國際可再生能源署：2020年創新前景熱能存儲儲熱研究報告（144頁）.pdf

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1、創新前景儲熱創新前景儲熱 IRENA 2020 版權所有Supported by:based on a decision of the German Bundestag支持單位：IRENA 2020除非另有說明，本出版物中的材料可以自由使用、共享、復制、印刷和/或存儲，前提是需恰當確認 IRENA 為資料來源和版權所有者。本出版物中屬于第三方的材料可能受單獨的使用條款和限制的約束，在使用此類材料之前，可能需要獲得這些第三方的相應許可。引文：IRENA(2020)，創新前景：儲熱，國際可再生能源署(IRENA)，阿布扎比。ISBN：978-92-9260-326-7本文件為“Innovation

2、 outlook:Thermal energy storage”的譯本 ISBN:978-92-9260-279-6(2020)。如中文譯本與英文原版的內容不一致，概以英文版為準。下載地址：www.irena.org/publications請通過以下網址了解更多信息或向我們提供反饋：publicationsirena.org關于 IRENA國際可再生能源署(IRENA)是國際合作的主要平臺、英才中心、政策、技術、資源和金融知識庫，也是推動全球能源系統轉型的動力。作為成立于 2011 年的政府間組織，IRENA 推進廣泛采用和可持續利用各種形式的可再生能源，包括生物能源、地熱、水電、海洋、太陽

3、能和風能，以追求可持續發展、能源獲取、能源安全和低碳經濟的發展與繁榮。www.irena.orgIKI 支持本報告是“未來城市能源解決方案”項目的一部分，該項目得到了國際氣候倡議(IKI)的支持。德國聯邦環境、自然保護與核安全部(BMU)基于一項德國聯邦議院決議為該項計劃提供支持。致謝本創新前景報告在 Francisco Boshell(IRENA)的指導下，由 Alessandra Salgado、Nadeem Goussous(IRENA)、Manu Ravishankar、Oliver Richards、James Walker、Tom Jennings 和 Flora Buchanan

4、（碳信托）、Anabel Trujillo、Omar Saeed、Helena Navarro、Yulong Ding 和 Yi-Chung Chen（伯明翰大學）等人共同合作撰寫。IRENA 專家也為該展望做出了積極貢獻，他們是：Dolf Gielen、Arina Anisie、Elena Ocenic、Liliana Andreia Morais Gomes、Carlos Fernandez、Paul Komor、Gayathri Prakash、Luis Janeiro、Roland Roesch、Luca Angelino、Yong Chen、Paul Durrant 和 Emanue

5、le Taibi。以下外部專家對本報告進行審閱并提供了寶貴的反饋意見：Michael Geyer（德國航空太空中心 DLR）、Deger Saygin（SHURA 能源轉型中心）、Saman Nimali Gunasekara（皇家理工學院）、Ruud Kempener（歐盟委員會）、Daria Draganova 和 Jean-Michel Durand（歐洲儲能協會(European Association for Storage of Energy)）、Alessandro Provaggi（區域供熱供冷系統+技術平臺/歐洲區域供熱供冷協會）、Wim van Helden（國際能源署太陽

6、能供熱和供冷實施協議第 58 研究任務/美國能源工程師協會 可持續技術研究所）、Fernando Morales(Highview Power)、Joris M.Koornneef(TNO)、Lionel Nadau（蘇伊士環能集團）、Jan Diriken and Robbe Salenbien(VITO)。IRENA 感謝 Pablo Ralon(IRENA)、Marcus VA Bianchi（國家可再生能源實驗室）和 Kevin Knosala（能源與氣候研究所技術經濟系統分析，于利希研究中心）提供的章節評論、市場評估關鍵性意見及第 2 章中的預測分析。第 3 章中的技術評估和重點事項

7、得到了國際能源署太陽能供熱和供冷實施協議第 58 研究任務(IEA SHC Task 58)/國際能源署蓄能節能委員會 Annex 33(ECES Annex 33)多位專家的反饋，他們是：Wim van Helden、Danny Muller、Saman Nimali Gunasekara、Harald Mehling、Dominic Groulx 和 Pim Donkers。下列技術專家通過引導性訪談提供了有用的反饋和信息：David Sanders(Dearman)、Ruud van de Bosch(Ecovat)、Nitin Goel(Inficold)、Jiuliang Chen

8、Nanjing（金合能源材料有限公司）、John Lerch(Axiom Energy)、Mike Hopkins（Ice Energy 前職工）、Sonia Ferrer（阿苯哥）、Huub Keizers(TNO)；Chris Heaton（ETI 前職工）、Andrew Bissell 和 David Oliver(Sunamp)、Bobby Dunn（薩默賽德）以及 Andrew Tong（俄亥俄州立大學）。本報告的編輯為 Justin French-Brooks。IRENA 由衷感謝德國聯邦經濟事務和能源部的大力支持。免責聲明本出版物及所使用的資料均按“原樣”提供。IRENA 已經采

9、取了所有合理的措施，以驗證本出版物中資料的可靠性。然而，IRENA、其任何官員、代理人、數據或其他第三方內容提供者均不提供任何明示或暗示的擔保，且對使用本出版物或材料的任何后果不承擔任何責任或法律責任。本文中包含的信息不一定代表 IRENA 所有成員的觀點。提及特定的公司或特定的項目或產品并不意味著 IRENA 認可或推薦這些公司或產品，認為其優先于未提及的類似性質的其他公司或產品。此處采用的名稱和本材料的表述，并不意味著 IRENA 會就任何地區、國家、領土、城市或地區或其當局的法律地位或對邊界或邊界的劃定表示任何意見。蓄熱為整合高比例的太陽能和 風能提供了必要的靈活性。圖片 .6表格 .8

10、案例研究.9縮寫 .10計量單位.11關鍵發現.12對政策制定者的啟示.16TES 為城市所有能源需求部門提供靈活性.16TES 市場評估.18部門應用和創新展望.22政策建議.321 設置情景.381.1 全球能源轉型.381.2 TES 市場評估.421.3 TES 在集成能源系統中的作用.491.4 系統方法.512 技術概覽.532.1 蓄熱技術的主要類型.532.2 TES 技術的關鍵屬性.67目錄創新展望43 各部門現狀和趨勢.703.1 電力.713.2 工業.763.3 冷鏈.833.4 區域供熱和供冷.903.5 建筑.984 加快部署的政策干預措施.1064.1 TES 應

11、用的系統層面障礙.1074.2 可用的支持機制.1094.3 各部門面臨的主要障礙及建議.1124.4 廣泛部署 TES 的主要障礙.1165 參考文件.1206 附錄.1286.1 本創新展望技術選擇背后的方法論.1286.2 顯熱蓄熱.1296.3 潛熱蓄熱.1316.4 熱化學蓄熱.1336.5 機械熱儲能系統.137蓄熱5創新展望6圖片圖 1.TES 在能源部門的關鍵應用.17圖 2.所研究 TES 技術的工作溫度和時間范圍.18圖 3.與巴黎協定一致的 IRENA“能源轉型情景”中的 TES 裝機容量預測.19圖 4.熔融鹽 TES 裝機容量.19圖 5.全球范圍內 TES 空間供冷

12、裝機容量和預測容量.20圖 6.TES 供熱應用的裝機容量.20圖 7.TES 在電力部門的技術現狀和創新展望.23圖 8.TES 在工業部門的技術現狀和創新展望.25圖 9.TES 在冷鏈部門的技術現狀和創新展望.27圖 10.TES 在區域供熱和供冷部門的技術現狀和創新展望.29圖 11.TES 在建筑部門的技術現狀和創新展望.31圖 12.TES 部署所面臨的障礙.33圖 13.給政策制定者的建議.36圖 14.2010-2050 年各部門能源相關的年度 CO2 排放.39圖 15.截至 2019 年的裝機容量.42圖 16.全球熔融鹽 TES 裝機容量（吉瓦）.43圖 17.熔融鹽 T

13、ES 裝機容量.44圖 18.全球范圍內 TES 空間供冷裝機容量和預測容量.45圖 19.ATES 預測.46圖 20.供熱應用的 TES 裝機容量（占總裝機容量的百分比）.47圖 21.TES 裝機容量預測.48圖 22.滿足電力和熱能需求靈活性的集成集中式和分布式電力基礎設施概述.48圖 23.TES 在能源系統的關鍵應用.49圖 24.直接熔融鹽蓄熱系統.56圖 25.間接熔融鹽蓄熱系統.56圖 26.地下儲能概念.57圖 27.本報告中分析的 PCM 的性質，揭示了熔化熱和熔點方面的差異.58圖 28.大容量蓄熱系統中的 PCM 封裝.59蓄熱7圖 29.冰盤管系統.60圖 30.熱

14、化學蓄熱方法和材料.62圖 31.CaL 工藝方案.62圖 32.CREATE 演示蓄熱系統圖.63圖 33.配備分離反應器的吸收式系統配置.64圖 34.A-CAES 提議現場裝置圖.65圖 35.發電應用 LAES 的通用系統配置.66圖 36.所研究 TES 技術的工作溫度和時間范圍.68圖 37.TES 在各部門的主要應用概述.70圖 38.各種儲能技術額定容量下的系統額定功率和潛在釋能時間.72圖 39.2018 年電力部門適用技術的商業就緒水平.72圖 40.適用于工業部門不同工作溫度范圍的技術.79圖 41.TES 技術在工業部門應用中的商業就緒水平.79圖 42.使用水作為短期

15、蓄熱介質的工廠位置.81圖 43.TES 技術在冷鏈中的商業就緒水平.86圖 44.未來集成冷鏈中使用 LAES 的愿景.87圖 45.TES 技術在區域供熱和供冷中的商業就緒水平.93圖 46.TES 技術在建筑部門的商業就緒水平.101圖 47.促進 TES 技術商業化的政策方案清單.109圖 48.不同水罐配置.130圖 49.BICPV-石蠟系統概念.132圖 50.用于熱化學蓄熱的 CSP-CaL 整合.134圖 51.水合鹽封閉式系統(a)和開放式系統(b)的配置.135圖 52.分離反應器概念的工藝配置.136圖 53.吸收式蓄熱系統原理圖.137圖 54.TES 絕熱 CAES

16、.138附錄圖 1.2010-2050 年與能源相關的 CO2 排放量(Gt/yr).139創新展望8表格表 1.各終端用能部門中 TES 相關政策干預概述.34表 2.所選 TES 技術的適用規模、工作時間和相關能量矢量.68表 3.所選 TES 技術的關鍵技術屬性.69表 4.CSP TES 技術創新的主要目標.74表 5.太陽能光伏發電和風力發電 TES 技術創新的關鍵目標.75表 6.工業部門的可再生能源技術.78表 7.工業部門 TES 技術創新的主要目標.81表 8.冷鏈中 TES 技術創新的關鍵指標.88表 9.冷鏈應用中 TES 技術的關鍵材料和系統創新需求.88表 10.區域

17、供熱和供冷 TES 技術創新的關鍵目標.96表 11.建筑部門 TES 技術創新的主要目標.103表 12.歐盟三個成員國的 NREAP 介紹，揭示了 2020 年各部門的可再生能源滲透率目標.112表 13.歐盟確定的儲能部署障礙.113表 14.各終端用能部門中 TES 相關主要支持需求概述.116表 15.各終端用能部門中 TES 相關政策干預概述.118表 16.科學文獻中提出的無機復合材料.133表 17.研究人員針對季節性儲能應用提出的 TCM 材料.135表 18.TES 技術與能源部門.140蓄熱9案例研究案例研究 1.中國利用部門耦合降低棄風率.51案例研究 2.貨運集裝箱的

18、蓄熱.85案例研究 3.智能供冷在商業零售場所提供需求側管理服務.85案例研究 4.季節性儲能太陽能區域供熱方案.94案例研究 5.柏林區域供熱方案使用的水合鹽蓄熱原型.95案例研究 6.將充能的 TES 材料從充能地點運輸到需求點.97案例研究 7.具備智能能源管理功能的 PCM 熱電池可實現低谷期可再生能源的整合.100案例研究 8.市政當局引入家用 TES 以減少家庭開支并提高風能利用率.102案例研究 9.英國的 LAES 技術推動干預措施.110案例研究 10.加利福尼亞州為拉動儲能市場實行強制干預措施.111案例研究 11.市場改革有助于減少中國的可再生能源棄電問題.113案例研究

19、 12.印度實行技術推動和市場拉動干預措施以發展清潔冷鏈.114創新展望10縮寫A-CAES 絕熱壓縮空氣儲能ATES 含水層蓄熱BTES 地埋管蓄熱CAES 壓縮空氣儲能CaL 鈣循環CAPEX 資本支出COP 性能系數cPCM 復合相變材料CSP 聚光太陽能熱發電HT-cPCM 高溫復合相變材料IEA 國際能源署LAES 液態空氣儲能LCOE 平均電力成本LNG 液態天然氣NREAP 可再生能源國家行動計劃PCM 相變材料PTES 熱井蓄熱PV 光伏P2H 電制熱R&D 研究與開發SETS 智能電力蓄熱TES 蓄熱TTES 罐式蓄熱（通常以水作為蓄熱介質）UTES 地下蓄熱VRE 波動性可

20、再生能源WTTES 水罐蓄熱蓄熱11EJ 艾焦耳GW 吉瓦GWh 吉瓦時Gwth 吉瓦熱K 開kJ/kg 千焦每千克kW 千瓦kWh 千瓦時MW 兆瓦MWh 兆瓦時m2 平方米m3 立方米W/mK 瓦每米開爾文C 攝氏度計量單位創新展望12主要研究結論巴黎協定倡導的全球能源系統轉型要求快速實現可再生能源的應用。蓄熱(TES)技術有助于在發電、工業和建筑部門整合高比例的可再生能源。在接下來的篇幅中，將闡明 TES 的關鍵作用。TES 技術具備獨特優勢，例如將供熱供冷需求與即時發電和能源供應的可用性分離。由此帶來的靈活性促成了更廣泛利用太陽能和風能等波動性可再生資源的可能性。利用TES 可減少成本

21、高昂的電網提升需求，幫助平衡季節性需求并支持向以可再生能源為主的能源系統轉型。到 2030 年，TES 的全球市場規?？赡軙黾觾杀?。這意味著十年內其裝機容量從去年（2019 年）的 234 吉瓦時(GWh)增加至超過 800 GWh。同時，預計 TES 在供冷和電力應用方面的投資將達到 130 億美元至 280 億美元。通過支持向可再生能源、提高能效和更大規模電氣化的轉變，TES 投資有助于實現長期的氣候和可持續性目標。熔融鹽儲能技術在電力部門得到了廣泛應用。這得益于其先進的技術成熟度及其在聚光太陽能熱發電(CSP)廠中的應用。到 2030 年，預計將有 491 GWh 至 631 GWh

22、的熔融鹽蓄熱裝機容量投入使用。其他 TES 技術短期內可能會實現商業上的可行性，包括儲存 CSP、太陽能光伏(PV)和風能等過剩能源的固態和液態空氣儲能技術。全球 TES 的供冷裝機容量需要增加一倍才能滿足 2030 年的預期供冷需求。這意味著未來十年內需要投資約 5.6 億美元，使全球投資總額達到 28.2 億美元。相變材料(PCM)和其他 TES 技術可補充冷鏈應用，實現生產、存儲和運輸等各環節制冷負荷的靈活性。TES 應用于區域供熱和供冷時，可有效地分離需求與供應，從而根據季節儲存能源。區域供熱已采用顯熱技術，例如罐式蓄熱（或 TTES）和地下蓄熱（或 UTES）。水罐蓄熱（或 WTTE

23、S）技術已在全球的建筑部門中廣泛使用。小范圍內，地下蓄熱也開始應用于較小規模裝置。冰和固態熱電池的應用當前處于早期開發階段。而水罐與太陽能熱電廠的結合在工業低溫熱能的生產和儲存中得到了廣泛應用。其主要應用領域為采礦、食品和紡織工業。當前，顯熱、潛熱和熱化學蓄熱等相關創新技術也在試驗之中，以儲存高級熱能。投資于技術開發以及采取相關措施增強市場吸引力有助于促進 TES 部署的快速增長。這些舉措可構成以擴大可再生能源規模及能源應用脫碳為目標的整體能源政策的一部分。TES 是能源轉型投資計劃的重要組成部分，可幫助各個國家/地區在后新冠疫情時代逐步復蘇。TES 以及可再生能源、能源效率和電氣化等方面的投

24、資可促進健康、經濟的基礎設施建設、推動短期復蘇并使能源發展跟上全球氣候和可持續性目標的步伐。蓄熱13可再生能源與城市圖片來源：Shutterstock創新展望14數據中心相變材料(PCM)熱化學儲能系統蓄熱可能成為提高能源系統中可再生能源滲透率的 重要推動力太陽能和風力發電在每日和季節性時間范圍內都在波動。能源系統運營商可以利用諸如儲能等靈活的技術匹配能源供需。這將使能源系統更穩定、更靈活，且建設和運行成本更低。工業冷鏈PCM 和其他 TES 技術可整合到冷鏈的所有環節中，在生產、儲存和運輸等冷鏈的各環節實現制冷負荷的靈活性。水罐可用于現場太陽能熱發電，為工業提供低品位熱能。當前，顯熱、潛熱和

25、熱化學等相關創新技術 也在試驗之中，以儲存高品位熱能。TES 熱能應用的當前分類（熱水罐除外）（家用熱水罐除外）105 GWh91 GWh2 GWh建筑區域供熱工業以滿足與巴黎協定一致的 IRENA 情景所需的 CSP 數量目前2030 年電力部門的熔融鹽需求增加 491-631 GWh21 GWh空間供冷 TES 預計顯著增加（假設全球部署率與美國相似）14 GWh目前26 GWh 2030 年增加2倍蓄熱15Hotel地下蓄熱(UTES)熔融鹽系統家用熱水罐與其他技術形式相比，TES 技術在靈活性方面具備獨特優勢：部門整合季節性儲能 波動性能源供應整合需求轉移電網管理TES 有助于靈活的冷

26、熱輸送并實現供需分離即使無太陽直射和強勁 風力時，也可以利用可再生 能源高峰供電時產生的熱能/冷能滿足需求。TES 通過推動部門整合使整個系統受益，依靠可再生能源電力滿足 更大規模的能源需求通過部署 TES 可以提高 靈活性、緩解電網壓力及降低昂貴的電網提升需求 TES 可在陽光充足的 夏季儲存熱能以滿足冬季的供熱需求，同時在寒冷的冬季儲存冷能以滿足 夏季的供冷需求電力區域供熱和供冷建筑熔融鹽用于使聚光太陽能熱發電(CSP)廠在夜間釋能。新型顯熱蓄熱技術正在研發之中，以實現大容量獨立儲能。利用家用熱水罐和新型顯熱、潛熱和 熱化學熱電池的創新技術可與熱泵整合，為建筑熱能需求提供靈活性。冰或 PC

27、M 技術也有助于在溫暖氣候下 實現靈活的供冷負荷。地下蓄熱以及新型 PCM 及熱化學 TES 技術 已實現了完全由可再生能源供熱，包括跨季節供熱模式。冰或 PCM 儲能技術可轉移區域供冷計劃 的能源需求。加速蓄熱部署所需的關鍵行動確保在能源系統政策制定和規劃中采用技術中立的全系統方法，以避免因熱能、能源和運輸任一部門的孤立思維而產生相互矛盾的規章制度為研發活動投入更多資金，幫助攻克某些相對而言還不成熟的技術 在能源系統的所有部分增加 TES 示范項目的數量，以幫助利益相關方更好地認識到相關技術的優勢創新展望16對政策制定者的啟示蓄熱為城市所有能源需求部門提供靈活性到 2050 年，波動性可再生

28、能源應占發電量的 60%以上，而蓄熱是實現這一轉變的推動性技術之一。從電力部門的角度來看，每年將有更高比例的波動性可再生能源(VRE)（主要是太陽能光伏和風能）進入電力系統。2018 年，全球能源系統中約有 10 的電力來自 VRE 發電。IRENA 估計，為了遵守巴黎協定的氣候目標，到 2030 年 VRE 將增長 3 倍，在全球能源系統中的占比增至 35，到 2050 年將增長六倍，提供 60 以上的全球發電量（IRENA，2020a）。由于 VRE 占據如此高的比例，靈活性對于整個能源系統運營而言至關重要。從根本上講，蓄熱是更廣泛的靈活性方案組合（包括電力儲存和需求側措施）的一部分。整合

29、各種蓄熱(TES)技術成為一種頗具前途的解決方案，帶來了一系列應用和優勢。超過 234 吉瓦時(GWh)的蓄熱可為整個能源鏈（從供應到需求）提供靈活性（圖 1）。全球現在大約有 234 GWh1 的 TES，是可靠、安全和靈活的能源系統的關鍵推動因素。圖 1 描繪了 TES 在能源系統中的關鍵應用。從供應側來看，TES 可以儲存太陽能和風能產生的過剩電力，減少棄電、緩解產量的急劇變化并實現穩定的產能。成熟 TES 技術的一個示例是聚光太陽能熱發電廠中的熔融鹽儲能。什么是蓄熱？指通過加熱或冷卻儲能介質暫時儲存能源，以便未來將儲存的能源用于發電、供熱和供冷。（歐洲儲能協會，2017 年）。TES

30、可與機械儲能技術耦合使用；這對于兩種技術而言都是一種互補。應用于何處？如今 TES 已在多種應用中進行了測試和部署，例 如并網發電、工業、區域供熱和供冷、建筑和冷鏈物流等。從輸電配電來看，TES 有助于推遲或避免昂貴的電網提升需求。通過負荷轉移可更好地利用可再生能源，緩解電網擁堵及規避基礎設施投資。TES 的特殊優勢是能夠根據季節性需求儲存能源。夏季將可再生能源產生的過剩熱能儲存在 TES 系統中用于滿足冬季的供熱需求。從能源需求來看，TES 能夠為整個能源系統提供解決方案，而不是著眼于發電、供熱或供冷等單個矢量。建筑等終端用能部門的能源需求受到季節性因素的強烈影響。蓄熱可將能源儲存數小時、數

31、天、數周甚至數月，從而解決供求的季節性變化。諸如蓄熱罐（使用水）、固態（使用巖石、混凝土和陶瓷磚等儲能介質）和地下蓄熱(UTES)等 TES 技術可在夏季儲存過剩發電量，用于冬季取暖。同樣，反過來可在冬季使1 基于 IRENA 公開項目的數據收集。圖 1：TES 在能源部門的關鍵應用波動性能源供應整合推遲電網強化季節性儲能需求轉移部門整合儲能供應儲能電網DER注：DER=分布式能源?；?IRENA 2019a 分析。用冷凍儲水罐和 UTES 為夏季提供區域供冷。這有助于應對消費者的供熱或供冷用電需求高峰。轉向下游能源，TES 有能力耦合不同部門及改善供熱和供冷負荷曲線。在確保本世紀全球升溫水

32、平低于 2C 且接近 1.5C 的情景下，供熱、供冷和交通運輸的電氣化極大增加了電力負擔。最終能源中的電力比例將從 2017 年的 20 增加到 2050 年的 49（IRENA，2020a）。僅依靠發電廠可能會消耗能源系統資源并增加總成本。TES 有助于提高諸如電力制熱/制冷等策略的潛力。TES 可采用對電力和熱力系統兩者都有利的智能方式幫助整合電力、供熱和供冷部門。低成本和可靠的可再生電力為可再生能源部門與建筑和工業部門整合，實現跨部門脫碳戰略打開了大門。例如，在低谷時段為蓄熱系統充能并在需要時釋能，可以將建筑空間供熱和/或供冷的電力需求轉移至較低成本時段。這樣可以緩解電網擁堵、提高可再生

33、能源的滲透率并降低成本。工業部門同樣可以從 TES 應用中受益匪淺。工業的特點是能源密集型過程，而 TES 技術的儲能介質工作溫度范圍較廣，從而可以促進這一部門實現更廣泛的電氣化。例如通過化學循環和固態介質等可達到 500C 以上的 TES 技術優勢，工業部門可儲存低成本能源用于高峰負荷時段，智能地管理能源需求，同時還能保證工業過程的高溫供熱（圖 2）。蓄熱17創新展望18圖 2：本報告所研究的 TES 技術的工作溫度和時間范圍能源系統中使用了哪些 TES 技術？本報告將蓄熱技術分為：顯熱 潛熱 熱化學 機械-熱耦合探討 13 種主流 TES 技術的現狀、優勢和創新需求。第 3 章詳細介紹了這

