将燃煤电厂转化为储能装置，这套技术将分食万亿储能市场

Original 更多干货点关注环球零碳 2022-12-15

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撰文 | Penn

→这是《环球零碳》的第120篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

摘要：全球数百吉瓦燃煤电厂的淘汰正在带来一个紧迫的挑战：应该如何处理这些宝贵的资产？E2S Power 的创新理念是使用其 TWEST（行波储能技术）概念以热能存储取代传统燃煤锅炉，既利用了燃煤电厂的设置，又可发挥储能作用。中国是煤电使用大国，也是碳排放大国，这套系统对于中国燃煤电厂的改造也有启示意义。

图片来源于网络

在去年英国召开的气候峰会上（COP26峰会），40多个国家同意逐步淘汰燃煤发电，一些国家已承诺到2030年或更早之前淘汰燃煤电厂，这意味着数百吉瓦的燃煤电厂将退役。

如何重新利用这些发电厂，以便在清洁能源转型中继续发挥作用，一些企业从中嗅到了巨大商机。

图说：全球固定和运输相结合的年度储能市场预测

注：PSH（抽水蓄能水电）与其他固定储能分开，因为它通常以千兆瓦而不是千兆小时报告，而且它的存储时间通常是不可用的。

来源：[3]

一家来自瑞士的E2S Power 公司，旨在通过其热能存储解决方案应对这些挑战。E2S Power AG 是瑞士SS&A 电力集团和测量技术领域的全球领导者WIKA 集团的合资企业。E2S Power提出了重复利用大部分化石燃料发电厂的设备和基础设施并将其转变为清洁能源储存工厂的解决方案。

E2S Power 公司的这个想法，解决了两个问题，一个是重新利用了即将退役的煤电厂，二是满足了当前巨大的储能需求。

随着可再生能源的增长，为了解决风光发电的不稳定性问题，需要大规模部署储能系统进行调峰和保障电网稳定运行。据美国能源部在《Energy Storage Market Report 2020》报告显示，到2030年，固定储能和交通储能的综合市场估计将每年增长2.5-4太瓦时（TWh），大约是目前800吉瓦时（GWh）市场的三到五倍。

麦肯锡的研究模型表明，到2040年，长时储能需要1.5万亿至3万亿美元的累计投资。

E2S Power 开发的系统，顺应了这些需求。让我们看看这套系统是如何运作的。

什么是TWEST（行波储能技术）

E2S Power的系统简单而紧凑，该系统为现有火力发电厂的锅炉（或 HRSG）提供具有成本效益且易于操作的替代方案，从而将化石燃料发电厂转变为可再生能源的蓄热储能系统。这种“插入式”解决方案将来自风电场或太阳能发电厂的剩余电能转化为热能，利用创新的技术和高能量密度材料将热能储存起来，并在需要时产生恒定温度的热蒸汽，以使用现有的蒸汽轮机发电。这个过程中电能转化为热能，再转化为电能，不使用空气或其他介质。它能够以与锅炉提供的完全相同的条件和流量为工厂的涡轮发电机组提供蒸汽，这些涡轮发电机组仍然在原位。此外，它采用模块化设计，以简化对各种发电厂尺寸和布局的适应。

图说：TWEST（行波储能技术）。1-电辐射加热器；2-MGA 存储块：3-蒸汽发生器。

来源：E2S Power

新型储能系统 TWEST（行波储能技术）是 E2S power热能转换技术的核心。该系统将加热器、储存和蒸汽生产结合在一个紧凑的装置中，并将来自风电场或太阳能发电厂的能量以热能的形式储存起来，必要时将热能转化为蒸汽，以运行现有的蒸汽涡轮发电机来发电。

