创新前景：储热.pdf

创新前景储热创新前景储热 IRENA 2020 版权所有Supported by:based on a decision of the German Bundestag支持单位：蓄热为整合高比例的太阳能和 风能提供了必要的灵活性。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.381.2 TES 市场评估.421.3 TES 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.532.2 TES 技术的关键属性.67目录创新展望43 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.1064.1 TES 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创新展望6图片图 1.TES 在能源部门的关键应用.17图 2.所研究 TES 技术的工作温度和时间范围.18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.19图 4.熔融盐 TES 装机容量.19图 5.全球范围内 TES 空间供冷装机容量和预测容量.20图 6.TES 供热应用的装机容量.20图 7.TES 在电力部门的技术现状和创新展望.23图 8.TES 在工业部门的技术现状和创新展望.25图 9.TES 在冷链部门的技术现状和创新展望.27图 10.TES 在区域供热和供冷部门的技术现状和创新展望.29图 11.TES 在建筑部门的技术现状和创新展望.31图 12.TES 部署所面临的障碍.33图 13.给政策制定者的建议.36图 14.2010-2050 年各部门能源相关的年度 CO2 排放.39图 15.截至 2019 年的装机容量.42图 16.全球熔融盐 TES 装机容量（吉瓦）.43图 17.熔融盐 TES 装机容量.44图 18.全球范围内 TES 空间供冷装机容量和预测容量.45图 19.ATES 预测.46图 20.供热应用的 TES 装机容量（占总装机容量的百分比）.47图 21.TES 装机容量预测.48图 22.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 23.TES 在能源系统的关键应用.49图 24.直接熔融盐蓄热系统.56图 25.间接熔融盐蓄热系统.56图 26.地下储能概念.57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.58图 28.大容量蓄热系统中的 PCM 封装.59蓄热7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创新展望8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.CSP TES 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.140蓄热9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创新展望10缩写A-CAES 绝热压缩空气储能ATES 含水层蓄热BTES 地埋管蓄热CAES 压缩空气储能CaL 钙循环CAPEX 资本支出COP 性能系数cPCM 复合相变材料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LAES 液态空气储能LCOE 平均电力成本LNG 液态天然气NREAP 可再生能源国家行动计划PCM 相变材料PTES 热井蓄热PV 光伏P2H 电制热R&D 研究与开发SETS 智能电力蓄热TES 蓄热TTES 罐式蓄热（通常以水作为蓄热介质）UTES 地下蓄热VRE 波动性可再生能源WTTES 水罐蓄热蓄热11EJ 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/mK 瓦每米开尔文C 摄氏度计量单位创新展望12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可再生能源的应用。蓄热(TES)技术有助于在发电、工业和建筑部门整合高比例的可再生能源。在接下来的篇幅中，将阐明 TES 的关键作用。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。由此带来的灵活性促成了更广泛利用太阳能和风能等波动性可再生资源的可能性。利用TES 可减少成本高昂的电网提升需求，帮助平衡季节性需求并支持向以可再生能源为主的能源系统转型。到 2030 年，TES 的全球市场规模可能会增加两倍。这意味着十年内其装机容量从去年（2019 年）的 234 吉瓦时(GWh)增加至超过 800 GWh。同时，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源、提高能效和更大规模电气化的转变，TES 投资有助于实现长期的气候和可持续性目标。