34、些 TES 具體技術。顯熱潛熱熱化學機械熱工作溫度高(500 C)中(100-500 C)低(0-100 C)零度以下(0 C)小時天月化學循環高溫CPCM熔融鹽液態空氣水合鹽吸收式系統低溫PCMUTES固態零度以下溫度PCM冰WTTES注：cPCM=復合相變材料；PCM=相變材料；WTTS=水罐蓄熱。TES 市場評估到 2030 年，TES 可能增長三倍，全球裝機容量將超過 800 GWh。能源系統正在尋找更多解決方案，以順利整合不斷增長的可再生能源比例。例如，近來電池儲能已成為電力、建筑和運輸部門實現靈活性的關鍵推動因素。所有這些解決方案的供應鏈和應用各不相同，儲能部門需要實現多樣化以避免

35、潛在瓶頸和集中風險。TES 技術的特性，例如季節性儲能、超大儲能容量、更高的儲放效率潛力及更長的生命周期使其成為能源市場極具吸引力的解決方案。圖 3 展示了 IRENA 分析結果，表明了到 2019 年底全球 234 GWh TES 裝機容量的情況，以及根據與巴黎協定一致的 IRENA“能源轉型情景”，預計到 2030 年容量增加三倍，達到至少 800 GWh 時的情況。TES 技術的商業前景將越來越廣闊 未來十年，預計用于電力和供冷 TES 應用的投資將達到 128 億美元至 272.2 億美元。電力TES 在電力部門用于負荷轉移、產能穩定和輔助服務。當前，熔融鹽 TES 憑借其先進的技術成

36、熟度及其在聚光太陽能熱發電(CSP)廠中的應用而成為電力部門應用最為廣泛的技術。目前全球范圍內的熔融鹽儲能裝機容量已超過 21 GWh。與當前趨勢、政策和規劃相比，與巴黎協定一致的 IRENA“能源轉型情景”預計可再生能源的增長目標更為宏大，到 2030 年需要增加 56 吉瓦(GW)的 CSP 裝機容量（IRENA，2020a）。CSP 裝機容量的這種增長（如圖 4 所示）將使熔融鹽 TES 的裝機容量（與“規劃能源情景”相比）增加四倍，達到 491 GWh 至 631 GWh。取決于使用的 CSP 技術，未來 10 年內，熔融鹽 TES 所需的累計投資為 123 億美元至 244 億美元。

37、圖 3：與巴黎協定一致的 IRENA“能源轉型情景”中的 TES 裝機容量預測2019電力供熱空間供冷0100200300400500600700800900GWh2030注：由于缺乏含水層和小型分布式 TES（例如住宅儲水罐）相關數據，本分析不涉及供熱預測。盡管如此，鑒于相關技術從短期到季節性范圍的廣泛應用，預計其裝機容量仍將增長。圖 4：熔融鹽 TES 裝機容量93.9147.6631.3491.20100200300400500600700200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022202320242025202

38、62027202820292030規劃項目規劃能源情景能源轉型情景（70-90%部署，累計值）GWh蓄熱19創新展望20空間供冷在 IRENA 于 2019 年底確定的 400 個 TES 項目中，當前約有 160 個項目的裝機容量已超過 13.9 GWh，用于建筑和區域供冷系統。未來幾年，這個數字可能還會迅速增加，尤其是一些新興經濟體，這些國家/地區的氣溫水平即將達到極限，正在尋求更先進的大規模供冷技術。TES 可為電力系統運營商提供幫助，通過額外的需求側管理確保更低的系統成本和更高的 VRE 整合度。如圖 5 所示，為滿足 2030 年的供冷需求，預計全球用于供冷的 TES 部署量需增加一

39、倍，未來十年所需投資約為 5.6 億美元至 28.2 億美元。供熱由于使用了大規模含水層蓄熱(ATES)和地埋管蓄熱(BTES)，區域供熱應用在 TES 當前裝機容量中占據最大比例。當前約一半的區域供熱項目使用季節性儲能（圖 6），這是 TES 技術為能源系統帶來的獨特優勢。圖 5：全球范圍內 TES 空間供冷裝機容量和預測容量規劃能源情景能源轉型情景(TES)051015202530201920202021202220232024202520262027202820292030GWh圖 6：TES 供熱應用的裝機容量供熱 TES（總裝機容量：199 GWh）46%53%49%為季節性儲能1%

40、建筑區域供熱工業蓄熱21太陽能塔圖片來源：Shutterstock各部門應用和創新展望TES 技術可在能源轉型中發揮重要作用，但其潛力尚未得到開發。仍需進一步創新以提高 TES 技術的商業就緒水平。TES 有助于引入更多可再生能源，并促進電力、工業、區域供熱和供冷、冷鏈應用和建筑五大關鍵部門的脫碳。電力電力部門通過在 CSP 工廠使用熔融鹽儲能技術，將 TES 應用擴展至商業規模。未來幾年，其他 TES 技術（例如儲存 CSP、太陽能光伏和風能產生的過剩能量的固態和液態空氣儲能技術）可能也會更趨向于商業規模。如今，熔融鹽已用于通過白天充能、晚上釋能，以實現 CSP 工廠的持續發電。諸如混凝土固

41、態儲能技術等其他 TES 技術也正在試驗之中。在本示例中，由于原材料價格便宜，因此可以降低 CSP 應用的資本成本。CSP 所利用的太陽能也可以通過熱化學循環系統儲存為化學能，之后再通過化學反應將這些存儲的太陽能釋放出來（Pardo 等人，2014 年）。圖 7 展示了其他有前景的 TES 技術。隨著這些技術突破初期的技術成熟度水平，很有可能用來降低VRE供電的快速波動性，幫助電網接納越來越多的可再生能源。這些系統需要在未來幾年乃至數十年中取得突破，以使正在開發的技術成功實現商業化，同時進一步推廣熔融鹽儲熱技術。未來五年，下一代熔融鹽的工作溫度范圍可提高至 700C，性能也會提高，這將使 CS

42、P 工廠的儲放效率2提高至 92 以上?？赡艹霈F更多固態儲能和新型獨立熔融鹽蓄熱電池試點項目。到 2030 年，TES 發電技術的成本可降低 50 以上，達到每千瓦時(kWh)15 美元。到 2030 年，液態空氣儲能(LAES)、絕熱壓縮空氣儲能(A-CAES)和固態儲能系統的效率將進一步提高，擴大 TES 在風能和太陽能光伏發電中的利用范圍，并且還有望成為 CSP 熔融鹽的有效替代品。到 2050 年，熱化學儲能的發展可提高 CSP 工廠的轉化效率。同樣，熔融鹽儲能可為化石燃料發電廠帶來新的活力，將其重新利用于可再生能源儲存，從而節省退役成本并推動發電廠脫碳。2 儲放效率是指儲存能量與最后

43、輸出能量之間的關系。它代表該技術在儲存和釋放熱能方面的效率情況。此參數可能很大程度上取決于系統的工作條件（例如每天或季節性）。創新展望22圖 7：TES 在電力部門的技術現狀和創新展望顯熱潛熱熱化學機械熱效率(%)應用研究熔融鹽 1熔融鹽 2固態LAESA-CAES原型示范商用成本（美元/kWh）溫度（）565600600-700600-750500-900500-900400壽命（循環）10 00010 000500-100025-3025-90929220182030201820302018203020182030909045-5040-65電力高溫相變材料化學循環水合鹽45-75400-

44、870400短期（5 年）下一代熔融鹽具有更高的工作溫度范圍和性能，可提高轉化效率并降低 CSP 工廠的成本?？赡艹霈F固態儲能和新型獨立熔融鹽蓄熱電池試點項目。長期（10+年）熱化學儲能的發展將提高 CSP 工廠的轉化效率。熔融鹽儲能可為化石燃料發電廠帶來新的活力，將其重新利用于可再生能源儲存。中期（5-10 年）LAES、絕熱 CAES 和固態儲能系統將擴大 TES 在風能和太陽能光伏發電中的利用范圍，并且有望成為 CSP 熔融鹽的有效替代品。注：放大鏡是指由于技術成熟度低而無法獲得相關數值；(1)獨立系統；(2)與 CSP 并置?？稍偕茉葱顭嵊兄陔娏?、工業、供熱、供冷和建筑部門實現脫碳

45、。蓄熱23 工業工業中的熱能生產消耗大量能源，因此急需脫碳。TES 已經可以用于儲存電動熱泵或現場太陽能熱電廠產生的低溫熱能。將熱能從發電中分離有助于實現靈活性和智能的能源應用，并利用間歇性的可再生能源發電滿足持續需求。水罐蓄熱（WTTES 或 TTES）與太陽能熱電廠的結合剛剛興起，但當前正在不斷增長，主要用于生產和儲存采礦、食品和紡織子部門中使用的低溫熱能（圖 8）。主要市場為奧地利、中國、法國、德國、印度、墨西哥和西班牙（Weiss 和 Spork-Dur，2019 年）。到 2030 年，包括 TTES 在內的顯熱儲熱技術成本預計將下降約 30，從 35 美元/kWh 下降至 25 美

46、元/kWh。結合現有 TTES 整合、管理和控制系統方面的改進，這將鼓勵需要低溫熱能的工藝更多地部署太陽能熱發電。未來十年，固態儲熱技術可提供一種類似于當今熱電聯產電廠的低成本儲能方式，為工業過程提供電力和熱能。到 2030 年，高能量密度的 PCM 和水合鹽儲能解決方案將有效減少 TES 系統的占用空間，從而擴大其應用范圍。長遠來看，還需進一步研究了解將化學循環和其他熱化學反應儲熱系統整合到制造工藝中的潛力，以滿足更高溫度的工藝熱能需求。水罐與太陽能熱電廠的結合將在低溫熱能的 生產和儲存中得到廣泛應用。創新展望24圖 8：TES 在工業部門的技術現狀和創新展望顯熱潛熱熱化學效率(%)應用研究

47、高溫相變材料化學循環水合鹽TTES原型示范商用60-909240-50%2018203050-909045-50壽命（循環）1000-30001000-3000922018203020182030201820302018203090COP0.6-0.8冷鏈-150 至 環境溫度零度以下相變材料1,21,2熱化學LAES1,2,3效率(%)應用研究原型示范商用成本（美元/kWh）溫度（）壽命（循環）短期（5 年）材料和運營方面的改進以及更好的整合可以提高冰及其他 PCM 系統的應用效率并降低成本?？绮块T鏈接冷鏈資產可以產生協同效應。長期（10+年）在低溫 LAES 中應用液態空氣可以降低成本并開

48、辟新的應用領域，對于冷電聯產系統而言更是如此。改造現有的化石燃料網絡以使用 TES 儲存可再生能源生產的冷能，可有效推進該部門脫碳。中期（5-10 年）下一代 PCM 可實現零度以下的儲存溫度和被動供冷注：放大鏡是指由于技術成熟度低而無法獲得數值；旗幟指示范階段；喇叭筒指商業化階段；(1)用于蓄冷；(2)用于冷藏運輸；(3)用于冷能生產。蓄熱27 區域供熱和供冷TTES已在全球范圍內廣泛部署，而冰蓄熱當前已應用于區域供冷方案。其他 PCM和熱化學儲熱技術也在研發之中，有望幫助該部門實現脫碳。如今，TTES 和 UTES 等顯熱儲熱技術已與區域供熱方案廣泛結合。冰和其他 PCM 解決方案也開始在

49、區域供冷部門中得以實施。區域供熱和供冷應用 TES 的主要優勢是能夠將熱/冷能的生產與使用分離，從而可能實現從數小時到季節性的能源儲存。中期來看，其他創新PCM和固態儲熱解決方案可通過電加熱或季節性太陽能熱技術整合大量可再生能源，加拿大、中國和歐洲已經成功進行了相關試驗。預計到2030年，工業應用中的TES技術效率水平將超過92。未來十年，正在進行的PCM供冷研究和示范項目有望推動更廣泛的部署。到 2050 年，熱化學系統將進入示范階段，以低至 10 美元/kWh 的價格增加可再生能源在區域供熱和供冷部門的部署機會，在冷電聯產應用中更是如此。在這十年中，部門整合和智能控制技術將獲得更多的應用機

50、會，尤其應促成從工業應用中收集（和儲存）廢棄熱能/冷能（圖 10）。將儲能與區域供熱供冷網絡相關聯后，可將發電需求與使用分離開來。創新展望28圖 10：TES 在區域供熱和供冷部門的技術現狀和創新展望顯熱潛熱熱化學固態UTES1,2吸收式系統1,2水合鹽1,2TTES1,25-950-7500-7505-9515-15015-15010-3015-2510-202520-3020-2560-23015-15045-18515-12065-909240-50%2018203020182030201820302018203055-909050-65區域供熱供冷高溫相變材料1零度以下相變材料2冰20

51、.1-350.1-25效率(%)應用研究原型示范商用成本（美元/kWh）溫度（）壽命（循環）短期（5 年）TTES 整合和管理系統方面的改進可顯著降低成本并擴大部署機會。長期（10+年）預計 PCM 和熱化學系統將為冷電聯產應用提供更多機會。部門整合和智能控制技術將促進其他部門和應用收集（和儲存）廢棄熱能/冷能。中期（5-10 年）正在進行的 PCM 供冷研究和示范項目有望推動更廣泛的部署。注：放大鏡是指由于技術成熟度低而無法獲得數值；(1)用于區域供熱；(2)用于區域供冷。蓄熱29 建筑無論是否配備熱泵，基于簡單TTES、固態或更先進PCM技術的熱電池都可用于電加熱。水罐蓄熱在全球范圍內廣泛

52、應用于建筑蓄熱，而 UTES 則在多個案例中應用規模較小。PCM 和固態熱電池及代替空調的冰儲能技術已經過驗證，但當前僅進行了相對較小規模的部署。正處于研究中的熱化學技術可作為分布式季節性儲能的一種形式（圖 11）。與燃氣鍋爐相比，基于PCM的系統已被證實可為消費者節省費用，應該受到更多關注。目前正在進行與能源管理系統相結合的PCM熱電池試驗。這些試驗可以證明該類電池如何利用低谷期生產的電力實現供熱脫碳并幫助消費者節省費用。具有改良的熱性能及耐腐蝕性的材料也正在開發之中，以用于罐體和固態TES技術；這有助于將效率提高至 90，而整合和控制系統方面的改進創新則將提高其成本效益。到2030年，下一

53、代高低溫PCM及復合相變材料(cPCM)的成本降低和技術改進將促進建筑中潛熱儲熱技術的部署。長遠來看，預計研究和開發(RD)活動的重點是實現熱化學 TES 技術材料和系統改進，并可能進入示范階段。儲存低谷電力的熱電池有助于實現熱能脫碳，并為消費者節省費用。創新展望30圖 11：TES 在建筑部門的技術現狀和創新展望顯熱潛熱熱化學高溫相變材料低溫相變材料UTES水合鹽吸收式系統TTES固態5-950-7500-7505-9515-15015-15010-3015-20 101515-3020-2560-23015-15060-18512-8065-909240-50%20182030201820

54、30201820302018203055-909050-65建筑0.1-350.1-25冰效率(%)應用研究原型示范商用成本（美元/kWh）溫度（）壽命（循環）短期（5 年）當前，正在進行 PCM 熱電池與能源管理系統耦合的相關測試，以示范利用低谷電力實現供熱/供冷脫碳并為消費者節省費用。旨在改進罐體和固態 TES 技術熱性能和耐腐蝕性的材料開發可以提高效率，而整合和控制系統方面的創新將提高成本效益。長期（10+年）專注于實現熱化學 TES 技術的材料及系統改進研究和開發活動可促進該研究進入示范階段。中期（5-10 年）新一代高溫和低溫 PCM 和 cPCM 的成本降低和技術改進有助于增加建筑

55、物中潛熱儲能的部署。注：放大鏡是指由于技術成熟度低而無法獲得相關數值。蓄熱31創新展望32政策建議電力部門脫碳已經取得進展，但需要制定相關政策充分解決供熱供冷部門面臨的脫碳挑戰，尤其是要進一步提高這些領域的終端用能部門的可再生能源滲透率?？缒茉聪到y應用 TES 的主要障礙包括（圖 12）：某些 TES 技術缺乏技術成熟度，以及競爭性技術具有較高的技術成熟度(TRL)（例如廉價的化石燃料供熱）。對 TES 如何使社會、公共部門和工業受益缺乏相關知識和了解。這一點體現為，一方面，蓄熱是實現高比例可再生能源所需靈活性的重要手段，而另一方面，對于電池儲能的研發工作的關注度卻相對較低。未來能源系統的發展

56、存在不確定性，這導致人們不愿投資長期或大型項目。不同能源矢量（即熱/冷和電）和不同部門的孤立思維，某些情況下會導致政策沖突及規劃效率低下。此外，與電力部門相比，供熱部門缺乏脫碳的相關政策。3 特定部門所面臨的障礙將在第 4 章進行詳細討論。一系列的技術推動、市場拉動及扶持機制有助于儲熱行業的政策制定者和主要參與者有效解決面臨的障礙，同時鼓勵更廣泛地部署 TES。政策制定者和其他主要利益相關方應考慮采取以下行動：更多關注工業脫碳計劃以及供冷供熱部門。將這些領域作為整合能源政策開發的一部分進行開發，以實現更高的系統效益水平。采用全系統方法進行能源系統脫碳對于實現經濟高效的能源轉型至關重要?？紤]所有

57、能源種類的各種的靈活性技術，以確定實現最具成本效益的能源系統脫碳途徑。為 TES 技術研發投入更多資金，與其幫助供熱、電力、供冷部門脫碳所具備的獨特潛力相匹配。為示范項目投入資金，以幫助建立市場意識、增強消費者信心，同時提高技術成熟度。政策制定部門應出臺全方位的能源政策，考慮取消化石燃料補貼并引入碳排放價格，由此顯著提高低碳供熱系統的競爭力。建立諸如分時定價的市場機制以促進需求側的靈活性、降低消費者支出并增加可再生能源的使用。建立技術中立的輔助服務市場幫助克服電池儲能方面通常遇到的困難，并為 TES 所有者/運營商提供額外的收入流。圖 12：TES 部署所面臨的障礙盡管有諸多優勢，但是 TES

58、 部署方面仍存在系統性障礙：跨能源矢量（即熱能/冷能和電能）的孤立思維導致的政策和規劃系統沖突技術和系統相對而言不夠成熟缺乏對于這些技術及其優勢的認識對于能源系統未來發展的不確定性技術推動、市場拉動以及關鍵的扶持機制結合在一起，可促進蓄熱的快速增長。蓄熱33創新展望34表 1.各終端用能部門中 TES 相關政策干預概述應用監管/政策環境利益相關者接受度技術表現財務主張電力 出臺脫碳政策。將熱能市場作為整體多矢量能源監管的一部分進行監管。頒布儲能指令。為顯熱儲熱以及高溫 cPCM 的示范及試點項目投入資金，以向投資者和其他利益相關方證明該技術的優勢和商業利益。為顯熱儲熱以及高溫 cPCM 的研發

59、、示范及試點項目投入資金，以加快技術成熟。為顯熱儲熱以及高溫 cPCM 的研發、示范項目及企業支持投入資金，以利用創新降低成本。利用市場拉動政策推動采用 TES 并置儲存。工業 確保脫碳政策涵蓋工業部門。開展國際性合作，以克服競爭力方面的擔憂。取消化石燃料補貼，幫助提高 TES 的價值定位。牽頭政府項目，與行業參與者共同進行技術試驗。利用示范項目和“冠軍”組織支持知識共享和傳播，降低技術應用的感知風險。為研發、示范和試點項目投入資金（特別是化學和潛熱儲能方面）以加快開發速度 為研發、示范和試點項目投入資金（特別是化學和潛熱儲能方面）以利用創新降低成本。一旦證明技術有助于克服財務障礙，為其提供投

60、資和價格支持以作為市場拉動方案。冷鏈 取消化石燃料補貼，以使冷鏈技術相比柴油替代方案更具競爭力 共享潛熱儲熱示范項目的相關知識。幫助企業向客戶展示傳達 TES 的優勢，從而幫助企業打入/創建冷鏈市場。N/AN/A區域供熱和供冷 更全面地改善區域供熱和供冷的監管環境。取消化石燃料補貼，幫助提高 TES 的價值定位。共享潛熱儲能示范項目的相關知識 為化學和潛熱儲能解決方案提供一系列技術推動支持。為化學儲能解決方案提供市場拉動支持機制。通過市場拉動機制改善區域供熱和供冷部門的財務狀況。共享相關知識，以增強對 TES 優勢的了解。建筑 取消化石燃料補貼，幫助提高 TES 的價值定位。整合和規范熱電市場

61、。頒布儲能指令、建筑法規等。提供生態系統支持，以增強公眾對家用 TES 應用優勢的了解。N/A 提供技術推動支持，以開發低溫 PCM 和水合鹽產品。提供市場拉動支持，以激勵家用/非家用消費者購買設備。注：N/A 表示沒有發現主要需求。表 1 列出了各部門推進 TES 部署相關的其他潛在政策干預措施。蓄熱35應用產業供應鏈和技能市場機遇公司成熟度使能基礎設施電力N/A 建立平衡市場、推出分時定價機制或其他激勵措施，以了解定期儲能對電力部門的價值。引入長期儲能收入機制（例如電力購買協議）以滿足全天候需求（如迪拜、南非、智利）。N/A 加速可再生能源的滲透，以推動諸如 TES 等靈活性解決方案的需求

62、。工業N/A 建立平衡市場，推出分時定價機制或其他激勵措施，以了解需求靈活性帶來的價值，同時幫助開發蓄熱（和現場可再生能源）的價值定位。引入可信賴的第三方技術認證/認可，以降低感知風險。加快太陽能熱發電和熱泵在工業中的滲透。冷鏈 支持供應鏈發展（例如 LAES）。N/A 支持企業和生態系統，以提高全新技術（例如 LAES）的知名度。協調 LAES 與 LNG 氣化基礎設施。開發基于 LAES 的冷鏈。區域供熱和供冷N/A 提供生態系統支持以強調 TES 可為可再生區域能源項目帶來的優勢。N/A 作為整合系統方法的一部分，加快可再生能源區域供熱和供冷計劃的滲透。建筑N/AN/AN/A 支持熱泵的

63、開發和滲透。確保制定正確的激勵措施，以實現有效的電網管理和調整。注：N/A 表示沒有發現主要需求。創新展望36圖 13：給政策制定者的建議政策制定部門還可以通過有針對性的干預措施應對特定部門的挑戰政策制定部門為支持TES發展可利用的工具：市場結構冷鏈作為整體能源政策的一部分，解決監管框架中儲能的系統性障礙提供價格信號以提高靈活性，提升儲能技術的價值定位增加專門針對 TES 研發和示范項目的資金工業建筑為規劃、建筑標準和環境保護提供明確的指導方針和規定區域供熱供冷增加用于研發和示范項目的資金，以幫助加速技術開發引入強制性建筑法規，以取代化石燃料供暖系統電力發展產業供應鏈和技能對研發活動和示范項目

64、進行投資可以幫助克服技術難題，建立市場對于 TES 系統獨特能力的認識，并降低部署的預期風險。確保能源政策制定的連貫性，例如引入碳定價系統，取消化石燃料補貼，出臺建筑規范以使供暖系統與化石燃料脫鉤。支持技術中立的市場結構的發展，以便 TES 可以與其他靈活性來源競爭，以向能源系統提供服務。采用整體系統方法進行能源系統規劃和制定策略，確保在脫碳工作中考慮供熱、供冷和工業能源的使用。提供補貼或其他技術推動干預措施，以改善財務價值定位并提高消費者對新技術的認識和接受度引入認證制度、媒體宣傳和示范項目，以提高認識并建立對新技術的信任實行排放限額制度和碳交易制度，提高企業使用可再生能源和儲熱技術的財務效

65、益，使其優于化石燃料通過針對 TES 的媒體活動和價格支持機制或熱泵等使能基礎設施來鼓勵消費者采納新技術引入投資支持機制和指令與控制機制，例如通過政府采購加快可再生能源區域供熱/供冷計劃的發展規劃和監管框架政策和規劃研究與創新蓄熱37熱電廠圖片來源：Shutterstock創新展望381.設置情景1.1 能源轉型全球范圍內的能源系統正在經歷由脫碳驅動的重大轉型 全球能源的生產、儲存、輸送、分配和使用方式都在變化。這些變化受到各種因素推動，如擴大能源使用范圍、確保能源供應更加低價和安全，以及非常關鍵的一點減少與能源系統相關的溫室氣體排放。最近巴黎協定重申了國際上為緩解氣候變化所做的努力，并設定了

66、一個目標，即將全球平均氣溫的上升幅度控制在 2C 以下。撰寫本文時，法國、挪威、瑞典和英國已通過出臺法律，承諾到 2050 年實現溫室氣體凈零排放，4 其他國家也在努力跟上步伐。展望 2050 年，若要實現這些國際上減緩氣候變化的宏大目標，需要實現能源系統脫碳及整體經濟轉型。IRENA 定期發布“2050 年能源轉型情景”的最新預測，設想如何以有助于實現這些目標的方式進行全球能源系統轉型。近期報告給出了實現這些目標的重大挑戰包括（IRENA，2020a）：全球經濟的能源強度需降低約三分之二。與今天相比，2050 年能源相關排放需要減少 70。到 2050 年，可再生能源發電所占比例需要從目前的