TWEST 由三个关键组件组成：1 – 电辐射加热器；2 – MGA 存储块；3 – 绝缘外壳中的蒸汽发生器。

电辐射加热器专为高于 1000°C 的温度而设计，有助于在充电期间将热量传递到 MGA 存储块。

图说：MGA（混溶性间隙合金）块

来源：MGA Thermal

MGA（混溶性间隙合金）块是由来自澳大利亚的合作伙伴公司 MGA Thermal 开发的高能量密度存储介质。它们由石墨和铝合金制成，排列成类似于积木或砖块的块状。一种成分（铝合金）的熔点（660°C）低于另一种成分（石墨），其相变潜热可提供高性能的能量存储。具有较高熔点的石墨保持固体并充当高导电性基质，使MGA块保持固体形式并嵌入熔融颗粒。而一系列金属合金组成的相变材料以颗粒形式分散在整个基体中，可以在加热和冷却时发生液态、固态相变，同时储存和释放能量。借助 MGA 基质将颗粒固定在适当的位置，可再生能源产生的电力可以不断地泵入MGA块中，使颗粒熔化并储存能量，然后冷却并释放能量，由传热基础设施收集和储存以备后用。

蒸汽发生器采用先进的耐高温合金，安装在 MGA 存储块中。

这项突破性技术结合了相变材料的高热容量和易于处理的连续坚固性的优势。由于相变，与其他热能存储技术相比，MGA实现了更好的储能密度。根据纽卡斯尔大学科学家、MGA Thermal 项目的首席研究员 Erich Kisi 教授的说法，MGA 块的成本是相同尺寸的传统锂电池的十分之一，但产生的能量却相同。

图说：TWEST系统如何封装在一个标准的“容器”模块中，以18×50MWh容量为例

来源：E2S Power

TWEST系统封装在一个标准的“容器”模块中，大约有一个典型的集装箱大小，可以根据需要进行堆叠组合，以提供所需的存储容量和适应和匹配各种发电厂规模，并配置所需的工厂占地面积。卓越的能量密度需要紧凑的安装。

TWEST 旨在轻松集成到现有发电厂中，具有三个主要接口：为系统充电的电源；给水输入；并将蒸汽供应到现有的蒸汽循环中。与它们所取代的锅炉一样，TWEST 模块可以方便的集成到给水泵和涡轮系统之间的水-蒸汽循环中。

图说：TWEST集成至现有燃煤发电厂示意图

注：上图为传统燃煤发电厂，下图为TWEST技术改造后可再生能源的蓄热储能系统

来源：E2S Power

TWEST如何运作

E2S Power 的TWEST系统通过用 E2S 热能存储系统代替传统的化石能源锅炉并与现有基础设施集成，系统可继续使用高压开关站、现有蒸汽轮机和其他工厂设备（冷凝器、冷却塔、发电机、变压器等），将现有的燃煤电厂转变为储能设施，从而在利用原本搁浅的资产的同时消除二氧化碳排放。

在充电过程中，来自可再生能源的电力为电辐射加热器供电， E2S 的组件技术通过可再生能源对存储材料进行电阻加热，系统将 MGA 存储块加热到接近 700°C 的温度。

在放电过程中，存储在 MGA 块中的热量通过嵌入式蒸汽发生器传递给水，水通过传导热传递后被加热和蒸发，然后被送入驱动发电机的蒸汽轮机，提供与现有蒸汽轮机要求相匹配的蒸汽来发电。

借助 E2S Power 的“行波”技术，一组模块被加热到大约 700°C，而第二组模块被加热到接近主机厂汽轮机要求的温度，热量以行进波的形式从较热的储能块转移到中等的储能块。在排放过程中，蒸汽将热量从一组块传递到另一组，从而在出口处保持恒定的温度。

TWEST的特点

E2S Power 为将化石燃料发电站转变为储热系统提供了一种经济高效且易于集成的解决方案。一些关键优势包括：

对现有工厂干扰最小的紧凑和简单的系统设计，在最大限度地利用现有工厂基础设施的同时最大限度地降低成本。实现公用事业规模的存储的同时能够适应现有的发电厂地块，此外还提供最低的平准化成本储存电力。

所采用的组件和设计确保了长寿命、可回收，寿命预计为 30 年，性能下降可忽略不计，而 MGA 蓄热材料是丰富且可回收的材料。

通过重复使用主机厂现有的同步发电机，该技术能够比电池更好地提供电压和频率支持。

系统启动速度快，TWEST 系统能够在几分钟内产生蒸汽，并可能提供热量以使蒸汽轮机保持热备状态，从而加快启动速度。

可实现系统的超快速充电，E2S Power 热能存储技术采用创新的充电概念，基于存储模块的直接电阻加热，可以利用交流电流，电压和电流水平与发电机终端相同。使用该充电系统可实现快速充电，不到 1 小时的充电时间即可达到全部存储容量。