熔融盐储能技术在电力部门得到了广泛应用。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，预计将有 491 GWh 至 631 GWh 的熔融盐蓄热装机容量投入使用。其他 TES 技术短期内可能会实现商业上的可行性，包括储存 CSP、太阳能光伏(PV)和风能等过剩能源的固态和液态空气储能技术。全球 TES 的供冷装机容量需要增加一倍才能满足 2030 年的预期供冷需求。这意味着未来十年内需要投资约 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 应用于区域供热和供冷时，可有效地分离需求与供应，从而根据季节储存能源。区域供热已采用显热技术，例如罐式蓄热（或 TTES）和地下蓄热（或 UTES）。水罐蓄热（或 WTTES）技术已在全球的建筑部门中广泛使用。小范围内，地下蓄热也开始应用于较小规模装置。冰和固态热电池的应用当前处于早期开发阶段。而水罐与太阳能热电厂的结合在工业低温热能的生产和储存中得到了广泛应用。其主要应用领域为采矿、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，以储存高级热能。投资于技术开发以及采取相关措施增强市场吸引力有助于促进 TES 部署的快速增长。这些举措可构成以扩大可再生能源规模及能源应用脱碳为目标的整体能源政策的一部分。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。蓄热13可再生能源与城市图片来源：Shutterstock创新展望14数据中心相变材料(PCM)热化学储能系统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。工业冷链PCM 和其他 TES 技术可整合到冷链的所有环节中，在生产、储存和运输等冷链的各环节实现制冷负荷的灵活性。水罐可用于现场太阳能热发电，为工业提供低品位热能。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。TES 热能应用的当前分类（热水罐除外）（家用热水罐除外）105 GWh91 GWh2 GWh建筑区域供热工业以满足与巴黎协定一致的 IRENA 情景所需的 CSP 数量目前2030 年电力部门的熔融盐需求增加 491-631 GWh21 GWh空间供冷 TES 预计显著增加（假设全球部署率与美国相似）14 GWh目前26 GWh 2030 年增加2倍蓄热15Hotel地下蓄热(UTES)熔融盐系统家用热水罐与其他技术形式相比，TES 技术在灵活性方面具备独特优势：部门整合季节性储能 波动性能源供应整合需求转移电网管理TES 有助于灵活的冷热输送并实现供需分离即使无太阳直射和强劲 风力时，也可以利用可再生 能源高峰供电时产生的热能/冷能满足需求。TES 通过推动部门整合使整个系统受益，依靠可再生能源电力满足 更大规模的能源需求通过部署 TES 可以提高 灵活性、缓解电网压力及降低昂贵的电网提升需求 TES 可在阳光充足的 夏季储存热能以满足冬季的供热需求，同时在寒冷的冬季储存冷能以满足 夏季的供冷需求电力区域供热和供冷建筑熔融盐用于使聚光太阳能热发电(CSP)厂在夜间释能。新型显热蓄热技术正在研发之中，以实现大容量独立储能。利用家用热水罐和新型显热、潜热和 热化学热电池的创新技术可与热泵整合，为建筑热能需求提供灵活性。冰或 PCM 技术也有助于在温暖气候下 实现灵活的供冷负荷。地下蓄热以及新型 PCM 及热化学 TES 技术 已实现了完全由可再生能源供热，包括跨季节供热模式。冰或 PCM 储能技术可转移区域供冷计划 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创新展望16对政策制定者的启示蓄热为城市所有能源需求部门提供灵活性到 2050 年，波动性可再生能源应占发电量的 60%以上，而蓄热是实现这一转变的推动性技术之一。从电力部门的角度来看，每年将有更高比例的波动性可再生能源(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，在全球能源系统中的占比增至 35，到 2050 年将增长六倍，提供 60 以上的全球发电量（IRENA，2020a）。由于 VRE 占据如此高的比例，灵活性对于整个能源系统运营而言至关重要。从根本上讲，蓄热是更广泛的灵活性方案组合（包括电力储存和需求侧措施）的一部分。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。超过 234 吉瓦时(GWh)的蓄热可为整个能源链（从供应到需求）提供灵活性（图 1）。全球现在大约有 234 GWh1 的 TES，是可靠、安全和灵活的能源系统的关键推动因素。图 1 描绘了 TES 在能源系统中的关键应用。从供应侧来看，TES 可以储存太阳能和风能产生的过剩电力，减少弃电、缓解产量的急剧变化并实现稳定的产能。