67、 26 提高至 86。能源廣泛應用于人類活動的各個部門和領域，包括發電、供熱供冷以及工業、運輸和建筑等。圖 14 總結了這些部門當前與能源使用相關的全球溫室氣體排放比例，還列出了每個部門的減排預測，展示了“能源轉型情景”下可利用的脫碳機會。在電力部門中有效整合更高比例的可再生能源將是一項關鍵挑戰當前的重點是電力部門脫碳。由于技術成本降低，人們越發關注利用可再生能源發電，這既促進了相關應用，又受到應用規模增長的推動。例如，2010 年至 2019 年，全球并網規模太陽能光伏(PV)的平均電力成本(LCOE)下降了 82（IRENA，2020b）。2017 年可再生能源發電所占比例為 26，預計到

68、 2050 年將增長至 86（IRENA，2020a）。因此，電力生產部門脫碳仍將是重要的優先事項。預計風能、太陽能光伏和聚光太陽能熱發電(CSP)等可再生能源技術將得到更廣泛的部署。然而，多變的天氣條件使這些技術本質上具有波動性及間歇性（IRENA，2017a）。應對可再生能源的波動性將對電力系統運營商的規模擴大構成獨特挑戰，尤其是需要確保電力分配有效性、系統穩定性和供電安全性。擴大可再生能源部署戰略管理的優先事項將是避免棄電，即可再生能源發電廠必須停止發電以滿足電網平衡要求的情況（IRENA，2019b）。4 挪威設定了一個 2030 年目標，瑞典設定了一個 2045 年目標。英國和法國設

69、定了一個 2050 年目標。蓄熱39圖 14：2010-2050 年各部門每年與能源相關的 CO2 排放量可再生能源燃料轉換和其他能源效率建筑運輸區域供熱電力工業規劃能源情景基準能源情景能源轉型情景21%27%52%29%26%45%454035302520151050201520202010202520302035204020452050建筑運輸區域供熱電力工業 33 Gt 205043 Gt 20509.5 Gt 2050能源轉型情景中減排潛力的三分之二能源相關的 CO2 排放，2010-2050CO2（Gt/年）來源：IRENA，2020。供熱和供冷部門的脫碳將是另一項重大挑戰在全球最終

70、能源消耗中，一半為熱能，而在這其中，空間供熱和工業工藝又各占一半?？稍偕茉茨壳皟H滿足全球熱能需求（包括熱水）的 9，相比之 下，2017 年可再生能源的 26用于發電（Collier，2018 年）。因此，關鍵是要尋找一種廉價且可持續的方式實現供熱脫碳?？臻g供冷是建筑部門增長最快的能源使用方式，這一趨勢在經濟快速增長、氣溫較高的國家（例如印度、印度尼西亞、巴西和中東國家）尤為明顯。到 2050 年，全球約三分之二的家庭將擁有空調（IEA，2018a）。鑒于供冷應用的能源幾乎完全是電力，有效脫碳的關鍵挑戰是確?？稍偕茉礉M足電力需求增長，并輔以蓄熱(TES)系統最大程度地減少對本地電網的影響。

71、其他終端用能部門的電氣化也有助于實現脫碳隨著可再生能源發電裝機容量不斷增加，電力、運輸、建筑（供熱和供冷）和工業等其他部門的能源利用向電力的轉型可能有助于實現脫碳。其他終端用能部門的電氣化是更廣泛的部門整合戰略的一部分。電氣化供冷、供熱和運輸（例如通過空調、熱泵和電動車輛）可與可再生能源的直接部署相互補充以滿足工業工藝或老舊建筑等更復雜的需求。電氣化與可再生能源直接部署的精確公式因能源系統而異，具體取決于現有基礎設施和需求狀況。創新展望40需要針對特定部門和地理位置制定脫碳解決方案IRENA 制定的“2050 年能源轉型情景”闡明了其他關鍵能源消費部門所需的轉型規模。在運輸方面，IRENA 分

72、析預計到 2050 年，全球電動汽車(EV)數量將從目前的 790 萬輛增長至 11.09 億輛，運輸部門的生物燃料產量將從 2017 年的 1360 億升/年增加到 6520 億升/年（IRENA，2020a）。全球范圍內配套基礎設施的推廣促進了電動汽車銷量的持續增長，這為運輸部門脫碳提供了機會。但是，電力需求的增長可能對電力部門構成挑戰。最近針對英國在 2035 年前廣泛推廣 EV 所產生影響的建模表明，不協調的非智能充電可能會給英國電網帶來風險。該研究發現，如果所有預測的一千萬輛車輛同時充電，則夜間尖峰需求可能增加 3 GW，而若鼓勵智能充電，則僅增加 0.5 GW（Aurora Ene

73、rgy，2018 年）。英國和所有其他預期 EV 普及率較高的國家一樣，都需要采取策略優化充電模式。工業是向可再生能源應用轉型最緩慢的部門，當前可再生能源的占比僅為 13（主要是生物質）。鑒于該部門與能源相關的 CO2 排放位列全球第二，需要大幅提高其可再生能源比例以幫助實現氣候變化目標（IRENA，2020a）。擴大規模意味著需要更多的太陽能熱泵滿足低溫熱能需求、可再生電力制氫和擴大生物質的使用規模以滿足中高溫熱能需求。未來可能通過 CSP 滿足高溫熱能需求。但是，考慮到這些來源的間歇性，有效整合可再生能源與不同的工業工藝（包括通過燃料轉換或部門整合）對于該部門而言至關重要。建筑部門涵蓋商業

74、和住宅用房，面積約為 1500 億平方米(m2)，到 2050 年預計將增加至 2700 億 m2。到 2050 年，可再生能源在建筑部門的使用比例需要提高到 81，可再生能源的應用與目前相比將有顯著增長，包括太陽能熱利用和熱泵（約 10 倍）、現代灶具（約 12 倍）、生物質（約 2 倍）和地熱（約 4 倍）（IRENA，2020a）。提高建筑中的可再生能源比例需要考慮一些重點領域，如擴大熱泵部署規模、有效管理用電高峰、加倍發展（可再生能源）區域供熱系統以及提高能源效率。能源系統需要靈活性才能實現可再生能源與所有部門的整合實現能源系統脫碳的艱巨挑戰顯而易見。隨著 VRE 發電及跨多個部門電氣

75、化的迅速增長，開發靈活的能源系統以確保能源基礎設施的有效整合和使用非常重要。靈活性是指系統“面對供需的快速大幅波動時仍能可靠和持續地提供服務”的能力（IRENA，2017b）。能源系統管理中的靈活性措施可分為六大類：供給側，主要根據需求變化及網絡擁堵情況增加或減少發電量。需求側，能源使用隨時間而改變，可通過市場參與者遠程控制特定負荷或客戶響應價格信號實現。這有助于管理尤其是智能系統中波動性可再生能源發電輸出的動態變化。市場設計，用于通過有效的價格信號調節發電或消費活動，并對其靈活性進行獎勵，從而幫助管理系統并推動適當的長期投資。系統運營，系統運營商采用各種平衡服務確保供應時刻滿足需求。隨著 V

76、RE 來源越來越多，情況也將越發復雜，需要更加先進的市場規則、預測、溝通及控制。蓄熱41 輸電和配電網絡運營商，管理連接供需的有形資產，可在智能系統管理中發揮重要作用。儲能基礎設施，用于儲存能源以供未來使用。許多技術都可提供儲能服務，這些技術在不同的儲能介質（即電化學、機械、電力、熱物理或化學介質）中吸收不同的能源矢量（即電和熱 熱或冷）。根據其地點和用途，儲能可用于實現供給側和/或需求側的靈活性以及提供額外的網絡服務，從而延遲昂貴的網絡提升需求（IRENA，2017b）。儲能對于實現能源系統的靈活性至關重要作為能源系統的關鍵應用技術，儲能技術已在全球范圍內引起廣泛關注，該技術有助于能源系統整

77、合更高比例的 VRE 并最大程度地減少棄電。儲能的基本原理是能夠吸收和儲存能量并在系統需要時釋放能量。由此可實現供需分離，從而為使用高比例 VRE 發電的系統提供關鍵的管理能力。一般意義上，儲能指在時間和/或空間上以受控方式吸收、儲存和釋放能量。它與不同能源矢量有關，例如電力、熱能和合成燃料（包括天然氣）。儲能技術通常根據所涉及的矢量進行高級別分類。儲電技術吸收并釋放電力。該矢量或者直接以電力形式儲存，或者轉換為其他形式（即勢能、機械能、熱能、化學能、電化學能、靜電能或磁能）儲存。同時，儲熱通過加熱或冷卻儲能介質儲存熱能，以便未來將儲存的熱能用于供熱和供冷應用或發電（歐洲儲能協會，2017 年

78、）。5可用的儲存和釋放矢量非常多樣，此外，儲能技術的應用范圍也比較廣泛，可應用于從發電廠到住宅的整個能源系統，還能夠根據系統需求應用于從數秒到數個季節的時間跨度。根據美國能源部的全球能源儲存數據庫，抽水蓄能電站占全球當前儲能裝機容量的 96，其余部分為儲熱(1.6)、電化學電池儲能(1.1)以及機械儲能(0.9%)（美國能源部，未注明出版日期）。但請注意，這些數字不包括諸如家用熱水罐或電池等分布式小型儲能裝置。電化學儲能（電池）最近已成為焦點，全球裝機容量大幅增加。由于成本的快速下降，鋰離子電池在最近的部署中占據了主導地位。事實上，2010 年至 2016 年，運輸應用成本降低比例高達 73。

79、該類儲能預測主要來源于 EV 市場以及全球日益增長的風能和太陽能發電規模。IRENA 估計，要使可再生能源發電量增加一倍，需將電池儲能部署增加 17 倍（IRENA，2017a）。最近的市場估計表明，得益于有力的政策環境，部署規模將增加六倍（Chediak，2018 年）。由于需要平衡供熱和供冷的供需關系，蓄熱的重要性也越發顯著。它還有可能提高純電應用（包括火電廠改造）的靈活性。本“創新前景”強調了 TES 的獨特能力，其能夠進一步促進全球跨部門可再生能源整合，并更高效地滿足供熱/供冷需求。本報告優先考慮了現有和正在開發的 29 項 TES 技術，并說明了其在未來幾十年可為能源系統和細分部門帶

80、來的價值和收益。5 還有將蓄熱與電力儲存結合使用的混合動力系統。創新展望421.2 TES 的市場評估有越來越多的解決方案可將更高比例的 VRE 平穩整合到能源系統中。儲電技術已成為靈活性的關鍵來源，特別是對于電力、建筑和運輸部門。但是，儲能部門需要多元化發展，以避免生產供應鏈中可能出現的瓶頸，并滿足各種終端用能需求。因此，TES 作為熱能解決方案在為電力部門以及供熱和供冷應用提供靈活性方面的作用顯著。2.3 節解釋了將 TES 整合到能源系統中的優勢。圖 15 展示了 TES 及其他廣受青睞的儲能技術的裝機容量。IRENA 分析估計，到 2019 年底，全球 TES 裝機容量已超過 234

81、GWh，成為私營和公共部門越來越重視的一項技術。對于其他技術的市場狀況，到 2019 年底，電動汽車應用的累計電池裝機容量約為 200 GWh，而固定式電池儲能應用的裝機容量約為 30 GWh，包括用于并網發電和分布式系統（屋頂 PV 系統）（IRENA，2020a）。66 由于儲能介質性質不同，電化學和熱能技術的裝機容量無法直接進行比較。這意味著 1 GWh 的電化學儲能裝機容量并不等于 1 GWh 的蓄熱裝機容量。因此基于所提供的信息給出相應值，以證明特定技術的市場地位。圖 15：截至 2019 年的 TES 裝機容量050100150200250GWh蓄熱2019本節重點探討三個主要部門

82、（電力、空間供冷和供熱）的 TES 市場。該分析基于 IRENA 從 430 多個項目中收集的數據，其中包括：發電熔融鹽技術：非洲、美洲、亞洲和歐洲已投入運行和規劃中的熔融鹽 TES。壓縮空氣儲能(CAES)、液態空氣儲能(LAES)和固態技術?？臻g供冷TES 供冷項目大部分位于美國，還有一些大型項目位于約旦、葡萄牙和卡塔爾等氣溫較高的國家。區域集中供熱系統、建筑和工業供熱TES 供熱項目（不包括小型熱水罐）的大部分大型TES設施裝機容量來自中歐和北歐（尤其是丹麥、德國和瑞典）區域供熱系統。運輸（冷鏈）相變材料(PCM)項目。電力部門TES 已經在電力部門應用于負荷轉移及產能穩固。根據 IRE

83、NA 數據庫，憑借其先進的技術成熟度及其在 CSP 發電廠中的應用，熔融鹽儲能是該部門應用最為廣泛的 TES 技術。同時，固態材料（例如 陶瓷或熱巖石）和 PCM 等其他 TES 技術也已應用于 CSP 和非 CSP 部門的示范和試點項目。蓄熱43熔融鹽 TES由于適合與 CSP 發電廠相結合，大部分熔融鹽熱裝機容量用于電力部門。全球目前的熔融鹽儲能裝機容量已超過 21 GWh。截至 2019 年底，裝機容量最高的三個國家/地區是西班牙、美國和南非（圖 16）。隨著使用 TES 的 CSP 電廠比例及儲熱裝機容量不斷增加，熔融鹽儲能也會隨著CSP電廠的進一步建設而快速增長。自 2014 年以來

84、，大多數 CSP 電廠都安裝了 TES（21 世紀可再生能源政策網公司，2020 年）。計劃到 2030 年，熔融鹽 TES 的裝機容量至少達到 74 GWh。為了在當前和規劃政策下與當年預測的 20 GW CSP 容量相匹配，還將需要約 126 GWh 的額外熔融鹽儲能裝機容量（相比原計劃多 52 GWh）。與當前趨勢、政策和規劃相比，與巴黎協定一致的 IRENA“能源轉型情景”預計可再生能源的增長目標更為宏大，到 2030 年需要增加 56 吉瓦(GW)的 CSP 裝機容量（IRENA，2020a）。CSP 裝機容量的增長（如圖 17 所示）將使熔融鹽 TES 的裝機容量增加四倍（與“能源

85、規劃情景”相比），達到 491 GWh 至 631 GWh。該數據為保守估計，即 70 至 90 的全新 CSP 發電廠將安裝熔融鹽儲熱裝置。該情景要求各國實施適當政策（請參閱第 5 章）和激勵措施，以加快 CSP 和 TES 的部署。該情景考慮到該部門因新冠疫情造成的增長放緩情況，并假設接下來三年（2020-2023 年）需要建立正確的政策環境，以在 2030 年之前實現這一部署速度。圖 16：全球熔融鹽 TES 裝機容量（吉瓦時）美國3.981摩洛哥1.880西班牙6.938智利0.468南非4.074中國2.342希臘0.260意大利0.044土耳其0.004以色列0.495科威特0.4

86、50免責聲明：該地圖上顯示的邊界和名稱并不意味著 IRENA 官方認可或接受。創新展望44圖 17：熔融鹽 TES 裝機容量93.9147.6631.3491.2010020030040050060070020082009201020112012201320142015201620172018201920202021202220232024202520262027202820292030規劃項目規劃能源情景能源轉型情景（70-90%部署，累計值）GWhIRENA 估計，熔融鹽 TES 當前的安裝成本為 26.1 美元/kWh 至 40 美元/kWh。假設 TES 的額定工作能力為 8-11 小

87、時，則為滿足 CSP 裝機容量（根據 IRENA“能源轉型情景”），未來 10 年所需的熔融鹽 TES 累計投資為 123 億美元至 244 億美元，具體數據取決于使用的 CSP 技術。但是，如果儲熱技術的成本繼續下降（假設到 2030 年成本為 21.8-25.8 美元/kWh），那么所需投資可能會減少至 102-157 億美元。熔融鹽儲熱部署的進一步增長也可能來自電力部門的獨立大容量儲能，已有計劃將退役的燃煤發電廠改造成儲能設施（請參閱第 4.1 節）?？臻g供冷由于整體經濟繁榮、氣候變化影響及全球氣溫上升，全球范圍內的空間供冷需求正逐步增加。家用空調銷售額持續快速增長。根據 IRENA 分

88、析，2016 年空間供冷的能源需求達到 8.1 艾焦耳(EJ)，并且還在繼續增長，預計到 2030 年將達到約 11.3 EJ。另一方面，IRENA 估計通過提高能效措施（例如 建筑保溫和改造）和可再生能源技術，到 2030 年，在“能源轉型情景”下的增長可能會放緩至 9.3 EJ。無論如何，需求增長要求進一步利用 TES 供冷技術，以實現更大的靈活性和需求轉移（請參閱 2.3 節）。如此有助于以較低的整體系統成本滿足供冷需求。這些儲熱技術還包括罐式蓄熱(TTES)、地下蓄熱(UTES)及 PCM。當前，在 IRENA 于 2019 年底確定的 400 個 TES 項目中，超過 160 個已用

89、于建筑和區域空間供冷，裝機容量超過 13.9 GWh。未來十年這個數字可能會快速增長，尤其是在北非和撒哈拉以南非洲、東南亞和中東地區，因為這些地區的氣溫已達到極限水平，并已大規模采用更先進的供冷技術。TES 可通過為電力系統運營商提供額外的需求側管理作為這種增長的補充，確保降低系統成本及整合更高比例的 VRE。蓄熱45圖 18 探討了全球 TES 供冷應用增長的兩種情景，7 供冷需求的增長基于兩種情況：一種是當前的政策情景，即“能源規劃情景”；另一種是與氣候變化相協調的情況，即“能源轉型情景”，主要基于可再生能源和能源效率技術。在第一種情境下，TES 供冷應用以目前的速度增長。在“能源轉型情景

90、”中，TES 供冷的全球裝機容量將根據美國8 的 TES 裝機容量與供冷需求比例增長。全球 TES 供冷裝機容量需增加兩倍才能滿足供冷需求，并推動更多需求側靈活性方案的出現。同時，還需要技術進步（例如 數字化和提高儲熱容量）、提高效率以及在建筑中實施節能措施。如前文所述，2020-2023 年將是政策實施的關鍵時期，這些政策可加快供冷中 TES 技術的應用，使其在全球范圍內與美國的部署率相匹配（請參閱第 5 章）?？紤]當前供冷中 TES 技術的安裝成本，可以估算出達到“能源轉型情案”所需裝機容量的投資。以 TES 區域和建筑供冷技術的平均安裝成本為 60-230 美 元/kWh 計算，未來十年

91、，TES 在供冷中的應用大約需要投資 5.6 億至 28.2 億美元，才能使全球 TES 裝機容量達到與美國相近的部署水平。圖 18：全球范圍內空間供冷 TES 裝機容量和預測容量規劃能源情景能源轉型情景(TES)051015202530201920202021202220232024202520262027202820292030GWh7 由于技術、地理位置和資源數據的可用性受到限制，本預測不涉及含水層蓄熱(ATES)（請參閱方框中的內容）。8 請注意，這并不意味著美國的 TES 供冷裝機容量最高，但美國項目的可用性相對較高，供冷需求數據較為充分，因此可將其案例作為該技術全球部署的參考。創新

92、展望46含水層蓄熱 含水層蓄熱(ATES)項目具備最大的 TES 項目儲熱容量，因此非常適合季節性儲能。全球目前已安裝了超過 2,800 個 ATES 項目，大多數位于荷蘭和西歐（圖 19）。這些項目每年提供超過 2.5 TWh 的供冷和供熱能力（Fleuchaus 等人，2018 年）全球最大的項目位于斯德哥爾摩的阿蘭達機場。含水層體積為 2 億立方米(m3)，最多可儲能 9 GWh。各季節使用相同水量用于供冷和供熱，例如融化跑道上的積雪及預熱通風系統。該項目使機場每年的能耗減少 19 GWh，并且僅使用生物燃料能源（Swedavia Airports，未注明出版日期）。圖 19：ATES

93、項目 荷蘭比利時、丹麥和瑞典世界其他國家和地區85%10%5%來源：改編自 Fleuchaus 等人，2018 年。建筑、區域供熱及工業應用近年來，供熱系統（空間供熱和熱水供應）效率迅速提高，全球供熱需求增長放緩。2018 年，全球供熱需求達到 212 EJ（IEA，2019 年）。2019 年，IRENA 統計的用于全球建筑、區域供熱和工業過程供熱的中大型 TES 總裝機容量達到了199 GWh（圖 20），其中包括 TTES、UTES 和固態 TES。由于使用了大體積的 ATES 和地埋管蓄熱(BTES)，區域供熱應用占 TES 現有裝機容量的最大比例。約一半的區域供熱項目采用了季節性儲熱

94、，這是 TES 技術為能源系統帶來的獨特優勢。電力部門出臺了相關法規和政策，旨在將更高比例的可再生能源整合到電力系統中，這可能將會刺激工業 TES 比例的增加。盡管全球供熱需求保持穩定，但 TES 供熱系統的整體裝機容量可能因此增加，從而提高工業中的工藝加熱效率，同時將可再生能源整合到低碳能源系統中。由于熱水罐儲熱的普遍性及分布式小規模性質，全球范圍內的裝機容量難以衡量。固態和 PCM 等其他蓄熱技術的持續進步可能促進整體裝機容量的大幅增長，從而為電網提供急需的靈活性和需求側管理功能。英國的一項研究預測，如果英國要在 2050 年之前實現碳凈零排放，則使用電力供熱的英國家庭可能需要安裝 TES

95、（Energy Systems Catapult,2020）。蓄熱47圖 20：供熱應用的 TES 裝機容量（占總裝機容量的百分比）46%53%49%為季節性儲能1%建筑區域供熱工業另一項研究預測到 2030 年，在區域供熱儲能方面，法國供熱網將部署 5-10 GWh 的 TES（ATEE，2016 年），僅次于丹麥、德國和瑞典等歐盟領先國家。由于 UTES 的廣泛使用，目前這些國家/地區的區域供熱儲能裝機容量占全球 60 以上。中國正迅速采用各種形式的 TES 供熱技術，包括使用復合相變材料(cPCM)儲存過剩的可再生能源（否則將發生棄電）并用于清潔供暖。降低燃煤供熱產生的碳排放及造成的空氣

96、質量影響這一意愿推動了相關技術應用。根據金合能源數據，中國的 TES 裝機容量超過 1.5 GWh（Jinhe Energy，2020 年）。由于原型和演示階段采用了幾種 TES 供熱技術（例如固態和 PCM）及熱水罐儲能的分布式特性，因而所獲信息有限，無法進行全球部署預測。盡管預計供熱需求將會下降，但新穎和成熟技術的不斷應用證明人們仍將重視 TES 供熱所帶來的優勢。這對于將 VRE 整合到電力系統及大規模電氣化至關重要。這些技術應用能夠證明 TES 是未來需求側靈活性的重要源頭，有助于實現更高效和更廉價的能源系統（請參閱第 2.3 節）。預測總結未來的電力系統需要儲能替代方案的組合，因為每

97、種替代方案具有不同的價值定位（儲存期限、能源密度、具有不同響應時間的市場服務及工作溫度等）。圖 21 展示了當前和未來的 TES 裝機容量估算，尤其是固定式儲能（用于并網規模和分布式屋頂 PV 發電裝置）、電動汽車儲能和蓄熱方面?？傮w而言，儲能技術前景廣闊。在“能源轉型情景”中，固定式儲能裝機容量預計將從 2019 年的 30 GWh 增長至 2030 年的 745 GWh，電動汽車儲能裝機容量將從 2019 年的 200 GWh 增加至 2030 年的 5065 GWh（IRENA，2020a）。9 將熔融鹽和空間供冷預測考慮在內，TES 技術到 2030 年將達到至少 800 GWh 的儲

98、能裝機容量，幾乎是現在的三倍。必須強調的是，由于未考慮 TES 供熱項目和固態 TES 等其他 TES 技術的未來增長，此預測僅涵蓋部分 TES 潛力。此外，預計工業和運輸部門應用的 TES 解決方案（例如 PCM 和熱化學 TES（如水合鹽和液體吸收）的技術成熟度將進一步發展，因此未來十年 TES 在全球儲能市場的比例將進一步增長。9 由于儲能介質性質不同，電化學和熱能技術的裝機容量無法直接進行比較。這意味著 1 GWh 的電化學儲能裝機容量并不等于 1 GWh 的蓄熱裝機容量。因此基于所提供的信息給出相應值，以確定特定技術的市場地位。創新展望48圖 21.TES 裝機容量預測2019電力供