存储效率（电能转化为热能）高于 99%，因为通过辐射有良好的热传递，因此在这个过程中几乎没有损失。取决于现有蒸汽循环效率的往返效率通常约为 40%。

图说：行波原理

来源：E2S Power

未来发展空间及对中国启示

在贝尔格莱德的示范设施中成功验证了热能存储概念后，E2S Power 目前正在与欧洲和北美的主要公用事业公司开发三个公用事业规模的试点项目，其中包括位于德国的E2S Power Germany GmbH项目。与此同时，E2S Power 正在与世界各地的电力公司进行完整的商业项目。不久前，该公司与 SNC-Lavalin 签署了一份谅解备忘录，以探索与北美电力公司的机会。此次合作旨在通过将 E2S Power 的技术与 SNC-Lavalin 的 EPC 和工厂集成专业知识相结合，开发北美超过 200 吉瓦的燃煤发电能力所代表的巨大市场。

今年3月，E2S Power与印度领先的电力公司之一India Power Corporation Limited (IPCL)签署了一份谅解备忘录，就将印度的化石燃料电站改造成可再生能源的热能储存系统展开密切合作，将其热能存储业务拓展到了亚洲。

E2S Power开发了一种全新的大规模电能存储解决方案并将其商业化，其实现了将传统火力发电厂转换为电网规模的二氧化碳中性存储系统。未来一段时间内，随着清洁能源转型的不断推进，大量此类传统火电厂将在全球范围内退役。它们有些是达到了预期使用寿命，有些由于可再生能源的竞争而缺乏盈利能力，还有一些退役是为了尽量减少二氧化碳排放。它们中的绝大多数仍然具有重要的剩余价值，并构成其所在地区重要的工业和发电基础设施，因此传统火电厂的所有者亟需为这些资产寻找第二生命选择。

E2S Power的行波储能技术解决方案将采用模块化设计，使用新型蓄热材料，以低成本改造最大限度地利用现有工厂基础设施，最终实现将燃煤电厂转变为无化石燃料的储能电厂。这一技术在平稳过渡到可再生能源的未来之路上，必将给世界提供极大地助力。

这套系统对于中国燃煤电厂的改造也有启示意义。中国是煤电使用大国，也是碳排放大国，面临着严峻的碳减排形势，传统燃煤电厂作为化石燃料消耗大户，每年向大气排放体量庞大的CO2。在通向碳中和之路上，必然会出现相当数量的传统火电厂退役或者关停，E2S Power创新性的 TWEST（行波储能技术）给我们提供了一个新的思路，可以帮助我们以最小的成本实现重复利用大部分化石燃料发电厂的设备和基础设施并将其转变为清洁能源储能工厂，为清洁能源转型继续发光发热。

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参考资料：

[1] https://www.iea.org/search?q=renewables%202021

[2] https://www.in-en.com/article/html/energy-2312366.shtml

[3] https://www.energy.gov/energy-storage-grand-challenge/downloads/energy-storage-market-report-2020

[4] http://e2s-power.com/our-product/

[5]https://www.power-technology.com/features/mga-thermal-new-building-blocks-for-energy-storage/

[6]https://www.modernpowersystems.com/features/featuretwest-repurposing-coal-fired-plants-as-thermal-energy-storage-facilities-9397592/

[7] 全球能源监测（GEM），《繁荣与衰落2021-追踪全球燃煤电厂开发》

[8] https://www.iea.org/reports/global-energy-review-co2-emissions-in-2021-2

[9]https://www.powerengineeringint.com/energy-storage/fossil-fuel-plants-to-get-new-life-as-thermal-energy-storage-facilities/

[10]https://globalprimenews.com/2022/03/14/e2s-power-and-india-power-working-together-to-convert-fossil-fuel-power-plants-into-clean-energy-storage-facilities/

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