成熟 TES 技术的一个示例是聚光太阳能热发电厂中的熔融盐储能。什么是蓄热？指通过加热或冷却储能介质暂时储存能源，以便未来将储存的能源用于发电、供热和供冷。（欧洲储能协会，2017 年）。TES 可与机械储能技术耦合使用；这对于两种技术而言都是一种互补。应用于何处？如今 TES 已在多种应用中进行了测试和部署，例 如并网发电、工业、区域供热和供冷、建筑和冷链物流等。从输电配电来看，TES 有助于推迟或避免昂贵的电网提升需求。通过负荷转移可更好地利用可再生能源，缓解电网拥堵及规避基础设施投资。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热能储存在 TES 系统中用于满足冬季的供热需求。从能源需求来看，TES 能够为整个能源系统提供解决方案，而不是着眼于发电、供热或供冷等单个矢量。建筑等终端用能部门的能源需求受到季节性因素的强烈影响。蓄热可将能源储存数小时、数天、数周甚至数月，从而解决供求的季节性变化。诸如蓄热罐（使用水）、固态（使用岩石、混凝土和陶瓷砖等储能介质）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。图 1：TES 在能源部门的关键应用波动性能源供应整合推迟电网强化季节性储能需求转移部门整合储能供应储能电网DER注：DER=分布式能源。基于 IRENA 2019a 分析。用冷冻储水罐和 UTES 为夏季提供区域供冷。这有助于应对消费者的供热或供冷用电需求高峰。转向下游能源，TES 有能力耦合不同部门及改善供热和供冷负荷曲线。在确保本世纪全球升温水平低于 2C 且接近 1.5C 的情景下，供热、供冷和交通运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（IRENA，2020a）。仅依靠发电厂可能会消耗能源系统资源并增加总成本。TES 有助于提高诸如电力制热/制冷等策略的潜力。TES 可采用对电力和热力系统两者都有利的智能方式帮助整合电力、供热和供冷部门。低成本和可靠的可再生电力为可再生能源部门与建筑和工业部门整合，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，可以将建筑空间供热和/或供冷的电力需求转移至较低成本时段。这样可以缓解电网拥堵、提高可再生能源的渗透率并降低成本。工业部门同样可以从 TES 应用中受益匪浅。工业的特点是能源密集型过程，而 TES 技术的储能介质工作温度范围较广，从而可以促进这一部门实现更广泛的电气化。例如通过化学循环和固态介质等可达到 500C 以上的 TES 技术优势，工业部门可储存低成本能源用于高峰负荷时段，智能地管理能源需求，同时还能保证工业过程的高温供热（图 2）。蓄热17创新展望18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？本报告将蓄热技术分为：显热 潜热 热化学 机械-热耦合探讨 13 种主流 TES 技术的现状、优势和创新需求。第 3 章详细介绍了这些 TES 具体技术。显热潜热热化学机械热工作温度高(500 C)中(100-500 C)低(0-100 C)零度以下(0 C)小时天月化学循环高温CPCM熔融盐液态空气水合盐吸收式系统低温PCMUTES固态零度以下温度PCM冰WTTES注：cPCM=复合相变材料；PCM=相变材料；WTTS=水罐蓄热。TES 市场评估到 2030 年，TES 可能增长三倍，全球装机容量将超过 800 GWh。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力、建筑和运输部门实现灵活性的关键推动因素。所有这些解决方案的供应链和应用各不相同，储能部门需要实现多样化以避免潜在瓶颈和集中风险。TES 技术的特性，例如季节性储能、超大储能容量、更高的储放效率潜力及更长的生命周期使其成为能源市场极具吸引力的解决方案。图 3 展示了 IRENA 分析结果，表明了到 2019 年底全球 234 GWh TES 装机容量的情况，以及根据与巴黎协定一致的 IRENA“能源转型情景”，预计到 2030 年容量增加三倍，达到至少 800 GWh 时的情况。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 应用的投资将达到 128 亿美元至 272.2 亿美元。电力TES 在电力部门用于负荷转移、产能稳定和辅助服务。当前，熔融盐 TES 凭借其先进的技术成熟度及其在聚光太阳能热发电(CSP)厂中的应用而成为电力部门应用最为广泛的技术。目前全球范围内的熔融盐储能装机容量已超过 21 GWh。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目标更为宏大，到 2030 年需要增加 56 吉瓦(GW)的 CSP 装机容量（IRENA，2020a）。CSP 装机容量的这种增长（如图 4 所示）将使熔融盐 TES 的装机容量（与“规划能源情景”相比）增加四倍，达到 491 GWh 至 631 GWh。