99、熱空間供冷0100200300400500600700800900GWh2030圖 22.為滿足電力和供熱需求靈活性的并網式和分布式電力基礎設施概述電動汽車住宅 PV 和儲能直接電加熱區域供熱（智能）電蓄熱分布式熱泵分布式電鍋爐/混合電動P2HP2HP2HP2H電網供熱網絡供熱需求分布式電力基礎設施注：P2H=電制熱來源：Bloess、Schill 和 Zerrahn，2018 年。蓄熱491.3 TES 在集成能源系統中的作用隨著能源系統終端用能部門的電氣化以及可再生能源發電技術更廣泛地應用于電力以外部門，促進部門整合有助于實現更加高效的能源系統。熱電耦合的示例之一是“電制熱”(P2H)概念

100、（圖 22），通過一系列分布式電氣化供熱和儲能技術滿足供熱需求（Bloess，Schill 和 Zerrahn，2018 年）。該類方法有時稱為“智能能源系統”，它鏈接并協調電力、熱能和天然氣網絡以發揮協同作用，在為每個部門提供最佳結果的同時最大程度地提高整個系統的效率（Lund 等人，2016 年）。TES 還有助于提供更多方案，以實現供熱和供冷部門的靈活性。使用 TES 可以增強電力系統的靈活性。在可再生電力供應充足的情況下，應用智能控制系統生產熱能（或冷能）并使用 TES 儲熱，有效平衡電力供需，同時幫助實現供熱（或供冷）脫碳。通過優化家用熱泵熱水罐，蓄熱也有望在電力矢量方面發揮重要作用

101、。TES 可帶來的效益取決于不同的能源系統及其未來發展，與可再生能源的利用以及熱能和運輸電氣化需求有關。TES 的關鍵應用示例如圖 23 所示。通過在不同的設置情景下進行分析，可以對 TES 可能在未來日益集成的系統中所扮演的角色有更深入的了解。在此，對效益進行了定義及背景說明。本報告還進一步運用示例介紹了哪些領域已經以何種方式實現了這些效益，或者未來在哪些領域其地位會更加重要。TES 部署所帶來的具體效益根據不同能源系統、氣候和地理位置有所不同。波動性可再生能源發電整合蓄熱可用于調控波動性可再生能源的出力。有時將其稱為產能穩固。用于緩解發電量的快速下降或升高，以及波動性可再生能源的長期供電變

102、化，例如夜間或日間發生的變化。鑒于太陽光照和風力每分鐘都在變化，目前需要適當儲存由這些來源生產的電力作為常規發電（如煤炭、天然氣或抽水儲能）的補充，以彌補需求缺口。系統運營商使用各種平衡工具管理從亞秒、分到小時不等的時間范圍內的波動。蓄熱尚不適合提供例如頻率管理等亞分鐘需求服務，而電力儲存能夠更快地解決相關問題。從技術和經濟角度來看，蓄熱適合提供跨越數分鐘/小時的電力系統平衡服務，以及滿足跨越數小時的熱能需求變化。與電池相比，TES 技術的循環使用壽命較長，且隨著時間推移效率下降較低，因而整體使用壽命成本更低（Lund 等人，2016 年）。圖 23.TES 在能源系統的關鍵應用TES應用部門

103、整合需求轉移 推遲電網強化波動性能源供應整合季節性儲能創新展望50部門整合TES 可以通過部門整合減少棄電并提高可再生能源的利用率。這指的是將過剩的電力轉化為熱能，從而將發電與其他部門（例如供熱）的需求聯系起來，以提高能源系統的靈活性。通常熱能需求遠遠高于電力需求（特別是終端供熱應用），因此將能源儲存為熱能而非電力更為高效。鑒于 TES 技術的高成本效益及高效率（Lund 等人，2016 年），TES 的部署有助于利用部門整合幫助電力系統脫碳。供熱和運輸部門的電氣化將極大增加電力系統的負擔，僅依靠電力部門設施可能使能源系統資源供應緊張，同時還會增加整體成本。TES 有助于分離交通運輸部門的熱能

104、需求，并（通過降低車輛的冷卻/加熱負荷）減少交通運輸部門對高比例可再生能源的電力系統的用電需求。TES 還是用于有效部署熱泵等技術的關鍵使能系統組成部分，可以優化熱泵功率并以較低成本實現高效滿負荷工作。這有助于提高諸如電制熱（有助于可再生能源整合）等戰略潛力，從而促進了整個系統的發展。需求轉移使用蓄熱可以及時轉移能源需求，以更好地匹配 VRE 供電并減少系統壓力。例如，低谷時段為蓄熱系統充能，需要時釋能，可以將諸如建筑空間供熱和/或供冷等高峰重合電力負荷轉移至較低成本時段。這使得現場需求模式保持不變，但將熱能或冷能的生產轉移到更有利的時段（例如 電網無擁堵、可再生能源發電量高、低價格時段）。此

105、外，還可在可再生能源可用性較高時為蓄熱系統充能，未來需求較高時則將其釋放，通過提高利用率改善整體系統效率。從系統角度來看，通過儲存管理過剩的可再生能源發電量相較于棄電而言效率更高，因其通過避免能源浪費、提高可再生能源的利用率降低了消費者的總體成本。需求轉移也是有效實行部門整合的關鍵推動力，否則將需要通過大量增加總體供應和網絡容量以滿足相同需求。網絡管理負荷轉移不僅有助于提高可再生能源的利用率，使其滿足更高的需求比例，同時有助于推遲或避免昂貴的電網改進需求。由于面臨高供應低需求時段的挑戰，分布式發電給網絡運營商造成壓力。如果不強化或增加電網容量，高峰供應時期則必須將電力從本地網絡中輸出。此外，電

106、網的建設是為了滿足高峰需求；供熱和交通運輸的電氣化可能會使需求增加，從而引發額外投資增加峰值儲備空間以增加電網容量。因此，電網容量是一個限制因素，它決定了在本地更大范圍地部署可再生能源發電廠、熱泵和空調的可行性。如果沒有儲能或其他形式的需求管理，則全球電網將需要進行大范圍強化。蓄熱系統可以有效地管理由供熱和供冷負荷驅動的尖峰需求。這是因為最終需求為熱能或冷能而非電力。例如，對拉脫維亞電力系統的分析表明，即使在供熱未完全電氣化的情況下，也可能需要強化電網。利用 TES 以高度協調和受控的方式減少峰值負荷將有效避免該類情況（ODwyer 等人，2018 年）。雖然這一發現僅針對特定案例，但由此可以

107、了解 TES 在網絡管理中的潛在作用。季節性儲能蓄熱可將能源儲存數天甚至數月，從而解決供求的季節性變化。這對于熱能負荷季節性差異顯著地區的能源系統尤其有利。夏季將太陽能光伏或風能等可再生能源生產的過剩熱能儲存在 TES 中，用于補充或滿足冬季供熱需求。這一舉措將減少高峰時期對不可再生能源的需求。蓄熱系統還可在冬天儲存自然冷能，以在夏季提供空間供冷。雖然這種特殊的能源利用方式并不直接促進可再生能源整合，但有助于減少夏季高峰時段的用電需求。蓄熱511.4 系統方法越來越多證據表明，采用系統方法以更具成本效益的方式整合可再生能源并幫助能源系統脫碳具有極大優勢。例如，芬蘭的一項研究發現，使用 TES

108、的風能制熱系統可通過提高風能利用效率增強脫碳能力。采用熱泵、電鍋爐和 TES 的整合試點系統替代天然氣鍋爐，與未采用這些技術的對照系統相比，實現了 30 的減排效果（Kiviluoma 和 Meibom，2010 年）。此外，隨著風能太陽能在能源結構中的比例開始增加，將 TES 整合到電制熱系統將有助于減少可再生能源的棄電。例如，美國賓夕法尼亞州-新澤西州-馬里蘭州能源市場區域的一項研究發現，使用配備蓄熱系統的熱泵或分布式電阻加熱器將使可再生能源棄電減少 50-90（Pensini、Rasmussen 和 Kempton，2014 年）。這些研究表明，給定能源系統能否實現 TES 的優勢還取決

109、于某些輔助性設備和基礎設施的部署。因此，規劃能源系統靈活性和整合性的整體系統方法可帶來眾多益處。案例研究 1.中國利用部門耦合降低棄風率中國新疆的區域供熱系統通過蓄熱降低棄風率由伯明翰儲能中心領導、英國工程與物理科學研究理事會和中國國家自然科學基金委員會資助的英中合作項目報告了一項成功的商業示范試點中國新疆地區使用 cPCM 將蓄熱系統整合到區域供熱方案中。該項目一方面由于需要亟待解決可再生能源的間歇性，另一方面與可再生風能的高滲透率以及熱電聯產區域供熱計劃造成的電網限制挑戰相關。新疆當地電力需求較低，大部分可再生能源（風能和太陽能）發電用于地理位置較遠的負荷中心。需求低迷及電網限制導致 20

110、16 年的棄風率高達 40。為此，中央和地方政府針對提高可再生能源利用率的途徑進行了相關調查。熱能脫碳也被列入了列入政府議程，還通過上網電價為其提供支持。電價的波動性也很大。主要解決方案是將終端用能部門耦合，以及將過剩的可再生能源轉化為熱能儲存在儲熱系統中。自 2016 年 10 月開始，使用高溫 cPCM 的 6 兆瓦/36 兆瓦時(MWh)的示范電廠投入運營。該電廠在低谷時段（此時電價僅為平常一半）進行蓄熱。據估計，其中超過 80 的電力（即每年超過 5000 MWh）為風力發電（否則將會發生棄風）。該設施已成功利用當地風力發電機產生的過剩電力降低棄風率、緩解電網限制及儲存脫碳熱能。由于試

111、點取得了成功，中國各地又建設了另外 20 家發電廠并投入運營（Ding，2018 年）。從根本上講，蓄熱是更廣泛的靈活性方案組合的一部分。相較于TES，電力儲存和需求側措施則具有不同的優點和應用。其他選擇包括氫氣，氫氣作為能源儲存載體這一方案也正日益受到重視。其優點在于它是一種靈活的燃料來源，需要時可用于供熱、發電或運輸。人們對各種儲能和靈活性技術在未來能源系統中將要扮演的重要角色愈發了解。但是，鑒于越來越多的變量正在增加系統的復雜性，因此仍然需要大量工作來開發、設計和落實集成能源系統的策略。齊心協力采用系統方法找到基礎設施和市場信號的正確組合非常關鍵。這將推動 TES 應用的高效項目和商業模

112、型的出現。通過全系統范圍內協調整合蓄熱減少了 棄光和棄風現象。創新展望52蓄熱532.技術概覽基于不同的基本科學原理，蓄熱(TES)所涵蓋的技術非常廣泛。本報告針對了 29 種 TES 技術，并根據以下標準進行了優先排序10：技術特征：包括技術成熟度、通用性、可復制性和額外性。11 克服波動性可再生能源(VRE)領域挑戰的潛力：解決方案能夠推動減少輸電網的棄電、調峰、系統慣性和擁堵；促進電力以外其他部門的電氣化。規模：技術適用于分布式系統、集中式系統或者兩種系統皆適用。部門：TES 技術在電力系統、工業、冷鏈、建筑或區域供熱供冷中的應用。經過評估后，本報告選擇了 13 項 TES 技術，這些技

113、術有望幫助能源系統整合更多的 VRE。12 本節針對感興趣的主要技術進行了概述。根據基本工作原理，這些技術可分為四類：1.顯熱蓄熱 使用水作為儲能介質的罐式蓄熱(TTES)固態蓄熱（例如 陶瓷磚、巖石、混凝土、填充床）熔融鹽 地下蓄熱(UTES)12 可復制性 TES 可應用于多種能源系統的能力。11 通用性 TES 能夠滿足能源系統多個用例的能力?？蓮椭菩?TES 可應用于多種能源系統的能力。額外性 TES 技術在提供特定服務方面的獨特性。10 若要了解更多關于優先排序的詳細信息，請參閱附錄第 7.1 節。2.潛熱蓄熱 冰蓄熱 零度以下的相變材料(PCM)低溫 PCM 高溫 PCM3.熱化學

114、蓄熱 化學循環（鈣循環）水合鹽 吸收式系統4.機械熱耦合系統 壓縮空氣儲能 液態空氣儲能以下各節將針對每個分組進行概述，并闡明每種技術的范圍及其工作原理。若要了解更多關于各項技術的詳細信息，請參閱附錄。2.1 蓄熱技術的主要類型顯熱蓄熱顯熱蓄熱是 TES 最常用、也是最先進的商用技術類型。它通過加熱或冷卻儲存介質（液體或固體）儲存熱能，但不發生相變。工作溫度范圍內，儲存的能量與充能時的溫度變化（上升或下降）以及材料的熱能容量成正比。顯熱蓄熱系統可提供每噸 10 kWh 至 50 kWh 的儲能裝機容量，儲熱效率為 50 至 98，具體取決于儲存介質的比熱及隔熱技術。工作溫度范圍可介于-160C

115、 至 1000C 以上（歐洲儲能協會和歐洲能源研究聯盟，2013 年）。與其他蓄熱技術相比，顯熱儲熱為最簡單、通常也是最廉價的儲熱形式（通常僅使用水）。因此，當前顯熱技術的應用最為廣泛，通常以住宅水罐或聚光太陽能熱發電(CSP)廠的熔融鹽儲能形式出現（歐洲儲能協會和歐洲能源研究聯盟，2017a）。顯熱蓄熱可應用于電力部門、工業、建筑以及區域供熱和供冷。顯熱技術的主要缺點包括：所占物理空間較大、較高溫度或較長儲存時間要求下需要進一步隔熱以及需要（能源）投入以維持儲存目標溫度的潛在需求等。本報告中探討的顯熱儲熱技術為：TTES，使用水作為儲存介質 固態蓄熱（例如 陶瓷磚、巖石、混凝土、填充床）熔融

116、鹽 UTES罐式蓄熱 TTES 使用流體（通常是水）作為儲能介質儲存熱能。在本報告中，以下所稱的所有 TTES 僅指以水作為儲能介質（與熔融鹽或其他流體相對）的系統。通過太陽能板、電力或環境溫度加熱或冷卻水，然后根據需要進行輸送（Stine 和 Geyer，2001 年）。TTES 代表最簡單的蓄熱形式，也是應用最為廣泛、技術最成熟的 TES 技術。就體積而言，水罐最低僅為幾百升大小，與太陽能熱結合后適用于小規模住宅應用。受到空間和容器結構限制，其大型應用（商業、工業和區域供熱）的最大尺寸約為 80,000 m3。該系統通常提供日間/全天蓄熱。家庭應用中的系統組件為蓄熱水罐和熱水器，專用于生產

117、熱水，某些情況下還用于空間供熱、熱電聯產等。輸送水溫范圍通常為 55-60C。此外還開發了基于儲罐的季節性 TES 系統。有些建成的系統可將 90C 左右的高溫熱能儲存超過 6 個月的時間，且能量損失小于 10（BEIS，2016 年）。大規模應用中的熱水罐用于季節性儲能。它們通常利用太陽能熱技術充能將水加熱到約 80-90C。在這種情況下，使用熱泵最低可以提取約為 10C 的熱能（IEA 和 IRENA，2013 年）。創新展望54固態蓄熱固態或填充床儲熱使用顆粒儲存熱能，流經填充床的流體將熱能傳入或傳出系統。此類系統規模各不相同，可以使用多種材料。例如，陶瓷磚可用于儲存由家庭電加熱器提供的

118、熱能，而巖石或混凝土床則以更大的規模儲存由風力發電站的過剩電力產生的熱能。固態技術簡單、相對廉價且可實現規?；瘧?。通常應用于只需要低品位熱能的建筑中。當前也正在開發新型材料和系統以滿足需要更高溫度輸出的工業和發電應用。還針對利用例如巖石、混凝土和陶瓷磚等其他天然和人造物質作為儲能介質進行了研究。較高溫度下，商業上使用基于氧化物（二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂和氧化鐵沸石）、碳酸鹽（例如菱鎂礦）及其混合物的耐火磚。其他材料也在考慮范圍內，例如具備更高熱性能的混凝土（Xu 和 Chung，2000 年）和 Cofalit 等工業廢棄陶瓷材料。（Calvet 等人，2013 年）。熱電站圖片來源：Shu

119、tterstock蓄熱55創新展望56熔融鹽鹽是無機化合物。在環境溫度下，鹽通常呈固態，應用于蓄熱時，其溫度保持在熔點以上，因而呈液態。熔融鹽用于儲存高品味熱能。但是它容易固化，因而有可能嚴重損壞輔助設備。因此，熔融鹽的應用僅限于需要高溫的嚴格受控環境，例如電力部門。在電力部門中，熔融鹽幾乎僅用于幫助整合 CSP，白天儲存熱能，晚上則將其釋放以驅動渦輪機并保證持續發電（圖 24）。兩罐式熔融鹽蓄熱系統是最常用的配置之一（圖 25）。熔融鹽通過儲冷罐和蓄熱罐之間的泵送進行充能釋能。間接系統使用配備傳熱流體循環系統的熱交換器，而在直接系統中，鹽既用作儲能介質，又用作傳熱 流體。圖 24.直接熔融鹽

120、蓄熱系統 550Cx2.5290C290C550C535C蒸汽輪機蒸汽 發生器太陽能發電場冷凝器來源：阿基米德太陽能公司，2020。圖 25.間接熔融鹽蓄熱系統蓄熱蒸汽輪機蒸汽發生器熱交換器290C290C380C390C375C太陽能發電場冷凝器來源：阿基米德太陽能公司，2020。蓄熱57地下蓄熱 UTES 將熱能或冷能儲存在地下。儲能介質可能是由土壤、沙子、堅實基巖、人工井或含水層中的水組成的地質層。UTES 的關鍵技術有含水層蓄熱(ATES)、地埋管蓄熱(BTES)和熱井蓄熱(PTES)（圖 26）。PTES 和 BTES 耦合的混合系統當前也正在開發之中（歐洲儲能協會和歐洲能源研究聯盟

121、，2013 年）。這些技術相對成熟，其不同形式的應用已有數百年歷史。UTES 系統的主要優點是能夠跨季節儲存大量熱能。但是，其效率相對較低，因此最好與廉價熱能來源共同部署。UTES 主要應用于區域供熱。部分國家當前已經開始將 UTES 技術與可再生能源結合部署，而其他地區的 UTES 仍處于示范或試點階段（歐洲儲能協會和歐洲能源研究聯盟，2017a）。UTES 可用于儲存來自太陽能集熱器或工業工藝的熱能，或冬季空氣的冷能。然后將熱/冷能用于冬天空間供熱或夏天供冷。部分系統使用熱泵幫助部分或整體循環中蓄熱系統的充能和釋能。供冷應用通常僅使用循環泵（BEIS，2016 年）。ATES 利用天然含水

122、層中的地下水為建筑提供冬季供熱和夏季供冷。ATES 由一個熱井一個冷井組成，而 PTES 系統則利用隔熱的地下井（裝滿礫石和水）減少熱量損失。相比 ATES，PTES 的單位成本最低。該系統可通過直接與熱水接觸或沿礫石使用管道進行充能釋能。PTES 相比 ATES 需要更大體積，但幾乎沒有地域限制。最后，BTES 使用立式換交熱器，對具有高比熱、高導熱系數和極低水力傳導率的土壤混合物進行充能或釋能（Gao、Zhao 和 Tang，2015 年）。圖 26.地下儲能概念地埋管蓄熱(BTES)(15-30 kWh/m3)熱井蓄熱(PTES)(60-80 kWh/m3)含水層蓄熱(ATES)(30-

123、40 kWh/m3)來源：歐洲儲能協會和歐洲能源研究聯盟，2017a創新展望58潛熱蓄熱PCM 使用潛熱（儲熱材料相變（通常從固態到液態）所需的能源）儲存熱能。PCM 有眾多類型和應用。本報告重點介紹在每個關鍵溫度范圍內對可再生能源整合潛力最大的類型及應用。選擇 PCM 的主要標準是應用所需的相變溫度范圍。選擇還應考慮如熔化潛熱和導熱系數等其他熱物理性質。圖 27 展示了本報告基于這些標準給出的 PCM 分類，并使用 PCM 示例進行了說明。下面將針對所分析的技術及其工作溫度范圍進行概述：零度以下的 PCM：相變溫度低于 0C，例如 鹽水混合物。冰：轉化為水的相變溫度為 0C。低溫 PCM：相

124、變溫度為 0-120C，例如石蠟和鹽水合物。高溫 PCM：相變溫度高于 120C，例如無機鹽及其共晶混合物，包括儲存在陶瓷支撐材料（稱為復合 PCM(cPCM)）中的鹽。與顯熱蓄熱材料相比，PCM 能量密度更高，這意味著其所占物理空間更小。PCM 可進行趨于恒定溫度的充能和釋能，因此可根據工程需要專門選擇 PCM 以提供特定的輸出溫度。這種額外控制對敏感性應用（例如冷鏈中的藥物或食物必須在極小溫度范圍內進行保存）尤其有用。圖 27.本報告中分析的 PCM 的性質，揭示了熔化熱和熔點方面的差異0100200300400500熔化熱(kJ/kg)溫度（）零下溫度冰低溫PCM高溫PCM050-100

125、200100150-50冰鹽水共晶混合物石蠟水合鹽鹽及其共晶混合物注：kJ/kg=千焦每千克。零度以下的 PCM 零度以下的 PCM 既可以是單組分材料，也可以是由兩種或多種材料組成的混合物，例如共晶混合物。共晶混合物的定義是按特定比例成分組合導致其熔融溫度低于單組分材料熔融溫度的混合物。鹽水共晶混合物指將鹽溶解在水中形成的溶液。所使用的單組分材料或混合材料的成本、相變溫度、能量密度及腐蝕性都各不相同。例如，27 的 NaCl 溶解在水中生成鹽水共晶混合物，其凍結溫度為-21.1。水中的鹽濃度較低會導致較高的凍結溫度。零度以下的 PCM 可滿足相比標準空間供冷更低的冷卻溫度要求，例如冷鏈中的供

126、冷。特定情況下，這能夠為將冰作為 PCM 提供更有效的解決方案。大多數應用會將 PCM 封裝以避免泄漏，如圖 28 所示。大容量儲能裝置模塊中充滿了 PCM 并固定在罐中。之后，它們通過吸收流經儲罐的傳熱流體熱能將其冷卻至特定溫度。圖 28.大容量蓄熱系統中的 PCM 封裝HTF輸入輸出PCM 模塊注：HTF=傳熱流體來源：Mehling 和 Cabeza，2008 年 蓄熱59創新展望60冰蓄熱冰具備卓越的儲冷屬性，如高熔化熱(334 kJ/kg)、高熱容量（4.2 kJ/kgK）及無腐蝕性。作為水的固體形式，冰容易獲得且廉價。為了將冷能儲存在冰中，可以通過放置在冰罐上方的冷卻裝置或制冰機使

127、用低谷或可再生電力凍結水。冷能通過水或其他傳熱流體（例如乙二醇）傳送以釋能。冰蓄熱技術在商業上可用于建筑和區域供冷方案。盡管相比冷凍水罐要貴，但其所占物理空間較小。冰蓄熱技術具有兩種典型配置，即大容量冰蓄熱和冰盤管蓄熱。大容量冰蓄熱系統在冷凍溫度下將冰儲存于裝有冷凍水和冰的一個儲罐中。充能時，泵將冷卻水從儲罐傳送到制冰機，之后冰回落到儲罐。釋能過程中，使用另一臺泵將儲罐的冷卻水循環至負荷處，之后溫水再從負荷處返回到儲罐頂部。冷能還能以冰漿的形式儲存用作傳熱流體。冰盤管蓄熱系統的儲存罐中充滿了水，且盤管浸沒其中。充能過程中，冷卻裝置將傳熱流體（例如乙二醇）冷卻至零度以下溫度并流經盤管，使盤管周圍

128、的水凍結。釋能過程中，可使用外部循環或配備熱交換器的內部循環將冷能從儲罐輸送到負荷處（圖 29）。圖 29.冰盤管系統儲熱蓄冰罐乙二醇水熱交換器外融式冰盤管輸入負荷輸出負荷Araner 乙二醇水冷卻器乙二醇熱水冷水儲熱蓄冰罐內融式冰盤管Araner 乙二醇水冷卻器輸入負荷輸出負荷來源：Araner，2017 年蓄熱61低溫 PCM低溫 PCM 的相變溫度為 0C 至 120C。該溫度范圍內使用的兩種常見 PCM 是石蠟和無機鹽水合物。石蠟因其多功能性和穩定的化學特性（無毒且無腐蝕性）而成為低溫 PCM 的關鍵材料之一。諸如溴化鍶等鹽水合物當前已實現家庭供熱商業化。由于價格低廉、潛熱適中（約20

