TES供热技术（例如（IRENA，2020a）。9将熔融盐和空间供冷预测考虑固态和PCM）及热水罐储能的分布式特性，因而所获在内，TES技术到2030年将达到至少800GWh的储信息有限，无法进行全球部署预测。尽管预计供热需能装机容量，几乎是现在的三倍。必须强调的是，由求将会下降，但新颖和成熟技术的不断应用证明人们于未考虑TES供热项目和固态TES等其他TES技术的仍将重视TES供热所带来的优势。这对于将VRE整未来增长，此预测仅涵盖部分TES潜力。此外，预计合到电力系统及大规模电气化至关重要。这些技术工业和运输部门应用的TES解决方案（例如PCM和应用能够证明TES是未来需求侧灵活性的重要源热化学TES（如水合盐和液体吸收））的技术成熟度头，有助于实现更高效和更廉价的能源系统（请参阅将进一步发展，因此未来十年TES在全球储能市场的第2.3节）。比例将进一步增长。9由于储能介质性质不同，电化学和热能技术的装机容量无法直接进行比较。这意味着1GWh的电化学储能装机容量并不等于1GWh的蓄热装机容量。因此基于所提供的信息给出相应值，以确定特定技术的市场地位。蓄热47图21.TES装机容量预测900800700600GWh500400300200100020302019电力供热空间供冷图22.为满足电力和供热需求灵活性的并网式和分布式电力基础设施概述分布式电力基础设施电动汽车住宅PV和储能P2HP2HP2H电网P2H（智能）分布式分布式电蓄热热泵电锅炉/直接电加热混合电动区域供热供热网络供热需求注：P2H=电制热来源：Bloess、Schill和Zerrahn，2018年。48创新展望1.3TES在集成能源系统中的作用集成的系统中所扮演的角色有更深入的了解。在此，对效益进行了定义及背景说明。本报告还进一步运随着能源系统终端用能部门的电气化以及可再生能用示例介绍了哪些领域已经以何种方式实现了这些效源发电技术更广泛地应用于电力以外部门，促进部益，或者未来在哪些领域其地位会更加重要。TES部门整合有助于实现更加高效的能源系统。热电耦合署所带来的具体效益根据不同能源系统、气候和地理的示例之一是“电制热”(P2H)概念（图22），通过位置有所不同。一系列分布式电气化供热和储能技术满足供热需求（Bloess，Schill和Zerrahn，2018年）。该类方法有波动性可再生能源发电整合时称为“智能能源系统”，它链接并协调电力、热能和天然气网络以发挥协同作用，在为每个部门提供最蓄热可用于调控波动性可再生能源的出力。有时将其佳结果的同时最大程度地提高整个系统的效率（Lund称为产能稳固。用于缓解发电量的快速下降或升高，等人，2016年）。以及波动性可再生能源的长期供电变化，例如夜间或日间发生的变化。鉴于太阳光照和风力每分钟都在变TES还有助于提供更多方案，以实现供热和供冷部门化，目前需要适当储存由这些来源生产的电力作为常的灵活性。使用TES可以增强电力系统的灵活性。在规发电（如煤炭、天然气或抽水储能）的补充，以弥可再生电力供应充足的情况下，应用智能控制系统生补需求缺口。系统运营商使用各种平衡工具管理从亚产热能（或冷能）并使用TES储热，有效平衡电力供秒、分到小时不等的时间范围内的波动。蓄热尚不适需，同时帮助实现供热（或供冷）脱碳。通过优化家合提供例如频率管理等亚分钟需求服务，而电力储存用热泵热水罐，蓄热也有望在电力矢量方面发挥重要能够更快地解决相关问题。从技术和经济角度来看，作用。蓄热适合提供跨越数分钟/小时的电力系统平衡服务，以及满足跨越数小时的热能需求变化。与电池相TES可带来的效益取决于不同的能源系统及其未来发比，TES技术的循环使用寿命较长，且随着时间推移展，与可再生能源的利用以及热能和运输电气化需求效率下降较低，因而整体使用寿命成本更低（Lund等有关。TES的关键应用示例如图23所示。通过在不同人，2016年）。的设置情景下进行分析，可以对TES可能在未来日益图23.TES在能源系统的关键应用需求转移TES推迟电网强化应用波动性能源季节性供应整合部门整合储能蓄热49部门整合网络管理TES可以通过部门整合减少弃电并提高可再生能源的负荷转移不仅有助于提高可再生能源的利用率，使其利用率。这指的是将过剩的电力转化为热能，从而将满足更高的需求比例，同时有助于推迟或避免昂贵的发电与其他部门（例如供热）的需求联系起来，以提电网改进需求。由于面临高供应低需求时段的挑战，高能源系统的灵活性。通常热能需求远远高于电力需分布式发电给网络运营商造成压力。如果不强化或增求（特别是终端供热应用），因此将能源储存为热能加电网容量，高峰供应时期则必须将电力从本地网络而非电力更为高效。鉴于TES技术的高成本效益及高中输出。此外，电网的建设是为了满足高峰需求；供效率（Lund等人，2016年），TES的部署有助于利用热和交通运输的电气化可能会使需求增加，从而引发部门整合帮助电力系统脱碳。额外投资增加峰值储备空间以增加电网容量。供热和运输部门的电气化将极大增加电力系统的负因此，电网容量是一个限制因素，它决定了在本地更大担，仅依靠电力部门设施可能使能源系统资源供应紧范围地部署可再生能源发电厂、热泵和空调的可行性。张，同时还会增加整体成本。TES有助于分离交通运如果没有储能或其他形式的需求管理，则全球电网将需输部门的热能需求，并（通过降低车辆的冷却/加热负要进行大范围强化。蓄热系统可以有效地管理由供热和荷）减少交通运输部门对高比例可再生能源的电力系供冷负荷驱动的尖峰需求。这是因为最终需求为热能或统的用电需求。TES还是用于有效部署热泵等技术的冷能而非电力。关键使能系统组成部分，可以优化热泵功率并以较低成本实现高效满负荷工作。这有助于提高诸如电制热例如，对拉脱维亚电力系统的分析表明，即使在供热未（有助于可再生能源整合）等战略潜力，从而促进了完全电气化的情况下，也可能需要强化电网。利用TES整个系统的发展。以高度协调和受控的方式减少峰值负荷将有效避免该类情况（O’Dwyer等人，2018年）。虽然这一发现仅针对需求转移特定案例，但由此可以了解TES在网络管理中的潜在作用。使用蓄热可以及时转移能源需求，以更好地匹配VRE供电并减少系统压力。例如，低谷时段为蓄热系统充季节性储能能，需要时释能，可以将诸如建筑空间供热和/或供冷等高峰重合电力负荷转移至较低成本时段。这使得蓄热可将能源储存数天甚至数月，从而解决供求的季现场需求模式保持不变，但将热能或冷能的生产转移节性变化。这对于热能负荷季节性差异显著地区的能到更有利的时段（例如电网无拥堵、可再生能源发电源系统尤其有利。夏季将太阳能光伏或风能等可再生量高、低价格时段）。此外，还可在可再生能源可用能源生产的过剩热能储存在TES中，用于补充或满足性较高时为蓄热系统充能，未来需求较高时则将其释冬季供热需求。这一举措将减少高峰时期对不可再生放，通过提高利用率改善整体系统效率。从系统角度能源的需求。蓄热系统还可在冬天储存自然冷能，以来看，通过储存管理过剩的可再生能源发电量相较于在夏季提供空间供冷。虽然这种特殊的能源利用方式弃电而言效率更高，因其通过避免能源浪费、提高可并不直接促进可再生能源整合，但有助于减少夏季高再生能源的利用率降低了消费者的总体成本。需求转峰时段的用电需求。移也是有效实行部门整合的关键推动力，否则将需要通过大量增加总体供应和网络容量以满足相同需求。50创新展望1.4系统方法源的弃电。例如，美国宾夕法尼亚州-新泽西州-马里兰州能源市场区域的一项研究发现，使用配备蓄热系越来越多证据表明，采用系统方法以更具成本效益的统的热泵或分布式电阻加热器将使可再生能源弃电减方式整合可再生能源并帮助能源系统脱碳具有极大优少50-90％（Pensini、Rasmussen和Kempton，2014势。例如，芬兰的一项研究发现，使用TES的风能制年）。热系统可通过提高风能利用效率增强脱碳能力。采用热泵、电锅炉和TES的整合试点系统替代天然气锅这些研究表明，给定能源系统能否实现TES的优势还炉，与未采用这些技术的对照系统相比，实现了30取决于某些辅助性设备和基础设施的部署。因此，规％的减排效果（Kiviluoma和Meibom，2010年）。划能源系统灵活性和整合性的整体系统方法可带来众多益处。此外，随着风能太阳能在能源结构中的比例开始增加，将TES整合到电制热系统将有助于减少可再生能案例研究1.中国利用部门耦合降低弃风率中国新疆的区域供热系统通过蓄热降低弃风率由伯明翰储能中心领导、英国工程与物理科学研究理事会和中国国家自然科学基金委员会资助的英中合作项目报告了一项成功的商业示范试点⸺中国新疆地区使用cPCM将蓄热系统整合到区域供热方案中。该项目一方面由于需要亟待解决可再生能源的间歇性，另一方面与可再生风能的高渗透率以及热电联产区域供热计划造成的电网限制挑战相关。新疆当地电力需求较低，大部分可再生能源（风能和太阳能）发电用于地理位置较远的负荷中心。需求低迷及电网限制导致2016年的弃风率高达40％。为此，中央和地方政府针对提高可再生能源利用率的途径进行了相关调查。热能脱碳也被列入了列入政府议程，还通过上网电价为其提供支持。电价的波动性也很大。主要解决方案是将终端用能部门耦合，以及将过剩的可再生能源转化为热能储存在储热系统中。自2016年10月开始，使用高温cPCM的6兆瓦/36兆瓦时(MWh)的示范电厂投入运营。该电厂在低谷时段（此时电价仅为平常一半）进行蓄热。据估计，其中超过80％的电力（即每年超过5000MWh）为风力发电（否则将会发生弃风）。该设施已成功利用当地风力发电机产生的过剩电力降低弃风率、缓解电网限制及储存脱碳热能。由于试点取得了成功，中国各地又建设了另外20家发电厂并投入运营（Ding，2018年）。蓄热51从根本上讲，蓄热是更广泛的灵活性方案组合的一部但是，鉴于越来越多的变量正在增加系统的复杂性，分。相较于TES，电力储存和需求侧措施则具有不同因此仍然需要大量工作来开发、设计和落实集成能源的优点和应用。其他选择包括氢气，氢气作为能源储系统的策略。齐心协力采用系统方法找到基础设施和存载体这一方案也正日益受到重视。其优点在于它是市场信号的正确组合非常关键。这将推动TES应用的一种灵活的燃料来源，需要时可用于供热、发电或运高效项目和商业模型的出现。输。人们对各种储能和灵活性技术在未来能源系统中将要扮演的重要角色愈发了解。通过全系统范围内协调整合蓄热减少了弃光和弃风现象。52创新展望2.技术概览基于不同的基本科学原理，蓄热(TES)所涵盖的技术2.潜热蓄热非常广泛。本报告针对了29种TES技术，并根据以•冰蓄热下标准进行了优先排序10：•零度以下的相变材料(PCM)•低温PCM•技术特征：包括技术成熟度、通用性、可复制性和•高温PCM额外性。113.热化学蓄热•克服波动性可再生能源(VRE)领域挑战的潜力：解•化学循环（钙循环）决方案能够推动减少输电网的弃电、调峰、系统惯•水合盐性和拥堵；促进电力以外其他部门的电气化。•吸收式系统•规模：技术适用于分布式系统、集中式系统或者两4.机械热耦合系统种系统皆适用。•压缩空气储能•液态空气储能•部门：TES技术在电力系统、工业、冷链、建筑或区域供热供冷中的应用。以下各节将针对每个分组进行概述，并阐明每种技术的范围及其工作原理。若要了解更多关于各项技术的经过评估后，本报告选择了13项TES技术，这些技详细信息，请参阅附录。术有望帮助能源系统整合更多的VRE。12本节针对感兴趣的主要技术进行了概述。根据基本工作原理，这2.1蓄热技术的主要类型些技术可分为四类：显热蓄热1.显热蓄热•使用水作为储能介质的罐式蓄热(TTES)显热蓄热是TES最常用、也是最先进的商用技术类•固态蓄热（例如陶瓷砖、岩石、混凝土、填充型。它通过加热或冷却储存介质（液体或固体）储存床）热能，但不发生相变。工作温度范围内，储存的能量•熔融盐与充能时的温度变化（上升或下降）以及材料的热能•地下蓄热(UTES)容量成正比。10若要了解更多关于优先排序的详细信息，请参阅附录第7.1节。11通用性–TES能够满足能源系统多个用例的能力。可复制性–TES可应用于多种能源系统的能力。额外性–TES技术在提供特定服务方面的独特性。12可复制性–TES可应用于多种能源系统的能力。蓄热53显热蓄热系统可提供每吨10kWh至50kWh的储能显热蓄热可应用于电力部门、工业、建筑以及区域供装机容量，储热效率为50％至98％，具体取决于热和供冷。显热技术的主要缺点包括：所占物理空间储存介质的比热及隔热技术。工作温度范围可介于较大、较高温度或较长储存时间要求下需要进一步隔-160°C至1000°C以上（欧洲储能协会和欧洲能源研热以及需要（能源）投入以维持储存目标温度的潜在究联盟，2013年）。需求等。与其他蓄热技术相比，显热储热为最简单、通常也是本报告中探讨的显热储热技术为：最廉价的储热形式（通常仅使用水）。因此，当前显热技术的应用最为广泛，通常以住宅水罐或聚光太阳•TTES，使用水作为储存介质能热发电(CSP)厂的熔融盐储能形式出现（欧洲储能•固态蓄热（例如陶瓷砖、岩石、混凝土、填充床）协会和欧洲能源研究联盟，2017a）。•熔融盐•UTES罐式蓄热TTES使用流体（通常是水）作为储能介质储存热能。在本报告中，以下所称的所有TTES仅指以水作为储能介质（与熔融盐或其他流体相对）的系统。通过太阳能板、电力或环境温度加热或冷却水，然后根据需要进行输送（Stine和Geyer，2001年）。TTES代表最简单的蓄热形式，也是应用最为广泛、技术最成熟的TES技术。就体积而言，水罐最低仅为几百升大小，与太阳能热结合后适用于小规模住宅应用。受到空间和容器结构限制，其大型应用（商业、工业和区域供热）的最大尺寸约为80,000m3。该系统通常提供日间/全天蓄热。家庭应用中的系统组件为蓄热水罐和热水器，专用于生产热水，某些情况下还用于空间供热、热电联产等。输送水温范围通常为55-60°C。此外还开发了基于储罐的季节性TES系统。有些建成的系统可将90°C左右的高温热能储存超过6个月的时间，且能量损失小于10％（BEIS，2016年）。大规模应用中的热水罐用于季节性储能。它们通常利用太阳能热技术充能将水加热到约80-90°C。在这种情况下，使用热泵最低可以提取约为10°C的热能（IEA和IRENA，2013年）。54创新展望固态蓄热固态或填充床储热使用颗粒储存热能，流经填充床的流体将热能传入或传出系统。此类系统规模各不相同，可以使用多种材料。例如，陶瓷砖可用于储存由家庭电加热器提供的热能，而岩石或混凝土床则以更大的规模储存由风力发电站的过剩电力产生的热能。固态技术简单、相对廉价且可实现规模化应用。通常应用于只需要低品位热能的建筑中。当前也正在开发新型材料和系统以满足需要更高温度输出的工业和发电应用。还针对利用例如岩石、混凝土和陶瓷砖等其他天然和人造物质作为储能介质进行了研究。较高温度下，商业上使用基于氧化物（二氧化硅、氧化铝、氧化镁和氧化铁沸石）、碳酸盐（例如菱镁矿）及其混合物的耐火砖。其他材料也在考虑范围内，例如具备更高热性能的混凝土（Xu和Chung，2000年）和Cofalit等工业废弃陶瓷材料。（Calvet等人，2013年）。热电站图片来源：Shutterstock蓄热55熔融盐盐是无机化合物。在环境温度下，盐通常呈固态，应用于蓄热时，其温度保持在熔点以上，因而呈液态。熔融盐用于储存高品味热能。但是它容易固化，因而有可能严重损坏辅助设备。因此，熔融盐的应用仅限于需要高温的严格受控环境，例如电力部门。在电力部门中，熔融盐几乎仅用于帮助整合CSP，白天储存热能，晚上则将其释放以驱动涡轮机并保证持续发电（图24）。图24.直接熔融盐蓄热系统535C˜550C蒸汽轮机550C蒸汽发生器太阳能发电场x2.5290C290C冷凝器来源：阿基米德太阳能公司，2020。两罐式熔融盐蓄热系统是最常用的配置之一（图25）。熔融盐通过储冷罐和蓄热罐之间的泵送进行充能释能。间接系统使用配备传热流体循环系统的热交换器，而在直接系统中，盐既用作储能介质，又用作传热流体。图25.间接熔融盐蓄热系统˜390C380C˜375C太阳能发电场蓄热蒸汽290C轮机热交换器蒸汽发生器290C冷凝器来源：阿基米德太阳能公司，2020。56创新展望地下蓄热UTES将热能或冷能储存在地下。储能介质可能是由土壤、沙子、坚实基岩、人工井或含水层中的水组成的地质层。UTES的关键技术有含水层蓄热(ATES)、地埋管蓄热(BTES)和热井蓄热(PTES)（图26）。PTES和BTES耦合的混合系统当前也正在开发之中（欧洲储能协会和欧洲能源研究联盟，2013年）。这些技术相对成熟，其不同形式的应用已有数百年历史。UTES系统的主要优点是能够跨季节储存大量热能。但是，其效率相对较低，因此最好与廉价热能来源共同部署。UTES主要应用于区域供热。部分国家当前已经开始将UTES技术与可再生能源结合部署，而其他地区的UTES仍处于示范或试点阶段（欧洲储能协会和欧洲能源研究联盟，2017a）。图26.地下储能概念热井蓄热(PTES)地埋管蓄热(BTES)含水层蓄热(ATES)(60-80kWh/m3)(15-30kWh/m3)(30-40kWh/m3)来源：欧洲储能协会和欧洲能源研究联盟，2017aUTES可用于储存来自太阳能集热器或工业工艺的热能，或冬季空气的冷能。然后将热/冷能用于冬天空间供热或夏天供冷。部分系统使用热泵帮助部分或整体循环中蓄热系统的充能和释能。供冷应用通常仅使用循环泵（BEIS，2016年）。ATES利用天然含水层中的地下水为建筑提供冬季供热和夏季供冷。ATES由一个热井一个冷井组成，而PTES系统则利用隔热的地下井（装满砾石和水）减少热量损失。相比ATES，PTES的单位成本最低。该系统可通过直接与热水接触或沿砾石使用管道进行充能释能。PTES相比ATES需要更大体积，但几乎没有地域限制。最后，BTES使用立式换交热器，对具有高比热、高导热系数和极低水力传导率的土壤混合物进行充能或释能（Gao、Zhao和Tang，2015年）。蓄热57潜热蓄热•冰：转化为水的相变温度为0°C。•低温PCM：相变温度为0-120°C，例如石蜡和盐水PCM使用潜热（储热材料相变（通常从固态到液态）所需的能源）储存热能。PCM有众多类型和应用。本合物。报告重点介绍在每个关键温度范围内对可再生能源整•高温PCM：相变温度高于120°C，例如无机盐及其合潜力最大的类型及应用。共晶混合物，包括储存在陶瓷支撑材料（称为复合选择PCM的主要标准是应用所需的相变温度范围。PCM(cPCM)）中的盐。选择还应考虑如熔化潜热和导热系数等其他热物理性质。图27展示了本报告基于这些标准给出的PCM分与显热蓄热材料相比，PCM能量密度更高，这意味着类，并使用PCM示例进行了说明。其所占物理空间更小。PCM可进行趋于恒定温度的充能和释能，因此可根据工程需要专门选择PCM以提供特定的输出温度。下面将针对所分析的技术及其工作温度范围进行概这种额外控制对敏感性应用（例如冷链中的药物或食述：物必须在极小温度范围内进行保存）尤其有用。•零度以下的PCM：相变温度低于0°C，例如盐水混合物。图27.本报告中分析的PCM的性质，揭示了熔化热和熔点方面的差异500盐及其共晶混合物熔化热(kJ/kg)400水合盐石蜡冰300盐水共晶混合物2001000-100-50050100150200温度（℃）零下温度冰低温PCM高温PCM注：kJ/kg=千焦每千克。58创新展望零度以下的PCM零度以下的PCM既可以是单组分材料，也可以是由两种或多种材料组成的混合物，例如共晶混合物。共晶混合物的定义是按特定比例成分组合导致其熔融温度低于单组分材料熔融温度的混合物。盐水共晶混合物指将盐溶解在水中形成的溶液。所使用的单组分材料或混合材料的成本、相变温度、能量密度及腐蚀性都各不相同。例如，27％的NaCl溶解在水中生成盐水共晶混合物，其冻结温度为-21.1℃。水中的盐浓度较低会导致较高的冻结温度。零度以下的PCM可满足相比标准空间供冷更低的冷却温度要求，例如冷链中的供冷。特定情况下，这能够为将冰作为PCM提供更有效的解决方案。大多数应用会将PCM封装以避免泄漏，如图28所示。大容量储能装置模块中充满了PCM并固定在罐中。之后，它们通过吸收流经储罐的传热流体热能将其冷却至特定温度。图28.大容量蓄热系统中的PCM封装HTFPCM模块输入输出注：HTF=传热流体来源：Mehling和Cabeza，2008年蓄热59冰蓄热冰具备卓越的储冷属性，如高熔化热(334kJ/kg)、高热容量（4.2kJ/kg·K）及无腐蚀性。作为水的固体形式，冰容易获得且廉价。