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。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2019电力供热空间供冷0100200300400500600700800900GWh2030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93.9147.6631.3491.2010020030040050060070020082009201020112012201320142015201620172018201920202021202220232024202520262027202820292030规划项目规划能源情景能源转型情景（70-90%部署，累计值）GWh蓄热19创新展望20空间供冷在 IRENA 于 2019 年底确定的 400 个 TES 项目中，当前约有 160 个项目的装机容量已超过 13.9 GWh，用于建筑和区域供冷系统。未来几年，这个数字可能还会迅速增加，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冷技术。TES 可为电力系统运营商提供帮助，通过额外的需求侧管理确保更低的系统成本和更高的 VRE 整合度。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，未来十年所需投资约为 5.6 亿美元至 28.2 亿美元。供热由于使用了大规模含水层蓄热(ATES)和地埋管蓄热(BTES)，区域供热应用在 TES 当前装机容量中占据最大比例。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规划能源情景能源转型情景(TES)051015202530201920202021202220232024202520262027202820292030GWh图 6：TES 供热应用的装机容量供热 TES（总装机容量：199 GWh）46%53%49%为季节性储能1%建筑区域供热工业蓄热21太阳能塔图片来源：Shutterstock各部门应用和创新展望TES 技术可在能源转型中发挥重要作用，但其潜力尚未得到开发。仍需进一步创新以提高 TES 技术的商业就绪水平。TES 有助于引入更多可再生能源，并促进电力、工业、区域供热和供冷、冷链应用和建筑五大关键部门的脱碳。电力电力部门通过在 CSP 工厂使用熔融盐储能技术将 TES 应用扩展至商业规模。未来几年，其他 TES 技术（例如储存 CSP、太阳能光伏和风能产生的过剩能量的固态和液态空气储能技术）可能也会更趋向于商业规模。如今，熔融盐已用于通过白天充能、晚上释能，以实现 CSP 工厂的持续发电。诸如混凝土固态储能技术等其他 TES 技术也正在试验之中。在本示例中，由于原材料价格便宜，因此可以降低 CSP 应用的资本成本。CSP 所利用的太阳能也可以通过热化学循环系统储存为化学能，之后再通过化学反应将这些存储的太阳能释放出来（Pardo 等人，2014 年）。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供电的快速波动性，帮助电网接纳越来越多的可再生能源。这些系统需要在未来几年乃至数十年中取得突破，以使正在开发的技术成功实现商业化，同时进一步推广熔融盐储热技术。未来五年，下一代熔融盐的工作温度范围可提高至 700C，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立熔融盐蓄热电池试点项目。到 2030 年，TES 发电技术的成本可降低 50 以上，达到每千瓦时(kWh)15 美元。到 2030 年，液态空气储能(LAES)、绝热压缩空气储能(A-CAES)和固态储能系统的效率将进一步提高，扩大 TES 在风能和太阳能光伏发电中的利用范围，并且还有望成为 CSP 熔融盐的有效替代品。到 2050 年，热化学储能的发展可提高 CSP 工厂的转化效率。同样，熔融盐储能可为化石燃料发电厂带来新的活力，将其重新利用于可再生能源储存，从而节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）。创新展望22图 7：TES 在电力部门的技术现状和创新展望显热潜热热化学机械热效率(%)应用研究熔融盐 1熔融盐 2固态LAESA-CAES原型示范商用成本（美元/kWh）温度（）565600600-700600-750500-900500-900400寿命（循环）10 00010 000500-100025-3025-90929220182030201820302018203020182030909045-5040-65电力高温相变材料化学循环水合盐45-75400-870400短期（5 年）下一代熔融盐具有更高的工作温度范围和性能，可提高转化效率并降低 CSP 工厂的成本。可能出现固态储能和新型独立熔融盐蓄热电池试点项目。