129、0 kJ/kg）及熔融溫度范圍較廣（Jegadheeswaran 和 Pohekar，2009 年），針對商業石蠟的相關研究數量最多。但是，其導熱系數低（每米開爾文 0.2 瓦特 W/m K）且易燃，因此應用受到限制?？赏ㄟ^添加高導熱系數的顆粒及填料（例如石墨或金屬）以有效提高其導熱率（Karaipekli 等人，2017 年）。低溫 PCM 可整合到家用供熱和空調設備中，因此尤其適用于建筑物蓄熱。無機鹽作為高溫相變材料部分無機鹽混合物的相變溫度較高（超過 500C）。無機鹽二元和三元混合物已針對蓄熱應用開展了廣泛的研究。堿金屬的碳酸鹽、硝酸鹽、氯化物和硫酸鹽以及堿金屬（例如鎂、鉀、鋰和鈣）是

130、用于生產共晶混合物的主要化合物（Pereira da Cunha 和 Eames，2016 年）。熔融碳酸鹽（與硝酸鹽一樣，是最常用的高溫 PCM 之一）的顯著特征包括其化學穩定性及在較廣溫度范圍（500-800C）下始終保持最佳性能，因此適合于各種高溫應用。其儲能密度很高，但具有腐蝕性且導熱系數低，這限制了充能/釋能速率。當前針對這些問題已提出各種方法，例如使用多孔支撐材料（金屬泡沫、多孔碳材料和陶瓷結構）避免泄漏，以及添加例如石墨材料等高導熱系數的增強劑。包含多孔支撐材料的解決方案稱為高溫復合 PCM(HT-cPCM)。HT-cPCM 可應用于建筑中的商用熱電池，還能夠將過剩風能整合到區域

131、供熱方案示范項目中。熱化學蓄熱熱化學蓄熱的能量密度相比顯熱和潛熱蓄熱更高。它可分為可逆反應蓄熱和吸收式蓄熱（Aydin，Casey 和 Rifat，2015 年）。圖 30 對這種分類和相關技術進行了總結。非吸收式熱化學系統基于兩種獨立化學物質的可逆反應，其中放熱合成反應會產生大量能量（Yu，Wang 和 Wang，2013 年）。吸收式蓄熱則從化學勢的角度通過破壞吸附劑與吸附質之間的結合力蓄熱（Chang 等人，2013 年）。吸收式蓄熱只能在約 350C 的溫度下工作，但非吸收式熱化學系統可在更高溫度下工作并提供更高的儲能密度。由于吸收式系統在環境溫度下能夠盡可能長時間地保存熱能而不發生熱

132、量損失，因此熱化學蓄熱技術成為低溫下季節性儲能(用于建筑）的廣泛研究對象。創新展望62圖 30.熱化學蓄熱方法和材料 金屬氫化物氧化還原反應化學循環水合/脫水基于液體的吸收多孔固體吸收熱化學蓄熱基于可逆反應的蓄熱基于吸收的蓄熱CaO+CO2 CaCO3鈣循環(CaL)MgSO4/H20NaS2/H20SrBr2/H20MgCl2/H20水合鹽LiBr 溶液/H20LiCl 溶液/H20CaCl2 溶液/H20強酸和強堿溶液/H20雙相吸收來源：改編自 Ding 和 Rifat，2012 年；Yu、Wang 和 Wang，2013 年；Scapino 等人，2017 年?；瘜W循環針對化學循環系統

133、的研究主要是將其作為潛在的碳捕獲技術。示例之一是利用氧化鈣(CaO)和二氧化碳(CO2)之間的可逆反應形成碳酸鈣(CaCO3)，這稱為鈣循環(CaL)。該反應中，CaCO3 吸收大量熱能，分解為其組成成分（CaO 和 CO2）并將熱能提供的能量儲存在 CaO 和 CO2 分子內的化學鍵中。然后將 CaO 和 CO2作為儲能介質分別儲存。根據條件和能源需求，產品的儲存時間可達數周甚至數月而不會造成能量損失。需要時，CaO 和 CO2 再次重新結合形成 CaCO3 并在此過程中釋放熱能，如圖 31 所示。CaL 系統的優勢在于其所涉及的所有材料成本極低，且儲能密度極高，為每立方米 3.2 吉焦耳（

134、Chang 等人，2013 年）。但是，該系統涉及的工作溫度非常高（600C）。當前正在探索鈣循環作為 CSP 儲能技術的潛力（歐盟委員會，2018 年），同時也在考慮將其用于工業或電力部門的其他高溫應用。圖 31.CaL 工藝方案碳酸化器630-680C煙氣（二氧化碳含量高）煙氣（二氧化碳含量低）煅燒爐850-950C燃料+氧氣合成 CaCO3CaO+CO2 CaCO3CaCO3 CaO+CO2CO2 CaOCaCO3 來源：改編自 Chang 等人，2013 年。蓄熱63水合鹽 水合鹽是可逆工藝，通過固體鹽的水合及隨后的脫水吸收和釋放能量。水合反應用于蓄熱的焦點主要集中于吸濕鹽，例如氯化鎂

135、(MgCl2)、硫化鈉(Na2S)、溴化鍶(SrBr2)和硫酸鎂(MgSO4)（Yu，Wang 和 Wang，2013 年）。熱能增加時鹽會脫水，釋放出可與鹽分開儲存的水分子。需要熱能時，將水添加到鹽中，鹽吸收水并釋放熱能。利用該工藝的熱電池可將少量熱能長時間儲存，且能量損失最低。這些性質使得水合反應特別適用于季節性儲能。歐洲正在進行學術和工業研究，希望開發可與日間蓄熱（例如 TTES）結合使用的季節性住宅建筑熱電池，如圖 32 所示。然而，水合鹽蓄熱技術也面臨一系列挑戰，如侵蝕性材料、安全殼結構的腐蝕問題、材料穩定性和劣化/凝結等。圖 32.CREATE 演示蓄熱系統圖熱電池（季節性儲能）緩

136、沖器儲能（日間儲能）熱泵太陽能集熱器采用熱化學材料的吸收器模塊中央蒸發器/冷凝器，帶儲水罐地源地熱籃再生高溫集熱器生活熱水空間供熱低溫緩沖器熱電池熱泵注：該圖展示了如何將基于鹽水合物技術的季節性熱電池與日間儲存以及熱泵和太陽能集熱器結合使用。來源：CREATE，2018 年。創新展望64吸收式系統吸收式熱泵本質上是由熱源（如太陽熱能而非電力）驅動的熱泵。本報告中的吸收式系統指的是 TES 形式，它使用太陽能吸收式熱泵實時產生熱能/冷能，并將其儲存起來以備后用。吸收式系統的原理是：濃縮制冷劑溶液（例如氯化鈣 CaCl2、氯化鋰 LiCl、溴化鋰 LiBr、氫氧化鈉 NaOH、氫氧化鉀 KOH 或

137、氨的水溶液）Lele，2016 年）吸收水分并在這一過程中釋放熱能。釋放出的熱量就是吸收的熱能，是一定體積的液體吸收水蒸氣釋放出的能量。該系統通過額外熱能充能，而使水分子從制冷劑溶液中解吸。這形成了兩種產物：水蒸氣和濃度更高的制冷劑溶液。然后將兩種產物分離并儲存，需要熱能時再將其組合。圖 33 展示了吸收式系統示意圖，該系統配備一個太陽能熱源、一個吸收熱泵以及分離的濃縮制冷劑和水罐。吸收式系統是一種極具潛力的蓄熱方案，因為其儲能密度遠遠超過水作為顯熱蓄熱技術的儲能密度。這主要是因為吸收循環系統更適合低品位熱能的儲存，在建筑和某些工業應用中的潛力巨大。圖 33.配備分離器反應器的吸收式系統配置D

138、esorber/absorberSolution tank解吸器/吸收器冷凝器/蒸發器水蒸氣LiBr 溶液建筑供熱與環境進行熱交換太陽能供應液態水溶液罐水罐來源：NTsoukpoe、Le Pierrs 和 Luo，2013。蓄熱65機械 TES 系統將 TES 與機械儲能技術耦合使用；這對于兩種技術而言都是一種互補。TES 可用于改進系統和提高效率，但因此系統也變得高度復雜（AEE INTEC，2019 年）。本報告中探討的兩種耦合技術為：絕熱壓縮空氣儲能(A-CAES)液態空氣儲能(LAES)絕熱壓縮空氣儲能傳統 CAES 中，用低谷可再生電力壓縮空氣后將其以高壓儲存在地下洞穴中。需要電力時

139、，通過膨脹壓縮空氣驅動渦輪機發電。該過程中，冷卻裝置將壓縮熱能移出，利用額外熱能加熱膨脹前的空氣。二者都會造成能量損失。當前已提出 A-CAES 系統通過添加高溫 TES 裝置（例如鵝卵石、陶瓷磚或 PCM）提高總體效率，該裝置用于儲存壓縮熱能（否則會在氣體壓縮階段損失）以備之后的膨脹使用。圖 34 展示了可能實現的 A-CAES 裝置。圖 34.A-CAES 提議現場裝置圖蓄熱洞穴輪機壓縮機發電機來源：RWE Power AG，2010 年。液態空氣儲能目前正在針對 LAES 開發一種新穎儲能形式，與 CAES 相似，它使用儲存的壓縮空氣驅動渦輪機釋放能量。二者主要區別在于空氣冷卻和壓縮至液

140、化的程度，這意味著可以將其應用于其他位置和應用的儲存和運輸。充能時使用低谷或可再生電力將空氣壓縮到高壓(60 bar)，壓縮過程中產生的熱能儲存在蓄熱系統(300C)中。通過儲冷裝置將壓縮空氣冷卻（至-145C），然后將壓力降低至環境水平獲得液態空氣(-196C)。需要釋能時，液態空氣通過蒸發返回為氣體，部分“廢棄”冷能保留在儲冷裝置中。儲存的熱能進一步加熱空氣，可用于驅動渦輪機發電。圖 35 對此進行了總結。利用廢棄熱源可以實現 70 的交流往返效率。LAES 可用于電力儲存，進行充電和放電。液態空氣也可以用作發動機燃料，冷能還可用于供冷（Dearman Engine，未注明出版日期）圖 3

141、5：發電應用 LAES 的通用系統配置充能部分釋能部分電力輸入電力輸入電力輸出泵蒸發/加熱壓縮液化膨脹液態空氣儲能儲冷儲熱來源：歐洲儲能協會，未注明出版日期。創新展望662.2 TES 技術的關鍵屬性本節概述了本報告中考慮技術的關鍵特性和技術屬性。為任何應用選擇特定 TES 技術的兩個主要標準是所需的工作溫度范圍及儲存時間（圖 36）。表 2 和 表 3 概述了同樣也很重要的其它特性。表 2 和表 3 中的關鍵屬性定義如下：適用規模是指 TES 在能源系統不同部門以不同成本效益方式從小規模到大規模的應用能力?！靶∫幠！睉檬侵笧閱蝹€建筑提供服務的住宅和商業解決方案，“區域/工業”是指通過區域供

142、熱和/或供冷網絡連接的本地建筑群或工業場地，其電力儲存能力為兆瓦時級別，“公用事業”是指大規模蓄熱需求情景，例如通過大型區域供熱/供冷網絡提供供熱/供冷服務或發電，或者用于熱電聯產設施。儲存時長是每種技術在用于有效供熱、供冷或發電之前可能的儲能時間。儲存時長可能是幾個小時（需求轉移）或幾個月（季節性儲能）。潛在矢量是指每個蓄熱系統能源輸入及輸出的形式。容量范圍是指完全充能后（即顯熱 TES 中達到儲罐材料的最高工作溫度；潛熱 TES 中完成 100 的相變轉變；或熱化學儲能中的轉化率達到 100）蓄熱系統中可用的能源數量。容量范圍是能量密度和儲存介質體積的函數。功率范圍描述了能量從系統充能和釋

143、能的速率，這取決于系統的設計和技術。每種技術只能在特定工作溫度范圍工作，該工作溫度范圍定義為蓄熱系統預計最高及最低工作溫度，這取決于儲存介質的理化性質。充放效率是輸入能量與從蓄熱系統中取回能量之間的關系，表示利用該技術儲能后維持和釋放熱能方面的有效性。此參數可能很大程度上取決于系統的工作條件（例如每天或季節性）。能量密度表示每單位體積儲能裝置累計儲存的最大能源量。該值取決于工作條件（最高和最低工作溫度）。所有蓄熱系統都會隨著使用時間的推移出現疲勞和磨損，從而導致老化和熱劣化。使用壽命是指儲能裝置在特定工作條件下使用的預期年限，或者儲能裝置可以執行的循環數量。例如，若預計某儲能資產每天需要執行一

144、個完整的充能/釋能循環，1,000 個循環則意味著 3 年的使用壽命。蓄熱67創新展望68圖 36.所研究 TES 技術的工作溫度和時間范圍顯熱潛熱熱化學機械熱工作溫度高(500 C)中(100-500 C)低(0-100 C)零度以下(90%數小時至數月0.4-0.9 kWh/m3K（熱能容量）(2)5,000 次循環熔融鹽MWh 至 5GWh100 kW 至 300 MW265 至 565C(4)98%數小時至數天70-200 kWh/m320 年潛熱冰蓄熱kWh 至 100 MWhkW 至 10 MW-3 至 3C95%數小時至數天92 kWh/m320 年零度以下的 PCMkWh 至

145、100 kWhkW 至 10 kW最低至 -114C90%小時30-85 kWh/m320 年低溫 PCMkWh 至 100 kWhkW 至 10 kW最高至 120C90%小時56-60 kWh/m3300-3,000 次循環高溫 cPCM10 kWh 至 GWh10 kW 至 100 MW最高至 1000C 90%數小時至數天30-85 kWh/m35,000 次循環熱化學化學循環（鈣循環）(5)MWh 至 100 MWh10 kW 至 1 MW500 至 900C45-63%月800-1200 kWh/m330 年水合鹽10 kWh 至 100 kWhN/A30 至 200C50%（開放

146、系統）60%（封閉系統）月200-350 kWh/m320 年吸收式系統10 kWh 至 100 kWh10 kW 至 1 MW5 至 165C COP：0.7-1.7數小時至數天180-310 kWh/m350 年機械熱 系統CAES10 至 1000 MWh10 至 1000 MW最高至 600C90%（熱能效率）小時至周N/A20-40 年LAESMWh 至 GWh10 至 300 MW300C（熱能）-150C（冷能）-196C（液態空氣）90%（熱能效率）數小時至數月N/A 25 年注：(1)水罐蓄熱和 UTES 的能量密度基于 20C 的參考溫度；潛熱能量密度計算中不考慮顯熱；(2

147、)固態能量密度由工作溫差決定；能量密度=熱能容量 x 溫差；(3)用于“太陽能鹽”（60%NaNO3 和 40 KNO3）；(4)僅指鈣循環（而非其他化學循環示例）；kW=千瓦；MW=兆瓦；MWh=兆瓦時；COP=性能系數。注：N/A 表示沒有發現主要需求。創新展望703.各行業應用現狀及展望本節概述了如何利用蓄熱推動五個耗能關鍵部門引入更高比例的可再生能源，即：電力、工業、區域供熱和供冷、冷鏈和建筑。部門是指部署 TES 用在什么地方，而 TES 所帶來的益處通常為整個系統共享。TES 可作為為供應側和需求側提供靈活性的一種形式。電力部門一節僅將 TES 視為供應側靈活性的推動者，而其他各節

148、（工業、區域供熱和供冷、冷鏈和建筑部門）則將 TES 視為需求側靈活性以及整合現場可再生能源發電的推動者。針對每個部門，本報告概述了：整合可再生能源時面臨的關鍵問題及 TES 在幫助解決這些問題方面可以發揮的作用。當前可以應用何種技術推動實現相關優勢。對未來可利用哪些技術的展望。提高上述技術商業化水平所需的創新水平。簡介文本框中還總結了每個部門的要點。圖 37 簡要概述了如何通過將 TES 整合到不同部門為系統帶來益處。本報告第 2.2 節討論了這些益處。圖 37.TES 在各部門的主要應用概述波動性能源供應整合部門耦合需求轉移網絡管理季節性儲能電力 工業區域供熱/供冷冷鏈建筑注：當前可以應用

149、以推動實現相關益處的技術。當前正在開發以推動實現相關益處的技術。蓄熱71 3.1 電力TES 可促進可再生能源在電力部門中更有效的整合風能和太陽光伏能源正迅速成為電力部門的主流和富有競爭力的能源來源。盡管二者 2019 年僅占全球發電量的 10，但預計它們將成為可再生能源增長的主要來源：到 2050 年，預計風能和太陽能光伏合計將占全球總發電量的 61（IRENA，2020a）。與潮汐、地熱和生物質等其他可再生能源不同，太陽能和風能的波動性和間歇性給能源系統帶來了挑戰。TES 有助于緩解可再生能源波動性帶來的問題，同時還能夠提高電力部門短期（即非季節性）供應側靈活性。TES 對電力部門所起到的

150、主要作用（在此定義為剛好滿足需求）：波動性可再生能源供應整合：指將 TES 建設在 VRE 發電現場，即 CSP 形式的太陽能熱發電以及風能和太陽能光伏發電。該應用的重點是幫助緩解短期和周期性電力供應波動，即太陽能發電的陰天或夜間情況以及風能的低風時期。網絡管理：指通過在輸電或配電電表前安裝 TES 僅向電網提供服務?？衫脺p少棄電及通過減少棄電延緩網絡加固的形式實現網絡管理。電力部門 TESTES 的作用 提高風能和太陽能等波動性可再生能源發電比例給如何以經濟有效的方式平衡電力系統帶來了挑戰。低成本的大型模塊化 TES 可能通過提供大容量電力管理服務（例如負荷轉移、減少棄電和補償停產期）發揮

151、關鍵作用。TES 在分離風能和太陽能的可用性與供熱和/或供冷需求（將在其他子章節中詳細探討）以實現部門耦合（電制熱/冷）方面發揮了關鍵作用。目前的應用項目 CSP 工廠現已廣泛部署熔融鹽系統。創新潛力 短期（5 年）：下一代熔融鹽技術的工作溫度范圍和性能將得到進一步改善，從根本上提高 CSP 電廠的轉化效率，而成本降低則有利于增加其他技術的可行性?？赡艹霈F更多固態儲能和新型獨立熔融鹽蓄熱電池試點。中期（5-10 年）:LAES、絕熱 CAES 和固態儲能系統的成本降低將擴大 TES 在風能和太陽能光伏發電中的利用范圍，并且有望成為 CSP 熔融鹽的有效替代品。長期（10 年）：熱化學儲能的發展

152、可提高 CSP 工廠的轉化效率。熔融鹽儲能可重新利用化石燃料發電廠進行可再生能源儲能，從而節省退役成本。創新展望72圖 38.各種儲能技術額定容量下的系統額定功率和潛在釋能時間 85%-100%效率70%-85%45%-70%11010010000.1能源管理橋接電源電力質量與調控時間裝機容量(MW)秒分鐘小時高能超級電容器氫能儲存抽水蓄能水電站壓縮空氣儲能(CAES)蓄電池長壽命飛輪熔融鹽超導磁儲能(SMES)大功率超級電容器大功率飛輪來源：改編自美國國家可再生能源實驗室(NREL)編制圖表。圖 39.2018 年電力部門可用儲熱技術的商業就緒水平固態熔融鹽2熔融鹽1高溫 PCM化學循環水合

153、鹽LAESA-CAES應用研究原型示范商用TES 類型熱化學潛熱顯熱機械熱注：(1)與 CSP 并置；(2)獨立系統。蓄熱73圖 38 描繪了各種儲能技術及其在電力系統中的作用。一般而言，電池技術容量和響應時間的結合有助于改善電力質量與調控，或提供橋接電源服務。但是，除了抽水儲能和 CAES 之外，少有儲能技術能在系統中發揮能源管理作用，且抽水儲能和 CAES 僅限于特定的地理位置。由于具備以低成本實現規?；臐摿?，蓄熱技術（熔融鹽、LAES、CAES/A-CAES 和固態 TES）有機會向系統提供能源管理服務。目前這些技術尚未實現商業化，但接下來我們將概述其創新潛力。TES技術處于開發和在電

154、力系統應用的不同階段圖 39 顯示電力部門目前已實現商業化的 TES 技術只有熔融鹽一種形式?，F狀與聚光太陽能熱發電配套CSP 發電廠使用熔融鹽以提高其熱電利用效率。熔融鹽 TES 與 CSP 共同應用于白天儲存熱能，隨后在夜間將其釋放驅動渦輪機發電。熔 融 鹽 在 C S P 電 廠 中 的 使 用 已 超 過 2 0 年（Bundesverband Energiespeicher，2017 年）。全球現有 93 個 CSP 電廠，其中約一半(47)已與 TES 系統整合（Pelay 等人，2017 年）。在澳大利亞、智利、中國、印度和中東還有 39 個熔融鹽儲熱配套電廠正處于建設、承包或開

155、發中，占正在開發的 CSP 項目的 70%以上。正在開發其他各種 TES 技術以應用于電力部門。圖 39 對此進行了總結。下面針對這些技術在電力部門關鍵應用中的近期到遠期潛力以及預期未來部署進行了探討。未來展望與 CSP 配套使用熔融鹽 TES 技術的 CSP 發電廠運營商面臨諸多挑戰。這包括：熔融鹽作為儲熱介質的成本很高。為了減少鹽凍結的風險需要大量的備用能源。部分由熔融鹽腐蝕性而導致的 TES 系統的可靠性 問題。對寄生使用防凍劑和循環泵成本相關的擔憂。蓄熱容量為 4 到 8 個小時的 CSP 電廠總安裝成本為 3,183 美元/kW 到 8645 美元/kW 不等。八小時或以上蓄熱能力的

156、項目成本區間范圍較小，在 4,077 美 元/kW 到 5,874 美元/kW 之間（IRENA，2020b）。降低 CSP LCOE 的關鍵任務之一是降低電廠配套使用儲熱設備的成本。此外，為了提高發電廠的整體經濟性，還有一個主要任務是提高工作溫度。較高的工作溫度有助于提高 CSP 電廠的熱電效率。目前電廠工作溫度不高是因為所使用 TES 材料的功能溫度范圍限制。例如，熔融鹽 TES 材料的熱穩定性極限將最高工作溫度限制為 565C。若要實現高溫工作，TES 材料需要特殊的熱物理屬性，包括低熔點（以增加工作溫度范圍）、高熱能容量和高導熱系數以及高熱穩定性。因此，以中國和美國為主進行的研究正在開

157、發應用于 CSP 的下一代蓄熱材料。表 4 列出了此類材料的預期和目標創新要求。受到美國能源部 SunShot 計劃影響，該計劃的重點是鼓勵熔融鹽材料的科技創新。該計劃的主要目標是降低熔融鹽的成本和腐蝕性，同時探索用于 CSP 應用的其他蓄熱類型潛力。由于作為原材料的混凝土非常便宜，固態混凝土儲熱相比熔融鹽可為 CSP 應用提供更廉價的替代品。另一方面，混凝土儲熱幾乎在環境壓力下工作，因此無需壓力容器，這進一步降低了投資成本。此外，它具備良好的機械性能且是無毒、惰性且不易燃的。典型的混凝土 TES 系統將管道嵌入混凝土磚中，以在磚塊和傳熱流體之間進行熱交換。遺憾的是，目前這些設施的使用壽命有限

158、，這是因為其最高工作溫度及高溫下的剝落所導致的反復的熱脹冷縮循環會導致裂縫（Alva 等人，2017 年）。使用壽命有望通過研發活動得到提高（表 4）。中國目前正在開發的兩個項目將使用固態配制的混凝土作為蓄熱設備，是該國廣泛部署 20 個 CSP 示范項目的一部分（Kost，2017 年）。CSP 所利用的太陽能也可以通過吸熱氧化反應儲存在化學循環系統中 將太陽能儲存在系統中，之后再通過化學反應釋放（Pardo 等人，2014 年）。碳酸鈣具備較高的能量密度（每立方米 4,400 兆焦耳(Mj/m3)）和工作溫度(800-900C)（Prieto 等人，2016 人），因此是熱化學材料的首選。

159、較高的工作溫度有助于開發下一代高效太陽能轉換系統。當前正在研究幾種配置以調查將化學循環與 CSP 整合的益處（Alovisio 等人，2017 年）。2015 年，全球的 CSP 裝機容量為 5 GW，但如果宏大的政策框架得以實施，這個數字到 2050 年可能會增加到 309 GW（IRENA，2020a）?；诖思僭O及 CSP 約 8 小時的蓄熱時間要求，到 2050 年，CSP 的蓄熱市場需求可能為 633 GW/2472 GWh。表 4.CSP TES 技術創新的主要指標 屬性顯熱潛熱熱化學201820302050201820302050201820302050成本（美元/kWh）25-

