前言：在之前的兩篇綜合能源系列文章中，我們分別介紹了
電池技術與電轉氣技術，兩者都是儲電領域的關鍵技術，且都有著廣闊的應用前景。今天我們將目光放在熱儲能領域，目前我國熱/冷能能耗約佔全社會能源消耗的40%左右，接近全國電力消費的總額，因而儲熱技術的發展空間十分巨大且應用廣泛，不僅可以通過將谷電以熱能形式存儲的方式有效提升可再生能源的消納率，平抑負荷側波動，還可以推動電能替代，緩解大氣汙染。在多種儲能技術中，相變儲熱技術的發展前景被廣泛看好，這裡將為大家展開詳細的介紹。一、儲熱技術基本概況
在文章的開始，先簡要介紹一下儲熱技術的一些基本概況。
儲能技術大體上可以分為三類：顯熱儲熱，化學儲熱和潛熱儲熱（即相變儲熱）。
顯熱儲熱：儲能密度低、體積大、溫度輸出波動大、成本低、裝置結構簡單、技術成熟，已有鎂磚、混凝土等固體儲熱的商業化產品。
化學儲熱：儲能密度高、儲能週期長，但穩定性差、具有一定危險性，尚處於實驗室研究階段，無工程示範應用。
潛熱儲熱（相變儲熱）：儲能密度高、體積小、溫度輸出平穩，但循環壽命有待提升，已經進入商業化應用階段。
在儲熱規模、週期和成本方面，顯熱儲熱技術的儲能規模約0.001～10MW，儲能週期約數小時～數天，成本約0.8～79元/（KW·h）；
相變儲能技術的儲能規模約0.001～1MW，儲能週期約數小時～數週，成本約79～390元/（KW·h）；熱化學儲能技術的儲能規模約0.01～1MW，儲能週期約數天～數月，成本約63～780元/（KW·h）。顯熱儲熱技術具有明顯的成本優勢，熱化學儲能技術的儲能週期較突出。在儲能密度方面，熱化學儲熱技術要遠遠超過顯熱儲熱技術,相變儲熱技術常位於兩者之間（特定的溫度使用範圍內）。但值得我們注意的是，顯熱儲熱技術和相變儲熱技術的儲能密度已得到大量的商業化驗證，而熱化學儲熱技術多停留在理論測算或者實驗室階段，還需要經過商業化進一步驗證。
儲熱體系的優劣主要取決於化學變化的過程，優質的儲熱體系需具備的條件如下：
反應焓值高、儲熱密度大、工藝條件溫和、反應速率快、儲放效率高、反應參與物性質穩定和價廉易得、規模化生產設備要求低。常用儲熱材料有水、導熱油及熔融鹽（顯熱）等液態材料，還有鎂磚、混凝土及複合相變等固體材料，由於固體材料具有工作溫度範圍寬、儲熱密度大、無需封裝等優勢，因而是是目前儲熱領域研究及應用的熱點。在固體儲熱技術中，相變儲熱由於其儲熱密度大、溫度輸出平穩、裝置緊湊且易於規模化的特點，成為了儲熱領域的佼佼者。
二、相變儲能技術
1.什麼是相變儲能
相變儲能是熱儲能的一種利用相變材料（Phase Change Material, PCM）儲熱特性, 來儲存或者是釋放其中的熱量，從而達到一定的調節和控制該相變材料周圍環境的溫度, 以此改變能量使用的時空分佈, 提高能源的使用效率。
2.相變儲能的技術原理簡介
相變儲能利用的是材料在從一種物態到另外一種轉換過程中熱力學狀態（焓）的變化。比如冰在融化為水的過程中要從周圍環境吸收大量的熱量，而在重新凝固時又要放出大量的熱量。這種吸熱/放熱的過程中，材料溫度不變，即在很小的溫度變化範圍能帶來大量的能量轉換 ，是相變儲能的主要特點。下圖以固液相變轉化儲能為例：
圖：固液相變轉化儲能
相變材料需要滿足一些特定的要求，比如說：
(1)化學性能方面：在反覆的相變過程中化學性能穩定，可多次循環利用，對環境友好，無毒，安全。
(2)物理性能方面：材料發生相變時的體積變化小，容易儲存；放熱過程溫度變化穩定。
(3)經濟性方面：材料的價格比較便宜，並且較容易製備。常見的相變狀態中，固-氣相變和液-氣相變在過程中有氣體產生，自身體積變化較大，因此較少被應用，固-固相變類型本身較少，固-液相變成為了應用中的主流。
3.典型的相變材料
水是我們最常見的相變材料，在０℃水凝結成冰時釋放的熱量 就大致等於將水從０℃加熱到80攝氏度釋放的熱量。這是因為材料在相變時的焓變（334KJ/Kg）比起溫度變化時的焓變(4.19 KJ/Kg) 高了很多倍，這也成為相變材料的一個明顯優勢——能量密度高而且體積小。
常見的無機鹽類相變材料包括溶解鹽類和結晶水合鹽類。比如鋁硅鹽類的融化溫度在577℃，遠高於冰-水作為相變儲能的工作溫度，一般應用於高溫領域。此外，無機鹽類的相變潛熱也更大，如鋁硅鹽類的能夠達到560KJ/kg。