为了将冷能储存在冰中，可以通过放置在冰罐上方的冷却装置或制冰机使用低谷或可再生电力冻结水。冷能通过水或其他传热流体（例如乙二醇）传送以释能。冰蓄热技术在商业上可用于建筑和区域供冷方案。尽管相比冷冻水罐要贵，但其所占物理空间较小。冰蓄热技术具有两种典型配置，即大容量冰蓄热和冰盘管蓄热。大容量冰蓄热系统在冷冻温度下将冰储存于装有冷冻水和冰的一个储罐中。充能时，泵将冷却水从储罐传送到制冰机，之后冰回落到储罐。释能过程中，使用另一台泵将储罐的冷却水循环至负荷处，之后温水再从负荷处返回到储罐顶部。冷能还能以冰浆的形式储存用作传热流体。冰盘管蓄热系统的储存罐中充满了水，且盘管浸没其中。充能过程中，冷却装置将传热流体（例如乙二醇）冷却至零度以下温度并流经盘管，使盘管周围的水冻结。释能过程中，可使用外部循环或配备热交换器的内部循环将冷能从储罐输送到负荷处（图29）。图29.冰盘管系统内融式冰盘管外融式冰盘管Araner乙二醇‒水冷却器Araner乙二醇‒水冷却器储热蓄冰罐储热蓄冰罐来源：Araner，2017年输入负荷输入负荷输出输出负荷负荷乙二醇热水乙二醇‒水热交换器冷水60创新展望低温PCM低温PCM的相变温度为0°C至120°C。该温度范围内使用的两种常见PCM是石蜡和无机盐水合物。石蜡因其多功能性和稳定的化学特性（无毒且无腐蚀性）而成为低温PCM的关键材料之一。诸如溴化锶等盐水合物当前已实现家庭供热商业化。由于价格低廉、潜热适中（约200kJ/kg）及熔融温度范围较广（Jegadheeswaran和Pohekar，2009年），针对商业石蜡的相关研究数量最多。但是，其导热系数低（每米开尔文0.2瓦特[W/mK]）且易燃，因此应用受到限制。可通过添加高导热系数的颗粒及填料（例如石墨或金属）以有效提高其导热率（Karaipekli等人，2017年）。低温PCM可整合到家用供热和空调设备中，因此尤其适用于建筑物蓄热。无机盐作为高温相变材料部分无机盐混合物的相变温度较高（超过500°C）。无机盐二元和三元混合物已针对蓄热应用开展了广泛的研究。碱金属的碳酸盐、硝酸盐、氯化物和硫酸盐以及碱金属（例如镁、钾、锂和钙）是用于生产共晶混合物的主要化合物（PereiradaCunha和Eames，2016年）。熔融碳酸盐（与硝酸盐一样，是最常用的高温PCM之一）的显著特征包括其化学稳定性及在较广温度范围（500-800°C）下始终保持最佳性能，因此适合于各种高温应用。其储能密度很高，但具有腐蚀性且导热系数低，这限制了充能/释能速率。当前针对这些问题已提出各种方法，例如使用多孔支撑材料（金属泡沫、多孔碳材料和陶瓷结构）避免泄漏，以及添加例如石墨材料等高导热系数的增强剂。包含多孔支撑材料的解决方案称为高温复合PCM(HT-cPCM)。HT-cPCM可应用于建筑中的商用热电池，还能够将过剩风能整合到区域供热方案示范项目中。热化学蓄热吸收式蓄热则从化学势的角度通过破坏吸附剂与吸附质之间的结合力蓄热（Chang等人，2013年）。热化学蓄热的能量密度相比显热和潜热蓄热更高。它可分为可逆反应蓄热和吸收式蓄热（Aydin，Casey和吸收式蓄热只能在约350°C的温度下工作，但非吸收Riat，2015年）。图30对这种分类和相关技术进行式热化学系统可在更高温度下工作并提供更高的储能了总结。密度。由于吸收式系统在环境温度下能够尽可能长时间地保存热能而不发生热量损失，因此热化学蓄热技非吸收式热化学系统基于两种独立化学物质的可逆反术成为低温下季节性储能(用于建筑）的广泛研究对应，其中放热合成反应会产生大量能量（Yu，Wang和象。Wang，2013年）。蓄热61图30.热化学蓄热方法和材料热化学蓄热基于可逆反应的蓄热基于吸收的蓄热化学循环氧化还原金属氢化水合/脱水基于液体多孔固体反应物的吸收吸收水合盐钙循环(CaL)MgSO4/H20双相吸收CaO+CO2CaCO3NaS2/H20LiBr溶液/H20SrBr2/H20LiCl溶液/H20MgCl2/H20CaCl2溶液/H20强酸和强碱溶液/H20来源：改编自Ding和Riat，2012年；Yu、Wang和Wang，2013年；Scapino等人，2017年。化学循环针对化学循环系统的研究主要是将其作为潜在的碳捕获技术。示例之一是利用氧化钙(CaO)和二氧化碳(CO2)之间的可逆反应形成碳酸钙(CaCO3)，这称为钙循环(CaL)。该反应中，CaCO3吸收大量热能，分解为其组成成分（CaO和CO2）并将热能提供的能量储存在CaO和CO分子内的化学键中。然后将CaO和CO作为储能介质分别储存。根据条件和能源需求，产品的储存时间可达数周甚至数月而不会造成能量损失。需要时，CaO和CO再次重新结合形成CaCO并在此过程中释放热能，如图31所示。图31.CaL工艺方案CaO+CO2CaCO3CO2烟气碳酸化器CaCO3煅烧炉燃料+氧气（二氧化碳630-680°C850-950°C合成CaCO3含量高）CaOCaCO3CaO+CO2烟气（二氧化碳含量低）来源：改编自Chang等人，2013年。CaL系统的优势在于其所涉及的所有材料成本极低，且储能密度极高，为每立方米3.2吉焦耳（Chang等人，2013年）。但是，该系统涉及的工作温度非常高（>600°C）。当前正在探索钙循环作为CSP储能技术的潜力（欧盟委员会，2018年），同时也在考虑将其用于工业或电力部门的其他高温应用。62创新展望水合盐水合盐是可逆工艺，通过固体盐的水合及随后的脱水吸收和释放能量。水合反应用于蓄热的焦点主要集中于吸湿盐，例如氯化镁(MgCl2)、硫化钠(Na2S)、溴化锶(SrBr2)和硫酸镁(MgSO4)（Yu，Wang和Wang，2013年）。热能增加时盐会脱水，释放出可与盐分开储存的水分子。需要热能时，将水添加到盐中，盐吸收水并释放热能。利用该工艺的热电池可将少量热能长时间储存，且能量损失最低。这些性质使得水合反应特别适用于季节性储能。欧洲正在进行学术和工业研究，希望开发可与日间蓄热（例如TTES）结合使用的季节性住宅建筑热电池，如图32所示。然而，水合盐蓄热技术也面临一系列挑战，如侵蚀性材料、安全壳结构的腐蚀问题、材料稳定性和劣化/凝结等。图32.CREATE演示蓄热系统图热电池缓冲器（季节性储能）热电池集热器采用热化学材料的吸低温收器模块空间供热高温生活热水中央蒸发器/冷凝器，热泵带储水罐再生缓冲器储能（日间储能）地热篮热泵太阳能集热器地源注：该图展示了如何将基于盐水合物技术的季节性热电池与日间储存以及热泵和太阳能集热器结合使用。来源：CREATE，2018年。蓄热63吸收式系统吸收式热泵本质上是由热源（如太阳热能而非电力）驱动的热泵。本报告中的吸收式系统指的是TES形式，它使用太阳能吸收式热泵实时产生热能/冷能，并将其储存起来以备后用。吸收式系统的原理是：浓缩制冷剂溶液（例如氯化钙[CaCl2]、氯化锂[LiCl]、溴化锂[LiBr]、氢氧化钠[NaOH]、氢氧化钾[KOH]或氨的水溶液）[Lele，2016年]）吸收水分并在这一过程中释放热能。释放出的热量就是吸收的热能，是一定体积的液体吸收水蒸气释放出的能量。该系统通过额外热能充能，而使水分子从制冷剂溶液中解吸。这形成了两种产物：水蒸气和浓度更高的制冷剂溶液。然后将两种产物分离并储存，需要热能时再将其组合。图33展示了吸收式系统示意图，该系统配备一个太阳能热源、一个吸收热泵以及分离的浓缩制冷剂和水罐。图33.配备分离器反应器的吸收式系统配置太阳能供应水蒸气解吸器/吸收器冷凝器/蒸发器Solutiontank建筑供热Desorber/absorber与环境进行热交换溶液罐LiBr液态水罐溶液水来源：N’Tsoukpoe、LePierrès和Luo，2013。吸收式系统是一种极具潜力的蓄热方案，因为其储能密度远远超过水作为显热蓄热技术的储能密度。这主要是因为吸收循环系统更适合低品位热能的储存，在建筑和某些工业应用中的潜力巨大。64创新展望机械TES系统本报告中探讨的两种耦合技术为：•绝热压缩空气储能(A-CAES)将TES与机械储能技术耦合使用；这对于两种技术而•液态空气储能(LAES)言都是一种互补。TES可用于改进系统和提高效率，但因此系统也变得高度复杂（AEEINTEC，2019年）。绝热压缩空气储能传统CAES中，用低谷可再生电力压缩空气后将其以高压储存在地下洞穴中。需要电力时，通过膨胀压缩空气驱动涡轮机发电。该过程中，冷却装置将压缩热能移出，利用额外热能加热膨胀前的空气。二者都会造成能量损失。当前已提出A-CAES系统通过添加高温TES装置（例如鹅卵石、陶瓷砖或PCM）提高总体效率，该装置用于储存压缩热能（否则会在气体压缩阶段损失）以备之后的膨胀使用。图34展示了可能实现的A-CAES装置。图34.A-CAES提议现场装置图蓄热轮机压缩机洞穴发电机来源：RWEPowerAG，2010年。蓄热65液态空气储能目前正在针对LAES开发一种新颖储能形式，与CAES相似，它使用储存的压缩空气驱动涡轮机释放能量。二者主要区别在于空气冷却和压缩至液化的程度，这意味着可以将其应用于其他位置和应用的储存和运输。充能时使用低谷或可再生电力将空气压缩到高压(>60bar)，压缩过程中产生的热能储存在蓄热系统(>300°C)中。通过储冷装置将压缩空气冷却（至-145°C），然后将压力降低至环境水平获得液态空气(-196°C)。需要释能时，液态空气通过蒸发返回为气体，部分“废弃”冷能保留在储冷装置中。储存的热能进一步加热空气，可用于驱动涡轮机发电。图35对此进行了总结。图35：发电应用LAES的通用系统配置充能部分泵释能部分液态压缩液化空气蒸发/加热膨胀储能储冷电力输入储热电力输入电力输出来源：欧洲储能协会，未注明出版日期。利用废弃热源可以实现70％的交流往返效率。LAES可用于电力储存，进行充电和放电。液态空气也可以用作发动机燃料，冷能还可用于供冷（DearmanEngine，未注明出版日期）66创新展望2.2TES技术的关键属性•功率范围描述了能量从系统充能和释能的速率，这取决于系统的设计和技术。本节概述了本报告中考虑技术的关键特性和技术属性。为任何应用选择特定TES技术的两个主要标准是•每种技术只能在特定工作温度范围工作，该工作温所需的工作温度范围及储存时间（图36）。表2和度范围定义为蓄热系统预计最高及最低工作温度，表3概述了同样也很重要的其它特性。这取决于储存介质的理化性质。表2和表3中的关键属性定义如下：•充放效率是输入能量与从蓄热系统中取回能量之间的关系，表示利用该技术储能后维持和释放热能方•适用规模是指TES在能源系统不同部门以不同成面的有效性。此参数可能很大程度上取决于系统的本效益方式从小规模到大规模的应用能力。“小规工作条件（例如每天或季节性）。模”应用是指为单个建筑提供服务的住宅和商业解决方案，“区域/工业”是指通过区域供热和/或供•能量密度表示每单位体积储能装置累计储存的最大冷网络连接的本地建筑群或工业场地，其电力储存能源量。该值取决于工作条件（最高和最低工作温能力为兆瓦时级别，“公用事业”是指大规模蓄热度）。需求情景，例如通过大型区域供热/供冷网络提供供热/供冷服务或发电，或者用于热电联产设施。•所有蓄热系统都会随着使用时间的推移出现疲劳和磨损，从而导致老化和热劣化。使用寿命是指•储存时长是每种技术在用于有效供热、供冷或发电储能装置在特定工作条件下使用的预期年限，或之前可能的储能时间。储存时长可能是几个小时（者储能装置可以执行的循环数量。例如，若预计需求转移）或几个月（季节性储能）。某储能资产每天需要执行一个完整的充能/释能循环，1,000个循环则意味着3年的使用寿命。•潜在矢量是指每个蓄热系统能源输入及输出的形式。•容量范围是指完全充能后（即显热TES中达到储罐材料的最高工作温度；潜热TES中完成100％的相变转变；或热化学储能中的转化率达到100％）蓄热系统中可用的能源数量。容量范围是能量密度和储存介质体积的函数。蓄热67图36.所研究TES技术的工作温度和时间范围高高温cPCM化学循环(>500°C)熔融盐固态工作温度中(100-500°C)低低温吸收式系统水合盐(0-100°C)PCMsWTTESUTES零度以下冰(<0°C)零度以下温度PCMLAES小时天月显热潜热热化学机械热表2.所选TES技术的适用规模、工作时间和相关能量矢量TES类型TES技术适用规模储存时间潜在矢量显热WTTES潜热小型区域公共事业小时天周月输入输出热化学HCPHCP机械热UTESHCPHCP固态HCPHCP熔融盐HCPHCP冰蓄热HCPHCP零度以下的PCMHCPHCP低温PCMHCPHCP高温cPCMHCPHCP化学循环（钙循环）HCPHCP水合盐吸收式系统HCPHCP压缩空气储能HCPHCP(CAES)LAESHCPHCPHCPHCP注：绿色表示适用；红色表示不适用；C=冷能；H=热能；P=电力。68创新展望表3.所选TES技术的关键技术属性TES类型TES技术容量范围电力范围工作温度往返效率储存时间能量密度使用寿命10至90°C50至90%（年限或循WTTESkWh至kW至5至95°C最高90%数小时至15-80环次数）UTES1GWh10MW数月kWh/m3(1)MWh至MW至周至月15-40年GWh100MW25-85kWh/m350年显热固态10kWh至kW至-160至>90%数小时至0.4-0.9>5,000次GWh100MW1300°C数月kWh/m3·K循环（热能容量）(2)熔融盐MWh至100kW265至>98%数小时至70-200>20年5GWh至300565°C(4)数天kWh/m3冰蓄热>95%零度以下的kWh至MW-3至3°C数小时至92kWh/m3>20年PCM100MWhkW至>90%数天潜热低温PCMkWh至10MW最低至小时30-85kWh/>20年高温cPCM100kWhkW至-114°C>90%m3热化学化学循环（钙kWh至10kW最高至小时300-3,000循环）(5)100kWhkW至120°C>90%数小时至56-60kWh/次循环机械热10kWh至10kW最高至m3系统水合盐10kW至1000°C45-63%数天>5,000次GWh100MW500至50%月30-85kWh/循环吸收式系统MWh至10kW至900°CmCAES100MWh1MW（开放系统）月>30年30至200°C60%800-1200LAES10kWh至N/A数小时至kWh/m3100kWh5至165°C（封闭系统）数天10kW至COP：0.7-1.7200-35020年10kWh至1MW最高至小时至周kWh/m3100kWh10至600°C>90%>300°C（热能效率）数小时至180-31050年10至1000MW（热能）数月kWh/m320-40年1000MWh-150°C>90%10至300（冷能）（热能效率）N/AMWh至MW-196°CGWh（液态空气）N/A>25年注：(1)水罐蓄热和UTES的能量密度基于20°C的参考温度；潜热能量密度计算中不考虑显热；(2)固态能量密度由工作温差决定；能量密度=热能容量x温差；(3)用于“太阳能盐”（60%NaNO3和40％KNO）；(4)仅指钙循环（而非其他化学循环示例）；kW=千瓦；MW=兆瓦；MWh=兆瓦时；COP=性能系数。注：N/A表示没有发现主要需求。蓄热693.各行业应用现状及展望本节概述了如何利用蓄热推动五个耗能关键部门引入针对每个部门，本报告概述了：更高比例的可再生能源，即：电力、工业、区域供热和供冷、冷链和建筑。部门是指部署TES用在什么地•整合可再生能源时面临的关键问题及TES在帮助解方，而TES所带来的益处通常为整个系统共享。TES决这些问题方面可以发挥的作用。可作为为供应侧和需求侧提供灵活性的一种形式。电力部门一节仅将TES视为供应侧灵活性的推动者，•当前可以应用何种技术推动实现相关优势。而其他各节（工业、区域供热和供冷、冷链和建筑部•对未来可利用哪些技术的展望。门）则将TES视为需求侧灵活性以及整合现场可再生•提高上述技术商业化水平所需的创新水平。能源发电的推动者。简介文本框中还总结了每个部门的要点。图37简要概述了如何通过将TES整合到不同部门为系统带来益处。本报告第2.2节讨论了这些益处。图37.TES在各部门的主要应用概述波动性能源部门耦合需求转移网络管理季节性储能供应整合电力工业区域供热/供冷冷链建筑注：当前可以应用以推动实现相关益处的技术。当前正在开发以推动实现相关益处的技术。70创新展望3.1电力TES对电力部门所起到的主要作用（在此定义为刚好满足需求）：TES可促进可再生能源在电力部门中更有效的整合•波动性可再生能源供应整合：指将TES建设在VRE发电现场，即CSP形式的太阳能热发电以及风能和风能和太阳光伏能源正迅速成为电力部门的主流和富太阳能光伏发电。该应用的重点是帮助缓解短期和有竞争力的能源来源。尽管二者2019年仅占全球发电周期性电力供应波动，即太阳能发电的阴天或夜间量的10％，但预计它们将成为可再生能源增长的主要情况以及风能的低风时期。来源：到2050年，预计风能和太阳能光伏合计将占全球总发电量的61％（IRENA，2020a）。与潮汐、•网络管理：指通过在输电或配电电表前安装TES仅地热和生物质等其他可再生能源不同，太阳能和风能向电网提供服务。可利用减少弃电及通过减少弃电的波动性和间歇性给能源系统带来了挑战。TES有助延缓网络加固的形式实现网络管理。于缓解可再生能源波动性带来的问题，同时还能够提高电力部门短期（即非季节性）供应侧灵活性。电力部门TESTES的作用•提高风能和太阳能等波动性可再生能源发电比例给如何以经济有效的方式平衡电力系统带来了挑战。•低成本的大型模块化TES可能通过提供大容量电力管理服务（例如负荷转移、减少弃电和补偿停产期）发挥关键作用。•TES在分离风能和太阳能的可用性与供热和/或供冷需求（将在其他子章节中详细探讨）以实现部门耦合（电制热/冷）方面发挥了关键作用。目前的应用项目•CSP工厂现已广泛部署熔融盐系统。创新潜力•短期（5年）：下一代熔融盐技术的工作温度范围和性能将得到进一步改善，从根本上提高CSP电厂的转化效率，而成本降低则有利于增加其他技术的可行性。可能出现更多固态储能和新型独立熔融盐蓄热电池试点。•中期（5-10年）:LAES、绝热CAES和固态储能系统的成本降低将扩大TES在风能和太阳能光伏发电中的利用范围，并且有望成为CSP熔融盐的有效替代品。•长期（>10年）：热化学储能的发展可提高CSP工厂的转化效率。熔融盐储能可重新利用化石燃料发电厂进行可再生能源储能，从而节省退役成本。蓄热71图38.各种储能技术额定容量下的系统额定功率和潜在释能时间时间氢能储存能源管理高能超级电容器抽水蓄能水电站小时长寿命飞轮蓄电池压缩空气储能桥接电源(CAES)熔融盐分钟大功率飞轮电力质量大功率超级超导磁储能与调控电容器(SMES)秒0.11101001000装机容量效率70%-85%45%-70%(MW)85%-100%来源：改编自美国国家可再生能源实验室(NREL)编制图表。图39.2018年电力部门可用储热技术的商业就绪水平固态显热熔融盐1熔融盐2潜热高温PCMTES类型化学循环水合盐热化学机械热LAES应用研究A-CAES示范商用原型注：(1)与CSP并置；(2)独立系统。72创新展望图38描绘了各种储能技术及其在电力系统中的作用。未来展望一般而言，电池技术容量和响应时间的结合有助于改与CSP配套善电力质量与调控，或提供桥接电源服务。但是，除了抽水储能和CAES之外，少有储能技术能在系统中使用熔融盐TES技术的CSP发电厂运营商面临诸多挑发挥能源管理作用，且抽水储能和CAES仅限于特定战。这包括：的地理位置。•熔融盐作为储热介质的成本很高。由于具备以低成本实现规模化的潜力，蓄热技术（熔•为了减少盐冻结的风险需要大量的备用能源。融盐、LAES、CAES/A-CAES和固态TES）有机会向系统提供能源管理服务。目前这些技术尚未实现商业•部分由熔融盐腐蚀性而导致的TES系统的可靠性化，但接下来我们将概述其创新潜力。问题。TES技术处于开发和在电力系统应用的不•对寄生使用防冻剂和循环泵成本相关的担忧。同阶段蓄热容量为4到8个小时的CSP电厂总安装成本为图39显示电力部门目前已实现商业化的TES技术只3,183美元/kW到8645美元/kW不等。八小时或以有熔融盐一种形式。上蓄热能力的项目成本区间范围较小，在4,077美元/kW到5,874美元/kW之间（IRENA，2020b）。降现状低CSPLCOE的关键任务之一是降低电厂配套使用储热设备的成本。