160、30151225-9025-3512研究水平試點規模，80-160示范裝置，90929590929540-50(1)能量密度 (kWh/m3)70-200(2)30-85800-1,200使用壽命（年限或循環次數）10,0003,000-5,0004,000-5,0005,000-10,0001,000-3,000工作溫度(C)565600-700700 以上600600-750700-850500-900500-1,000注：(1)由于技術成熟度低而無法獲得數值；(2)數值取決于材料選擇。創新展望74蓄熱75與風能和太陽能光伏配套巖石形式的固態顯熱儲熱可通過電阻加熱或熱泵升級儲存可再生電力。

161、這些應用中，巖石通過電力加熱至高溫，儲存的熱能隨后用于驅動蒸汽輪機或燃氣輪機發電。由于蒸汽輪機的效率較低，這種方法的充放效率理論上只能達到約 50。但是，使用高度可擴展的廉價 TES 材料并與現有基礎設施（例如火力發電廠停止運行后的蒸汽輪機和發電機）整合，有望實現較低的整體成本（Siemens Gamesa，2017 年）。因此，關鍵用例是實現長期儲存與當地發電廠相配套，預期儲存時間至少為 24 小時（Collins，2018 年）。西門子歌美颯(Siemens Gamesa)于 2017 年在德國開始建設的 1.5 MW/30 MWh 示范項目使用巖石作為固態儲能形式，與一個工業場所并置。它

162、利用電阻加熱，并使用蒸汽輪機將儲存的熱能排出（Design，2017 年）。另外，Stiesdal 正在丹麥建設 5 MW/120 MWh系統，將使用熱泵升級蓄熱，熱能通過基于空氣的系統（類似于燃氣輪機）釋放。這將提供最多 24 小時的風力發電儲存（Collins，2018 年）。無論是與太陽能光伏或風力發電場配套，還是獨立提供電網服務，預計未來的市場規模、成本和蓄熱潛力都將面臨一定挑戰。目前正在研究的大多數技術仍處于商用準備的早期階段（圖 39）。表 5 列出了基于現有數據的代表性預測。獨立系統A-CAES 在需求低迷時將能源儲存為壓縮空氣，之后在需求增加時釋放電力幫助管理電網負荷。由于缺乏

163、針對該應用的技術特定地下設施的研究（例如 地下洞穴適當的地質環境要求），目前 CAES 的部署位置受到限制。但是，隧道掘進機和微型隧道掘進機的發展可能有助于降低成本并減少地質約束。當前只有兩個商業規模的 CAES 電廠正在運行：1978 年在德國洪托夫(Huntorf)建造的 290 MW 電廠和 1991 年在美國建造的 110 MW McIntosh 電廠。它們應用于削峰、負荷均衡，儲存低谷能源和頻率控制。與抽水表 5.太陽能光伏發電和風力發電 TES 技術創新的關鍵目標屬性顯熱潛熱機械熱201820302050201820302050201820302050成本（美元/kWh）20-45

164、商業化商業化25-9525-35 90 92 95 90 92 9540-6545-7550-80能量密度 (kWh/m3)0.4-0.9 kWh/m3K（熱能容量）50-852-70使用壽命（年限或循環次數）5,0005,000-75007,500-10,0003,000-5,0004,000-5,0005,000-10,00020-40 年工作溫度(C)最高至 600600600-750700-850400（熱能）-150（冷能）創新展望76儲能電站相似，其 CAPEX 較高，但使用壽命長，能夠提供大容量儲存能力，響應速度不如電化學電池。北愛爾蘭正在建設一個新的 330 MW CAES 工

165、廠，瑞士已開發下一代 A-CAES 示范項目。LAES 技術正在發展中，可提供 CAES 類似的服務，但受到的地理限制相對較小。英國已完成一個 LAES 示范項目，北美則正在開發商業項目（Sampson，2018 年）?？偛课挥谟囊患夜镜拈_發人員聲稱其模塊化解決方案可以使 200 MW 發電廠 10 小時的平均儲存成本達到 140 美元/MWh。與傳統鋰離子電池相比，LAES 和 CAES 都能實現以低成本儲存大量能源，但其響應時間較慢?？稍谳旊娀蚺潆妼用姘惭b這兩種技術以克服電網限制、減少可再生能源棄電、推遲網絡改進需求，同時還可以提供例如黑啟動等其他輔助服務。當前市場中，LAES 和

166、CAES 可通過能源套利（能源需求高時出售谷底時間儲存的能源）創收，但還無法產生足夠的價值彌補資本投資。LAES 的局限性在于其打開并進入這些市場的速度。如果在 SpinGen 模式下運行，LAES 可在約 30 秒內做出響應從而提供某些頻率調控服務，但無法實現電化學儲存中達到的亞秒級響應。然而，全球首個混合動力飛輪、超級電容器和 LAES 系統當前正在開發，試圖打開更高價值的市場（包括英國國家電網(the UK National Grid)增強的頻率響應和加固頻率響應）（Holder，2017 年）。同時還提出將熔融鹽應用于稱為卡諾電池的新型獨立大容量蓄熱系統中。例如，德國正在開發一些概念，

167、將熔融鹽儲能資產與現有（退役）燃煤電廠的基礎設施結合。使用熱泵轉換過剩電力并作為熱能儲存，然后使用燃煤電廠的渦輪機將其轉換回電力。但是，燃煤電廠的蒸汽循環效率極限約為 40%。為了解決這一限制，美國一個項目開發了新型渦輪機和熱交換器設備，可將效率提高到 60%左右（太陽能熱發電和熱化學系統(SolarPACES)，2019 年）。該項目希望使用四缸系統，其中兩缸用于熔融鹽蓄熱和冷卻劑儲冷。四缸系統可在更廣泛的溫度范圍內工作，從而提高了整個蓄熱裝置的功率和效率（Freund，2019 年）。目前已經開發了 10 MW/80 MWh 和 100 MW/1000 MWh 系統概念；但是，首個試點的建

168、立可能還需要幾年時間。3.2 工業高耗能工業的熱能需求難以實現脫碳；但 TES 能夠提供幫助工業部門占全球排放總量的三分之一，是能源相關的 CO2 第二大排放部門。工業部門使用的交付能源比任何其他終端用能部門都多，通常采取的幾種方式 如下：通過燃燒燃料在現場產生各種溫度水平的工藝熱能（熱水、蒸汽和直接熱能應用）。通過熱電聯產廠進行現場發電和處理熱能。從區域熱網輸入工藝熱能。從電網輸入電力。使用太陽能光伏和/或太陽能熱電廠發電和/或處理熱能?，F場工藝產生的熱能占工業能源總消耗的 74。工藝熱能可分為三種類型：低溫熱能（150C 以下）、中溫熱能（150-400C）和高溫熱能（400C 以上）。工

169、業部門在整合可再生能源方面處于落后地位，工業部門的最終能源消耗只有 14 來自可再生能源。目前大多數可再生熱能來源于生物質，全球工業部門安裝的太陽能熱容量極?。?0 年）：與可再生能源一起整合到制造工藝中的化學循環和其他熱化學蓄熱系統可幫助需要高溫熱能的工藝實現脫碳。同時，工業部門已經開始應用分散式可再生能源發電廠以緩解波動性電網供應帶來的風險、克服電網接入問題（例如在偏遠運營環境中）、應對燃料價格上漲風險及解決一部分脫碳運營問題（Philibert，2017 年）。到 2050 年，滿足工業需求的可再生能源使用量可能增長四倍，其比例將從 2017 年的 13 增長到 62。工業部門通往未來更

170、廣泛的脫碳途徑包括：部署太陽能熱發電和熱泵以應用于低溫熱能工藝；更多地將生物質應用于可產生中高溫熱能的現場熱電聯產廠。IRENA“能源轉型情景”下，預計到 2050 年，電力在工業部門能源使用中的比例將增加到 65 左右（IRENA，2020a）。蓄熱77創新展望78表 6.工業部門的可再生能源技術可再生能源種類20152050(1)太陽能熱裝機容量0.1 GWth134 GWth地熱0.02 EJ/yr4.11 EJ/yr生物質熱8 EJ/yr20.2 EJ/yr熱泵20 萬個裝置8,000 萬個裝置可再生能源產生的氫氣N/A7 EJ/yr注：(1)2050 年的數值對應與巴黎協定一致的情景

171、，主要基于可再生能源的使用及能源效率的穩步提高。注：N/A 表示沒有發現主要需求。來源：IRENA，2018 年在試圖整合可再生能源電或直接為工業工藝輸入熱能時可能會面臨各種問題。這些問題包括：工業在競爭激烈的全球市場中為盈利性部門，因此需要低成本能源。工業企業通常要規避風險，因此新技術整合及突發情況的威脅對可再生能源的部署構成了障礙?？稍偕茉垂岷桶l電的波動性與部分工業應用中連續電力或工藝熱能的需求無法完美匹配。由于太陽/風力的可用性或電網限制，現有發電廠基礎設施的地理位置具有局限性。對于高溫工藝（400C）而言，目前尚不存在可行的技術和商業模式直接利用太陽能熱發電廠產生的熱能。因而將可再

172、生能源整合到需要高溫熱能的工藝中受到限制，特別是在需求隨時間變化的情況下（Muster-Slawitsch 等人，2016 年）。應用TES 有助于解決這些問題。關鍵用例是將熱能需求與熱能或電力供應分離開來，從而有效整合更高比例的可再生能源。不同的 TES 技術適用于將不同溫度等級的熱能與其來源分離。低溫工藝和制造應用中，TES 可儲存現場波動性太陽能熱電廠產生的熱能以及由波動性可再生能源提供動力的熱泵產生的熱能。中高溫應用中，TES 可與以生物質為動力的熱電聯產廠耦合，以消除工業工廠的熱電供應。這些用例將提高輸入或現場可再生電力和熱能的利用率。在電力成本不斷變化的市場中（例如 因分時定價機制

173、或時間敏感的電網收費導致的成本變化），TES 也可與熱泵結合使用以轉移需求并為工業現場節省成本?，F在及未來將出現一系列與工業應用相關的 TES技術根據它們開發或部署所處的不同階段（圖 41）及不同的理想工作溫度范圍（圖 40），各種 TES 技術在工業部門的應用各不相同。下文對當前用例、未來可能的部署，以及促進更廣泛使用所需的創新進行了總結。蓄熱79圖 40.適用于工業部門不同工作溫度范圍的技術低溫熱能(低于 150 C)煮沸、巴氏殺菌、消毒、清潔、干燥、洗滌、漂白、蒸、酸洗、烹飪。中溫熱能(150 至 400 C)蒸餾、硝酸鹽熔融、染色、壓縮。高溫熱能(400 C以上)物質變換過程。30%2

174、2%48%74%熱能=85EJTTES水合鹽吸收固態高溫 cPCM化學循環來源：改編自 Solar Payback，2017 年。圖 41.TES 技術在工業部門應用中的商業就緒水平應用研究原型示范商用TES 類型熱化學潛熱顯熱固態WTTES高溫 PCM化學循環水合鹽N/A機械熱現狀低溫（90C）工業工藝方面，從太陽能集熱器收集的熱能可以用作替代碳氫化合物燃料使用的熱源。由于太陽能的間歇性，使用水罐儲存熱能以確保工業工藝中能源供應的穩定性是管理熱能需求的良好選擇。少量但不斷增長的太陽熱能在工業工藝中主要用于采礦、食品和紡織行業。截至 2018 年底，全球已安裝 741 個太陽能熱電廠應用于工業

175、工藝，總熱能容量為 567 兆瓦熱（Weiss 和 Spork-Dur，2019 年）。主要市場為奧地利、中國、法國、德國、印度、墨西哥和西班牙。國際能源署(IEA)的太陽能工業熱利用(SHIP)數據庫列出了約 50 的此類工廠使用水作為儲存介質的短期 TTES 形式（圖 42）。未來展望水合鹽也為將太陽能整合到低溫工業工藝中提供了一種替代方法。該技術的主要優點是蓄熱容量高，并且可以長時間蓄熱而幾乎沒有熱能損失。目前，水合鹽已進行整合到廢熱工藝中的工業測試，例如廢熱回收或熱轉化和再整合等（Richter 等人，2018 年）。柏林的區域供熱系統正在測試一個 0.5 MW/10 MWh 的水合鹽

176、電池項目，其規?？赡苓m用于工業部門。固態技術在整個能源系統中也正在成為以低成本方式儲存大量能源的一種方法。德國一家電力公司正在測試一種系統，該系統使用鋼鐵吸收區域發電高峰產生的過量可再生能源，在最高為 650C 的溫度下以熱能形式將其儲存，然后以 2:1 的比例輸出熱能和電力，或者僅輸出熱能。該 2.4 MWh 的儲熱試點電廠由歐洲區域發展基金(European Regional Development Fund)共同資助，應用于柏林某公寓樓的區域供熱方案，其蓄熱成本預計為 22-34 美元/MWh。在中溫應用情況下，已經提出了工業應用中的高溫 cPCM，例如廢熱回收以及與太陽能系統的耦合。與

177、顯熱儲熱技術相比，cPCM 的能量密度更高，因此可以提供更緊湊的系統，有助于解決空間不足的問題。該系統可以儲存太陽能以滿足未來工業企業的熱能需求。水泥生產和非金屬材料制造等行業可能成為該技術的終端用戶。在需要高溫（高于 400C）熱能的制造業中，化 學 循 環 具 備 提 高 可 再 生 能 源 比 例 的 潛 力（Mir，Gasia 和 Isa Cabeza，2016 年）。熱化學系統通常需要較高溫度以啟動儲能，但同時在釋放能量時也會提供較高溫度。目前這些系統仍處于開發的基礎研究階段。臺灣地區已嘗試采用高效鈣循環技術形式的化學循環作為水泥行業的一種碳捕獲方法（工業技術研究院(ITRI)，20

178、14 年）。但是，目前專門將可再生能源更好地整合到工業中的化學循環技術還未出現。TES 需要技術創新才能充分促進工業脫碳表 7 總結了工業應用中 TES 技術、材料科學和系統工程創新的關鍵指標。創新展望80圖 42.使用水作為短期蓄熱介質的發電廠位置來源：AEE INTEC，2019 年。免責聲明：該地圖上顯示的邊界和名稱并不意味著 IRENA 官方認可或接受。表 7.工業部門 TES 技術創新的主要目標屬性顯熱潛熱熱化學201820302050201820302050201820302050成本（美元/kWh）0.1-350.1-250.1-1560-12060-9560-80研究水平(1)

179、試點規模，80-160示范裝置，90 92 9540-50(2)能量密度 (kWh/m3)0.4-0.9 kWh/m3K（熱能容量）50-85800-1,200使用壽命（年限或循環次數）1,000-3,0003,000-5,0005,000-7,5001,000-3,0003,000-5,0005,000-7,5001,000-3,000工作溫度(C)-150-1000-40-700-50-950500-900500-1,000注：(1)研究水平：材料開發尚處于初期階段；(2)由于技術成熟度低而無法獲得數值。蓄熱81創新展望82不同 TES 技術的共同開發和創新目標是：根據工作溫度范圍和放電功

180、率等特性，開發更適合工業工藝使用的 TES 材料。開發設計 TES 系統的系統方法，以更好地將可再生能源技術整合至到工業工藝中。增強的系統模塊化可用于解決規?；瘑栴}。例如將設計和工程重點放在提高在傳熱系統效率方面。為 TES 開發先進的控制和操作系統，以確保高價格時段工業工藝的儲能穩定且靈活?，F在，每個技術領域都在探索各種更加實用的開發和創新以滿足相關需求。顯熱雖然顯熱儲熱技術廣泛用于各種應用且覆蓋廣泛的溫度范圍，但相關研究仍然面臨挑戰。固態材料熱特性的自然變化會限制它們的應用，這是由地質條件（例如巖石中存在的礦物質和雜質的比例）決定的（Meier，Winkler 和 Wuillemin，19

181、91 年）。對這些固態材料在高溫下的熱物理性質和機械性能的相關研究很少，這將是未來的重點領域。目前已提出了使用廢料回收的（更）低成本系統，為提高性能提供了可持續的方法（IRENA，2014 年）。這些全新方案還需進一步研究。具體來講，需要分析儲熱材料和系統傳熱流體之間的兼容性、改進絕緣材料以及開發特定應用項目。在采用太陽能加熱的儲罐系統中，供熱系統的控制與管理是主要挑戰。天氣條件、一天中的時間變化和季節變化所導致的太陽輻射變化使目前利用太陽能為工業供熱仍然受到限制。通過增強的 TTES 部署應對未來系統中這些挑戰的關鍵將是應用先進的控制和計量系統，以管理能源的產生、儲存和使用。潛熱高溫 cPC

182、M 為滿足高溫工業工藝儲存需求提供了可能性，有助于改善當前部署的顯熱材料。由于其成本相對較高，因此初期開發將著重于改進材料和提高效率以實現規模經濟。高溫 cPCM 面臨著與顯熱材料相似的整合挑戰，而且，由于仍處于開發和部署的相對早期階段，這些挑戰更為艱巨。需要部署示范項目以證明相關系統在不同工作條件和工作溫度范圍下的性能，并更好地研究這些技術的系統整合方法。熱化學工業環境中化學循環的挑戰和機遇與上一節所述的 CSP 類似。鈣循環因其高能量密度而具備與太陽能耦合的最大潛力（Pardo 等人，2014 年）。同時，還有其他化學反應也可以應用于高溫工業工藝，例如氧化鉛(PbO)和氧化銅(CuO)循環

183、（Cao 和 Pan，2006 年）。該技術在工業工藝中的應用尚不發達，因此需要研究新的反應以適應特定部門的要求。針對太陽能在工業工藝的應用方面，化學循環仍處于發展的早期階段。需要進一步研究并部署試點示范項目，重點關注與太陽能系統的整合，特別是要研究控制系統和工業工藝中高價格時段熱需求所需的管理措施。水合鹽在工業環境中還處于開發的早期階段。儲存材料和應用嚴重影響了相關系統的性能、成本、穩定性和實用性。因此，第一步必須研究工作條件下的材料特性，以評估使用現有工作鹽對的優點。水合鹽可能應用于下一代工業熱泵。這種熱泵有時稱為化學熱泵，通常用于各種制造工藝中的空間加熱和冷卻、供冷、低溫蒸汽生產、清潔、

184、干燥以及蒸發和蒸餾工藝。熱泵技術用于將廢熱（或太陽熱能產蓄熱83生的熱能）的溫度“提升”至可再利用或儲存的水平（Wongsuwanet 等人，2001 年）。傳統熱泵利用吸收或蒸汽壓縮技術工作。如果開發水合鹽 TES 系統與現有的熱泵技術展開競爭，則能夠實現更好的整合以提高系統效率。所面臨的主要挑戰是優化反應器設計并整合吸附器組件以促進理想的熱能和質量傳遞。預計相關研發活動以及協作的工業部署研究可以顯著提高效率。冷鏈中的儲熱系統(TES)TES 需求 通過增加供冷負荷的需求側靈活性，TES 可以幫助將可再生能源整合到整個冷鏈的各個環節（生產、運輸、儲存和零售以及消費）。這樣可以減少對電網升級的

185、投資需求，并允許在可再生能源發電的供應高峰時段進行供冷。電氣化供冷的增長將增加對電網的需求，尤其是在新興經濟體國家。TES 可支持發展中國家發展離網可再生供電供冷，以提高食品和藥品供應鏈的效率。TES 可用于取代冷鏈運輸中的柴油動力供冷，有助于運輸、冷鏈和電力部門的相互合作?，F有用例 冰和其他相變材料(PCM)已廣泛用于車輛和靜態冷卻器的供冷，取代了柴油和其他化石燃料發電機。創新潛力 短期（5 年）：材料和運營方面的改進以及更好的整合可以提高冰及其他 PCM 系統的應用效率并降低成本。鏈接不同行業的冷鏈設備可以產生協同效應。中期（5-10 年）：使用下一代 PCM 可以實現零下儲存溫度和被動冷

186、卻。長期（10 年）：在低溫液態空氣儲能系統(LAES)中使用液態空氣可以降低成本并開辟新的應用，特別是在冷電聯合系統中。對現有化石燃料加注網絡的改造可提供可再生的 TES 儲存冷氣，明顯促進脫碳。3.3 冷鏈冷鏈指的是將必須在低溫下儲存的產品從生產商送到消費點所需的不間斷供應鏈。比如，疫苗和易腐爛的食品就是這類產品。在供應鏈的每個階段，都會使用冷藏來保持這些產品的新鮮度。據估計，用于冷藏食品的能源占全球用電量的 8，相關排放量占全球溫室氣體排放量的 2.5（包括直接和間接排放）。這也是一項可觀的成本：例如，所耗能源占乳制品增加值的 11（Dallemand 等人，2015）。創新展望84冷鏈

187、通常由以下部分組成：生產：生產現場的冷藏，例如 在奶牛場、漁場或果園。運輸：從生產地到零售或儲存地的運輸過程中的 冷藏。儲存和零售：由分銷商（例如 連鎖超市）運營的倉庫和零售站點的冷藏。消費者：使用前在家庭和工作場所冷藏。發達國家的冷鏈已經非常完善，大多數供冷要求可以通過與電網連接的冷藏庫來滿足。然而，為未連接電網的倉庫、冷藏卡車和其他車輛通常用柴油發電機來供電。發達經濟體和新興經濟體之間存在重大差異。例如，在歐洲，所有食品所消耗的嵌入式能源占歐盟 27 國最終能耗總量的 25 以上（Dallemand 等人，2015）。相比之下，發展中國家的功能性冷鏈通常很有限或根本沒有建立。然而，在人口和

188、經濟迅速增長的發展中國家，人們對冷藏的需求也在增加。在經歷快速城市化的國家，情況尤其如此，其生活方式和飲食習慣的轉變已在能耗構成中有所反映。例如，在 1995 至 2007 年期間，中國城市人口的家用供冷設備擁有量從 7 增加到 95（Birmingham Energy Institute(伯明翰能源研究所)，2015）。此外，發展中國家食品部門的衛生要求正在推動對冷鏈能源的需求不斷增長。對冷鏈服務日益增長的需求給全球能源系統帶來了重大影響，包括：電氣化供冷導致電價持續走高。確保產品新鮮度需要持續的高能耗冷卻。隨著大多數供冷設備的電氣化，這就對現有的電力網絡提出了需求，這種需求增長需要增加對可

189、再生能源的使用，以確保脫碳的穩步進行。在發展中國家，通常電網不夠發達且頻繁停電，特別是在從事農業生產的農村地區，冷鏈的引入和發展更具挑戰性。在此類電網上增加供冷負荷將給這些環境中的電網運營商帶來額外的問題。冷藏中心和供冷車輛繼續從柴油供冷過渡到電氣供冷，這將導致需要對電網進行有效的峰值負荷管理。供冷負荷高峰通常發生在夏季，此時氣溫最高，而且能源系統已經承受了其他需求的壓力。部署 TES 可能有助于應對全球冷鏈中的這些挑戰使用 TES 在需求高峰時將供冷與電力供應分離開來，可為電力系統運營商帶來巨大效益。這樣可以幫助減少高峰時段對火電廠的依賴，進而降低系統成本并減少排放。利用 TES 減少供冷高

190、峰期的需求可有助于推遲電網加固。適當時，借助太陽能吸收式供冷機或太陽能光伏板進行供冷的冷藏方法可以提供分散的低碳化冷源，可幫助解決與電網可靠性差有關的挑戰。在可再生能源使用率很高的電網中，添加 TES 可以吸納多余的可再生能源發電量并將其用于供冷，有助于減少棄電（以及因此產生的費用）并提高可再生能源的利用率。因此，通過在供冷車輛中使用蓄熱裝置并替換柴油動力冰箱（除車輛本身用電外），或者使用液態空氣為車輛輔助系統提供動力的同時提供冷卻，可以實現運輸和電力部門間的耦合。在未來電動汽車可能成為常態的情況下，如果車上有蓄熱系統，則可以減少對空調的電力需求，從而增加車輛的續航里程。蓄熱85現有用例證實了

191、 TES 可幫助可再生能源在冷藏領域部署的范圍服務于非洲、中國、歐洲、印度和中東市場的幾家公司已在冷藏車和集裝箱中集成了專門設計的 PCM，用于食品或疫苗運輸和/或儲存。據估計，由于冷鏈的供冷限制，全球的糧食損失將近 30（聯合國糧食及農業組織，2015 年）。然而，全球冷鏈仍在不斷擴展。2016 年，全球 冷藏倉庫的總容量為 6 億 m3，年增長率為 4.2（GCCA，2016 年）。此外，2015 年全球冷藏車的數量為 400 萬輛，到 2025 年可能增長到 1,800 萬輛（伯明翰能源研究所，2015 年）。預計將需要增加 31 GW 的發電量，才能滿足發展中國家冰箱的預計增長需求（伯