石蠟作為相變材料時，工作溫度在水與無機鹽類之間，一般為40℃到70℃之間，適合於常溫工況，相變時潛熱在200-240KJ/Kg之間。石蠟作為相變儲能材料，與無機鹽類比不存在過冷及析出現象、無毒性和腐蝕性，成本低。缺點是導熱係數小，密度小，單位體積儲熱能力差。
目前相變材料的研究中，正在結合無機鹽類和石蠟為代表的有機小分子類材料的優勢，製成複合相變材料 ，如在石蠟中添加高熱導率材料如鋁、銅、石墨等，改善熱物特性，提高儲熱能力。
4.相變儲能的發展歷史與成熟度
對於相變材料的研究開始於上世紀50年代，Maria Telkes博士觀察到了硼砂相變吸熱降溫的效果，並研究了其相變循環次數。60年代美國NASA展開了相變材料應用研究，以控制溫度對航天器內宇航員與儀器的影響。之後美國科學實驗室將其應用於建築領域，將十水硫酸鈉共熔混合物做為相變芯材，組成太陽能建築板，並進行試驗性應用，取得了較好的效果。90年代以來，相變儲能材料作為冷卻劑或者活化劑，也被用於光熱、核能系統中的換熱器裡。近幾年，相變儲能的研究熱點在探索複合相變材料，以及
結合納米技術的包裝應用等領域。5.相變儲能材料的應用
建築領域
在建築領域相變儲能材料常用於大容量儲冷儲熱，一般與供熱系統或建築材料結合，可成為建築組成中的一部分，如內牆、樓板等，也可在冷熱源處配置，如冰蓄冷設備。近年來較為火熱的“被動式房屋”中，相變儲能材料就得到了很好的應用，與採暖通風系統結合。由於舒適性的需要，需選擇工作溫度在21℃至26℃之間的複合相變材料。和冰蓄冷系統相比，在建材中結合的相變儲能材料不需要複雜的控制系統，吸熱和放熱都是被動過程，由材料物性決定。下圖為德國達姆施塔特大學的實驗住宅 ，使用了巴斯夫製作的PCM石灰板為吊頂。
圖：德國達姆施塔特大學的實驗住宅
6.電力調峰功能分析
在需求側領域，相變儲能也能通過儲存建築熱能以達到降低電力峰值需求的目的。電力生產過程的連續性，要求發、輸、變、配電和用電在同一瞬間完成，因此發電、供電、用電之間必須隨時保持平衡，而且電力系統必須有一定的發電備用容量。電力需求在白天和黑夜、不同季節間存在巨大的峰谷差，從建設成本、資源保護的角度出發，通過新增發輸配電設備來滿足高峰負荷的需求變得越來越困難。而且，可再生和分佈式能源越來越多的應用使得分散的儲能系統的 重要性日益增加。儲能可以有效地實現需求側管理，發揮削峰填谷的作用，消除晝夜峰谷差，改善電力系統的日負荷率，使發電設備的利用率大大提高，從而提高電網整體的運行效率，降低供電成本。
7.改善電網特性、滿足可再生能源需要
儲能裝置具有轉換效率高且動作快速的特點，能夠與系統獨立進行有功、無功的交換。將儲能設備與先進的電能轉換和控制技術相結合，可以實現對電網的快速控制，改善電網的靜態和動態特性，在平抑、穩定風能發電或光伏發電的輸出功率和提升新能源的利用價值方面具有重要作用。根據現行的風電場併網標準GB/T19963-2011《風電場接入電力系統技術規定》，風電場有功功率變化應滿足電網調度部門的要求。通過
高效儲能裝置及其配套設備，與風電/光伏發電機組容量相匹配，支持充放電狀態的迅速切換，確保併網系統安全穩定，滿足可再生能源系統的需要。
圖：德國被動房主要技術措施
除此之外，在汽車領域，相變材料也有用武之地。發動機的廢熱 被儲存後，可以在冷啟動的時候重新使用。對於電動汽車，相變儲能材料主要是石墨烯/石墨複合材料，或泡沫金屬（銅，鎳或鋁）/石墨複合材料，能夠保證電池的工作溫度恆定在一個合適的範圍，並保證電池溫度的一致性，防止電池過熱以保證安全，同時也能夠避免冬天氣溫降低帶來的續航里程縮短。
三、國內相關政策支持
戰略期：電力輔助服務新政與儲能未來十年目標
2017年《關於促進儲能技術與產業發展的指導意見(徵求意見稿)》 首次明確儲能戰略定位，儲能產業迎來戰略期。
國家出臺的關於產業落實指導意見如下：
2017年2月《2017年能源工作指導意見》發佈，要求積極推進儲能項目工程建設。
2017年3月《關於促進儲能技術與產業發展的指導意見(徵求意見稿)》印發，首次明確儲能戰略定位。
2017年10月《關於促進我國儲能技術與產業發展的指導意見》發佈，為儲能產業從短期到中長期的發展書寫了儲能產業未來十年的發展目標。
其次，儲能參與電力輔助服務新政在戰略期密集出臺，能參與電力輔助服務的領域越發寬闊，儲能的靈活性也得以體現。儲能在電力需求側響應相關的政策也層出不窮。