长期（10+年）热化学储能的发展将提高 CSP 工厂的转化效率。熔融盐储能可为化石燃料发电厂带来新的活力，将其重新利用于可再生能源储存。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 工业工业中的热能生产消耗大量能源，因此急需脱碳。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活性和智能的能源应用，并利用间歇性的可再生能源发电满足持续需求。水罐蓄热（WTTES 或 TTES）与太阳能热电厂的结合刚刚兴起，但当前正在不断增长，主要用于生产和储存采矿、食品和纺织子部门中使用的低温热能（图 8）。主要市场为奥地利、中国、法国、德国、印度、墨西哥和西班牙（Weiss 和 Spork-Dur，2019 年）。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/kWh。结合现有 TTES 整合、管理和控制系统方面的改进，这将鼓励需要低温热能的工艺更多地部署太阳能热发电。未来十年，固态储热技术可提供一种类似于当今热电联产电厂的低成本储能方式，为工业过程提供电力和热能。到 2030 年，高能量密度的 PCM 和水合盐储能解决方案将有效减少 TES 系统的占用空间，从而扩大其应用范围。长远来看，还需进一步研究了解将化学循环和其他热化学反应储热系统整合到制造工艺中的潜力，以满足更高温度的工艺热能需求。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。创新展望24图 8：TES 在工业部门的技术现状和创新展望显热潜热热化学效率(%)应用研究高温相变材料化学循环水合盐TTES原型示范商用60-909240-50%2018203050-909045-50寿命（循环）1000-30001000-3000922018203020182030201820302018203090COP0.6-0.8冷链-150 至 环境温度零度以下相变材料1,21,2热化学LAES1,2,3效率(%)应用研究原型示范商用成本（美元/kWh）温度（）寿命（循环）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。跨部门链接冷链资产可以产生协同效应。长期（10+年）在低温 LAES 中应用液态空气可以降低成本并开辟新的应用领域，对于冷电联产系统而言更是如此。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 PCM和热化学储热技术也在研发之中，有望帮助该部门实现脱碳。如今，TTES 和 UTES 等显热储热技术已与区域供热方案广泛结合。冰和其他 PCM 解决方案也开始在区域供冷部门中得以实施。区域供热和供冷应用 TES 的主要优势是能够将热/冷能的生产与使用分离，从而可能实现从数小时到季节性的能源储存。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。预计到2030年，工业应用中的TES技术效率水平将超过92。未来十年，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。到 2050 年，热化学系统将进入示范阶段，以低至 10 美元/kWh 的价格增加可再生能源在区域供热和供冷部门的部署机会，在冷电联产应用中更是如此。在这十年中，部门整合和智能控制技术将获得更多的应用机会，尤其应促成从工业应用中收集（和储存）废弃热能/冷能（图 10）。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。创新展望28图 10：TES 在区域供热和供冷部门的技术现状和创新展望显热潜热热化学固态UTES1,2吸收式系统1,2水合盐1,2TTES1,25-950-7500-7505-9515-15015-15010-3015-2510-202520-3020-2560-23015-15045-18515-12065-909240-50%2018203020182030201820302018203055-909050-65区域供热供冷高温相变材料1零度以下相变材料2冰20.1-350.1-25效率(%)应用研究原型示范商用成本（美元/kWh）温度（）寿命（循环）短期（5 年）TTES 整合和管理系统方面的改进可显著降低成本并扩大部署机会。长期（10+年）预计 PCM 和热化学系统将为冷电联产应用提供更多机会。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 建筑无论是否配备热泵，基于简单TTES、固态或更先进PCM技术的热电池都可用于电加热。水罐蓄热在全球范围内广泛应用于建筑蓄热，而 UTES 则在多个案例中应用规模较小。PCM 和固态热电池及代替空调的冰储能技术已经过验证，但当前仅进行了相对较小规模的部署。正处于研究中的热化学技术可作为分布式季节性储能的一种形式（图 11）。