192、明翰能源研究所，2015 年）。TES 可以在確?？稍偕茉礉M足這些電力需求的過程中發揮 作用。案例研究 2.貨運集裝箱的蓄熱世界首創的冷藏貨運集裝箱來自英國伯明翰大學儲能中心的學者們最近與一家中國鐵路運維制造公司合作，展示了公鐵兩用集裝箱所采用的 PCM 冷卻系統。該系統可維持 5 至 12 之間的目標儲存溫度，維持時間長達 120 小時。冷藏集裝箱在公路上運輸了 35,000 公里，在鐵路上運輸了1,000 公里，經歷了各種氣候條件。項目組注意到，其他運輸公司也對上述研究的集裝箱很感興趣。與機械替代品相比，新集裝箱中的儲存溫度保持更為穩定。此外，因為集裝箱不需要電源，所以可在不同運輸類型之

193、間進行更有效的運輸，例如上述情況是鐵路到公路的運輸（伯明翰大學，2018 年）。案例研究 3.智能供冷在商業零售場所提供需求側管理服務零售場所的智能供冷在美國提供調峰服務美國的一家創新公司正在使用 PCM，為具有高供冷量能源負荷的超市和商業建筑提供能源管理解決方案。其產品是一種供冷電池，其工作原理是在夜間將低成本的低谷時段電能儲存在冷凍的鹽水溶液中，然后在高峰時段，當電價和需求量最高的時候，該系統會放出能量以進行供冷。這就大大降低了建筑物的峰值負荷。云平臺可評估能源使用和電費，以優化系統運行并最大程度地節省成本。以此方式，由電費引起的運行成本和經營風險雙雙降低。迄今為止，該產品已經在美國的兩家

194、大型連鎖超市中進行了兩次試點部署。這個在零售供冷系統中使用 TES 的例子是世界首例（Axiom Cloud Inc.,未注明日期）。創新展望86其他TES技術用于冷鏈部署的各個階段根據開發或部署的相對階段（圖 43），各種 TES 技術在冷鏈領域的都得到了不同的應用。下文對應用的現狀、未來可能的部署，以及促進更廣泛使用所需的創新進行了總結。應用現狀冰可以部分或完全替代高峰時段運行的供冷機組，并利用低谷期或現場可再生能源發電將水轉化為冰。當需要供冷時，熱能從使用載熱流體的冷庫中提取并被冰吸收。零下或低溫 PCM 可用于儲存從室溫到-114C（PCM Products，未注明日期）的冷能。這些冷

195、能可以利用可再生能源發電通過電供冷機或太陽能吸收式系統產生。通常情況下，PCM 封裝在模塊或容器中，并可以在高峰時段作為供冷系統的備用或替換品使用，或者將其安裝在冷藏容器中來直接供冷（Or 等人，2012）。對于冷藏卡車或飛機來說，可將 PCM 模塊內置在車廂壁或空調裝置中。目前開發出來的 PCM 可使冷藏車保持 72 小時的恒溫。（Huang 和 Piontek，2017）。在靜態應用中，PCM 有助于減少太陽能吸收供冷系統所需的物理儲存尺寸，最多可減少 40%，進而降低系統成本（Hirmiz、Lightstone 和 Cotton，2018）。PCM 的能量密度比冰高，因此需要的空間更小。

196、由于空間（和重量）都降到了最低，這使其更適用于冷藏車。未來展望一些尚不成熟的技術在冷鏈中展示出巨大的前景。下文對這些技術的潛力進行了概述，下一節將深入探討在這些解決方案成為主流之前需要應對的創新挑戰。圖 43.TES 技術在冷鏈中的商業就緒水平應用研究原型示范商用TES 類型熱化學潛熱顯熱低溫 PCM1,2冰1,2零下溫度 PCM1,2液體吸收2,3LAES1,2,3機械熱N/A注：(1)用于冷儲(2)用于冷藏(3)用于供冷?？稍偕鸁崮茉矗ɡ缣柲芎蜕镔|熱電聯產）產生的冷能可使用吸收式系統進行儲存。這些系統具有很高的能量密度和極小的熱損失，因此可以在短期或長期內（例如跨季節）儲存冷能，用于

197、冷鏈中的空間冷卻。利用可再生能源發電生產液態空氣將來可用于儲冷。將空氣在冷卻到-192 后液化。液態空氣隨后可用于在現場或場外提供空間冷卻，甚至可用于冷藏車輛上。在釋放冷能的同時，還會發生與將空氣轉換回氣態發生的體積膨脹，從而可以驅動發動機并產生無排放的動力。圖44描繪了一家LAES工廠，該工廠將可再生能源發電與液態空氣整合在一起，以實現運輸和電網應用。材料和系統創新將有助于提供適用于未來冷鏈的TES解決方案表 8 展示了對創新關鍵指標的概述，而表 9 展示了冷鏈應用中使用的 TES 系統的預期材料科學和系統工程開發重點。圖 44.在未來集成冷鏈中使用 LAES 的愿景LNG 總站液化儲冷罐電

198、源恢復液態空氣儲罐加油站尖峰/安全供電并置發電或工業過程為超市、數據中心等供冷液態空氣儲罐液態空氣儲罐電源恢復供冷零排放遠程備用電源現場運輸零排放汽車燃料還提供“免費”空調或制冷作為混合動力汽車的燃料工廠/工業風能或其他低谷電形式電力液態空氣廢冷回收廢熱回收CRYOGENSETLAESLIQUID AIR ENERGY STORAGEPLANT來源：伯明翰能源研究所，2015 年。蓄熱87創新展望88表 8.冷鏈中 TES 技術創新的關鍵指標 屬性潛熱熱化學機械熱201820302050201820302050201820302050成本（美元/kWh）58-23045-18535-14012

199、-15012-120 90 92 95COP 0.6-0.8(1)N/A能量密度 (kWh/m3)30-92180-31078使用壽命（年限或循環次數）5-20 年10-25 年10-30 年20 年20-25 年 25 年20-40 年工作溫度(C)-115 至 8-150 至 85-30-150 至環境溫度注：(1)由于技術成熟度低而無法提供數值；N/A 表示沒有發現主要需求。表 9.冷鏈應用中使用的 TES 技術的關鍵材料和系統創新需求 TES 技術創新需求冰 研究新的操作策略，如完全或部分儲存 減少充能過程中的局部結冰，以提高充能速度和效率低溫和 0 C PCM 提高導熱性能；避免腐蝕

200、和過冷 追求使用低成本材料的新型復合材料 通過開發防腐蝕容器材料，最大限度地減少相分離 探索零下溫度時的冷藏使用方法吸收式系統 解決結晶特性和工質對分離上的難題 研究替代性吸附劑以提高吸收率 降低驅動熱源的溫度 研究新的配置以提高雙效吸收式系統的吸收率 提高效率，減少網絡部件的空間并避免腐蝕LAES 優化低溫發動機的設計 使用液態空氣而不是液氮，進而降低運營成本 與設備制造商合作，修改一些現用部件的設計，以降低成本 開發應急備用電源、超市和數據中心等新應用潛熱對于零下溫度的 PCM 來說，可以使用成本更低的成分來開發新型無機鹽共晶混合物來降低成本。例如，可以用氯化鈉（250美元/kg），從而降

201、低整體混合物的成本。目前，零下溫度的 PCM 主要用于食品儲存或運輸供冷設備中的冷卻，而且其他應用和用例也可以考慮使用。已有人提出在冷藏卡車中采用 PV 面板和 PCM，因為相比蓄電池系統，其有一個很大的優勢，那就是它們的重量更輕。然而，這種方法取決于地理環境，因為可再生能源和太陽輻射的間歇性在其可行性中起著至關重要的作用（Li 和 Zheng，2016）。容器的腐蝕是大多數無機材料所存在的另一個問題。這可能導致熱性能較差，還可能會導致鹽混合物在使用中泄漏。必須仔細選擇合適的容器和涂層材料，以最大程度地減少腐蝕并延長設備壽命（Ferrer 等人，2015），以上內容都是研發活動的主題。歐盟資助

202、的 FRISBEE 項目正在研究哪種 PCM 最適用于冷鏈中的各種溫度范圍。該項目已開發出一款軟件工具，用于評估大量水合鹽和水醇溶液（相變溫度在-60C 至 6C 之間）的熱物理特性。此外，該項目還研究如何將膠囊形態的 PCM 降低和控制到納米級，以便更容易地將其用到食品包裝中。熱化學吸收式系統中使用的材料對決定了其工作溫度范圍和系統效率（Hui 等人，2011）。為提高系統的可行性，必須對這兩個參數進行優化。新型吸收對正在開發之中，以便實現更寬的工作溫度范圍并提高工藝效率。盡管這些材料經證明具有很高的儲能密度（Ibrahim、Al-Sulaiman 和 Ani，2018），但仍需對系統設計和

203、性能進行測試，以確保這些系統能具有較長的使用壽命。需要進一步了解系統和實物模型，以便在真實情況下驗證技術的可行性。機械熱液氮是當前冷鏈中最常用的供冷“載體”。然而，液態空氣在生產中并不需要氣體分離過程，可以說是一種價格更為低廉的潛在替代品。目前，對 LAES 研究最多的冷鏈應用是冷藏運輸中的低溫發動機?？ㄜ噷嵨锬Ｐ鸵言O計完畢并正在測試之中，以證明它的經濟可行性。LAES 的各種應用也正在探索之中，而這些應用需要靈活的供冷和能源。例如，LAES 系統（與冷藏整合以使效率保持在合理水平）預計將用于超市和數據中心的應急能源和供冷備用系統（Dearman Engine，未注明日期）。蓄熱89創新展望9

204、0TES 在區域供熱和供冷中的應用TES 需求 TES 技術可以提高區域供熱和供冷的效率，時間范圍從短（小時）到長（季度），靈活性很強，能夠更好地匹配冷熱供應與需求，并利用可再生的低谷時期電力。采用 TES 的區域供熱/供冷工廠經設計可使其規模滿足平均負荷，而無需具備滿足尖峰時段需求的能力，進而降低其資本成本?，F有用例 TTES 已在世界各地廣泛部署。UTES 已在某些國家/地區使用，但受地下環境的適用性影響。目前，有些地區的供冷計劃中使用了利用可再生電力生產的冰。創新潛力 短期（5 年）：改進對 TTES 的整合和管理，可以大幅降低費用，擴大部署機會。高溫 cPCM 在中國成功示范后得以開發

205、，材料和系統的改進提高了競爭力。中期（5-10 年）：正在進行對用于冷卻的 PCM 的研究和示范有望促進更為廣泛的部署。長期（10 年）：PCM 和熱化學系統具有更高的成本效益和效率，預計將增加可再生能源在區域供熱和供冷中的應用機會，特別是在供冷和電力聯合應用中。部門整合和智能控制技術將增強這方面的機會，特別是有利于從其他部門和應用收集（和儲存）廢熱/冷氣。3.4 區域供熱和供冷區域供熱和供冷系統使用隔熱管網將熱量或冷氣從集中的生產源輸送到多個建筑物，而不是在每個建筑物中安裝單獨的鍋爐或供冷機。最終用戶往往是有空間供熱/供冷和/或水供熱/供冷需求的家庭或商業場所，但某些區域的能源設施還可以滿足

206、工業能源需求。這種能源生產和分配方式通過提高效率來降低排放和成本，并為可再生能源大規模整合到城市中心提供了空間。各種供熱/供冷技術已開始作為集中供熱/供冷廠進行部署，包括熱電聯產廠、傳統鍋爐、垃圾焚燒爐、工業源的管道余熱、太陽能熱電廠、熱泵和地熱能。如上所述，區域供熱/供冷方式可以提高效率，進而促進部門脫碳。在理想的情況下，這些方案還能推動可再生能源發電設施的使用。然而，正如到目前為止討論的其他部門一樣，相關挑戰也會伴隨而來。關鍵挑戰包括：在從小時到季度的時間范圍內，VRE 在產出與需求負荷之間并不匹配。蓄熱91 確定供熱和供冷的定價方案。波動性負荷導致發電機利用率和效率低下。無法通過增加 V

207、RE 發電機組數量以滿足尖峰時段需求。滿足尖峰時段需求需要鍋爐等配套技術，這就增加了系統成本。在區域供熱/供冷中部署TES可能有助于應對這些挑戰在區域供熱/供冷中使用 TES 的主要好處是可以將制熱/供冷與消耗分離。在這里討論的每個示例中，TES 的主要用例幾乎都是利用可再生能源的供應高峰來儲存熱能/冷能，以便在以后供不應求時（無論是短期還是長期）使用。在太陽能熱提供區域供熱方案中，TES 可用于儲存多余的熱量。存儲的熱量可在太陽輻照度較低的時候（例如在夜間甚至整個冬季）釋放。除了覆蓋太陽輻照度較低的時段外，TES 還可以調節熱量輸出，以滿足不斷變化的需求并更好地平衡本地管網。這些特性有助于降

208、低脫碳供熱的成本。歐洲已出臺了 200 多個太陽能集中供熱計劃，主要集中在奧地利、丹麥、德國和瑞典（Solar District Heating，2018 年）。UTES 是在這些情況下使用的主要 TES 類型，尤其是熱井蓄熱(PTES)。通過季節性儲能等方式，可以實現較高的太陽能熱利用率（高達 90）（Han、Wang 和 Dai，2009 年）。從波動性風能和太陽能光伏發電中獲取能源的區域供熱項目已經在中國、丹麥、俄羅斯、瑞典和美國試行（聯合國環境規劃署，2015 年；Xiong 等人，2016 年；Werner，2017 年）。這些項目測試了利用可再生電力滿足熱能需求的各種方法，例如利用

209、熱泵或電阻對水進行加熱。通過提高發電機利用率，TES 在幫助提高這些計劃的可行性上大有可為。將 TES 整合到由 VRE 供電的區域供熱系統中，可以通過在尖峰時段繼續發電來避免棄電?！岸嘤唷钡哪芰靠梢宰鳛闊崮軆Υ嫫饋?，以供以后熱量需求回升時使用。在這種情況下，TES 有助于實現低成本的脫碳供熱（Liu 等人，2017 年）。在中國、丹麥、德國、意大利、瑞典和英國部署的熱電聯產集中供熱項目中（聯合國環境規劃署，2015 年），短期 TES 可以用來幫助滿足日常尖峰時段需求。這使小型熱電聯產系統的部署成為可能，而這種系統能夠連續滿負荷運行（不同于為滿足需求而調峰的超大型電廠），從而提高系統效率和利

210、用率。地熱區域集中供熱計劃具有類似優勢，可通過促進恒定電量并利用 TES 來滿足各種尖峰時段需求，進而提高利用率。2014 年，在全球范圍內的區域供熱方案中，地熱能占能源的比例不足 1。目前，此類方式主要在冰島和法國使用，歐洲其他國家的一些小規模項目也有使用（Werner，2017 年）。地熱項目受當地地熱源的限制。然而，據估計，通過城市區域供熱計劃，地熱可為歐洲 25 的人口供熱（Connolly 等人，2012 年）。與區域供熱類似，供冷負荷也會隨著季節的不同而變化，而 TES 有助于提高發電源的利用率。TES 可實現恒定供冷，同時有助于滿足各種負荷的要求。在區域供冷中使用電氣供冷機的情況

211、下，TES 還可以將生產轉移到總需求較低的時候，進而有助于降低電網的尖峰用電負荷。這有助于通過削減尖峰負荷來避免昂貴的網絡加固或擴建。將區域供冷系統在與冷藏結合使用，可將供冷能力降低 15-50，同時減少了對輔助部件的需求，并可通過更有效地利用壓縮機來改善整體系統性能（Cecca，Benassis 和 Poeuf，2010）。在區域供熱或供冷方案中增加儲熱裝置，可使系統滿足更多熱負荷要求，并整合具有不同發電特性的可再生能源。TES 可以有效地將熱能或冷能的生產方式與消耗方式分離。當采用這種方式為廣大用戶連續供熱和供冷時，同時還必須整合太陽能熱具有波動性的可再生發電資源，這一點至關重要。這意味著

212、，可再生能源發電廠可以隨時運行發電，在需求低時儲能，然后在需求高和供應低時釋放能量，從而提高發電利用率。關鍵用例表明，TES已經促進了可再生能源在區域供熱/供冷中的部署，并將在未來繼續發揮作用在中國（Nordell，2000 年）、北美（IEA，2014 年）和北歐，UTES 技術通常與區域供熱和供冷項目一起部署。使用 BTES 的季節性儲能計劃已在加拿大和丹麥進行了試驗，中國西藏地區也有幾個項目正在開發之中。據估計，全球共有 8 萬個區域供熱項目。這些項目大多在寒冷的氣候條件下進行，在中國北部、北歐和俄羅斯的安裝使用率很高。例如，區域供熱分別滿足丹麥和波蘭 51 和 34 的供熱需求（Wer

213、ner，2017 年）。在氣候很冷的國家，區域供熱方式最適用于人口密集的城區或工業區?？稍偕茉磪^域供熱項目主要使用生物質或熱電聯產；然而，加拿大和丹麥已出現使用太陽能熱板供熱的示范項目。UTES 可用于區域供冷和供熱計劃，但是其效用可能會受到嚴格的地理和地質限制。ATES 需要有含水層，而 BTES 則可能會受到地下質量的限制。無法使用 ATES 的情況下，可以采用閉環 BTES（Mott MacDonald，未注明日期）。UTES 可用于季節性和短期冷能和熱能儲存（Sarbu 和 Sebarchievici，2018）。大部分區域供冷都用于中東和美國，但澳大利亞、歐洲和日本也有相關項目在運

214、營之中（Cecca，Benassis 和 Poeuf，2010；Paksoy，2013；JCU，2014；亞洲開發銀行，2017；IRENA，2017c）。在阿拉伯聯合酋長國，有超過 20 的空間供冷負荷通過區域供冷來滿足（IRENA，2017c）。中國是一個新興市場，據報告，2013 年全中國有 833 個相關項目（Paksoy，2013 年）?？臻g供冷的主要用戶是服務部門和住宅建筑物（Werner，2017 年）通常使用冷水罐、冰和吸收式供冷機作為儲冷形式（亞洲開發銀行，2017）。各種緯度的地區都有區域供冷項目，這意味著其部署在很大程度上與氣候無關（IRENA，2017c）。使用冰塊的短

215、期儲冷通常用于電源和冷卻負荷存在波動的地方。冰儲能的能量密度很高，因為其僅需要冷水罐所需空間的 25，所以非常適合在城市地區使用（FVB Energy，未注明日期）。UTES 可用于提供長期儲冷，但其適用性受到地下環境的限制。多種TES技術已在區域供熱和供冷計劃中得到部署圖 45 總結了 TES 在區域供熱/供冷中的部署狀態。這些內容將在下文中按技術類別進行討論。創新展望92當前狀態大型水罐經常在區域供熱中使用。這種裝置由隔熱性能良好的系統組成，可減少熱量損失并延長有效儲存期。在電力需求低谷期或利用太陽能集熱器對水進行加熱。當需要熱量時，將儲存的熱量排出。這些大型水罐可位于地面上方或下方，具體

216、取決于項目的需要。冷水罐是用于區域供冷的最常見的儲熱方案。該裝置使用的大型混凝土和鋼制水罐，據報道其應用容量可高達 150,000 m3（Somarriba，未注明日期）。在這些系統中，高輻照期所有產生的多余太陽能可用于水的冷卻，例如使用吸收式供冷機（Hasnain，1998 年；BEIS，2016 年）。UTES 技術還可與熱網一起部署，以對低邊際成本的熱源進行整合（例如地熱和太陽熱能），以實現季節性儲能。熱能可在最高 100C 的溫度下儲存，并且升級后可供熱泵使用。對于區域供冷來說，UTES 通常在溫差 6 左右的情況下使用。冰的熔合潛熱較高，因此已作為 TES 冷卻材料廣泛使用。冰由可再

217、生能源發出的電力生產，也可通過太陽能吸收過程將水凍成冰。載熱流體（通常是水或乙二醇）通過管道傳遞冷能，從而為住宅區或辦公樓供冷。圖 45.TES 技術在區域供熱和供冷中的商業就緒水平。應用研究原型示范商用TES 類型熱化學潛熱顯熱UTES1,2TTES1,2固態零下溫度 PCMs2高溫 PCMs1吸收式系統1,2水合鹽1,2冰2N/A機械熱注：(1)區域供熱；(2)區域供冷。蓄熱93創新展望94案例研究 4.季節性儲能太陽能區域供熱方案季節性 BTES 使區域供熱項目可以為加拿大提供近 100 的可再生熱能Drakes Landing 是一個技術示范項目，利用太陽熱能和季節性 UTES 為加拿

218、大阿爾伯塔省一個擁有 52 棟房屋的住宅社區提供區域供熱計劃。開發該項目是為了提高區域供熱的季節性儲能效率。每個房屋上太陽熱能裝置的總裝機容量為 1.5 MW，在夏季收集太陽能，然后利用 BTES 將能量儲存在地下。在冬季供熱需求量大的時期，熱量從儲能裝置中提取出來并分配到每個家庭。該項目使當地太陽能產熱幾乎可提供 100 的空間供熱。該項目表明，通過有效的儲能，可以解決可再生能源供應與供熱需求之間的季節性不匹配問題。因此，每個家庭的溫室氣體排放量每年減少了 80 以上。這種技術的推廣存在著一些非技術性障礙。目前，財務風險比較嚴峻。在加拿大，廉價天然氣的供應抑制了季節性儲能方案的潛在市場需求。

219、在丹麥等能源價格不斷上漲的國家，用于區域供熱計劃的其他季節性蓄熱項目也有如雨后春筍般涌現（例如 Vojens）。預計這種項目的規模必須比現在高 8 到 10 倍，才具有商業可行性。因此，為了使該系統更具商業吸引力，有必要降低成本。然而，BTES 僅占系統總成本的 10-20，這說明阻礙類似項目推廣的是太陽能集熱器的成本。Drakes Landing 的項目由一家燃氣公司運營，但同時也依靠一家房地產開發商。將不同的利益相關者召集在一起也很困難，因為沒有一方會愿意承擔財務風險的負擔。在這種情況下，政府承擔了風險，這表明公共部門在未來的項目中可能會起到介入作用（Sibbitt,B.等人，2015 年

220、）。未來展望PCM 以鹽和水的共晶混合物為基礎，熔化溫度約為 7-8C，可以用來代替冷水或冰儲能。較高的充能溫度更使其充能效率高于冰儲能，而且所需的罐體積明顯小于那些含有冰水的水罐。高溫 PCM 可成功地用于區域供熱應用。與顯熱技術相比，該系統具有更高的儲能密度和熱導率，因此能夠在較小的儲存空間中儲存大量能量。在與太陽能熱能和風能等可再生能源系統（例如太陽能和風能）結合使用后，這種儲能技術可用于短期或長期區域供熱。同類第一家 6 MW/36 MWh 高溫 cPCM 示范工廠已于 2016 年 9 月在中國北部投入運營。有關此項目的更多詳細信息，請參閱案例研究 1。與其他類型的儲能方式相比，熱化

221、學儲能有幾個關鍵優勢。此類系統的能量密度要比其他 TES 系統（例如 TTES）高出三到六倍，進而減少了對空間的需求。此外，熱化學儲能系統的熱損失非常小，并且可以運輸以供遠程使用。蓄熱95示范項目還對水合鹽吸附系統在住宅和商業的應用進行了研究，以滿足獨立建筑的需求。該系統可在區域網絡中實現，并作為加熱水合鹽的來源與太陽能集熱器或熱電聯產廠結合使用。該系統將在夏季充能，以達到在冬季使用儲存熱能的目的，以此滿足網絡中的熱水和供熱需求。吸收式系統是一項很有前景的技術，可以被泵送并作為區域網絡中的工作載熱流體使用。這樣就可以使用遠離服務地點的熱源。吸收式系統在供冷部門中的應用由來已久，而且在區域供冷方

222、面也前景光明。吸收式熱泵可利用區域供熱基礎設施（太陽能集熱器）中的低品位熱能提供供冷和空間溫度調節。吸收式系統允許臨時轉移冷卻負荷，因此可以利用更適合有效供冷操作的環境條件。TES效率的提高也將繼續提高配套區域供熱和供冷的可行性表 10 總結了用于區域供熱和供冷的 TES 組成部分中的技術創新的主要目標。案例研究 5.柏林區域供熱方案使用的水合鹽蓄熱原型演示水合鹽蓄熱系統如何靈活地實現熱電聯產2019 年，德國柏林的一家熱電聯產電廠嘗試采用了一種裝機容量為 0.5 MW/10 MWh 的吸收式儲能解決方案。在電力供應過剩的時候，吸收式系統通過電網或配套的熱電聯產裝置充能。熱能隨后會根據需要從發