与聚光太阳能热发电配套CSP发电厂使用熔融盐以提高其热电利用效率。熔融此外，为了提高发电厂的整体经济性，还有一个主盐TES与CSP共同应用于白天储存热能，随后在夜间要任务是提高工作温度。较高的工作温度有助于提将其释放驱动涡轮机发电。高CSP电厂的热电效率。目前电厂工作温度不高是因为所使用TES材料的功能温度范围限制。例如，熔融盐在CSP电厂中的使用已超过20年熔融盐TES材料的热稳定性极限将最高工作温度限制（BundesverbandEnergiespeicher，2017年）。全球为565°C。现有93个CSP电厂，其中约一半(47％)已与TES系统整合（Pelay等人，2017年）。在澳大利亚、智若要实现高温工作，TES材料需要特殊的热物理属利、中国、印度和中东还有39个熔融盐储热配套电性，包括低熔点（以增加工作温度范围）、高热能容厂正处于建设、承包或开发中，占正在开发的CSP项量和高导热系数以及高热稳定性。因此，以中国和美目的70%以上。。国为主进行的研究正在开发应用于CSP的下一代蓄热材料。正在开发其他各种TES技术以应用于电力部门。图39对此进行了总结。下面针对这些技术在电力部门关键应用中的近期到远期潜力以及预期未来部署进行了探讨。蓄热73表4.CSPTES技术创新的主要指标属性显热潜热热化学201820302050201820302050201820302050成本25-30<15<1225-9025-35<12研究水平试点规模，示范装置，（美元/kWh）80-160<80效率(%)>90>92>95>90>92>9540-50(1)(2)30-85800-1,200能量密度70-200(kWh/m3)使用寿命<10,000>10,0003,000-4,000-5,000-<100500-1,000>1,000-5,0005,00010,000500-9003,000（年限或循环次数）500-工作温度(°C)<565600-700<600600-700-1,000700以上750850注：(1)由于技术成熟度低而无法获得数值；(2)数值取决于材料选择。表4列出了此类材料的预期和目标创新要求。受到美配制的混凝土作为蓄热设备，是该国广泛部署20个国能源部SunShot计划影响，该计划的重点是鼓励熔CSP示范项目的一部分（Kost，2017年）。融盐材料的科技创新。该计划的主要目标是降低熔融盐的成本和腐蚀性，同时探索用于CSP应用的其他蓄CSP所利用的太阳能也可以通过吸热氧化反应储存在热类型潜力。化学循环系统中–将太阳能储存在系统中，之后再通过化学反应释放（Pardo等人，2014年）。碳酸钙具由于作为原材料的混凝土非常便宜，固态混凝土储热备较高的能量密度（每立方米4,400兆焦耳(Mj/m3)）相比熔融盐可为CSP应用提供更廉价的替代品。另一和工作温度(800-900°C)（Prieto等人，2016人），方面，混凝土储热几乎在环境压力下工作，因此无需因此是热化学材料的首选。较高的工作温度有助于开压力容器，这进一步降低了投资成本。此外，它具备发下一代高效太阳能转换系统。当前正在研究几种配良好的机械性能且是无毒、惰性且不易燃的。典型的置以调查将化学循环与CSP整合的益处（Alovisio等混凝土TES系统将管道嵌入混凝土砖中，以在砖块和人，2017年）。传热流体之间进行热交换。2015年，全球的CSP装机容量为5GW，但如果宏大遗憾的是，目前这些设施的使用寿命有限，这是的政策框架得以实施，这个数字到2050年可能会增因为其最高工作温度及高温下的剥落所导致的加到309GW（IRENA，2020a）。基于此假设及CSP反复的热胀冷缩循环会导致裂缝（Alva等人，约8小时的蓄热时间要求，到2050年，CSP的蓄热2017年）。使用寿命有望通过研发活动得到提高市场需求可能为633GW/2472GWh。（表4）。中国目前正在开发的两个项目将使用固态74创新展望与风能和太阳能光伏配套于燃气轮机）释放。这将提供最多24小时的风力发电储存（Collins，2018年）。岩石形式的固态显热储热可通过电阻加热或热泵升级储存可再生电力。这些应用中，岩石通过电力加热至无论是与太阳能光伏或风力发电场配套，还是独立提供高温，储存的热能随后用于驱动蒸汽轮机或燃气轮机电网服务，预计未来的市场规模、成本和蓄热潜力都将发电。面临一定挑战。目前正在研究的大多数技术仍处于商用准备的早期阶段（图39）。表5列出了基于现有数据的由于蒸汽轮机的效率较低，这种方法的充放效率理论代表性预测。上只能达到约50％。但是，使用高度可扩展的廉价TES材料并与现有基础设施（例如火力发电厂停止运独立系统行后的蒸汽轮机和发电机）整合，有望实现较低的整体成本（SiemensGamesa，2017年）。因此，关键用A-CAES在需求低迷时将能源储存为压缩空气，之后例是实现长期储存与当地发电厂相配套，预期储存时在需求增加时释放电力帮助管理电网负荷。由于缺乏间至少为24小时（Collins，2018年）。针对该应用的技术特定地下设施的研究（例如地下洞穴适当的地质环境要求），目前CAES的部署位置受西门子歌美飒(SiemensGamesa)于2017年在德国开始到限制。但是，隧道掘进机和微型隧道掘进机的发展建设的1.5MW/30MWh示范项目使用岩石作为固态储能可能有助于降低成本并减少地质约束。形式，与一个工业场所并置。它利用电阻加热，并使用蒸汽轮机将储存的热能排出（Design，2017年）。当前只有两个商业规模的CAES电厂正在运行：1978另外，Stiesdal正在丹麦建设5MW/120MWh系统，将年在德国洪托夫(Huntorf)建造的290MW电厂和1991使用热泵升级蓄热，热能通过基于空气的系统（类似年在美国建造的110MWMcIntosh电厂。它们应用于削峰、负荷均衡，储存低谷能源和频率控制。与抽水表5.太阳能光伏发电和风力发电TES技术创新的关键目标属性2018显热20502018潜热20502018机械热2050203020302030成本（美元/kWh）20-45商业化商业化25-9525-35<12示范阶段400-870150-260效率(%)>90>92>95>90>92>9540-6545-7550-80能量密度(kWh/m3)0.4-0.9kWh/m3·K50-852-70使用寿命（热能容量）（年限或循环次数）>5,0005,000-7,500-3,000-4,000-5,000-20-40年750010,0005,0005,00010,000<200至>400（热能）工作温度(°C)最高至600<600600-750700-850-150（冷能）蓄热75储能电站相似，其CAPEX较高，但使用寿命长，能够能热发电和热化学系统(SolarPACES)，2019年）。提供大容量储存能力，响应速度不如电化学电池。北该项目希望使用四缸系统，其中两缸用于熔融盐蓄爱尔兰正在建设一个新的330MWCAES工厂，瑞士热和冷却剂储冷。四缸系统可在更广泛的温度范已开发下一代A-CAES示范项目。围内工作，从而提高了整个蓄热装置的功率和效率（Freund，2019年）。目前已经开发了10MW/LAES技术正在发展中，可提供CAES类似的服务，但80MWh和100MW/1000MWh系统概念；但是，首受到的地理限制相对较小。英国已完成一个LAES示个试点的建立可能还需要几年时间。范项目，北美则正在开发商业项目（Sampson，2018年）。总部位于英国的一家公司的开发人员声称其模3.2工业块化解决方案可以使200MW发电厂10小时的平均储存成本达到140美元/MWh。高耗能工业的热能需求难以实现脱碳；但TES能够提供帮助与传统锂离子电池相比，LAES和CAES都能实现以低成本储存大量能源，但其响应时间较慢。可在输电工业部门占全球排放总量的三分之一，是能源相关或配电层面安装这两种技术以克服电网限制、减少可的CO2第二大排放部门。工业部门使用的交付能源再生能源弃电、推迟网络改进需求，同时还可以提供比任何其他终端用能部门都多，通常采取的几种方式例如黑启动等其他辅助服务。当前市场中，LAES和如下：CAES可通过能源套利（能源需求高时出售谷底时间储存的能源）创收，但还无法产生足够的价值弥补资•通过燃烧燃料在现场产生各种温度水平的工艺热能本投资。（热水、蒸汽和直接热能应用）。LAES的局限性在于其打开并进入这些市场的速度。•通过热电联产厂进行现场发电和处理热能。如果在SpinGen模式下运行，LAES可在约30秒内•从区域热网输入工艺热能。做出响应从而提供某些频率调控服务，但无法实现电•从电网输入电力。化学储存中达到的亚秒级响应。然而，全球首个混合•使用太阳能光伏和/或太阳能热电厂发电和/或处理动力飞轮、超级电容器和LAES系统当前正在开发，试图打开更高价值的市场（包括英国国家电网(the热能。UKNationalGrid)增强的频率响应和加固频率响应）（Holder，2017年）。现场工艺产生的热能占工业能源总消耗的74％。工艺热能可分为三种类型：低温热能（150°C以下）、中同时还提出将熔融盐应用于称为卡诺电池的新型独立温热能（150-400°C）和高温热能（400°C以上）。大容量蓄热系统中。例如，德国正在开发一些概念，将熔融盐储能资产与现有（退役）燃煤电厂的基础设工业部门在整合可再生能源方面处于落后地位，工业施结合。使用热泵转换过剩电力并作为热能储存，然部门的最终能源消耗只有14％来自可再生能源。目前后使用燃煤电厂的涡轮机将其转换回电力。但是，燃大多数可再生热能来源于生物质，全球工业部门安装煤电厂的蒸汽循环效率极限约为40%。的太阳能热容量极小（<1吉瓦热[GWth]），且仅限于低温热能，如表6所示。为了解决这一限制，美国一个项目开发了新型涡轮机和热交换器设备，可将效率提高到60%左右（太阳76创新展望工业部门的TESTES需求•工业中使用的大部分能源用于工艺热能生产，因此在利用TES与可再生能源结合实行脱碳方面具备一定潜力。•将热能从发电中分离将有助于应用灵活性和智能能源，并通过间歇性的可再生能源发电满足持续需求，从而减少浪费和中断。•TES可以用于储存热泵热电或现场太阳能热电厂产生的低温热能。•当前使用可再生资源难以产生中高温工艺热能，但未来潜在的热化学TES解决方案可能发挥作用，帮助促进可再生能源的整合。现有用例•与太阳能热电厂结合使用的水罐蓄热当前处于新生阶段，但也在不断增长，用于产生和储存低温工艺热能。创新潜力•短期（5年）：降低成本、提高相关认识以及改进现有TTES的整合、管理和控制系统将鼓励需要低温热能的工艺更多地部署太阳能热发电。•中期（5-10年）：固态技术能够提供一种相对成本较低的储存形式，为工业工艺提供电力和热能。高能量密度的HT-cPCMs和水合盐储能解决方案将有效减少TES系统的占用空间，从而潜在扩大其应用范围。改进的整合及管理系统也将提高效率。•长期（>10年）：与可再生能源一起整合到制造工艺中的化学循环和其他热化学蓄热系统可帮助需要高温热能的工艺实现脱碳。同时，工业部门已经开始应用分散式可再生能源发电工业部门通往未来更广泛的脱碳途径包括：部署太厂以缓解波动性电网供应带来的风险、克服电网接入阳能热发电和热泵以应用于低温热能工艺；更多地问题（例如在偏远运营环境中）、应对燃料价格上将生物质应用于可产生中高温热能的现场热电联产涨风险及解决一部分脱碳运营问题（Philibert，2017厂。IRENA“能源转型情景”下，预计到2050年，年）。电力在工业部门能源使用中的比例将增加到65％左右（IRENA，2020a）。到2050年，满足工业需求的可再生能源使用量可能增长四倍，其比例将从2017年的13％增长到62％。蓄热77表6.工业部门的可再生能源技术20152050(1)0.1GWth134GWth可再生能源种类0.02EJ/yr4.11EJ/yr太阳能热装机容量8EJ/yr20.2EJ/yr20万个装置8,000万个装置地热生物质热N/A7EJ/yr热泵可再生能源产生的氢气注：(1)2050年的数值对应与《巴黎协定》一致的情景，主要基于可再生能源的使用及能源效率的稳步提高。注：N/A表示没有发现主要需求。来源：IRENA，2018年在试图整合可再生能源电或直接为工业工艺输入热能不同的TES技术适用于将不同温度等级的热能与其来时可能会面临各种问题。这些问题包括：源分离。•工业在竞争激烈的全球市场中为盈利性部门，因此低温工艺和制造应用中，TES可储存现场波动性太阳需要低成本能源。能热电厂产生的热能以及由波动性可再生能源提供动力的热泵产生的热能。中高温应用中，TES可与以生•工业企业通常要规避风险，因此新技术整合及突发物质为动力的热电联产厂耦合，以消除工业工厂的热情况的威胁对可再生能源的部署构成了障碍。电供应。这些用例将提高输入或现场可再生电力和热能的利用率。•可再生能源供热和发电的波动性与部分工业应用中连续电力或工艺热能的需求无法完美匹配。在电力成本不断变化的市场中（例如因分时定价机制或时间敏感的电网收费导致的成本变化），TES也可•由于太阳/风力的可用性或电网限制，现有发电厂与热泵结合使用以转移需求并为工业现场节省成本。基础设施的地理位置具有局限性。现在及未来将出现一系列与工业应用相•对于高温工艺（>400°C）而言，目前尚不存在可关的TES技术行的技术和商业模式直接利用太阳能热发电厂产生的热能。因而将可再生能源整合到需要高温热能的根据它们开发或部署所处的不同阶段（图41）及不同工艺中受到限制，特别是在需求随时间变化的情况的理想工作温度范围（图40），各种TES技术在工业下（Muster-Slawitsch等人，2016年）。部门的应用各不相同。下文对当前用例、未来可能的部署，以及促进更广泛使用所需的创新进行了总结。应用TES有助于解决这些问题。关键用例是将热能需求与热能或电力供应分离开来，从而有效整合更高比例的可再生能源。78创新展望图40.适用于工业部门不同工作温度范围的技术低温热能TTES水合盐吸收30%(低于150°C)22%煮沸、巴氏杀菌、消毒、清洁、干燥、74%洗涤、漂白、蒸、酸洗、烹饪。热能中温热能高温cPCM固态=(150至400°C)85EJ蒸馏、硝酸盐熔融、染色、压缩。48%高温热能化学循环(400°C以上)物质变换过程。来源：改编自SolarPayback，2017年。WTTES图41.TES技术在工业部门应用中的商业就绪水平商用蓄热79显热固态潜热高温PCM热化学TES类型机械热化学循环水合盐N/A应用研究原型示范现状该2.4MWh的储热试点电厂由欧洲区域发展基金(EuropeanRegionalDevelopmentFund)共同资助，应低温（<90°C）工业工艺方面，从太阳能集热器收集用于柏林某公寓楼的区域供热方案，其蓄热成本预计的热能可以用作替代碳氢化合物燃料使用的热源。由为22-34美元/MWh。于太阳能的间歇性，使用水罐储存热能以确保工业工艺中能源供应的稳定性是管理热能需求的良好选择。在中温应用情况下，已经提出了工业应用中的高温cPCM，例如废热回收以及与太阳能系统的耦合。与少量但不断增长的太阳热能在工业工艺中主要用于显热储热技术相比，cPCM的能量密度更高，因此可采矿、食品和纺织行业。截至2018年底，全球已安以提供更紧凑的系统，有助于解决空间不足的问题。装741个太阳能热电厂应用于工业工艺，总热能容量该系统可以储存太阳能以满足未来工业企业的热能需为567兆瓦热（Weiss和Spork-Dur，2019年）。主求。水泥生产和非金属材料制造等行业可能成为该技要市场为奥地利、中国、法国、德国、印度、墨西术的终端用户。哥和西班牙。国际能源署(IEA)的太阳能工业热利用(SHIP)数据库列出了约50％的此类工厂使用水作为在需要高温（高于400°C）热能的制造业中，储存介质的短期TTES形式（图42）。化学循环具备提高可再生能源比例的潜力（Miró，Gasia和IsaCabeza，2016年）。热化学系未来展望统通常需要较高温度以启动储能，但同时在释放能量时也会提供较高温度。目前这些系统仍处于开发的基水合盐也为将太阳能整合到低温工业工艺中提供了一础研究阶段。台湾地区已尝试采用高效钙循环技术形种替代方法。该技术的主要优点是蓄热容量高，并且式的化学循环作为水泥行业的一种碳捕获方法（工业可以长时间蓄热而几乎没有热能损失。目前，水合盐技术研究院(ITRI)，2014年）。但是，目前专门将可已进行整合到废热工艺中的工业测试，例如废热回收再生能源更好地整合到工业中的化学循环技术还未出或热转化和再整合等（Richter等人，2018年）。柏林现。的区域供热系统正在测试一个0.5MW/10MWh的水合盐电池项目，其规模可能适用于工业部门。TES需要技术创新才能充分促进工业脱碳固态技术在整个能源系统中也正在成为以低成本方式表7总结了工业应用中TES技术、材料科学和系统工储存大量能源的一种方法。德国一家电力公司正在测程创新的关键指标。试一种系统，该系统使用钢铁吸收区域发电高峰产生的过量可再生能源，在最高为650°C的温度下以热能形式将其储存，然后以2:1的比例输出热能和电力，或者仅输出热能。80创新展望图42.使用水作为短期蓄热介质的发电厂位置来源：AEEINTEC，2019年。免责声明：该地图上显示的边界和名称并不意味着IRENA官方认可或接受。表7.工业部门TES技术创新的主要目标属性2018显热20502018潜热20502018热化学2050203060-1202030研究水2030成本>90（美元/kWh）0.1-350.1-250.1-1560-9560-80平(1)试点规模，示范装置，1,000-效率(%)3,00040-5080-160<80能量密度-40-700(kWh/m3)50-9060-9070-90>92>95(2)使用寿命（年限或循环次数）0.4-0.9kWh/m3·K50-85800-1,200工作温度(°C)（热能容量）1,000-3,000-5,000-3,000-5,000-<100500-1,000>1,000-3,0003,0005,0007,5005,0007,500-150-1000-50-950500-900500-1,000注：(1)研究水平：材料开发尚处于初期阶段；(2)由于技术成熟度低而无法获得数值。蓄热81不同TES技术的共同开发和创新目标是：潜热•根据工作温度范围和放电功率等特性，开发更适合高温cPCM为满足高温工业工艺储存需求提供了可能工业工艺使用的TES材料。性，有助于改善当前部署的显热材料。由于其成本相对较高，因此初期开发将着重于改进材料和提高效率•开发设计TES系统的系统方法，以更好地将可再生以实现规模经济。高温cPCM面临着与显热材料相似能源技术整合至到工业工艺中。增强的系统模块化的整合挑战，而且，由于仍处于开发和部署的相对早可用于解决规模化问题。例如将设计和工程重点放期阶段，这些挑战更为艰巨。需要部署示范项目以证在提高在传热系统效率方面。明相关系统在不同工作条件和工作温度范围下的性能，并更好地研究这些技术的系统整合方法。•为TES开发先进的控制和操作系统，以确保高价格时段工业工艺的储能稳定且灵活。热化学现在，每个技术领域都在探索各种更加实用的开发和工业环境中化学循环的挑战和机遇与上一节所述创新以满足相关需求。的CSP类似。钙循环因其高能量密度而具备与太阳能耦合的最大潜力（Pardo等人，2014年）。显热同时，还有其他化学反应也可以应用于高温工业工艺，例如氧化铅(PbO)和氧化铜(CuO)循环虽然显热储热技术广泛用于各种应用且覆盖广泛的温（Cao和Pan，2006年）。该技术在工业工艺中的度范围，但相关研究仍然面临挑战。固态材料热特应用尚不发达，因此需要研究新的反应以适应特定部性的自然变化会限制它们的应用，这是由地质条件门的要求。针对太阳能在工业工艺的应用方面，化学（例如岩石中存在的矿物质和杂质的比例）决定的循环仍处于发展的早期阶段。需要进一步研究并部署（Meier，Winkler和Wuillemin，1991年）。试点示范项目，重点关注与太阳能系统的整合，特别是要研究控制系统和工业工艺中高价格时段热需求所对这些固态材料在高温下的热物理性质和机械性能的需的管理措施。相关研究很少，这将是未来的重点领域。目前已提出了使用废料回收的（更）低成本系统，为提高性能提水合盐在工业环境中还处于开发的早期阶段。储存供了可持续的方法（IRENA，2014年）。这些全新方材料和应用严重影响了相关系统的性能、成本、稳案还需进一步研究。具体来讲，需要分析储热材料和定性和实用性。