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，应该受到更多关注。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生产的电力实现供热脱碳并帮助消费者节省费用。具有改良的热性能及耐腐蚀性的材料也正在开发之中，以用于罐体和固态TES技术；这有助于将效率提高至 90，而整合和控制系统方面的改进创新则将提高其成本效益。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(RD)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。创新展望30图 11：TES 在建筑部门的技术现状和创新展望显热潜热热化学高温相变材料低温相变材料UTES水合盐吸收式系统TTES固态5-950-7500-7505-9515-15015-15010-3015-20 101515-3020-2560-23015-15060-18512-8065-909240-50%2018203020182030201820302018203055-909050-65建筑0.1-350.1-25冰效率(%)应用研究原型示范商用成本（美元/kWh）温度（）寿命（循环）短期（5 年）当前，正在进行 PCM 热电池与能源管理系统耦合的相关测试，以示范利用低谷电力实现供热/供冷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。长期（10+年）专注于实现热化学 TES 技术的材料及系统改进研究和开发活动可促进该研究进入示范阶段。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创新展望32政策建议电力部门脱碳已经取得进展，但需要制定相关政策充分解决供热供冷部门面临的脱碳挑战，尤其是要进一步提高这些领域的终端用能部门的可再生能源渗透率。跨能源系统应用 TES 的主要障碍包括（图 12）：某些 TES 技术缺乏技术成熟度，以及竞争性技术具有较高的技术成熟度(TRL)（例如廉价的化石燃料供热）。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，蓄热是实现高比例可再生能源所需灵活性的重要手段，而另一方面，对于电池储能的研发工作的关注度却相对较低。未来能源系统的发展存在不确定性，这导致人们不愿投资长期或大型项目。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下。此外，与电力部门相比，供热部门缺乏脱碳的相关政策。3 特定部门所面临的障碍将在第 4 章进行详细讨论。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碍，同时鼓励更广泛地部署 TES。政策制定者和其他主要利益相关方应考虑采取以下行动：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，以实现更高的系统效益水平。采用全系统方法进行能源系统脱碳对于实现经济高效的能源转型至关重要。考虑所有能源种类的各种的灵活性技术，以确定实现最具成本效益的能源系统脱碳途径。为 TES 技术研发投入更多资金，与其帮助供热、电力、供冷部门脱碳所具备的独特潜力相匹配。为示范项目投入资金，以帮助建立市场意识、增强消费者信心，同时提高技术成熟度。政策制定部门应出台全方位的能源政策，考虑取消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。建立诸如分时定价的市场机制以促进需求侧的灵活性、降低消费者支出并增加可再生能源的使用。建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。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：跨能源矢量（即热能/冷能和电能）的孤立思维导致的政策和规划系统冲突技术和系统相对而言不够成熟缺乏对于这些技术及其优势的认识对于能源系统未来发展的不确定性技术推动、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创新展望34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。将热能市场作为整体多矢量能源监管的一部分进行监管。颁布储能指令。为显热储热以及高温 cPCM 的示范及试点项目投入资金，以向投资者和其他利益相关方证明该技术的优势和商业利益。为显热储热以及高温 cPCM 的研发、示范及试点项目投入资金，以加快技术成熟。为显热储热以及高温 cPCM 的研发、示范项目及企业支持投入资金，以利用创新降低成本。利用市场拉动政策推动采用 TES 并置储存。工业 确保脱碳政策涵盖工业部门。开展国际性合作，以克服竞争力方面的担忧。取消化石燃料补贴，帮助提高 TES 的价值定位。牵头政府项目，与行业参与者共同进行技术试验。利用示范项目和