總結而言，儲能市場在國家政策上的響應遵循以下三點：
1、鼓勵性和認可性政策讓資本加強信心對儲能產業的投入，但是標準建設不完善，資本一哄而上，造成產能過剩，將原本是解決環境問題的方案，帶來新的環境問題；
2、近期多項有關儲能的政策接連出臺，廣泛的應用推廣並沒有普遍出現，儲能行業期盼更多可操作性政策措施能夠推出，明確儲能實體在電網中的角色，明確儲能電力的商業屬性及價值界定規則。
3、儲能投資方並不能有效瞭解電網對儲能的需求，而且基本上沒有了解的途徑。電網需要系統化設計、規劃並指導全社會儲能的投資建設，使得儲能系統投資建設更合理、更有效。
四、國內外應用案例與經濟性分析
國外先進案例
除了我國大力發展儲能以外，作為能源轉型主推手的歐盟同樣也在儲能上投入了大量的研究與商業模式分析，下面簡單介紹幾個以歐洲能源行業為主的儲能應用場景：
1.相變儲能冰箱
目前，德國的研究人員正在研究將相變存儲作為電網中的可移動負載的冷卻設備的經濟和技術潛力。目的是證明與其他蓄電技術相比的可行性和優勢，並確定其蓄電成本。在用戶側中，冰箱可以作為用電與製冷的最常見的大型設備。現在， 86-255升的相變介質被安置在冰箱中，家用冰箱使用電力來冷卻食物。由於潛熱存儲裝置的數量眾多和使用，可以在電網中產生顯著的，可移動的負載，而不會給用戶帶來任何舒適感。初步研究表明，與純電相比，熱能存儲每千瓦時的存儲成本要便宜。該項目已經進入了優化系統的階段，獲得
德國聯邦研究所的項目支持。
圖：德國項目-相變儲能冰箱
2.DENSE：直接接觸式相變儲能
瑞士盧塞恩應用科技大學基於直接接觸式潛在存儲概念（使用酯作為PCM）開發緊湊型高功率存儲， 目的是為了克服存儲單元固有的低傳熱速率以及缺乏具有良好熱物理性質。酯具有良好的熱性能，並且由於其生物來源和可生物降解性，構成了未來儲能系統的可持續解決方案。它們在熱傳遞流體和PCM之間直接接觸的存儲系統中的實現可以大大增加熱傳遞。在該項目中，將對直接接觸式存儲系統中的傳熱現象進行建模，並建立實驗室規模的裝置以表徵系統的流動和循環行為。
國內外綜合對比分析
五、總結
未來，儲熱技術將向高效、低成本、長壽命、規模化方向發展，有望在可再生能源消納、電網削峰填谷、用戶冷熱電汽聯供等場合實現推廣應用，構建以電為中心、冷-熱-電-汽多能融合的綜合能源互聯網，實現電力網與熱力網互聯互通，相變儲能技術將為這項大規模可再生能源消納和綜合能源服務提供重要技術支撐。
[1] 交能網：什麼是相變儲能
[2] 熱化學儲熱技術商業化應用
[3] 相變儲能負荷材料及其電力調峰功能分析
[4] Farid, Mohammed M., et al. "A review on phase change energy storage: materials and applications." Energy conversion and management 45.9-10 (2004): 1597-1615.
[5] Wang, Xin, et al. "Review on thermal performance of phase change energy storage building envelope." Chinese science bulletin 54.6 (2009): 920-928.
[6] 我國重點相變儲熱供暖技術廠商統計
[7] 固體儲熱技術現狀及挑戰，徐佳芝，全球能源互聯網研究院有限公司
[8] 新型相變材料與電熱相變儲能熱水熱風聯供裝置及經濟性分析
[9] 新能源電力系統中的儲能技術研究綜述
[10] DENSE: Direct-contact ENergy StoragE - high thermal power in compact storage systems using esters as phase change materials
[11]https://forschung-energiespeicher.info/waerme-speichern/projektliste/projekt-einzelansicht/108/Kuehlschrank_mit_Latentwaermespeicher/
作者 | 陳夏
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