因此，第一步必须研究工作条件下系统传热流体之间的兼容性、改进绝缘材料以及开发的材料特性，以评估使用现有工作盐对的优点。水特定应用项目。合盐可能应用于下一代工业热泵。这种热泵有时称为化学热泵，通常用于各种制造工艺中的空间加热在采用太阳能加热的储罐系统中，供热系统的控制与和冷却、供冷、低温蒸汽生产、清洁、干燥以及蒸管理是主要挑战。天气条件、一天中的时间变化和季发和蒸馏工艺。热泵技术用于将废热（或太阳热能产节变化所导致的太阳辐射变化使目前利用太阳能为工业供热仍然受到限制。通过增强的TTES部署应对未来系统中这些挑战的关键将是应用先进的控制和计量系统，以管理能源的产生、储存和使用。82创新展望生的热能）的温度“提升”至可再利用或储存的水平3.3冷链（Wongsuwanet等人，2001年）。冷链指的是将必须在低温下储存的产品从生产商送到传统热泵利用吸收或蒸汽压缩技术工作。如果开发水消费点所需的不间断供应链。比如，疫苗和易腐烂的合盐TES系统与现有的热泵技术展开竞争，则能够实食品就是这类产品。在供应链的每个阶段，都会使用现更好的整合以提高系统效率。所面临的主要挑战是冷藏来保持这些产品的新鲜度。据估计，用于冷藏食优化反应器设计并整合吸附器组件以促进理想的热能品的能源占全球用电量的8％，相关排放量占全球温和质量传递。预计相关研发活动以及协作的工业部署室气体排放量的2.5％（包括直接和间接排放）。这也研究可以显著提高效率。是一项可观的成本：例如，所耗能源占乳制品增加值的11％（Dallemand等人，2015）。冷链中的储热系统(TES)TES需求•通过增加供冷负荷的需求侧灵活性，TES可以帮助将可再生能源整合到整个冷链的各个环节（生产、运输、储存和零售以及消费）。这样可以减少对电网升级的投资需求，并允许在可再生能源发电的供应高峰时段进行供冷。•电气化供冷的增长将增加对电网的需求，尤其是在新兴经济体国家。TES可支持发展中国家发展离网可再生供电供冷，以提高食品和药品供应链的效率。•TES可用于取代冷链运输中的柴油动力供冷，有助于运输、冷链和电力部门的相互合作。现有用例•冰和其他相变材料(PCM)已广泛用于车辆和静态冷却器的供冷，取代了柴油和其他化石燃料发电机。创新潜力•短期（5年）：材料和运营方面的改进以及更好的整合可以提高冰及其他PCM系统的应用效率并降低成本。链接不同行业的冷链设备可以产生协同效应。•中期（5-10年）：使用下一代PCM可以实现零下储存温度和被动冷却。•长期（>10年）：在低温液态空气储能系统(LAES)中使用液态空气可以降低成本并开辟新的应用，特别是在冷电联合系统中。对现有化石燃料加注网络的改造可提供可再生的TES储存冷气，明显促进脱碳。蓄热83冷链通常由以下部分组成：•在发展中国家，通常电网不够发达且频繁停电，特别是在从事农业生产的农村地区，冷链的引入和发•生产：生产现场的冷藏，例如在奶牛场、渔场或展更具挑战性。在此类电网上增加供冷负荷将给这果园。些环境中的电网运营商带来额外的问题。•运输：从生产地到零售或储存地的运输过程中的•冷藏中心和供冷车辆继续从柴油供冷过渡到电气冷藏。供冷，这将导致需要对电网进行有效的峰值负荷管理。供冷负荷高峰通常发生在夏季，此时气温最•储存和零售：由分销商（例如连锁超市）运营的高，而且能源系统已经承受了其他需求的压力。仓库和零售站点的冷藏。部署TES可能有助于应对全球冷链中的•消费者：使用前在家庭和工作场所冷藏。这些挑战发达国家的冷链已经非常完善，大多数供冷要求可以使用TES在需求高峰时将供冷与电力供应分离开来，通过与电网连接的冷藏库来满足。然而，为未连接电可为电力系统运营商带来巨大效益。这样可以帮助减网的仓库、冷藏卡车和其他车辆通常用柴油发电机来少高峰时段对火电厂的依赖，进而降低系统成本并减供电。少排放。利用TES减少供冷高峰期的需求可有助于推迟电网加固。适当时，借助太阳能吸收式供冷机或发达经济体和新兴经济体之间存在重大差异。例如，太阳能光伏板进行供冷的冷藏方法可以提供分散的低在欧洲，所有食品所消耗的嵌入式能源占欧盟27国最碳化冷源，可帮助解决与电网可靠性差有关的挑战。终能耗总量的25％以上（Dallemand等人，2015）。相比之下，发展中国家的功能性冷链通常很有限或根本在可再生能源使用率很高的电网中，添加TES可以吸没有建立。然而，在人口和经济迅速增长的发展中国纳多余的可再生能源发电量并将其用于供冷，有助于家，人们对冷藏的需求也在增加。在经历快速城市化减少弃电（以及因此产生的费用）并提高可再生能源的国家，情况尤其如此，其生活方式和饮食习惯的转的利用率。因此，通过在供冷车辆中使用蓄热装置并变已在能耗构成中有所反映。例如，在1995至2007替换柴油动力冰箱（除车辆本身用电外），或者使用年期间，中国城市人口的家用供冷设备拥有量从7％液态空气为车辆辅助系统提供动力的同时提供冷却，增加到95％（BirminghamEnergyInstitute(伯明翰可以实现运输和电力部门间的耦合。能源研究所)，2015）。此外，发展中国家食品部门的卫生要求正在推动对冷链能源的需求不断增长。在未来电动汽车可能成为常态的情况下，如果车上有蓄热系统，则可以减少对空调的电力需求，从而增加对冷链服务日益增长的需求给全球能源系统带来了重车辆的续航里程。大影响，包括：•电气化供冷导致电价持续走高。确保产品新鲜度需要持续的高能耗冷却。随着大多数供冷设备的电气化，这就对现有的电力网络提出了需求，这种需求增长需要增加对可再生能源的使用，以确保脱碳的稳步进行。84创新展望现有用例证实了TES可帮助可再生能源然而，全球冷链仍在不断扩展。2016年，全球在冷藏领域部署的范围冷藏仓库的总容量为6亿m3，年增长率为4.2％（GCCA，2016年）。此外，2015年全球冷藏车的服务于非洲、中国、欧洲、印度和中东市场的几家公数量为400万辆，到2025年可能增长到1,800万辆司已在冷藏车和集装箱中集成了专门设计的PCM，用（伯明翰能源研究所，2015年）。预计将需要增加于食品或疫苗运输和/或储存。31GW的发电量，才能满足发展中国家冰箱的预计增长需求（伯明翰能源研究所，2015年）。TES可据估计，由于冷链的供冷限制，全球的粮食损失将近以在确保可再生能源满足这些电力需求的过程中发挥30％（联合国粮食及农业组织，2015年）。作用。案例研究2.货运集装箱的蓄热世界首创的冷藏货运集装箱来自英国伯明翰大学储能中心的学者们最近与一家中国铁路运维制造公司合作，展示了公铁两用集装箱所采用的PCM冷却系统。该系统可维持5℃至12℃之间的目标储存温度，维持时间长达120小时。冷藏集装箱在公路上运输了35,000公里，在铁路上运输了1,000公里，经历了各种气候条件。项目组注意到，其他运输公司也对上述研究的集装箱很感兴趣。与机械替代品相比，新集装箱中的储存温度保持更为稳定。此外，因为集装箱不需要电源，所以可在不同运输类型之间进行更有效的运输，例如上述情况是铁路到公路的运输（伯明翰大学，2018年）。案例研究3.智能供冷在商业零售场所提供需求侧管理服务零售场所的智能供冷在美国提供调峰服务美国的一家创新公司正在使用PCM，为具有高供冷量能源负荷的超市和商业建筑提供能源管理解决方案。其产品是一种供冷电池，其工作原理是在夜间将低成本的低谷时段电能储存在冷冻的盐水溶液中，然后在高峰时段，当电价和需求量最高的时候，该系统会放出能量以进行供冷。这就大大降低了建筑物的峰值负荷。云平台可评估能源使用和电费，以优化系统运行并最大程度地节省成本。以此方式，由电费引起的运行成本和经营风险双双降低。迄今为止，该产品已经在美国的两家大型连锁超市中进行了两次试点部署。这个在零售供冷系统中使用TES的例子是世界首例（AxiomCloudInc.,未注明日期）。蓄热85图43.TES技术在冷链中的商业就绪水平N/A显热低温PCM1,2冰1,2潜热热化学TES类型零下温度PCM1,2液体吸收2,3机械热LAES1,2,3应用研究原型示范商用注：(1)用于冷储(2)用于冷藏(3)用于供冷。其他TES技术用于冷链部署的各个阶段通常情况下，PCM封装在模块或容器中，并可以在高峰时段作为供冷系统的备用或替换品使用，或者将其根据开发或部署的相对阶段（图43），各种TES技术安装在冷藏容器中来直接供冷（Oró等人，2012）。在冷链领域的都得到了不同的应用。下文对应用的现对于冷藏卡车或飞机来说，可将PCM模块内置在车厢状、未来可能的部署，以及促进更广泛使用所需的创壁或空调装置中。新进行了总结。目前开发出来的PCM可使冷藏车保持72小时的应用现状恒温。（Huang和Piontek，2017）。在静态应用中，PCM有助于减少太阳能吸收供冷系统所需的物冰可以部分或完全替代高峰时段运行的供冷机组，并理储存尺寸，最多可减少40%，进而降低系统成本利用低谷期或现场可再生能源发电将水转化为冰。当（Hirmiz、Lightstone和Cotton，2018）。PCM的能需要供冷时，热能从使用载热流体的冷库中提取并被量密度比冰高，因此需要的空间更小。由于空间（和冰吸收。重量）都降到了最低，这使其更适用于冷藏车。零下或低温PCM可用于储存从室温到-114°C（PCM未来展望Products，未注明日期）的冷能。这些冷能可以利用可再生能源发电通过电供冷机或太阳能吸收式系统产一些尚不成熟的技术在冷链中展示出巨大的前景。下生。文对这些技术的潜力进行了概述，下一节将深入探讨在这些解决方案成为主流之前需要应对的创新挑战。86创新展望图44.在未来集成冷链中使用LAES的愿景LNG总站风能或其他低谷电形式液化储冷罐电源恢复液态空气储罐LAESENERGLYIQUID为超市、数据PLANSTTORAAIGRE中心等供冷零排放远程备用电源液态空气储罐供冷液态空气储罐尖峰/安全供电加油站ENSET电源恢复CRYOG现场运输工厂/工业零排放汽车燃料作为混合动力汽车的燃料还提供“免费”空调或制冷电力并置发电或工业过程液态空气废冷回收废热回收来源：伯明翰能源研究所，2015年。可再生热能源（例如太阳能和生物质热电联产）产生图44描绘了一家LAES工厂，该工厂将可再生能源发的冷能可使用吸收式系统进行储存。这些系统具有很电与液态空气整合在一起，以实现运输和电网应用。高的能量密度和极小的热损失，因此可以在短期或长期内（例如跨季节）储存冷能，用于冷链中的空间冷材料和系统创新将有助于提供适用于未却。来冷链的TES解决方案利用可再生能源发电生产液态空气将来可用于储冷。表8展示了对创新关键指标的概述，而表9展示了冷将空气在冷却到-192℃后液化。液态空气随后可用链应用中使用的TES系统的预期材料科学和系统工程于在现场或场外提供空间冷却，甚至可用于冷藏车辆开发重点。上。在释放冷能的同时，还会发生与将空气转换回气态发生的体积膨胀，从而可以驱动发动机并产生无排放的动力。蓄热87表8.冷链中TES技术创新的关键指标潜热热化学机械热属性201820302050201820302050201820302050成本58-23045-18535-14012-15012-120<95示范阶段商业（美元/kWh）效率(%)>90>92>95COP(1)N/A0.6-0.8能量密度30-92180-31078(kWh/m3)使用寿命5-20年10-25年10-30年20年20-25年>25年20-40年（年限或循环次数）工作温度(°C)-115至8-150至85-30-150至环境温度注：(1)由于技术成熟度低而无法提供数值；N/A表示没有发现主要需求。表9.冷链应用中使用的TES技术的关键材料和系统创新需求TES技术创新需求冰•研究新的操作策略，如完全或部分储存•减少充能过程中的局部结冰，以提高充能速度和效率低温和<0°CPCM•提高导热性能；避免腐蚀和过冷•追求使用低成本材料的新型复合材料吸收式系统•通过开发防腐蚀容器材料，最大限度地减少相分离•探索零下温度时的冷藏使用方法LAES•解决结晶特性和工质对分离上的难题•研究替代性吸附剂以提高吸收率•降低驱动热源的温度•研究新的配置以提高双效吸收式系统的吸收率•提高效率，减少网络部件的空间并避免腐蚀•优化低温发动机的设计•使用液态空气而不是液氮，进而降低运营成本•与设备制造商合作，修改一些现用部件的设计，以降低成本•开发应急备用电源、超市和数据中心等新应用88创新展望潜热热化学对于零下温度的PCM来说，可以使用成本更低的成分吸收式系统中使用的材料对决定了其工作温度范围来开发新型无机盐共晶混合物来降低成本。例如，可和系统效率（Hui等人，2011）。为提高系统的可行以用氯化钠（<20美元/kg）代替氯化锂（>250美元/性，必须对这两个参数进行优化。新型吸收对正在kg），从而降低整体混合物的成本。目前，零下温度开发之中，以便实现更宽的工作温度范围并提高工的PCM主要用于食品储存或运输供冷设备中的冷却，艺效率。尽管这些材料经证明具有很高的储能密度而且其他应用和用例也可以考虑使用。（Ibrahim、Al-Sulaiman和Ani，2018），但仍需对系统设计和性能进行测试，以确保这些系统能具有较长已有人提出在冷藏卡车中采用PV面板和PCM，因为的使用寿命。需要进一步了解系统和实物模型，以便相比蓄电池系统，其有一个很大的优势，那就是它们在真实情况下验证技术的可行性。的重量更轻。然而，这种方法取决于地理环境，因为可再生能源和太阳辐射的间歇性在其可行性中起着至机械热关重要的作用（Li和Zheng，2016）。液氮是当前冷链中最常用的供冷“载体”。然而，液容器的腐蚀是大多数无机材料所存在的另一个问题。态空气在生产中并不需要气体分离过程，可以说是一这可能导致热性能较差，还可能会导致盐混合物在使种价格更为低廉的潜在替代品。用中泄漏。必须仔细选择合适的容器和涂层材料，以最大程度地减少腐蚀并延长设备寿命（Ferrer等目前，对LAES研究最多的冷链应用是冷藏运输中的人，2015），以上内容都是研发活动的主题。低温发动机。卡车实物模型已设计完毕并正在测试之中，以证明它的经济可行性。LAES的各种应用也正欧盟资助的FRISBEE项目正在研究哪种PCM最适用在探索之中，而这些应用需要灵活的供冷和能源。例于冷链中的各种温度范围。该项目已开发出一款软件如，LAES系统（与冷藏整合以使效率保持在合理水工具，用于评估大量水合盐和水醇溶液（相变温度在平）预计将用于超市和数据中心的应急能源和供冷备-60°C至6°C之间）的热物理特性。此外，该项目还用系统（DearmanEngine，未注明日期）。研究如何将胶囊形态的PCM降低和控制到纳米级，以便更容易地将其用到食品包装中。蓄热893.4区域供热和供冷各种供热/供冷技术已开始作为集中供热/供冷厂进行部署，包括热电联产厂、传统锅炉、垃圾焚烧炉、工区域供热和供冷系统使用隔热管网将热量或冷气从集业源的管道余热、太阳能热电厂、热泵和地热能。中的生产源输送到多个建筑物，而不是在每个建筑物中安装单独的锅炉或供冷机。最终用户往往是有空间如上所述，区域供热/供冷方式可以提高效率，进而促供热/供冷和/或水供热/供冷需求的家庭或商业场所，进部门脱碳。在理想的情况下，这些方案还能推动可但某些区域的能源设施还可以满足工业能源需求。这再生能源发电设施的使用。然而，正如到目前为止讨种能源生产和分配方式通过提高效率来降低排放和成论的其他部门一样，相关挑战也会伴随而来。本，并为可再生能源大规模整合到城市中心提供了空间。关键挑战包括：•在从小时到季度的时间范围内，VRE在产出与需求负荷之间并不匹配。TES在区域供热和供冷中的应用TES需求•TES技术可以提高区域供热和供冷的效率，时间范围从短（小时）到长（季度），灵活性很强，能够更好地匹配冷热供应与需求，并利用可再生的低谷时期电力。•采用TES的区域供热/供冷工厂经设计可使其规模满足平均负荷，而无需具备满足尖峰时段需求的能力，进而降低其资本成本。现有用例•TTES已在世界各地广泛部署。•UTES已在某些国家/地区使用，但受地下环境的适用性影响。•目前，有些地区的供冷计划中使用了利用可再生电力生产的冰。创新潜力•短期（5年）：改进对TTES的整合和管理，可以大幅降低费用，扩大部署机会。高温cPCM在中国成功示范后得以开发，材料和系统的改进提高了竞争力。•中期（5-10年）：正在进行对用于冷却的PCM的研究和示范有望促进更为广泛的部署。•长期（>10年）：PCM和热化学系统具有更高的成本效益和效率，预计将增加可再生能源在区域供热和供冷中的应用机会，特别是在供冷和电力联合应用中。部门整合和智能控制技术将增强这方面的机会，特别是有利于从其他部门和应用收集（和储存）废热/冷气。90创新展望•确定供热和供冷的定价方案。将TES整合到由VRE供电的区域供热系统中，可以通•波动性负荷导致发电机利用率和效率低下。过在尖峰时段继续发电来避免弃电。•无法通过增加VRE发电机组数量以满足尖峰时段“多余”的能量可以作为热能储存起来，以供以后热需求。满足尖峰时段需求需要锅炉等配套技术，这量需求回升时使用。在这种情况下，TES有助于实现就增加了系统成本。低成本的脱碳供热（Liu等人，2017年）。在区域供热/供冷中部署TES可能有助于在中国、丹麦、德国、意大利、瑞典和英国部署的应对这些挑战热电联产集中供热项目中（联合国环境规划署，2015年），短期TES可以用来帮助满足日常尖峰时段需在区域供热/供冷中使用TES的主要好处是可以将制求。这使小型热电联产系统的部署成为可能，而这种热/供冷与消耗分离。在这里讨论的每个示例中，TES系统能够连续满负荷运行（不同于为满足需求而调峰的主要用例几乎都是利用可再生能源的供应高峰来储的超大型电厂），从而提高系统效率和利用率。地热存热能/冷能，以便在以后供不应求时（无论是短期还区域集中供热计划具有类似优势，可通过促进恒定电是长期）使用。量并利用TES来满足各种尖峰时段需求，进而提高利用率。2014年，在全球范围内的区域供热方案中，地在太阳能热提供区域供热方案中，TES可用于储存多余热能占能源的比例不足1％。目前，此类方式主要在的热量。存储的热量可在太阳辐照度较低的时候（例冰岛和法国使用，欧洲其他国家的一些小规模项目也如在夜间甚至整个冬季）释放。除了覆盖太阳辐照度有使用（Werner，2017年）。地热项目受当地地热源较低的时段外，TES还可以调节热量输出，以满足不的限制。然而，据估计，通过城市区域供热计划，地断变化的需求并更好地平衡本地管网。这些特性有助热可为欧洲25％的人口供热（Connolly等人，2012于降低脱碳供热的成本。欧洲已出台了200多个太阳年）。能集中供热计划，主要集中在奥地利、丹麦、德国和瑞典（SolarDistrictHeating，2018年）。与区域供热类似，供冷负荷也会随着季节的不同而变化，而TES有助于提高发电源的利用率。TES可实现UTES是在这些情况下使用的主要TES类型，尤其是恒定供冷，同时有助于满足各种负荷的要求。在区域热井蓄热(PTES)。通过季节性储能等方式，可以实现供冷中使用电气供冷机的情况下，TES还可以将生产较高的太阳能热利用率（高达90％）（Han、Wang转移到总需求较低的时候，进而有助于降低电网的尖和Dai，2009年）。峰用电负荷。这有助于通过削减尖峰负荷来避免昂贵的网络加固或扩建。将区域供冷系统在与冷藏结合使从波动性风能和太阳能光伏发电中获取能源的区域供用，可将供冷能力降低15-50％，同时减少了对辅助热项目已经在中国、丹麦、俄罗斯、瑞典和美国试部件的需求，并可通过更有效地利用压缩机来改善整行（联合国环境规划署，2015年；Xiong等人，2016体系统性能（Cecca，Benassis和Poeuf，2010）。年；Werner，2017年）。这些项目测试了利用可再生电力满足热能需求的各种方法，例如利用热泵或电阻在区域供热或供冷方案中增加储热装置，可使系统满足对水进行加热。通过提高发电机利用率，TES在帮助更多热负荷要求，并整合具有不同发电特性的可再生能提高这些计划的可行性上大有可为。蓄热91源。TES可以有效地将热能或冷能的生产方式与消耗方无法使用ATES的情况下，可以采用闭环BTES（Mott式分离。MacDonald，未注明日期）。UTES可用于季节性和短期冷能和热能储存（Sarbu和Sebarchievici，2018）。当采用这种方式为广大用户连续供热和供冷时，同时还必须整合太阳能热具有波动性的可再生发电资源，大部分区域供冷都用于中东和美国，但澳大利亚、这一点至关重要。这意味着，可再生能源发电厂可以欧洲和日本也有相关项目在运营之中（Cecca，随时运行发电，在需求低时储能，然后在需求高和供Benassis和Poeuf，2010；Paksoy，2013；JCU，应低时释放能量，从而提高发电利用率。2014；亚洲开发银行，2017；IRENA，2017c）。在阿拉伯联合酋长国，有超过20％的空间供冷负荷通过关键用例表明，TES已经促进了可再生能区域供冷来满足（IRENA，2017c）。中国是一个新源在区域供热/供冷中的部署，并将在未兴市场，据报告，2013年全中国有833个相关项目来继续发挥作用（Paksoy，2013年）。空间供冷的主要用户是服务部门和住宅建筑物（Werner，2017年）通常使用冷在中国（Nordell，2000年）、北美（IEA，2014年）水罐、冰和吸收式供冷机作为储冷形式（亚洲开发银和北欧，UTES技术通常与区域供热和供冷项目一起行，2017）。部署。使用BTES的季节性储能计划已在加拿大和丹麦进行了试验，中国西藏地区也有几个项目正在开发各种纬度的地区都有区域供冷项目，这意味着其部署之中。在很大程度上与气候无关（IRENA，2017c）。使用冰块的短期储冷通常用于电源和冷却负荷存在波动的地据估计，全球共有8万个区域供热项目。这些项方。冰储能的能量密度很高，因为其仅需要冷水罐所目大多在寒冷的气候条件下进行，在中国北部、需空间的25％，所以非常适合在城市地区使用（FVB北欧和俄罗斯的安装使用率很高。例如，区域供Energy，未注明日期）。UTES可用于提供长期储热分别满足丹麦和波兰51％和34％的供热需求冷，但其适用性受到地下环境的限制。（Werner，2017年）。在气候很冷的国家，区域供热方式最适用于人口密集的城区或工业区。可再生能源多种TES技术已在区域供热和供冷计划区域供热项目主要使用生物质或热电联产；然而，加中得到部署拿大和丹麦已出现使用太阳能热板供热的示范项目。图45总结了TES在区域供热/供冷中的部署状态。这UTES可用于区域供冷和供热计划，但是其效用可能些内容将在下文中按技术类别进行讨论。会受到严格的地理和地质限制。ATES需要有含水层，而BTES则可能会受到地下质量的限制。92创新展望图45.TES技术在区域供热和供冷中的商业就绪水平。显热固态UTES1,2TTES1,2潜热零下温度PCMs2高温PCMs1冰2TES类型吸收式系统1,2水合盐1,2热化学机械热N/A应用研究原型示范商用注：(1)区域供热；(2)区域供冷。当前状态UTES技术还可与热网一起部署，以对低边际成本的热源进行整合（例如地热和太阳热能），以实现季节大型水罐经常在区域供热中使用。这种装置由隔热性性储能。热能可在最高100°C的温度下储存，并且升能良好的系统组成，可减少热量损失并延长有效储存级后可供热泵使用。对于区域供冷来说，UTES通常期。在电力需求低谷期或利用太阳能集热器对水进行在温差6℃左右的情况下使用。加热。当需要热量时，将储存的热量排出。这些大型水罐可位于地面上方或下方，具体取决于项目的需冰的熔合潜热较高，因此已作为TES冷却材料广泛要。使用。冰由可再生能源发出的电力生产，也可通过太阳能吸收过程将水冻成冰。载热流体（通常是水或乙冷水罐是用于区域供冷的最常见的储热方案。该装置二醇）通过管道传递冷能，从而为住宅区或办公楼供使用的大型混凝土和钢制水罐，据报道其应用容量可冷。高达150,000m3（Somarriba，未注明日期）。在这些系统中，高辐照期所有产生的多余太阳能可用于水的冷却，例如使用吸收式供冷机（Hasnain，1998年；BEIS，2016年）。蓄热93案例研究4.季节性储能太阳能区域供热方案季节性BTES使区域供热项目可以为加拿大提供近100％的可再生热能DrakesLanding是一个技术示范项目，利用太阳热能和季节性UTES为加拿大阿尔伯塔省一个拥有52栋房屋的住宅社区提供区域供热计划。开发该项目是为了提高区域供热的季节性储能效率。每个房屋上太阳热能装置的总装机容量为1.5MW，在夏季收集太阳能，然后利用BTES将能量储存在地下。在冬季供热需求量大的时期，热量从储能装置中提取出来并分配到每个家庭。该项目使当地太阳能产热几乎可提供100％的空间供热。该项目表明，通过有效的储能，可以解决可再生能源供应与供热需求之间的季节性不匹配问题。因此，每个家庭的温室气体排放量每年减少了80％以上。这种技术的推广存在着一些非技术性障碍。目前，财务风险比较严峻。在加拿大，廉价天然气的供应抑制了季节性储能方案的潜在市场需求。在丹麦等能源价格不断上涨的国家，用于区域供热计划的其他季节性蓄热项目也有如雨后春笋般涌现（例如Vojens）。预计这种项目的规模必须比现在高8到10倍，才具有商业可行性。因此，为了使该系统更具商业吸引力，有必要降低成本。然而，BTES仅占系统总成本的10-20％，这说明阻碍类似项目推广的是太阳能集热器的成本。DrakesLanding的项目由一家燃气公司运营，但同时也依靠一家房地产开发商。将不同的利益相关者召集在一起也很困难，因为没有一方会愿意承担财务风险的负担。在这种情况下，政府承担了风险，这表明公共部门在未来的项目中可能会起到介入作用（Sibbitt,B.等人，2015年）。未来展望在与太阳能热能和风能等可再生能源系统（例如太阳能和风能）结合使用后，这种储能技术可用于短期或PCM以盐和水的共晶混合物为基础，熔化温度约为长期区域供热。同类第一家6MW/36MWh高温cPCM7-8°C，可以用来代替冷水或冰储能。较高的充能温示范工厂已于2016年9月在中国北部投入运营。有关度更使其充能效率高于冰储能，而且所需的罐体积明此项目的更多详细信息，请参阅案例研究1。显小于那些含有冰水的水罐。与其他类型的储能方式相比，热化学储能有几个关键高温PCM可成功地用于区域供热应用。与显热技术相优势。此类系统的能量密度要比其他TES系统（例如比，该系统具有更高的储能密度和热导率，因此能够TTES）高出三到六倍，进而减少了对空间的需求。此在较小的储存空间中储存大量能量。外，热化学储能系统的热损失非常小，并且可以运输以供远程使用。94创新展望示范项目还对水合盐吸附系统在住宅和商业的应用进显热行了研究，以满足独立建筑的需求。该系统可在区域网络中实现，并作为加热水合盐的来源与太阳能集热UTES装置没有标准的设计。每个设备都是为特定器或热电联产厂结合使用。该系统将在夏季充能，以的位置和应用而设计，因此都是独一无二的，但达到在冬季使用储存热能的目的，以此满足网络中的组件泵、管道和热交换器都是标准的工业产品。热水和供热需求。因此，UTES无法实现传统意义上的工业商用化（Nielsen，2003年）。此外，UTES系统还面临一个吸收式系统是一项很有前景的技术，可以被泵送并作主要挑战，那就是其可能会威胁到当地的生态系统，为区域网络中的工作载热流体使用。这样就可以使用进而对环境造成影响。当前，有几项研究正在进行之远离服务地点的热源。吸收式系统在供冷部门中的应中，以了解ATES系统对环境带来的影响。科学家们用由来已久，而且在区域供冷方面也前景光明。吸收需要研究UTES对地下水的影响，并进行跨部门的地式热泵可利用区域供热基础设施（太阳能集热器）中下储热规划，以最大程度地减少UTES与其他地下设的低品位热能提供供冷和空间温度调节。吸收式系统施之间的负面冲突（Bonte，2015年）。允许临时转移冷却负荷，因此可以利用更适合有效供冷操作的环境条件。需要对使用40-90°C范围内温度的新系统进行研究，这些系统可以储存来自发电厂、工业过程、地热或太TES效率的提高也将继续提高配套区域供阳能的热能，并在以后作为备用容量在高需求时释热和供冷的可行性放。温度越高，系统热损失就越高，颗粒、气泡、细菌生长和矿物质沉淀等原因都会导致系统各部件结表10总结了用于区域供热和供冷的TES组成部分中的垢和堵塞。还需要对部件腐蚀情况进行测试，以更好技术创新的主要目标。地预测设备的寿命。对于高温储能来说，水基储能系统的使用会受到限制。这给UTES实现高效季节性储能带来了严峻的挑战。因此，需要选择和研究比热和导热系数高且成本低的其他候选储能介质（RHC-Platform，2012年）。案例研究5.柏林区域供热方案使用的水合盐蓄热原型演示水合盐蓄热系统如何灵活地实现热电联产2019年，德国柏林的一家热电联产电厂尝试采用了一种装机容量为0.5MW/10MWh的吸收式储能解决方案。在电力供应过剩的时候，吸收式系统通过电网或配套的热电联产装置充能。热能随后会根据需要从发电厂分配到柏林的区域供热网络中。该项目旨在将热力生产与发电脱钩，例如在需要热电联产工厂供热但不需要供电的情况下。该技术使用纳米涂层盐来最大程度地减少盐劣化问题，并确保在大量充能循环后保持最佳效率（VattenfallandSaltXTechonolgy，2019年）。蓄热95表10.区域供热和供冷TES技术创新的关键目标属性2018显热20502018潜热20502018热化学20500.1-3520300.1-1560-230203035-14015-1502030成本示范（美元/kWh）0.1-2545-185试验规模10-8015-120效率(%)55-9065-9075-90>90>92>9550-65(1)能量密度15-80(2)30-90120-250(kWh/m3)使用寿命10-30年20-30年>30年10-20年>25年>30年15-20年20-25>30（年限或循环次数）工作温度(°C)5-955至>950至75015-150注：(1)由于技术成熟度低而无法提供数值；(2)具体取决于工作温度范围。此外，为了提高容量、效率并与可再生热生产技术相其他改进措施也在探索之中，例如优化内部换热器和配合，需要对混合UTES系统进行研究。为了提高节水罐内部自由对流，以及通过尽可能减少管道内寄生能效果，减少备用系统的使用，还需要对UTES进行热对流造成的热损失。优化控制（EuropeanAssociationforStorageofEnergyandEuropeanEnergyResearchAlliance，2017b）。潜热通过加大水罐的尺寸并提高系统的标准化程度，高温cPCM的创新需要重点关注如何提高热循环稳定TTES将会带来巨大的收益。TTES的成本可以从性，因为腐蚀和结构不稳定会导致PCM泄漏。为了使486美元/m（300m热水罐）降到123美元/m这项技术具有充分的竞争力，我们需要对新型复合材料（12,000m热水罐）（BEIS，2016年）。预计系统和系统进行进一步的研究。在进一步商业化之前，为了效率将有所提高，或许可以通过新方法来增加和维持确保系统寿命足够长，必须对系统循环和整体系统随时热分层。这将减少运行成本。间推移的性能进行分析。创新的主要重点是可提高充/放能速度的新型集成系统，以及旨在提高部件兼容性并热分层会导致工作时间变长，进而大幅提高了太阳能降低维护成本的材料科学研究。这些创新将使这项技术收集器的利用率，减少了辅助能源的使用和成本。能够以更大规模从示范阶段进入商业阶段。最近的研究提出了各种增加热分层的新方法，例如最大限度地减少将进入热分层蓄热罐的水的混合和在零下温度的PCM中，当前使用的盐混合物的主要湍流降低（Al-Habaibeh、Shakmak和Fanshawe，技术挑战是充放能过程中的相分离13。这些系统也很2017年）。这些改进可能会明显提高储能效率，提容易出现过冷14和腐蚀。高幅度在6％和20％之间（Han、Wang和Dai，2009年）。13含有不同成分的相之间相互分离并引起凝固焓损失的效果。14温度低于熔点且材料未开始凝固的效果。96创新展望目前，这些因素不但降低了系统的可循环性能，还增还可以通过应用不同的运行策略来优化性能，例如加了系统的维护成本。完整储能策略和部分储能策略（Yau和Rismanchi，2012年）。为克服这些问题，专家们提出了不同策略，例如添加交联材料以使盐保持在溶液中，或添加材料以增加盐热化学的粘度（Li等人，2013年）。然而，在开发方面，大多数解决方案仍处于实验室测试阶段，并且没有一个目前，高昂的投资成本阻碍了热化学TES在区域供适用于所有解决方案的最佳方法。为了避免或最大程热/供冷方面的发展。此外，还存在与所用化学品的度地减少容器的腐蚀，必须执行选择过程，而且在某腐蚀性有关的问题，以及潜在采用者因系统相对复杂些情况下，必须使用封装或涂层（Ferrer等人，2015而对系统安全性的顾虑。年）。热化学TES系统的季节性储能能力使其在区域供热和与其他PCM相似，由于移动的液固边界和低导热性，供冷应用中具有潜在的吸引力。然而，要实现这些系传热速率在充放能过程中会受到限制。可以通过增加统的潜力，需要在材料化学方面取得重大进展。对于传热面积（例如，使用金属翅片）和添加高导热率水合盐系统，主要进展包括增强所用盐的活性和耐久的材料添加剂（例如石墨、颗粒）来提高传热速率性，同时设法保持其亲和性和安全性。同样，在吸收（Oró等人，2012年）。式系统中，所用盐的实用性是关键，研究人员正努力去提高盐的稳定性和能量密度。充能过程中的结冰是冰储能的主要问题，可能会通过降低充能速度和效率，进而影响系统的性能。例如，研究人员基于水合盐（供热）和吸收（供冷）系统，在冰盘管式储热系统的充能过程中，冰从盘管的表面已经提出了将热化学TES系统与可再生发电厂相结合开始产生，并且由于产生的冰自身的热导率很低，导的各种配置，以将其用于区域供热和供冷应用。致充能效率下降。专家们提出了解决该问题的各种方法，例如在盘管线圈上增加翅片或环圈。案例研究6.将充能的TES材料从充能地点运输到需求点H-DisNet欧盟“智能混合热化学区域网络”(H-DisNet)项目正在设法评估一种将热化学TES整合到区域供热/供冷中的创新方法。该项目的合作伙伴正在研究一种适用于充能TES材料的“混合型”智能运输系统。该系统可远程利用分布在分配网络周围的部分水合/脱水盐溶液来释放储存的热能，以进行供热或供冷。该项目涉及模拟和控制研究，旨在更好地管理热化学TES基础设施。此外，在德国、瑞士和英国也有三个示范项目（KULeuven，2018年）。蓄热973.5建筑物因此，未来将需要加大脱碳工作的力度，预计建筑物规模的可再生能源发电应用也将有所增加。建筑物领域包含商业和住宅用房，面积约为1,500亿平方米。能源在建筑物中用于空间加热、空间冷阻碍在建筑物中进一步部署可再生能源的主要挑战集却、热水和烹饪。预计在不久的将来，全球建筑面中于管理潜在的电力需求尖峰，并确保能源供应（包积每年将增长3％，该部门的总能耗预计将有所上升括供热/供冷）与变化的需求能够有效匹配。推动能源（IEA，2017年）。效率的不断提高应成为管理需求的优先事项。全球需要进一步扩大热泵的部署范围，同时将使用由可再生能源供电的区域供热系统的热量翻倍。TES在建筑物中的应用TES需求•在寒冷的气候条件下，通过增加需求侧的灵活性，减少潜在的尖峰和网络提升的需求，以及提高低谷期可再生能源的利用，TES可以支持热泵的部署。•在温暖的气候条件下，通过转移空调负荷并降低系统压力，TES可帮助减少与鸭子曲线有关的问题。•在电网薄弱或不可靠的地区，分散式的热能/冷能储存还可以减少对电网的依赖性，提高建筑物的能源供应安全性。现有用例•水罐蓄热在全世界范围内广泛用于建筑物蓄热。•PCM、固态热电池和替代空调装置的冰储能技术已经很成熟，但部署规模相对较小。•UTES已在各种情况下使用，较小规模（单个建筑物）设备的实用性也正在研究之中。创新潜力•短期（5年）：与能源管理系统结合使用的PCM热电池正处于试验阶段。试验可以证明这种电池可以利用低谷期的能量来实现热能的低碳化并为消费者节省开支。通过材料开发，改善TTES和固态TES技术中材料的热性能和耐腐蚀性能，进而提高效率。此外，加强整合和控制系统的创新将会提高成本效益。•中期（5-10年）：新一代高温和低温PCM和cPCM的成本降低和技术改进有助于增加建筑物中潜热储能的部署。•长期（>10年）：注重于实现热化学TES技术中材料和系统改善的研发活动有助于早日进入示范阶段。98创新展望鉴于供冷主要是通过电力提供，因此不断增长的电力IEA估计，到2050年，空间供冷的能源需求将增需求将成为能源系统的另一个挑战。在用电高峰时段加三倍，这将使供冷用电量在总用电量中的比例提（供冷已经是其中的重要因素），这种情况尤其明高到30%，在建筑总用能量中的比例增加近三倍显。当务之急是将可再生电力（尤其是太阳能）与白（IEA，2018b）。到2060年，全世界用于空间供天以外的供冷需求相匹配。冷的能源使用量预计将超出空间供热（Isaac和vanVuuren，2009年）。到2050年，建筑面积预计将增加到2,700亿平方米。在住宅方面，面积增长是由于人口和收入的蓄热在建筑物中可以发挥重要作用，有助于可再生能增长，导致人们希望提高每个人的居住空间，减源的整合。TES可通过热能电气化来实现部门耦合，少每个房屋中的居住人口，尤其是在发展中国家并有助于满足日益增长的供冷需求。（GlobalAllianceforBuildingsandConstruction，2016年）。例如，印度预测到2030年新住宅建筑空间的建筑规模的TES有助于满足或转移尖峰需求量将达到200亿平方米，这相当于住宅建筑能需求耗将从2005年的1.9EJ变为2030年的8.12EJ–增加450％（全球建筑最佳实践联盟，2014年）。供热电气化和供冷需求的增加将导致各种类似问题。将热能生产和冷能生产脱钩可以削减各自的负荷峰根据IRENA的分析，目前可再生能源能够满足36％值。这将减少系统对调峰装置的依赖，并减少可再生的建筑能耗，包括将本地生物质用于空间供热和烹能源的缩减，进而降低整体系统成本。这对于VRE渗饪。这一比例将需要增加，而扩大分散式建筑规模透率较高的地区/能源系统来说是一个很大的优势。对可再生能源的推广范围可能是一个关键的解决方案。于供热来说，这适用于每日和季度性储能。此外，将到2050年，可再生能源的占比可能会上升到77％，可再生能源多余的能量以热能形式储存比以电能形太阳热能和热泵的数量将比当前水平显着增加（约式储存更高效，这也使得TES能比电池更有效地减比2015年水平高10倍），而现代炉灶、生物质（约少负荷与发电量变化之间的不匹配。（Lund等人，比2015年的水平翻了一番）和地热（约比2015年的2016年）。水平高6倍）的使用量也将大幅增加（IRENA，2018年）。电力需求的增加也可能会对本地网络造成巨大压力。家用TES有助于减轻这种压力，并推迟对电网改进的空间供冷是建筑物中增长最快的能源使用方式，这一需求。趋势在经济快速增长且气温较热的发展中国家尤为明显。随着这一趋势不断发展，越来越多的市民将有机很多TES技术可以大范围地直接在建筑会使用供冷设备，能源使用量预计也会成比例增长。物中应用例如，2010年中国人共购买了5,000万台空调（相当于美国总存量的一半）（Cox，2012年）。2016年，具有不同工作温度和要求的TES技术和系统可以满足建筑物能源使用总量中有6％用于空间供冷，其中绝建筑领域的各种需求。成熟的TES技术已经在建筑大部分依靠电力完成。规模上部署多年。将来，目前正在开发之中的新型解决方案很有可能对这些技术加以补充。各项技术之间的开发和部署状况各不相同（图46），下文将详细讨论。蓄热99案例研究7.具备智能能源管理功能的PCM热电池可实现低谷期可再生能源的整合与燃气锅炉相比，使用PCM的热电池可为英国家庭节约成本并减少碳排放在过去十年中，英国在电力系统脱碳方面取得了重大进展。然而，在最终家庭能源消耗中，电力消耗仅占16%，而热能消耗却占了81％。事实上，英国有90%的家庭依靠燃气供热。这意味着，总体而言，家庭供热所造成的碳足迹占该国总碳足迹的25%。因此，如果英国希望在2050年之前实现其最近宣布的净零排放目标，那么如何实现家庭供热的脱碳将是一项重大挑战。使用PCM的热电池可以构成解决方案的一部分。其中一种电池使用无机水合盐（乙酸钠），该材料的相变温度为58℃。PCM技术经设计可以在不发生任何退化的情况下执行41,000次循环。热电池的能量密度是水罐蓄热的四倍，无毒且不易燃烧。在15年（不到电池潜在寿命的一半）的时间段里，电池能够以约0.05美元/千瓦时的价格提供热能，比电化学电池储存的等效能量要便宜得多。考虑到热电池使用寿命预计会更长，并且劣化的影响可以忽略不计，因此可成为一种比电化学电池更具成本效益的热能提供方案。最新款热电池每单位储存的能量在价格上据称比最便宜的锂离子电池还要低60-90％。该技术可以与屋顶光伏发电(PV)、电网电力或热泵结合使用。该技术已经历经了几次试验。第一次试验于2013年开始，涉及七户家庭。试验结果表明家庭供热运行成本比燃气锅炉低了50％。新一代电池已在苏格兰的600户家庭中进行了大规模试验，其中有404户使用屋顶太阳能光伏发电。事实证明，这为大部分住户节省了成本。2019年，英国政府宣布拨款200万美元，资助电池技术开发商与能源供应商合作进行试验，以使家用客户能够在电力负荷低谷时段用低成本的可再生电力为房屋供热，而这需要通过使用供应商的能源管理平台来实现。该试验旨在证明智能中央供热系统在大众市场上的可行性。英国政府在2019年宣布，将在2025年之前禁止在新建房屋中使用燃气供热，因此上述系统可能对英国未来的家庭供热计划至关重要。这证明了TES可用来提高需求侧的灵活性，如果供热已实现大规模电气化，则这种技术可成为支持电网稳定性的关键所在（SunampLtd，2019年）。100创新展望图46.TES技术在建筑部门的商业就绪水平显热UTESWTTES固态潜热低温PCMs高温PCMs冰TES类型商用热化学水合盐吸收式系统机械热N/A应用研究原型示范当前状态SETS设备已被安装在全球数以万计的住宅中（欧洲能源储存协会和欧洲能源研究联盟，2017b）。传统民用和商用水罐的容量一般在100至1,000升之间（Lanahan和Tabares-Velasco，2017）。水罐蓄热同时，加利福尼亚州开最近开发了供居民使用的冰储是基于在用电需求低谷或太阳能集热器的多余电力期能技术，通过减少“鸭子曲线”来帮助公用事业。使间对水进行加热或供冷。热能可以随后在需求高峰期用冰储能的设备在整个北美和印度也可以买到，主要供应并分配到设备（Alva，Lin和Fang，2018）。设想用于商业建筑。其他低温PCM也可以在建筑物中得到了应用。在大多数情况下，冰和零下温度的PCM世界各国均已报道了电热水储存的各种示例。澳大利封装在模块中，由载热流体将冷能从模块提供给负亚、法国和新西兰的示例证明了TES的这种用途的能荷。这些系统可用于支持或替换供冷系统，或在住宅力，即可通过减少住宅高峰需求来协助管理当地的电或商业建筑中进行空气调节（欧洲能源储存协会和欧网拥堵。2014年，法国通过这种方式实现了每年5％洲能源研究联盟，2013）。的削峰率（IEA，2014年）。主要用于供热，家用PCM加热电池已在英国成功试验自20世纪中叶以来，住宅蓄热器中的热能一直储存并投入使用。封装的PCM可以通过电加热或载热流体在陶瓷砖中，温度高达70℃。这种家用电器的现代（例如来自太阳热能的热水和来自空调的冷气）交换版本，即智能电蓄热(SETS)加热器，使用低成本的的热量进行充能。陶瓷砖储能介质，通过电阻加热储能介质，温度最高可达到700°C。蓄热101案例研究8.市政府推出家用TES以减少家庭开支并提高风能利用率加拿大市政计划以折扣价格提供TES，从而提高了当地风能的利用率萨默赛德是加拿大爱德华王子岛上的一个小镇，人口为15,000人。萨默赛德的公用事业部门归市政所有。市政当局拥有并运营的当地风能装机容量为21MW，可满足该镇约一半的电力需求。让市政当局感到沮丧的是，在电力需求低迷的时候，其不得不以低价将多余的电力出售给电网，因此没有充分发挥出发电潜力。同时，该镇有近80％的供热需求由价格昂贵且能耗高的燃油空间供热满足。2013年，该镇实施了“供热省钱”计划，鼓励居民在住宅区使用电蓄热技术（使用陶瓷砖）或分时使用电热水器(TTES)来替代住宅物业中的燃油取暖设备并提供折扣电价。在电力公司方面，该镇开发了智能电网来协调负荷的实时控制。客户可以直接购买或租用TES设备，也可以参加5年、7年或10年先租后买计划。设备的评估和安装由市政当局管理，从而减轻了消费者的负担。总共在238个地点交付了366台储能设备，容量范围从3kW到80kW不等，其中75％的TES用于住宅用户。商业用户也签署了该计划，从而增加了3MW/13.5MWh的储存能量。通过利用“错位时间”的可再生能源，以前出售给电网的能源中有24％留在了社区，风电场的容量系数也因此提高了一个百分点。虽然通过干预，电力公司的收入有所增加，但真正的赢家是消费者。他们使用陶瓷砖蓄热，平均每户每年可节省1300加元，而使用TTES则可节省200加元。此外，由于减少了燃油加热和备用柴油发电，2015年避免了400吨的CO排放量。省政府也拥有几个风电场，并于2017年公布了10年能源战略，指出希望效仿萨默赛德的做法，在全省其他地区推广TTES和基于陶瓷砖的加热器（Wong，Gaudet和Proulx，2017）。未来展望此外，高温cPCM可在住宅和商业应用中以相对较小的储能体积储存大量热能。这些材料还将使用类似于正如上一节所强调的那样，大规模UTES已应用于住当前锅炉的罐体，但尺寸要求要小很多。宅和商用领域的区域供热和联合供热及供冷。目前，一些研究正在测试规模较小且成本较低的BTES系水合盐可以长期（季节性）也可以短期（每日）储存统，并在测试中将该系统与温室或单个建筑的太阳能来自太阳的热量，以克服住宅和商用领域的需求波集热器相连（Baer，Lu和McCartney，2016）。动。夏季可以使用太阳能集热器、太阳能电池板或热电联产设备为吸附系统充能，以便在冬季为建筑物提供热水和供热。102创新展望该技术在建筑部门还处于早期部署阶段，但其理论能工业应用市场上已经开始提供大型热驱动吸收式冷却量密度比传统的蓄热技术（如水罐）高5至10倍，因系统，但太阳能驱动系统在空调应用中的概念相对此潜力巨大（vanEssen等人，2010）。较新。专家们已根据储热材料、系统和应用需求，提出了各太阳能热供冷可以通过用热驱动空调取代电驱动空调种整合方案（Mette，Kerskes和Drück，2012）：整系统，进而减少夏季高峰期的能源需求。吸收循环更合到建筑物的通风系统中（MonoSorp项目[Bales等适合于低品味热能利用，比其他吸附式系统具有更快人，2007]），整合到建筑物的通风系统中，整合到的传热和传质速率。建筑物的通风墙中（SolSpaces项目），或整合到具有独立反应器和材料库的太阳能热组合系统中（CWS-材料科学和系统集成方面的创新将NT概念）。使TES能力得到提高在整合到建筑物通风系统中的情况下，蓄热器经设计表11总结了用于建筑物的TES组成部分中的技术创新可整合到建筑物中。该建筑物应设有可控的通风系的主要目标。统，并可利用太阳能集热器作为可再生能源的来源执行热回收。另一种方案是将吸附装置整合到建筑物的显热墙壁内。所提出的系统可将吸附和解吸分开，进而将吸收式蓄热分成几段，优点是能够减少储存量。如果UTES在住宅和商业应用中的主要挑战是如何简化系要整合到太阳能热组合系统中，则需要储存材料和反统设计。对于小规模应用来说，BTES体积过小会导应器，以便在其中充能/放能。致更大的热损失和效率低下（Lanahan和Tabares-Velasco，2017）。此外，建造BTES的高昂资金成吸收式冷却系统是一种新型热化学蓄热方式，有助于本突显了数值模拟对确保经济和热力学可行性的重将可再生能源整合到建筑物中。要性。表11.建筑物TES技术创新的关键目标属性2018显热20502018潜热20502018热化学20500.1-3520300.1-15203060-1402030成本（美元/kWh）0.1-2560-23060-18515-150试验规模示范12-80<80效率(%)55-9065-9075-90>90>92>9550-65(1)能量密度15-80(2)30-135120-250(kWh/m3)使用寿命15-30年20-30年>10年>15年>20年15-20年20-25年>30年10-30年（年限或循环次数）工作温度(°C)5-955至>950至75015-150注：(1)由于技术成熟度低而无法提供数值；(2)具体取决于工作温度范围。蓄热103多项研究表明，在小规模系统中，BTES与太阳能收集目前有多个正在进行的项目，旨在将刚上市的小型吸器的联用可以提高效率。一项关于温室设施的研究预附式供冷机与太阳能水罐相结合，以用于空间供热和测，该设施的运营效率为80％，预计投资回收期为14供冷（Reda等人，2017年）。年（Gao，Zhao和Tang，2015）。大比例VRE发电为整合使用陶瓷砖的SETS加热器创后续试点项目可用于测试BTES在其他建筑和商业应造了新的机遇和理想的条件。用中的设计和性能。有专家提出用SETS系统为需求侧管理提供服务，使将PCM整合到水罐中以提高家用热水储存的能量密度低碳能源（例如风能和光伏能）在地方和国家层面是当前研究的主题。热水/PCM混用拥有巨大潜力，的渗透率能够不断提高。有几项研究模拟并优化了并有可能在中期内出现（Mette，Kerskes和Drück，分散式TES与SETS加热器的使用，以提高可再生能2012）。整合PCM有助于克服与传统水罐空间限制和源的渗透率（Ali、Ekström和Lehtonen，2017年；重量相关的挑战，否则这些因素会限制其效用。DiFresco，2018年）。研究指出，可以对这些系统进行协调以嵌入互联的TES网络。在系统效率方面，需要采用新的方法来改善和维持热分层，降低系统运行成本。最近的研究提出了很多潜热增加热分层的新方法，例如最大限度地减少将进入热分层蓄热罐的水的混合和湍流降（Al-Habaibeh，与其他PCM相似，低温PCM的低热导率限制了传热Shakmak和Fanshawe，2017年）。还有一种方法速率，并因此阻碍了其更广泛的商业应用。按照前文是使用智能恒温控制策略来预测所需的水量，在所述的类似方法，我们可以通过用翅片和设计结构来保持客户舒适度的同时，对电网的变化做出反应增加传热面积，扩大嵌入PCM的导电基质，或者在基（Gelažanskas和Gamage，2016年）。该系统在运质中添加高导热性材料（例如碳纳米管）来提高传热行时根据消耗量预测作出需求响应（Davis，2014速率（Karaipekli等人，2017年）。但是，大多数解年）。决方案只是以实验室规模进行测试，并且没有一个通用的方法可用于所有共晶体。发展的重点将是在实际智能控制系统可对生产进行上下调节，也可以提高热条件下测试这些策略。水器效率。系统更改包括优化内部热交换器整合、水罐内部自由对流，而且因管道中寄生热对流而造成的目前，一些低温系统已经完全实现商业化并可投入使热损失，也值得进一步研究，以便评估具有更高效率用，但投资成本却非常高。我们需要进行进一步的研的新设计的潜力。究，以仔细观察其在系统层面的长期性能和可靠性。目前的当务之急是降低单个组件的成本，以及开发具有成本效益的新方法来设计整个TES系统。104创新展望如本报告前面各节所述，我们需要开发高温cPCM，一些针对各种应用的经济研究表明，储能材料会极大并开展进一步研究，以提高其在循环中储能性能和复地影响蓄热系统的性能和成本（通常约占总投资成本合材料稳定性。此外，在整合高温cPCM时，还必须的30％）（Lele，2016年）。克服与无机PCM相关的过冷、泄漏、可循环性和腐蚀等方面的常见限制。要优化所用材料的性能，还需要进一步的努力，特别是在导热性方面，而且还需要研究材料在长期循环中对于其他应用来说，在高温cPCM实现商业化之前，的耐久性。研究人员预测，尽管需要对系统整合进行必须要克服各种障碍。这些障碍包括改善建筑材料和研究，但这些系统将成为未来长期蓄热的现实可行的储能介质之间的兼容性，降低整合成本（尤其是短期选择（Mette、Kerskes和Drück，2012年）。到目前应用），以及找到能与其他传统技术（显热）竞争的为止，致力于对这些系统进行规模调整以确保实际适新整合系统。用性的研究工作还很有限，而这是实现商业化的首要任务。热化学吸收式系统的创新需求与区域供冷部分中提出的需求在水合盐系统中，温度范围和用户条件类似于区域供相同，因为该技术在这两种应用中使用的储能介质并热。有关开发中材料的技术详细信息，请参阅附录。没有区别。如前所述，出于系统复杂性和维护成本的原因，该技术的商业化仍然受到限制。因此，需要研究新的吸收循环并对系统设计进行改善。必须降低系统复杂性和维护成本，才能为商业应用开辟道路。蓄热1054.加速部署的政策干预措施本章总结在整个能源系统使用TES的主要系统层面的障碍包括：•有些TES技术不够成熟，而且存在竞争性技术（例如化石燃料供热）。•缺乏对TES如何为社会、公共部门和工业带来好处的了解和认识。这表现在当储热可为供热或供冷负荷很高的能源系统带来明显好处时，我们的研发重点却过多地集中在电池储能上。•未来能源系统如何发展具有不确定性，这导致投资者不愿对长期或大型项目进行投资。•由于对不同能源载体（即热能和电力）和部门的固有思维，在某些情况下会导致政策冲突和规划效率低下。此外，与电力部门相比，供热部门缺乏脱碳的相关政策。决策者可以实施各种技术推动、市场拉动和扶持措施，以鼓励人们使用TES。这些技术的精确组合，事实上与相关TES技术的组合一样，都取决于能源系统的特性。主要技术推动干预措施包括：•加大对TES技术研发的投资力度，充分发挥其独特潜力，以此促进供热、供电和供冷部门实现脱碳。•为示范项目提供资金以帮助建立市场意识，增强消费者信心并提高技术成熟度等级(TRL)。有些技术的供应链已经成熟，但那些最具潜力的技术（整合较高比例可再生能源的技术）的技术成熟度通常较低。主要的市场拉动干预措施包括：更为注重供热脱碳，鼓励灵活应用，开拓储热的辅助服务市场：•取消化石燃料补贴，引入碳定价，以大幅提高低碳供热系统的竞争力。•鼓励使用分时定价等机制，以调动需求方的灵活性，帮助减少消费者开支，并提高可再生能源的利用率。•确保对辅助服务的参与尽可能保持技术中立，以便克服电池储能的常见障碍，并为TES的所有者/运营商提供额外的收入来源。•用长远的眼光看待TES的开发和部署，并提供激励措施，为投资者降低此类项目的风险。106创新展望促进在能源系统中使用TES所需的主要推动因素包括：•采用全系统方法对能源系统进行脱碳，这对于实现具有成本效益的能源转型来说至关重要。为了给脱碳能源系统确定一条最具成本效益的途径，在研究中应将所有灵活性技术考虑在内。•作为整合型能源政策的一部分，积极实施各种策略，以减少能源政策出现冲突的情况，并帮助实现更高层次的系统效益。•提高整个行业、公共部门和消费者的认识，有效地宣传TES的优势。从发展阶段和总体特征来看，各个国家的能源系统构示范项目通常会努力降低与特定技术相关的认知风成均有所不同。因此，储热技术的适用性取决于具体险，从而鼓励未来的投资。示范活动还有助于提前情况，加速其部署的干预措施也是如此。决策者所采发现潜在的技术和系统缺陷，并可促进利益相关者取的方法必须是以全系统思维为指导的整合战略的和公众群体之间达成共识。在没有通过示范活动建一部分。立证据基础的情况下，TES等新技术的设备和运营成本可能会更高，因此对这些机遇进行投资的风险也会本节对以下内容进行了概述：更高。TES设备的示范结果报告似乎也不多。事实证明，为此类报告收集案例研究非常有难度。•限制采用TES解决方案的主要障碍。•决策者为促进TES发展可使用的支持机制。TES技术相对不成熟•各部门对TES的支持需求，以及已尝试和测试的干有很多种TES技术（特别是潜热技术和热化学技术）预措施示例。尚未在商业化层面得到提升或验证，详见第4章。这些系统仍处于早期或中期技术成熟度阶段，要想得到4.1TES应用的系统层面障碍广泛采用，需要先降低成本。在近期内，重点应放在提供示范支持、制定投资机制和建立供应链和战略社会、公共部门和工业的相关认知上，以便顺利地将TES整合到能源系统中。一般而言，减缓气候变化的工作重点是电力和运输，有时也会包括农业，但供冷和供热很少会作为优先领域，而其却占据了欧盟成员国年能源消耗的50%左右。之所以如此，部分可能是因为供热（和供冷）脱碳相对较难。由于缺乏对供热/供冷脱碳的重视，对相关开发活动和示范项目的投资也就相对较少。蓄热107未来能源系统结构具有不确定性从积极的角度看，欧盟的修订版可再生能源指令中明确指出了与可再生能源供热和供冷有关的挑如何解决脱碳的问题存在一定程度的不确定性。例战。随后，该指令还制定了一个雄心勃勃的目标，如，可以通过大幅提高（波动性）可再生能源比例即从2021年开始，确保可再生能源供热和供冷实来解决这一问题。同样，也可以通过更多利用核电现1.3%的年增长率。来解决这一问题，而核电没有波动性问题。目前尚不清楚哪种技术组合将构成未来的能源结构。考虑到很多国家已对其电力和天然气能源市场进行了监管。不同能源技术相关的不同储热需求（时间范围、位置市场监管机构的设立通常是为了防止形成潜在的剥削和温度范围等），未来能源系统的结构将决定所使用性垄断，确保市场参与者之间的竞争给消费者带来价的TES（或其他储能形式）的类型。值。然而，对于热能（或冷能）的生产、分配或供应，却没有同等的市场监管。值得注意的是，英国要找出一个单一的政策建议来解决这种不确定性并不有多个行业参与者支持未来在监管机构（目前或新成可行，特别是还应该考虑到，未来能源系统的组成将立）监督下对供热网络进行监管（TheAssociationfor因国家、政府的变化、成本的增加或减少以及其他各DecentralisedEnergy，2018年）。种因素而有所不同。然而，对能源系统进行进一步的分析和建模将很有益，能够从不同的角度识别可能或此外，展望未来，由于部门耦合，能源种类之间的不可能发生的各种情景（例如最小成本和最低CO2排跨部门相互影响预计会更大（英国能源技术研究放量）。所，2017年）。如果决策者采取政策和管理的全系统办法，以对能源载体之间的相互影响和竞争作出反对政策和法规的认知不足应，使TES有机会与其他技术在公平的环境中竞争。如前几节所述，全球供热和供冷部门脱碳并没有跟上有些TES技术也没有在环境或规划和建筑标准监管制电力系统脱碳的步伐。部分原因是相对于电力脱碳而度中得到广泛认可。TES是一种相对较新的基础设施言，决策部门对供热和供冷脱碳的路线图和策略不够类型，在缺乏有力监管的情况下，可能会遭到公众的重视。用于冷热载体的TES技术和这些部门中的其他强烈反对。因此，应制定相关法规，确保以最佳方式潜在脱碳解决方案一样，并没有得到像电力部门储能设计这些系统，最大程度地减少TES设备和技术本身技术那样的政策支持。2016年，只有21个国家制定了对环境的影响。可再生能源监管激励措施和规定，强制要求实行太阳能供热或各种技术的供热要求。其中另外有29个国政策冲突家采用了不同的供热或供冷政策。在某些情况下，化石燃料补贴会破坏低碳技术应用的显然，我们需要在解决供热和供冷问题上付出更多的努力和进展（Matsuo和Schmidt，2017年）。例如，努力，并应认识到要取得所需成果将面临的挑战，即柴油补贴可能会严重限制各国及其行业投资TES的供热和供冷政策将需要随部门、国家和基础设施类型积极性，进而缩小了促进高水平可再生能源渗透率的而不同，这样才能克服具体障碍。空间。108创新展望竞争技术例如，氢气在理论上可以利用某些国家已安装的现有地下天然气网络基础设施，并提供天然气的替代载很多类型的储能设备（例如，电化学电池）可以在体。这个例子表明，所采用的解决方案需要根据当地当前电力系统中提供与TES类似的服务。如果电池情况因地制宜。（尤其是锂离子电池）的进一步创新促使能源价格降低（部分是由于电动汽车的快速部署），那么这种情4.2可用的支持机制况可能会将TES技术置于一个很复杂的成本竞争环境中。决策者可以采取一系列干预措施，以帮助TES技术在目标部门加速部署。这些措施涵盖了从研发阶段、热泵可通过电力在家庭层面提供一定比例的热量，但到示范和商业部署的所有发展阶段。图47中列出了这种技术是否能单独应对供热的挑战还有待观察。在各种已有的干预措施，并将其分类为技术推动支持、家庭和工业层面，将需要不同规模的可再生能源供热市场拉动型支持，以及整体扶持型监管和生态系统支和供冷，这意味着TES可能会更好地提供一些可行的持。方案。同样，来自替代性供热脱碳技术的竞争也可能会加剧。图47.促进TES技术商业化的政策方案清单基础研究研发示范部署商业化技术推动支持教育和研究支持•奖学金、签证和借调•借调•奖励/奖金•企业和大学助学金•实验室资助•补贴/激励措施•设备共享•设置商用车示范支持•行业/利益相关者联盟•测试中心•协作式资助倡议•技术孵化器企业支持•公司技能支持•培训计划和教育政策市场拉动支持•公共风险投资投资支持•税收优惠•私人风险投资支持•担保/损失承保•保险•上网电价补贴价格支持•招投标•可交易证书•碳定价（上限和交易/税）命令与控制措施使能•公共采购•投资组合•当地购买规则标准知识共享和传播（生态系统支持）•国际合作•媒体活动•路线图/目标设定•产品标签/认证•培训•创新集群•专利数据库•阐明私人需求•规划•市场监管加强监管•建筑法规•知识产权保护•灵活性市场•热泵系统支持•区域供热/供冷•波动性可再生能源•综合能源政策蓄热109技术推动市场拉动随着技术本身的发展，技术推动支持通常在技术开发市场拉动支持在技术得到验证后提供，旨在让技术具项目商业化进程的初期实施。它可分为教育和研究支有商业竞争力并达到成功的部署水平。市场拉动支持持、示范支持和企业支持。可分为投资支持、价格支持和指挥控制支持。一旦技术在技术上和商业上得到验证，这些支持机制往往会•教育和研究支持主要侧重于商业化进程的早期阶变得更有意义。段，包括提供奖学金、签证和借调、实验室资助、企业和大学助学金、设立学术奖和奖项等干预措•投资支持涉及通过公共或私人风险投资等机制为商施。业企业提供各种形式的资本，或通过税收优惠、损失承保和保险等方式降低成本。•示范支持侧重于通过试验中心、联合工业项目、资助试验性示范、创新竞赛等机制，在实验室和运营•价格支持包括一系列机制，这些机制可帮助提高技环境中测试未经验证的技术。术的竞争力，为技术实施者提供额外的收入来源，有助于降低技术对投资者的财务风险。相关机制包•技术开发人员通常从学术机构、大公司或技术专家括上网电价、可交易证书，碳定价或限额和交易计中挑选出来，商业化经验非常有限。一旦证明该技划，以及投标和招标支持（例如差价合约）。术有效，就可以开启商业化进程。这就要求开发人员具备完全不同的技能，而他们在此之前可能只拥•指挥控制机制使用自上而下的方法，通过诸如公共有技术专长。因此，技术孵化基地、培训计划和教采购、本地采购规则和投资组合标准等措施将技术育政策或公司技能支持等形式的企业支持，可以帮推向市场。助技术初创企业开始建立或改进其商业产品。案例研究9.英国的LAES技术推动干预措施LAES在英国的应用英国的液态空气储能行业已开始受到上述三种示例技术推动支持方式的影响。2013年，英国工业和工程与物理科学研究委员会拨款1,360万英镑，成立了伯明翰低温储能中心和伯明翰储热中心，打造出教育和研究支持的典范。一家寻求将这些技术推向市场的企业在一个由政府资助的清洁技术孵化基地的协助下，发展了商业技能和商业策略。示范支持的提供一直没有间断，最近一次是在2018年，曼彻斯特附近的5MW/15MWhLAES项目便得到了这种支持。该项目是在约1,000万英镑的政府拨款支持下建设而成的（InnovateUK，2020年）。110创新展望案例研究10.加利福尼亚州为拉动储能市场实行强制干预措施加州强制储能措施通过市场拉动技术直接鼓励储能的政策实例之一是美国加州的强制储能措施。该提议于2013年由加州公共事业委员会发起，要求加州三大投资者拥有的公用事业公司在2020年之前在其能源机构中增加1.3GW的储能。加州的远大目标是使其50%的电力来自可再生能源，这可能导致加州政府规划或宣布更多的储能项目。然而，这一可再生电力目标少不了州立法者的不懈努力，才能解决与储能相关的复杂问题，包括如何对储能进行分类和监管（Hill和Williams，2016）。扶持措施•系统支持涉及支持可再生能源和其他基础设施发展的干预措施，可视为是发展TES技术的间接干预措决策部门可以采取一系列扶持性干预措施，使技术直施，随着扶持性基础设施的普及，对蓄热的需求也接或间接受益。这些措施在商业化进程的各个阶段都很可能会增加。例如，热泵和热水罐的渗透都可视很重要。为是TES技术跨多部门（建筑、工业、区域供热和供冷）发展的关键推动力。•知识共享和传播（生态系统支持）本质上是通过各种手段来提高认识。相关示例包括媒体宣传、培训需要一个长期规划周期，以便制定长期电力购买协议讲习班、路线图、产品标签或认证、可公开访问的或储能容量租赁协议。以约旦为例，该国于2018年提专利数据库以及此类的报告。诸如此类的干预措施出了一项提案，提议建造一个输入输出功率为30MW有助于增加市场需求，提高利益相关者的认可度，且可用能源容量为60MWh的储能系统。如果由私人并使投资者获得清晰的认识。开发商提供资金和管理，并签订一份长期承购协议（15年），金融家和投资者就会认为对储能系统的项•政策制定部门可以出台扶持性法规，以便向投资者目融资更加可行。这归因于储能系统市场成熟度、技提供清晰的说明并降低技术对投资者的财务风险。术改进、成本下降以及工程、采购和施工承包商市场通过改善计划法规、引入建筑法规淘汰化石燃料锅的稳定性。炉、调节市场（例如消除法规冲突、建立规范的热电和弹性市场，或实行脱碳政策）或保护知识产权，决策者可以减少壁垒，甚至提供激励措施。从2021年起实施的新欧盟法规要求各国制定能源和气候计划，欧盟成员国必须制定2021至2030年可再生能源在供热和供冷中的渗透规划。该法规还要求各国评估是否有必要为通过可再生资源生产的区域热能或冷能建设新的基础设施。蓄热1114.3各部门面临的主要障碍及建议政策部门应解决这些有关储能的监管障碍，向更大范围的市场清晰阐述储能应用于电力系统的大好前景。本节讨论第3章中概述的TES在各部门中遇到的障碍。此外，本节还提出了与每个部门相关的潜在政策在欧洲，决策者已经通过向更大范围的市场清晰阐述干预措施。这些措施可视为是上一节提出的“政策选储能应用于电力系统的大好前景，解决了储能方面的项菜单”的补充措施。监管障碍（表13）。具体来看TES，决策者必须从整个系统的角度评估和修改监管框架，才能确保电力和电力热力市场不会遭到孤立。在全球范围内，能源市场的法律法规中涉及储能或供当前的市场结构也限制了TES的商业化。需要释放热/供冷系统的内容不多。电力部门的规章制度通常基价格信号来提供灵活性，以此改善TES技术的价值于为被动消费者集中生产基础负荷电力的设想模式来定位。然而，政府应注意避免与VRE相关的电价大制定的。分布式波动性发电的增长和“产消者”的崛幅波动。以弃电为例，如果该问题不在更广大的市场起已经改变了电力市场参与者互动的方式，但监管框上显现出来，就几乎不会有解决该问题或更好地整合架总体上没有跟上步伐。有几个具有挑战性的法规怪VRE发电机的动机。如果在间歇性可再生能源渗透率圈阻碍了储能技术的发展，其中包括缺乏分类，以及较高的市场中价格波动明显，这就加强了部署储能的在储能和使用时可能出现的电力双倍收费。经济理由。欧盟可再生能源指令能源整合政策的一个跨国案例是欧盟的2009可再生能源指令。该指令要求所有欧盟成员国制定国家可再生能源行动计划(NREAP)，并在其中概述各自的2020年可再生能源目标。根据相关政策要求，所有成员国随后都制定了运输、电力和供热的脱碳目标。表12展示了三个成员国的NREAP目标。自从制定NREAP以来，大多数成员国已经采取了相关的政策措施，以实现其宣布的可再生能源部署目标。表12.欧盟三个成员国的NREAP介绍，揭示了2020年各部门的可再生能源渗透率目标部门/国家德国瑞典法国电力37%63%27%15%62%33%供热和供冷13%14%10.5%运输来源：IEA和IRENA，2018。112创新展望表13.欧盟储能部署中遇到的障碍障碍解决方案明确所有权所有权不明确对辅助服务和电网服务给予高额奖励价值流消除可再生能源的弃电，例如太阳能和风能弃电确保热能的定价能反映需求和/或稀缺性定价来源：Westgeest，2017。案例研究11.市场改革有助于减少中国的可再生能源弃电问题在中国避免弃电问题中国最近对市场环境进行了改革，以期更好地解决可再生能源弃电问题。中国政府于2016年出台了625号政策文件，旨在解决高比例的可再生能源弃电问题（Xuan和Dupuy，2016）。该政策的主要特点是可保证电网公司将首先购买可再生能源生产的电力（优先于化石燃料电厂的电力），并保证购买的最低小时数。由国家能源管理局和国家发改委规划分配情况。前些年在中国，遭受弃电的可再生能源发电商并没有因此得到任何付款或收入损失补偿，可以说，这无疑影响了可再生能源部门对于投资者的吸引力。然而，在出台625号文件后，可再生能源发电商有望从不可再生能源发电商或电网公司那里获得弃电补偿，具体取决于弃电的原因。由于示范项目相对较少，目前关于非CSP可再生能源例如，在墨西哥，将太阳热能用于工业生产过程的市发电热储能解决方案的技术和财务业绩的信息也很有场具有很大潜力，但对前期投资的需要和贷款计划的限。然而，目前有几个示范项目正在开发或建设中，缺乏一直是采用太阳热能的障碍。因此，其他更具有这些项目将测试TES在这些应用中的技术和商业可商业吸引力的投资项目可能会将使用或不使用TES的行性。我们需要为研究和示范项目提供更多资金，以可再生能源的优先级降低。市场拉动干预措施（如上推动创新，并进一步降低本报告中分析的所有技术成限和交易制度）可以激励工业部门在特定时间段内投本，而生态系统支持则有助于确保充分记录和分享通资可再生能源/TES，以此提高投资兴趣。过这些示范项目学到的知识。风险规避是工业部门脱碳工作中的另一个关键障碍，工业特别是新资本密集型技术的潜在部署方面。在没有充分保证成功的情况下，决策者通常不愿意冒着影响收工业部门的决策者通常把提高收入放在比降低成本更入的风险采用新的技术和方法。即使从概念上理解了重要的位置，并且非常重视投资回收期。此外，因为采用该技术的好处，但也没有任何一个组织愿意率先缺乏对CO2排放等外部进行定价的政策，而且某些情采取行动。况下还可以获得化石燃料补贴，所以会存在TES部署资金不足的问题，导致可再生能源难以整合到工业环境中。蓄热113生态系统和技术推动支持有助于围绕相关技术建立信后面的这个倡议是希望为冷链中应用储热技术这样的任，例如通过引入由受信第三方管理的认证计划，或解决方案筹集资金。通过政府资助的示范项目来建立信任。要加快冷链TES技术的商业化进程，需要采取一些最好将目标锁定那些对这种障碍可能不太重要的创新技术推动干预措施。在理想情况下，最好能对这些型公司。这些组织通常是面向客户大型公司，拥有专类型的倡议同时进行管理，以实现协同作用，例如在门的可持续发展部门（例如大型汽车制造商），并且英国LAES开发项目中实现的协同作用。正如前文所对成功实施脱碳计划所带来的名誉很感兴趣。此类活强调的一样，英国为研发活动和LAES示范项目拨款动有助于提高人们对储热所提供机会的认识，特别是证明了该技术的潜力，也有助于发展工业供应链和技对尚未商业化的技术的了解。通过明确TES在工业领术。域的潜在利益，提供生态系统支持以与相关市场参与者分享学习成果，决策者可以帮助加快TES的应用。预计冷链领域的大部分增长将出现在发展中国家。目前，实现供冷脱碳所需的技术涉及大量的资本支出成冷链本。冷链在农业中尤为重要，而小型农户经济资源有限将是部署TES和可再生供冷资产的一个关键障碍。预计冷链的能源需求将大幅增长。重要的是，应该采另一个障碍是利益相关者对冷链TES的认识和接受度用系统思维方法，确保政策制定和监管能鼓励这一重不够。要领域实现脱碳。大中型农户拥有投资储热技术的资源，但却没有得到从历史的角度看，缺乏研发投入是包括储热在内的冷补贴，对相关技术也是一窍不通。事实上，如果技术链技术发展的主要障碍之一。然而，自2015年以来，创新存在影响收入的风险，他们可能会对此持怀疑或有很多政府机构（例如欧盟冷冻中心）、教育机构（反对态度。同样的担忧在冷链的另一端（例如食品零例如英国热能研究促进机构）和慈善事业（例如基加售商）也很明显，他们对这些技术的潜力的认识也很利供冷效率计划）发起了一系列倡议。有限。案例研究12.印度实行技术推动和市场拉动干预措施以发展清洁冷链印度的农业冷链印度的干预措施成功支持了TES解决方案在农业中的早期采用。印度政府为农民投资采用储热技术的设备提供补贴。这是价格支持机制的一个示例。TES制造商在该国也一直在试行以租代购的方案。这样的方案可以鼓励农民尝试这些新技术，而不必承担前期投资带来的风险和抵押。决策者还可以将技术推动和市场拉动干预措施相结合，通过媒体宣传、知识共享和国际共同运作等生态系统支持，扩大此类示范的影响。这可以将有关储热技术优势的信息广泛传达给利益相关者（伯明翰大学，2017年）。114创新展望区域供热和供冷建筑尽管相关示范已经证明了设备和基础设施的技术可行电力公司将需要决策者的支持，以便提出解决方案，性，但投资成本高和可能的风险大目前使开发商不愿管理在建筑中使用量日益增多的可再生能源，提高电意优先考虑这些解决方案。此外，参与区域供热/供冷气化水平。项目的利益相关者（包括开发商、地方当局、公用事业公司、消费者和住房协会）的复杂性也进一步使这TES设备可以帮助管理建筑规模的能源需求，但仍不种情况恶化。开发商需要大量的人力和资源才能处理具备成本竞争力。消费者对于建筑物新型储热技术好与上述各种群体的关系。（热能和冷能）缺乏认识，而且市场需求量也不大。廉价的电力或天然气的供应和价格信号的缺乏（例如可以通过投资支持机制和指挥控制机制（例如通过公分时定价）限制了消费者对传统非智能水罐以外的热共采购）来加速项目的发展。此外，有关规划、建筑储能需求。对于商业建筑而言，能源通常只占企业总标准和环境保护的明确准则和法规将有助于促进项目成本的一小部分，与企业成本结构中更为核心的其他在开发区域供热/供冷系统的同时配套建设TES。部分相比，很少会被作为战略问题看待。欧盟目前关于区域供热和供冷的战略是确保其灵活政府部门可以协助为研发和示范提供资金，以证明系性，允许更快速地整合和部署可再生能源（欧洲委员统优势，提供生态系统支持（例如媒体宣传）以鼓励会，2016）。UTES技术可以在有限的占地面积内提消费者采用，并提供价格支持机制以增强可行性。决供强大的储能能力，并且与这些基础架构类型相关。策者还可以提供系统支持，即鼓励使用热泵，或确保然而，地下设施建设必须获得专业的规划许可，而决适当激励电网运营商有效地管理电网，而不是将投资策者可以消除项目进展的障碍，并确保规划程序的稳电网固强作为默认选项。健性，以协助开发商管理相关的利益相关者。在很多国家，对现有技术和基础设施的依赖限制了其可再生能源区域供热（以及任何与其相关的TES）的在供热和供冷领域脱碳方面可发挥的空间。尽管如市场需求可能会收到使用方便且具有成本效益的化石此，从燃气锅炉向可再生热能的转型将有助于推动燃料方案的影响。认识到继续使用化石燃料的外部成储热需求，因此可帮助解决间歇性问题。在建筑物方本将有助于创造公平的竞争环境。价格支持机制（例面，专家们正在考虑通过直接可再生能源供热（例如如碳税）构成了更广泛的监管框架的一部分，有助于屋顶太阳能集热板）、清洁的氢气或热能电气化来实提升可再生能源区域供热的竞争力。现供热脱碳。这些解决方案的广泛采用可以通过国家或地方主管机构所制定的强制性建筑法规来实现。例如，2017年6月，挪威气候与环境部宣布从2020年起禁止将石油和石蜡用于建筑物供热。该禁令将涉及新老建筑物、公共设施，以及私人住宅和企业。列出的一些替代方案包括热泵和木屑燃烧炉，这些设备的使用量将大幅增加。蓄热1154.4广泛部署TES的主要障碍表14.各终端用能部门应用TES所需支持的汇总表应用监管/政策环境利益相关者接受度技术表现财务建议电力•零散孤立的能源法律法•100MW规模的商业化•公用事业规模的热储能技•非CSP公用事业规模储能规。CSP工厂提高了国际电力术（非碳氢化合物用途）技术的商业可行性仍有待项目开发商和承包商的认仍处于早期发展阶段证明。•没有对热能或冷能出台规知度和信心。应在贷款人章制度。和消费者的认知上多下功•熔融盐TES的技术性能夫。在多家公用事业规模的GW级CSP工厂的10多年的运行跟踪记录中得到了验证。工业•零散孤立的能源法律法•规避风险的决策者可能会•很多前景光明的技术仍处•商业测试尚未证明除TTES规。优先考虑不会影响收入的于早期发展阶段，还没有以外的其他任何财务主解决方案，包括现有的化做好广泛部署的准备。张。•没有对热能或冷能的规章石燃料替代品。制度。•高资本支出的项目令人望而却步。要考虑可再生能•对非电力资产设备的补贴源项目的投资回报率必须有限。很高。•零散孤立的能源法律法•农业和食品零售业的利益规。相关者通常会规避风险。没有人愿意成为第一个吃冷链N/AN/A螃蟹的人。失败会使易腐•没有对热能或冷能的规章产品变质，进而影响创制度。收。•对于UTES技术来说，获取相关计划许可或许会很•区域供热潜热技术在技术/复杂。商业/环境上的表现最近才•可再生区域供热/供冷计区域供热得到证实，因此利益相关•基于新一代高温cPCM储划，无论是否储能，其前和供冷•零散孤立的能源监管。者对这些技术的认识和接能的示范项目很少。期成本都会很高，进而限受程度还很有限。制了吸引力。•没有对热能或冷能的监管。•对于UTES技术来说，获取相关计划许可或许会很复杂。•缺乏鼓励/强制采用化石燃•在供热/供冷应用中，低料供热系统替代品的建筑•消费者对家用和非家用热温PCM和储能解决方案建筑储能（热能和冷能）的认N/A法规。的技术成熟度仍然相对较知度都很低。低。•零散孤立的能源监管。•没有对热能或冷能的监管。注：N/A表示未发现主要需求。116创新展望应用产业供应链和技能市场机遇公司成熟度使能基础设施•缺乏对灵活性规定的重•工程、采购和建筑(EPC)电力N/A视将减少应用储能（包公司通过为CSP工厂实•CSP采用率有限与熔融括TES）的机遇。施17GW熔融盐TES系统盐TES的低需求量有关。而在竞争中日趋成熟。工业•目前技术商业化仍处于初•工业通常以收入为导向，•为了规避技术风险，客户•工业环境中采用的可再生期阶段，因此TES的供应因此对降低成本措施的投会优先选择成熟的设备供能源技术非常有限。链还相对欠发达。资往往是次要的优先事应商，这使早期企业很难项。闯入这一领域。•可再生能源在工业中的整合程度很低，部分原因是缺乏客户需求，导致客户对TES的兴趣受到影响。冷链•由于是新兴技术，供应链•发展中国家的小型农户面•与TES相关的制造商和•冷链需要得到完善-缺少还相对不发达，尤其是对临经济障碍，阻碍了TES其他企业都刚刚进入市功能性冷链化合物的问于LAES。的采用。场（尤其是对于PCM，题。LAES）。•发展中国家缺乏可靠电力基础设施是采用TES的驱动因素，因此改善电力基础设施会降低TES的价值定位。•相关障碍包括高昂的前期区域供热费用、可知的财务风险、N/AN/AN/A资源方面的限制、城市环和供冷境和现有网络。•在很多国家，廉价的天然•燃气基础设施的沉没成本气意味着对热储能和可再可能会减缓供热电气化的生热能的需求较低。进程。建筑N/A•廉价的电力则意味着对用N/A于冷却的热储能（而不是•在热能需求量最高的欧洲使用交流电）的需求很有和北美发达国家，热泵仍限。然相对稀缺。注：N/A表示未发现主要需求。蓄热117表15.终端用能部门中TES相关政策干预概述应用监管环境利益相关者接受度技术表现财务主张电力•脱碳政策。•为合理的储能和高温cPCM•为合理的储能和高温cPCM•为合理的储能和高温cPCM示范及试点提供资金，以研发、示范和试点提供资研发、示范和企业支持提•对供热市场进行监管，将便向投资者和其他利益金，以加快技术成熟。供资金，以通过创新来降其作为整体多载体能源监相关者证明技术和商业利低成本。管的一部分。益。•市场拉动政策可推动同地•储能指令。储能对TES的采用。工业•确保脱碳政策不会将工业•由政府主导各种倡议，•为研发、示范和试点提供•为研发、示范和试点提供排除在外。以便向行业参与者展示技资金（特别是对于化学和资金（特别是对于化学和术。潜热储能），以加快开发潜热储能），以通过创新•开展国际合作，以消除与速度。来降低成本。竞争力有关的担忧。•使用示范和“冠军”组织提供知识共享和传播支•一旦技术得到证明，就•取消化石燃料补贴，有助持，以减少采用技术的可应提供投资支持和价格支于提高TES的价值定位。知风险。持，将此作为市场拉动选择，以便克服财政障碍。•提供有关潜热储能示范的知识共享支持。•取消化石燃料补贴，有助冷链于使冷链技术比柴油替代•企业支持可帮助企业向客N/AN/A品更具竞争力。户展示和宣传TES的优势，有助于企业闯入/创造冷链市场。区域供热•更全面地改善区域供热和•提供有关潜热储能示范的•为化学和潜热储能解决方•TES有助于降低区域供热和供冷供冷的监管环境。知识共享支持。案提供一系列技术推动支和供冷的能源平准化成本持。(LCOE)。虽然区域供热•取消化石燃料补贴，有助和供冷的财务主张可以进于提高TES的价值定位。•为化学储能解决方案提供一步得到改善并受益于市市场拉动支持机制。场拉动机制，但知识共享支持也可以提高人们对TES优势的认识度。•取消化石燃料补贴，有助•技术推动支持，促进对低于提高TES的价值定位。•提供生态系统支持，以增温PCM和水合盐产品的开建筑•整合的规范化热电市场。强公众对家用TES应用优N/A发。势的了解。•市场拉动支持，激励家庭/•储能指令，建筑法规等。非家庭消费者购买设备。注：N/A表示未发现主要需求。118创新展望应用产业供应链和技能市场机遇公司成熟度使能基础设施•建立平衡市场、分时定价或其他激励措施，认清定期储存对电力部门的价值。•加速可再生能源的渗透电力N/A•需要建立长期的储能收N/A将推动对灵活性解决方案（如TES）的需求。入机制（例如电力采购协议），以满足全天24小时的需求（例如迪拜、南非、智利）。•建立平衡市场，使用分时定价或其他激励措施，认•由可信赖的第三方进行技工业N/A清需求灵活性所提供的价术认证/认可，可以降低预•加快太阳能热发电和热泵值，并帮助提高热储能期的风险。在工业领域中的渗透。（和现场可再生能源）的价值定位。•LAES与LNG气化基础设•企业支持和生态系统支持施的协调。冷链•支持供应链发展（例如N/A可提高LAES等新技术的LAES）。知名度。•基于LAES的冷链的开发。区域供热•生态系统支持可突出TES•作为整合系统方法的一部和供冷N/A在可再生区域能源项目中N/A分，加快可再生能源区域的优势。供热和供冷计划的渗透。•支持热泵的开发/渗透。建筑N/AN/AN/A•确保制定正确的激励措施，以实现有效的电网管理和调整。注：N/A表示未发现主要需求。蓄热119参考资料ABEDIN,A.H.ANDM.A.ROSEN(2012),“ClosedandARCHIMEDESOLARENERGY(2020),MoltensaltsvsOil（熔融openthermochemicalenergystorage:Energy-and盐和石油）,www.archimedesolarenergy.it/molten_exer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高级别上描述了TES•子类–确定一个特定的子组，如氧化还原或水合/可以支持哪些可再生能源整合的用例。为了验证这脱水，以帮助进一步对技术进行区分。一要素，我们采用了IEA的可再生能源整合挑战，例如输出的波动性、输出的不确定性和地理依赖•技术成熟度等级(TRL)–一种标准的TRL指标，性。我们随后针对这29种技术分别进行了高水平用来确定每种TES技术的技术成熟度（在研究的的分析，确定其是否能提供应对其中一项或多项挑后期还额外使用了商业就绪水平指标来确定开发战的解决方案，以防止这些挑战构成阻碍可再生能需求）。源在全球能源系统中达到高渗透率的障碍。除了上述基本属性外，我们还制定了四个具体指标，除上述努力外，我们还根据伯明翰大学的专家意见，以帮助了解这些TES技术在全球可再生能源整合中在高层次上摸清了哪些地方有进一步创新的巨大潜的适用性，以确保短名单中的技术能广泛地应用于力，以降低成本并提高绩效。IRENA的成员国。这些指标包括：对于长名单中的29项技术，上述这些要素通过定量输入（如TRL）或红/黄/绿（用于通用性和可复制性等）与其中每项技术进行了匹配。然后根据以下内容进行优先排序，列出技术短名单：128创新展望•中等TRL及以上6.2显热蓄热•中高工业兴趣水平显热储热系统由用于储能介质的容器和用于充放能过程的设备组成。容器的类型取决于工作温度范围、与•一个或多个支持可再生能源整合的用例储能材料的化学相容性以及所需的有效绝热，也构成了TES系统总成本的重要组成部分。•全球能源系统适用性属性平均为黄色或以上罐式蓄热•中高水平的进一步创新潜力。在TTES中，热能使用流体（通常是水）来储存。这我们随后利用这些筛选条件制定了最终的短名单，从里重点介绍TTES系统配置中与应用相关的方面。长名单中的29种技术中选出了13种不同的技术。可能还有其他技术符合这些标准，本报告并没有详细介储罐的扩展性很强。容量为几升的小体积储罐与太阳绍，但如上所述，我们对各种备选方案进行了详细分热能结合使用，可用于小型住宅应用。对于大型应用析以得出重点技术清单。（商业、工业和区域供热）来说，储罐最大可扩展到数百万立方米，仅受可用空间的限制。我们可以使用本节进一步提供了报告中所述技术的技术细节。其中不同的配置（单罐、双罐和多罐），如图48所示。包括有关系统组件、材料和配置的进一步细节。这些单罐是最简单热储能形式。加热在保温罐中的冷流技术根据支撑其功能的工作原理进行划分：体，使其达到储罐起始温度与载热流体温度之间的平均温度。在双罐系统中，两个罐子都必须有能力容纳1.显热储热。所有液体，所以总体积是合理材料体积的两倍。2.潜热储热。3.热化学储热。4.机械热耦合系统。蓄热129图48.不同水罐配置传热流体输出负荷热罐（热）I:单罐显热蓄热热储罐太阳能集热器输出负荷（冷）冷II:单双罐显热蓄热传热流体冷罐热输入负荷（冷）太阳能集热器输出负荷（热）冷III:(a)启动时、(b)中午、(c)一天结束时的多罐显热蓄热1号罐2号罐3号罐热（冷）（冷）（空）(A)太阳能集热器1号罐2号罐3号罐冷（空）（冷）（热）热1号罐2号罐3号罐(B)太阳能集热器（热）（空）（热）冷热(C)太阳能集热器冷来源：Stine和Geyer，2001。130创新展望固态6.3潜热蓄热固态材料作为显热TES，可以在从超低温至高达低温相变材料1000°C的温度范围中使用（Xu和Chung，2000年）。天然物质和人工物质都已被作为储能介质来研目前有几种相变材料正得到使用，相变温度从0到究，如岩石、卵石、混凝土和陶瓷砖等。对于小规模120℃。在有机材料方面，石蜡是最常用的材料。这应用（家用和商用），可使用工作温度高达700℃的种材料在室温下由蜡形成，化学成分为碳氢化合物和陶瓷砖。该系统的组成部分有：蓄热材料、高性能保烷烃CnHn+2。熔点随碳原子数的增加而提高（Fatih温材料（避免热损失），以及将热量从储能介质运送Demirbas，2006年）。主要使用实验室级石蜡、十到使用点的风机。这些系统通常在夜间充能，并有一四烷和十六烷及其二元混合物（Farid等人，2004个智能控件来管理充能/释能过程的水平和时间。年）。在无机材料方面，溴化锶(SrBr.xHO)等盐水合物已大量用于家庭供热。熔融盐封装或使用形状稳定化（通过将PCM整合到支撑最常用的盐是HITEC三元盐（53%的硝酸钾材料中并将其在外壳中微囊化以进行制备）是最常[KNO]，7%的硝酸钠[NaNO]，40%的亚硝酸用的石蜡形式。最近出现的旨在实现温度控制的光钠[NaNO]），以及一种名为“太阳盐”的二元盐混伏(PV)和PCM系统整合概念，为将其扩展到建筑一合物。该混合物由60%的硝酸钠(NaNO)和40%的体化集中式光伏(BICPV)系统提供了机会。被动地硝酸钾(KNO)组成（欧洲储能协会和欧洲能源研究使用PCM将BICPV装置的温度保持在安全的工作范联盟，2017a）。围内，并且还可以收集废热以进行再生（Sharma等人，2016年）（请参见图49）。蓄热131图49.BICPV-石蜡系统概念BICPV硅LGBC介电集中器模块铝背板太阳能电池PCMPCM密闭AI底部T(PV),th2PCMh1有机硅酮树脂光线追迹太阳辐照度玻璃墙焊接连接(DNI)热电偶来源：Sharma等人，2016。132创新展望高温复合相变材料6.4热化学蓄热高温复合材料PCM(cPCM)的工作温度由其PCM熔化学循环点决定。对于中温应用（工作温度接近传统熔融盐）和高温应用（温度高于目前的聚光太阳能发电储能系先前已有其他作者考虑了几种方案来分析钙循环统），无机盐的二元和三元混合物已作为载热流体(CaL)过程和CSP的整合。Tregambi等人(2015)提(HTF)和TES材料已得到广泛研究并用于各种蓄热应出了一种CSP辅助CaCO焙烧的配置。Zhai等人用。碱的硝酸盐、氯酸盐和硫酸盐，以及碱金属，如(2016)分析了CSP在CO捕集系统中回收能量的几镁、钾、锂、钙等，是生产中温共晶混合物的主要化种方案。Edwards和Materi(2012)研究了CSP-CaL合物（PereiradaCunha和Eames，2016）。表16列整合，将碳酸化反应器中产生的热量用于通过CO/出了文献中提出的一些复合材料候选材料。熔融碳酸空气开放循环进行发电。Muñoz-Antón等人(2015)盐的显著特点包括其化学稳定性、安全性以及在广泛分析了在无储能的CSP发电厂整合一个接近临界的的中温(500-600°C)和中高温(600-800°C)条件下CO布雷顿循环，以实现更高的循环效率。Alovisio的最佳性能，这些特点使其很适合用于CSP应用。等人(2017)探讨了几种概念配置，以最大限度地提高CSP-CaL整合性能，重点关注碳酸化器的动力循环整合。CSP-CaL配置的示例如图50所示。表16.科学文献中提出的无机复合材料PCM陶瓷基质高热量增强剂结果参考共晶碳酸盐MgO的微观结构天然石墨和碳纳米管导热率超过4.3W/(m·K)，(LiNaCO3)N/A（Alonso等人，2016年）共晶硝酸盐N/A(NaKNO3)储能密度超过530kJ/kg共晶氯化物膨胀石墨导热率最高为51.5W/（Giannuzzi等人，2017(MgCl-KCl)膨胀石墨和石墨纸(m·K)，能量密度最高为年）80kJ/kg。（Giannuzzi等人，2017导热系数：年）12.7W/(m·K)能量密度：205MJ/m注：N/A表示没有发现主要需求。蓄热133图50.用于热化学蓄热的CSP-CaL整合CSP输入储能释放的QCaO(S)CaOCaO(S)储存煅烧炉换热网络换热网络碳酸化器CaCO3/CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)CaOCaO(s)+CO2(g)CaCO3(s)ΔΗr0=+178kJ/mol储存ΔΗr0=‒178kJ/molCO2(g)CO2CO2(g)储存CO2COMPCO2TURQ电力循环来源：Alovisio等人，2017。水合盐吸附根据应用需求可采用两种不同的配置系统：封闭式系统和开放式系统（图51）。开放式系统与环境交换质在蓄热应用中使用水化反应的主要关注点在于吸量和能量，通常在环境压力下运行（Ferchaud，2016湿性盐类，例如氯化镁(MgCl)、硫化钠(NaS)、年）。封闭式系统仅与周围环境交换能量，通常需溴化锶(SrBr)和硫酸镁(MgSO)（Yu、Wang和要抽空以增强吸附质的输送（vanEssen等人，2010Wang，2013年）。热化学蓄热材料(TCM)的主要特年）。根据储能介质、需求条件和系统位置，选择征是高能量密度、高吸收性、低充能温度和高导热开放式或封闭式系统。与封闭式系统相比，开放式性。表17列出了最有前景的TCM及相关研究项目。反应器可在大气压下运行，所以使用范围更广。开硫酸镁因其能量密度和成本低的特点，一直是研究人放式反应器的系统也更紧凑，传热和传质效果更好。员评估最多的材料（Paulik，Paulik和Arnold，1981此外，据报道，开放式系统的能源效率比封闭式系统年；vanEssen，Zondag等人，2009年；Ferchaud高19%（开放式系统为69%，封闭式系统为50％）等人，2014年；Posern等人，2015年；Kallenberger（Abedin和Rosen，2012年）。等人，2016年）。然而，大多数研究得出的结论是，由于纯硫酸镁的功率密度很低，可循环性差，实际使用起来非常困难。134创新展望表17.研究人员针对季节性储能应用提出的TCM材料材料理论能量密度原型能量密度充能温度释能温度价格研究水平项目(kWh/m3)(kWh/m3)（美元/1000kg）（Fopah-Lele等(°C)(°C)（Trausel、DeJong人，2016年）（Trausel,DeJong和Cuypers，和Cuypers，2014年）2014年）MgSO·7H0476N/A122-1503087反应器规模N/A（实验室规模）MgCl·6HO750140(5H2O)11735174反应器规模N/A（原型）CaCl·6HO200609535131反应器规模SOLAUTARK（理论研究）项目SbBr·6HO6356070-80352708反应器规模和PROMES，原型SOLUX原型注：1欧元=1.13美元；N/A表示未发现主要需求。来源：vanEssen，CotGores等人，2009。图51.水合盐封闭式系统(a)和开放式系统(b)的配置充能充能蒸汽热能输入干热空气吸收剂湿暖空气冷凝器热量释放热能输入反应器-太阳能-微型热电联产释能反应器蒸汽释能增湿器干暖空气吸收剂湿冷空气低温热源反应器热能输出-空间供热反应器冷凝器-热水来源：Lele，2016。蓄热135图52.分离反应器概念的工艺配置太阳能供应水蒸气冷凝器/蒸发器解吸器/吸收器SolutiontankDesorber/absorber建筑供热与环境进行热交换溶液罐LiBr液态水罐溶液水来源：N'Tsoukpoe、LePierrès和Luo，2013。吸收式系统最常见的工作液是水/NH和LiBr/水（Sarbu和Sebarchievici，2013年）。对于空间温度调节和其他在吸收式系统中，有一个回路用于浓缩溶液和稀释溶要求冷却液温度达到40℃以上的情况，水/溴化锂液，另一个回路则只用于吸附质。这些系统的工作原是最常见的解决方案。对于较低的温度，一般使用理是通过对吸附质的吸收和解吸使溶液的浓度由稀变氨/水。确实还存在着很多挑战，例如HO/LiBr对有浓，反之亦然。如图52所示，浓溶液从蒸发器吸收可能结晶，NH/H2O对很难分离。因此，对替代溶剂了吸附质后变成了稀溶液。稀溶液从基础溶液中蒸发进行研究仍然是一个重要的话题，因为只有这样，才出吸附质后，变成浓溶液，然后在发生器中加热后在能提高吸附率和效率(COP)，降低驱动热源的温度，冷凝器中凝结（Lele，2016年）。并通过提高吸收率来改善吸收剂的性能（Ibrahim、Al-Sulaiman和Ani，2018年）。吸收式供冷系统的性能主要取决于工作流体的化学和热力学特性（Sarbu和Sebarchievici，2013年）。结吸收式系统由七个主要部分组成：解吸器、吸收器、合使用吸收剂/供冷剂的主要条件是，它们必须在循冷凝器、蒸发器、两个溶液储罐（稀释和浓缩溶液）环的工作温度范围内具有一定的可混性，而且混合和吸附质储罐（图53）。当有太阳能热能时，系统以物还应该具有化学稳定性、无毒和无爆炸性（Sarbu充能模式运行，而在供热需求期则以释能模式运行。和Sebarchievici，2013年）。最近研究的材料包括氯化钙(CaCl)、氯化锂(LiCl)、溴化锂(LiBr)、氢吸收式系统可用于空调、供冷等多种应用，并可与太氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)和氨水的水溶液阳能技术整合，用于建筑空间供热的长期太阳能蓄（Lele，2016年）。热。图53对此进行了总结（N'Tsoukpoe、LePierrès和Luo，2013年）。136创新展望图53.吸收式蓄热系统原理图蒸汽地面耦合解吸器换热器夏季（充能）30˚太阳能冷凝器集热器60˚CSDS吸收剂储罐浓缩稀释液储罐液储罐蒸发器冬季（释能）CSDS地面耦合加热地板换热器吸收器10˚>25˚蒸汽注：CS=浓缩溶液；DS=稀释溶液。来源：N’Tsoukpoe、LePierrès和Luo，2013。6.5机械热储能系统A-CAES可以分解为三个部分（见图54），即充能、储能和释能。在充能时，由一台或多台电动机驱动的TES用于绝热压缩空气储能压缩机给空气加压（>75bar）。在储能时，压缩空气储存器在高压下储存空气，而TES在充能过程中储有专家提议使用绝热压缩空气储能(A-CAES)系统，存压缩热。在释能时，由膨胀器驱动发电机。TES可通过增加一个高温TES装置来提高CAES的整体效安装在压缩空气储存器内部，以避免使用高压容率。该装置可储存压缩热，防止这些热量将在气体压器，这种类型的系统被称为先进绝热压缩空气储能缩阶段损失，供以后在膨胀过程中使用。(AA-CAES)。CAES工作原理类似充放电的电池。其可以轻松扩展；然而，这种方法一般使用洞穴来降低储存成本，因此通常存在地理限制。蓄热137图54.TES绝热CAESMCompExpG蓄热(TES)压缩空气储能(CAS)来源：Yu、Wang和Wang，2013。TES用于液态空气储能执行摘要的必备信息与CAES相比，液态空气储能(LAES)的能量密度更上游-从电力供应部门的角度来看：高，并且不受地域限制。通过整合废热源，LAES的效率可进一步提高到90％或更高（Li，2011年）。•对系统的影响–需求、容量/峰值、负荷状况、电LAES可以作为电能储存装置来进行充放电。液态空网投资。气也可作为发动机燃料使用，而冷能也可以用于供冷（DearmanEngine，未注明日期）。•灵活性–这些负荷/技术是否能成为灵活性的来源？怎样实现？在充能时，电机连接压缩机进行压缩，而膨胀机则用下游-从（需求）耦合和服务的角度来看：于液化。在释能时，低温泵和蒸发器用于蒸发和加•要在未来成功实现电气化，现在需要考虑到哪些基热，空气涡轮机与发电机相连并由膨胀驱动。在储能时，有液态空气储存、冷储能和热储能（例如导热油础设施和其他方面？和/或PCM）。热交换器用于压缩空气和TES之间的•如何使每个应用的商业案例得到加强？（系统方冷热传递。对于整合其他生产过程中废热的系统，没有必要储存来自压缩的热量以用于排放过程。法；例如分时定价？）从TES的作用出发：•从供应方的角度出发，为能源系统提供灵活性。•从需求方的角度出发，塑造冷热负荷。•电力、燃气、热能、冷能部门耦合的推动力。•短期和长期灵活性（从几分钟到季节性）。138创新展望附录图1.2010-2050年与能源相关的CO2排放量(Gt/yr)能源相关的CO2排放，2010-2050基准能源情景CO（Gt/年）43Gt2050454045%35规划能源情景26%33Gt205029%建筑30建筑运输能源转型情景52%区域供热中减排潜力的25三分之二27%运输电力21%20工业区域供热15电力105能源转型情景工业9.5Gt2050020152020202520302035204020452050可再生能源2010能源效率燃料转换和其他来源：IRENA，2020。全球能源系统正在经历由脱碳驱动的重大转型。能源VRE整合可实现终端用能部门的整合、需求转移，推部门在全球碳排放量中的占比很大，每年排放将近延对昂贵的电力基础设施的投资。有些储能技术还能43GT的CO。电力部门是脱碳工作的重点所在。然够长期有效地储存能量，很适合于季节性储能。而，其他部门的脱碳（例如建筑、工业的区域供热和供冷以及区域供热和供冷计划）也很重要，而且进展蓄热技术的技术特征广泛、质量不一，缓慢。根据IRENA的预测，考虑到储能系统和终端用这意味着其可以满足数小时甚至数月的能部门的电气化，到2050年，可再生能源电力可提蓄热需求。供与实现CO减排要求相关的90%以上的能源。蓄热技术的种类很多，主要是按照具体材料储存和释此外，能源系统的灵活性使所有部门实现可再生能源放能量的基本物理原理进行分类。不同的技术还具有整合的必要条件，而储能是提高系统灵活性的其中不同的工作温度范围，从零下一直到500°C以上，一个关键性技术解决方案。而工作温度范围决定了技术的应用范围。本报告研究了13种TES子技术及其可为能源部门带来的价值和效益。蓄热139表18.TES技术与能源部门CSP风能/PV太阳能热与可再生能源发电整合显热：熔融盐耦合：CAES、LAES显热：TTES、UTESPCM：无机盐化合物TCS：化学循环、水合盐、在区域级别使用TCS：化学循环区域供冷（大规模）显热：TTES、UTES吸收式系统区域供热显热：TTES、UTESPCM：冰工业PCM：无机盐化合物TCS：吸收式系统显热：卵石/陶瓷砖PCM：无机盐化合物TCS：化学循环商业TCS：化学循环，水合盐PCM：冰、共晶体、石蜡在消费者级别使用冷链运输住宅（小规模）PCM：冰，共晶体TCS：吸收式系统显热：TTES、UTES、耦合：LAES卵石/陶瓷砖PCM：石蜡TCS：水合盐140创新展望www.irena.orgwww.facebook.com/irena.orgwww.twitter.com/irenawww.instagram.com/irenaimages©IRENA2020版权所有