223、電廠分配到柏林的區域供熱網絡中。該項目旨在將熱力生產與發電脫鉤，例如在需要熱電聯產工廠供熱但不需要供電的情況下。該技術使用納米涂層鹽來最大程度地減少鹽劣化問題，并確保在大量充能循環后保持最佳效率（Vattenfall and SaltX Techonolgy，2019 年）。顯熱UTES 裝置沒有標準的設計。每個設備都是為特定的位置和應用而設計，因此都是獨一無二的，但組件泵、管道和熱交換器都是標準的工業產品。因此，UTES 無法實現傳統意義上的工業商用化（Nielsen，2003 年）。此外，UTES 系統還面臨一個主要挑戰，那就是其可能會威脅到當地的生態系統，進而對環境造成影響。當前，有幾項

224、研究正在進行之中，以了解 ATES 系統對環境帶來的影響?？茖W家們需要研究 UTES 對地下水的影響，并進行跨部門的地下儲熱規劃，以最大程度地減少 UTES 與其他地下設施之間的負面沖突（Bonte，2015 年）。需要對使用 40-90C 范圍內溫度的新系統進行研究，這些系統可以儲存來自發電廠、工業過程、地熱或太陽能的熱能，并在以后作為備用容量在高需求時釋放。溫度越高，系統熱損失就越高，顆粒、氣泡、細菌生長和礦物質沉淀等原因都會導致系統各部件結垢和堵塞。還需要對部件腐蝕情況進行測試，以更好地預測設備的壽命。對于高溫儲能來說，水基儲能系統的使用會受到限制。這給 UTES 實現高效季節性儲能帶來

225、了嚴峻的挑戰。因此，需要選擇和研究比熱和導熱系數高且成本低的其他候選儲能介質（RHC-Platform，2012 年）。創新展望96表 10.區域供熱和供冷 TES 技術創新的關鍵目標 屬性顯熱潛熱熱化學201820302050201820302050201820302050成本（美元/kWh）0.1-350.1-250.1-1560-23045-18535-14015-150試驗規模 15-120示范 10-80效率(%)55-9065-9075-90 90 92 9550-65(1)能量密度 (kWh/m3)15-80(2)30-90120-250使用壽命（年限或循環次數）10-30 年

226、20-30 年 30 年10-20 年 25 年 30 年15-20 年20-25 30工作溫度(C)5-955 至 950 至 75015-150注：(1)由于技術成熟度低而無法提供數值；(2)具體取決于工作溫度范圍。此外，為了提高容量、效率并與可再生熱生產技術相配合，需要對混合 UTES 系統進行研究。為了提高節能效果，減少備用系統的使用，還需要對 UTES 進行優化控制（European Association for Storage of Energy and European Energy Research Alliance，2017b）。通過加大水罐的尺寸并提高系統的標準化程度，T

227、TES 將會帶來巨大的收益。TTES 的成本可以從 486 美元/m3（300 m3 熱水罐）降到 123 美元/m3（12,000 m3 熱水罐）（BEIS，2016 年）。預計系統效率將有所提高，或許可以通過新方法來增加和維持熱分層。這將減少運行成本。熱分層會導致工作時間變長，進而大幅提高了太陽能收集器的利用率，減少了輔助能源的使用和成本。最近的研究提出了各種增加熱分層的新方法，例如最大限度地減少將進入熱分層蓄熱罐的水的混合和湍流降低（Al-Habaibeh、Shakmak 和 Fanshawe，2017 年）。這些改進可能會明顯提高儲能效率，提高幅度在 6 和 20 之間（Han、Wan

228、g 和 Dai，2009 年）。其他改進措施也在探索之中，例如優化內部換熱器和水罐內部自由對流，以及通過盡可能減少管道內寄生熱對流造成的熱損失。潛熱高溫 cPCM 的創新需要重點關注如何提高熱循環穩定性，因為腐蝕和結構不穩定會導致 PCM 泄漏。為了使這項技術具有充分的競爭力，我們需要對新型復合材料和系統進行進一步的研究。在進一步商業化之前，為了確保系統壽命足夠長，必須對系統循環和整體系統隨時間推移的性能進行分析。創新的主要重點是可提高充/放能速度的新型集成系統，以及旨在提高部件兼容性并降低維護成本的材料科學研究。這些創新將使這項技術能夠以更大規模從示范階段進入商業階段。在零下溫度的 PCM

229、中，當前使用的鹽混合物的主要技術挑戰是充放能過程中的相分離13。這些系統也很容易出現過冷14 和腐蝕。14 溫度低于熔點且材料未開始凝固的效果。13 含有不同成分的相之間相互分離并引起凝固焓損失的效果。目前，這些因素不但降低了系統的可循環性能，還增加了系統的維護成本。為克服這些問題，專家們提出了不同策略，例如添加交聯材料以使鹽保持在溶液中，或添加材料以增加鹽的粘度（Li 等人，2013 年）。然而，在開發方面，大多數解決方案仍處于實驗室測試階段，并且沒有一個適用于所有解決方案的最佳方法。為了避免或最大程度地減少容器的腐蝕，必須執行選擇過程，而且在某些情況下，必須使用封裝或涂層（Ferrer 等

230、人，2015 年）。與其他 PCM 相似，由于移動的液固邊界和低導熱性，傳熱速率在充放能過程中會受到限制?？梢酝ㄟ^增加傳熱面積（例如，使用金屬翅片）和添加高導熱率的材料添加劑（例如石墨、顆粒）來提高傳熱速率（Or等人，2012 年）。充能過程中的結冰是冰儲能的主要問題，可能會通過降低充能速度和效率，進而影響系統的性能。例如，在冰盤管式儲熱系統的充能過程中，冰從盤管的表面開始產生，并且由于產生的冰自身的熱導率很低，導致充能效率下降。專家們提出了解決該問題的各種方法，例如在盤管線圈上增加翅片或環圈。還可以通過應用不同的運行策略來優化性能，例如完整儲能策略和部分儲能策略（Yau 和 Rismanch

231、i，2012 年）。熱化學目前，高昂的投資成本阻礙了熱化學 TES 在區域供熱/供冷方面的發展。此外，還存在與所用化學品的腐蝕性有關的問題，以及潛在采用者因系統相對復雜而對系統安全性的顧慮。熱化學 TES 系統的季節性儲能能力使其在區域供熱和供冷應用中具有潛在的吸引力。然而，要實現這些系統的潛力，需要在材料化學方面取得重大進展。對于水合鹽系統，主要進展包括增強所用鹽的活性和耐久性，同時設法保持其親和性和安全性。同樣，在吸收式系統中，所用鹽的實用性是關鍵，研究人員正努力去提高鹽的穩定性和能量密度。研究人員基于水合鹽（供熱）和吸收（供冷）系統，已經提出了將熱化學 TES 系統與可再生發電廠相結合的

232、各種配置，以將其用于區域供熱和供冷應用。案例研究 6.將充能的 TES 材料從充能地點運輸到需求點H-DisNet歐盟“智能混合熱化學區域網絡”(H-DisNet)項目正在設法評估一種將熱化學 TES 整合到區域供熱/供冷中的創新方法。該項目的合作伙伴正在研究一種適用于充能 TES 材料的“混合型”智能運輸系統。該系統可遠程利用分布在分配網絡周圍的部分水合/脫水鹽溶液來釋放儲存的熱能，以進行供熱或供冷。該項目涉及模擬和控制研究，旨在更好地管理熱化學 TES 基礎設施。此外，在德國、瑞士和英國也有三個示范項目（KU Leuven，2018 年）。蓄熱97創新展望98TES 在建筑物中的應用TES

233、 需求 在寒冷的氣候條件下，通過增加需求側的靈活性，減少潛在的尖峰和網絡提升的需求，以及提高低谷期可再生能源的利用，TES 可以支持熱泵的部署。在溫暖的氣候條件下，通過轉移空調負荷并降低系統壓力，TES 可幫助減少與鴨子曲線有關的問題。在電網薄弱或不可靠的地區，分散式的熱能/冷能儲存還可以減少對電網的依賴性，提高建筑物的能源供應安全性?，F有用例 水罐蓄熱在全世界范圍內廣泛用于建筑物蓄熱。PCM、固態熱電池和替代空調裝置的冰儲能技術已經很成熟，但部署規模相對較小。UTES 已在各種情況下使用，較小規模（單個建筑物）設備的實用性也正在研究之中。創新潛力 短期（5 年）：與能源管理系統結合使用的 P

234、CM 熱電池正處于試驗階段。試驗可以證明這種電池可以利用低谷期的能量來實現熱能的低碳化并為消費者節省開支。通過材料開發，改善 TTES 和固態 TES 技術中材料的熱性能和耐腐蝕性能，進而提高效率。此外，加強整合和控制系統的創新將會提高成本效益。中期（5-10 年）：新一代高溫和低溫 PCM 和 cPCM 的成本降低和技術改進有助于增加建筑物中潛熱儲能的部署。長期（10 年）：注重于實現熱化學 TES 技術中材料和系統改善的研發活動有助于早日進入示范階段。3.5 建筑物建筑物領域包含商業和住宅用房，面積約為 1,500 億平方米。能源在建筑物中用于空間加熱、空間冷卻、熱水和烹飪。預計在不久的將

235、來，全球建筑面積每年將增長 3，該部門的總能耗預計將有所上升（IEA，2017 年）。因此，未來將需要加大脫碳工作的力度，預計建筑物規模的可再生能源發電應用也將有所增加。阻礙在建筑物中進一步部署可再生能源的主要挑戰集中于管理潛在的電力需求尖峰，并確保能源供應（包括供熱/供冷）與變化的需求能夠有效匹配。推動能源效率的不斷提高應成為管理需求的優先事項。全球需要進一步擴大熱泵的部署范圍，同時將使用由可再生能源供電的區域供熱系統的熱量翻倍。蓄熱99鑒于供冷主要是通過電力提供，因此不斷增長的電力需求將成為能源系統的另一個挑戰。在用電高峰時段（供冷已經是其中的重要因素），這種情況尤其明顯。當務之急是將可再

236、生電力（尤其是太陽能）與白天以外的供冷需求相匹配。到 2050 年，建筑面積預計將增加到 2,700 億平方米。在住宅方面，面積增長是由于人口和收入的增長，導致人們希望提高每個人的居住空間，減少每個房屋中的居住人口，尤其是在發展中國家（Global Alliance for Buildings and Construction，2016 年）。例如，印度預測到 2030 年新住宅建筑空間的需求量將達到 200 億平方米，這相當于住宅建筑能耗將從 2005 年的 1.9 EJ 變為 2030 年的 8.12 EJ 增加 450（全球建筑最佳實踐聯盟，2014 年）。根據 IRENA 的分析，目前

237、可再生能源能夠滿足 36 的建筑能耗，包括將本地生物質用于空間供熱和烹飪。這一比例將需要增加，而擴大分散式建筑規?？稍偕茉吹耐茝V范圍可能是一個關鍵的解決方案。到 2050 年，可再生能源的占比可能會上升到 77，太陽熱能和熱泵的數量將比當前水平顯著增加（約比 2015 年水平高 10 倍），而現代爐灶、生物質（約比 2015 年的水平翻了一番）和地熱（約比 2015 年的水平高 6 倍）的使用量也將大幅增加（IRENA，2018 年）?？臻g供冷是建筑物中增長最快的能源使用方式，這一趨勢在經濟快速增長且氣溫較熱的發展中國家尤為明顯。隨著這一趨勢不斷發展，越來越多的市民將有機會使用供冷設備，能源

238、使用量預計也會成比例增長。例如，2010 年中國人共購買了 5,000 萬臺空調（相當于美國總存量的一半）（Cox，2012 年）。2016 年，建筑物能源使用總量中有 6 用于空間供冷，其中絕大部分依靠電力完成。IEA 估計，到 2050 年，空間供冷的能源需求將增加三倍，這將使供冷用電量在總用電量中的比例提高到 30%，在建筑總用能量中的比例增加近三倍（IEA，2018b）。到 2060 年，全世界用于空間供冷的能源使用量預計將超出空間供熱（Isaac 和 van Vuuren，2009 年）。蓄熱在建筑物中可以發揮重要作用，有助于可再生能源的整合。TES 可通過熱能電氣化來實現部門耦合，

239、并有助于滿足日益增長的供冷需求。建筑規模的TES有助于滿足或轉移尖峰需求供熱電氣化和供冷需求的增加將導致各種類似問題。將熱能生產和冷能生產脫鉤可以削減各自的負荷峰值。這將減少系統對調峰裝置的依賴，并減少可再生能源的縮減，進而降低整體系統成本。這對于 VRE 滲透率較高的地區/能源系統來說是一個很大的優勢。對于供熱來說，這適用于每日和季度性儲能。此外，將可再生能源多余的能量以熱能形式儲存比以電能形式儲存更高效，這也使得 TES 能比電池更有效地減少負荷與發電量變化之間的不匹配。（Lund 等人，2016 年）。電力需求的增加也可能會對本地網絡造成巨大壓力。家用 TES 有助于減輕這種壓力，并推遲

240、對電網改進的需求。很多TES技術可以大范圍地直接在建筑物中應用具有不同工作溫度和要求的 TES 技術和系統可以滿足建筑領域的各種需求。成熟的 TES 技術已經在建筑規模上部署多年。將來，目前正在開發之中的新型解決方案很有可能對這些技術加以補充。各項技術之間的開發和部署狀況各不相同（圖 46），下文將詳細 討論。案例研究 7.具備智能能源管理功能的 PCM 熱電池可實現低谷期可再生能源的整合與燃氣鍋爐相比，使用 PCM 的熱電池可為英國家庭節約成本并減少碳排放在過去十年中，英國在電力系統脫碳方面取得了重大進展。然而，在最終家庭能源消耗中，電力消耗僅占 16%，而熱能消耗卻占了 81。事實上，英國

241、有 90%的家庭依靠燃氣供熱。這意味著，總體而言，家庭供熱所造成的碳足跡占該國總碳足跡的 25%。因此，如果英國希望在 2050 年之前實現其最近宣布的凈零排放目標，那么如何實現家庭供熱的脫碳將是一項重大挑戰。使用 PCM 的熱電池可以構成解決方案的一部分。其中一種電池使用無機水合鹽（乙酸鈉），該材料的相變溫度為 58。PCM 技術經設計可以在不發生任何退化的情況下執行 41,000 次循環。熱電池的能量密度是水罐蓄熱的四倍，無毒且不易燃燒。在 15 年（不到電池潛在壽命的一半）的時間段里，電池能夠以約 0.05 美元/千瓦時的價格提供熱能，比電化學電池儲存的等效能量要便宜得多?？紤]到熱電池使

242、用壽命預計會更長，并且劣化的影響可以忽略不計，因此可成為一種比電化學電池更具成本效益的熱能提供方案。最新款熱電池每單位儲存的能量在價格上據稱比最便宜的鋰離子電池還要低 60-90。該技術可以與屋頂光伏發電(PV)、電網電力或熱泵結合使用。該技術已經歷經了幾次試驗。第一次試驗于 2013 年開始，涉及七戶家庭。試驗結果表明家庭供熱運行成本比燃氣鍋爐低了 50。新一代電池已在蘇格蘭的 600 戶家庭中進行了大規模試驗，其中有 404 戶使用屋頂太陽能光伏發電。事實證明，這為大部分住戶節省了成本。2019 年，英國政府宣布撥款 200 萬美元，資助電池技術開發商與能源供應商合作進行試驗，以使家用客戶

243、能夠在電力負荷低谷時段用低成本的可再生電力為房屋供熱，而這需要通過使用供應商的能源管理平臺來實現。該試驗旨在證明智能中央供熱系統在大眾市場上的可行性。英國政府在 2019 年宣布，將在 2025 年之前禁止在新建房屋中使用燃氣供熱，因此上述系統可能對英國未來的家庭供熱計劃至關重要。這證明了 TES 可用來提高需求側的靈活性，如果供熱已實現大規模電氣化，則這種技術可成為支持電網穩定性的關鍵所在（Sunamp Ltd，2019 年）。創新展望100蓄熱101圖 46.TES 技術在建筑部門的商業就緒水平UTESWTTES固態低溫 PCMs高溫 PCMs冰水合鹽吸收式系統N/A應用研究原型示范商用T

244、ES 類型熱化學潛熱顯熱機械熱當前狀態傳統民用和商用水罐的容量一般在 100 至 1,000 升之間（Lanahan 和 Tabares-Velasco，2017）。水罐蓄熱是基于在用電需求低谷或太陽能集熱器的多余電力期間對水進行加熱或供冷。熱能可以隨后在需求高峰期供應并分配到設備（Alva，Lin 和 Fang，2018）。世界各國均已報道了電熱水儲存的各種示例。澳大利亞、法國和新西蘭的示例證明了 TES 的這種用途的能力，即可通過減少住宅高峰需求來協助管理當地的電網擁堵。2014 年，法國通過這種方式實現了每年 5 的削峰率（IEA，2014 年）。自 20 世紀中葉以來，住宅蓄熱器中的熱

245、能一直儲存在陶瓷磚中，溫度高達 70。這種家用電器的現代版本，即智能電蓄熱(SETS)加熱器，使用低成本的陶瓷磚儲能介質，通過電阻加熱儲能介質，溫度最高可達到 700C。SETS 設備已被安裝在全球數以萬計的住宅中（歐洲能源儲存協會和歐洲能源研究聯盟，2017b）。同時，加利福尼亞州開最近開發了供居民使用的冰儲能技術，通過減少“鴨子曲線”來幫助公用事業。使用冰儲能的設備在整個北美和印度也可以買到，主要設想用于商業建筑。其他低溫 PCM 也可以在建筑物中得到了應用。在大多數情況下，冰和零下溫度的 PCM 封裝在模塊中，由載熱流體將冷能從模塊提供給負荷。這些系統可用于支持或替換供冷系統，或在住宅或

246、商業建筑中進行空氣調節（歐洲能源儲存協會和歐洲能源研究聯盟，2013）。主要用于供熱，家用 PCM 加熱電池已在英國成功試驗并投入使用。封裝的 PCM 可以通過電加熱或載熱流體（例如來自太陽熱能的熱水和來自空調的冷氣）交換的熱量進行充能。創新展望102案例研究 8.市政府推出家用 TES 以減少家庭開支并提高風能利用率加拿大市政計劃以折扣價格提供 TES，從而提高了當地風能的利用率薩默賽德是加拿大愛德華王子島上的一個小鎮，人口為 15,000 人。薩默賽德的公用事業部門歸市政所有。市政當局擁有并運營的當地風能裝機容量為 21 MW，可滿足該鎮約一半的電力需求。讓市政當局感到沮喪的是，在電力需求

247、低迷的時候，其不得不以低價將多余的電力出售給電網，因此沒有充分發揮出發電潛力。同時，該鎮有近 80 的供熱需求由價格昂貴且能耗高的燃油空間供熱滿足。2013 年，該鎮實施了“供熱省錢”計劃，鼓勵居民在住宅區使用電蓄熱技術（使用陶瓷磚）或分時使用電熱水器(TTES)來替代住宅物業中的燃油取暖設備并提供折扣電價。在電力公司方面，該鎮開發了智能電網來協調負荷的實時控制?？蛻艨梢灾苯淤徺I或租用 TES 設備，也可以參加 5 年、7 年或 10 年先租后買計劃。設備的評估和安裝由市政當局管理，從而減輕了消費者的負擔?？偣苍?238 個地點交付了 366 臺儲能設備，容量范圍從 3 kW 到 80 kW

248、不等，其中 75 的 TES 用于住宅用戶。商業用戶也簽署了該計劃，從而增加了 3 MW/13.5 MWh 的儲存能量。通過利用“錯位時間”的可再生能源，以前出售給電網的能源中有 24 留在了社區，風電場的容量系數也因此提高了一個百分點。雖然通過干預，電力公司的收入有所增加，但真正的贏家是消費者。他們使用陶瓷磚蓄熱，平均每戶每年可節省 1300 加元，而使用 TTES 則可節省 200 加元。此外，由于減少了燃油加熱和備用柴油發電，2015 年避免了 400 噸的 CO2 排放量。省政府也擁有幾個風電場，并于 2017 年公布了 10 年能源戰略，指出希望效仿薩默賽德的做法，在全省其他地區推廣

249、 TTES 和基于陶瓷磚的加熱器（Wong，Gaudet 和 Proulx，2017）。未來展望正如上一節所強調的那樣，大規模 UTES 已應用于住宅和商用領域的區域供熱和聯合供熱及供冷。目前，一些研究正在測試規模較小且成本較低的 BTES 系統，并在測試中將該系統與溫室或單個建筑的太陽能集熱器相連（Ba er，Lu 和 McCartney，2016）。此外，高溫 cPCM 可在住宅和商業應用中以相對較小的儲能體積儲存大量熱能。這些材料還將使用類似于當前鍋爐的罐體，但尺寸要求要小很多。水合鹽可以長期（季節性）也可以短期（每日）儲存來自太陽的熱量，以克服住宅和商用領域的需求波動。夏季可以使用太陽

250、能集熱器、太陽能電池板或熱電聯產設備為吸附系統充能，以便在冬季為建筑物提供熱水和供熱。蓄熱103表 11.建筑物 T ES 技術創新的關鍵目標屬性顯熱潛熱熱化學201820302050201820302050201820302050成本（美元/kWh）0.1-350.1-250.1-1560-23060-18560-14015-150試驗規模 12-80示范 90 92 9550-65(1)能量密度 (kWh/m3)15-80(2)30-135120-250使用壽命（年限或循環次數）10-30 年15-30 年20-30 年 10 年 15 年20 年15-20 年20-25 年 30 年工作

251、溫度(C)5-955 至 950 至 75015-150注：(1)由于技術成熟度低而無法提供數值；(2)具體取決于工作溫度范圍。該技術在建筑部門還處于早期部署階段，但其理論能量密度比傳統的蓄熱技術（如水罐）高 5 至 10 倍，因此潛力巨大（van Essen 等人，2010）。專家們已根據儲熱材料、系統和應用需求，提出了各種整合方案（Mette，Kerskes 和 Drck，2012）：整合到建筑物的通風系統中（MonoSorp 項目 Bales 等人，2007），整合到建筑物的通風系統中，整合到建筑物的通風墻中（SolSpaces 項目），或整合到具有獨立反應器和材料庫的太陽能熱組合系統中

252、（CWS-NT 概念）。在整合到建筑物通風系統中的情況下，蓄熱器經設計可整合到建筑物中。該建筑物應設有可控的通風系統，并可利用太陽能集熱器作為可再生能源的來源執行熱回收。另一種方案是將吸附裝置整合到建筑物的墻壁內。所提出的系統可將吸附和解吸分開，進而將吸收式蓄熱分成幾段，優點是能夠減少儲存量。如果要整合到太陽能熱組合系統中，則需要儲存材料和反應器，以便在其中充能/放能。吸收式冷卻系統是一種新型熱化學蓄熱方式，有助于將可再生能源整合到建筑物中。工業應用市場上已經開始提供大型熱驅動吸收式冷卻系統，但太陽能驅動系統在空調應用中的概念相對 較新。太陽能熱供冷可以通過用熱驅動空調取代電驅動空調系統，進而

253、減少夏季高峰期的能源需求。吸收循環更適合于低品味熱能利用，比其他吸附式系統具有更快的傳熱和傳質速率。材 料 科 學 和 系 統 集 成 方 面 的 創 新 將使TES能力得到提高表 11 總結了用于建筑物的 TES 組成部分中的技術創新的主要目標。顯熱UTES 在住宅和商業應用中的主要挑戰是如何簡化系統設計。對于小規模應用來說，BTES 體積過小會導致更大的熱損失和效率低下（Lanahan 和 Tabares-Velasco，2017）。此外，建造 BTES 的高昂資金成本突顯了數值模擬對確保經濟和熱力學可行性的重 要性。多項研究表明，在小規模系統中，BTES 與太陽能收集器的聯用可以提高效率

254、。一項關于溫室設施的研究預測，該設施的運營效率為 80，預計投資回收期為 14 年（Gao，Zhao 和 Tang，2015）。后續試點項目可用于測試 BTES 在其他建筑和商業應用中的設計和性能。將 PCM 整合到水罐中以提高家用熱水儲存的能量密度是當前研究的主題。熱水/PCM 混用擁有巨大潛力，并有可能在中期內出現（Mette，Kerskes 和 Drck，2012）。整合 PCM 有助于克服與傳統水罐空間限制和重量相關的挑戰，否則這些因素會限制其效用。在系統效率方面，需要采用新的方法來改善和維持熱分層，降低系統運行成本。最近的研究提出了很多增加熱分層的新方法，例如最大限度地減少將進入熱分

255、層蓄熱罐的水的混合和湍流降（Al-Habaibeh，Shakmak 和 Fanshawe，2017 年）。還有一種方法是使用智能恒溫控制策略來預測所需的水量，在保持客戶舒適度的同時，對電網的變化做出反應（Gelaanskas 和 Gamage，2016 年）。該系統在運 行時根據消耗量預測作出需求響應（Davis，2014 年）。智能控制系統可對生產進行上下調節，也可以提高熱水器效率。系統更改包括優化內部熱交換器整合、水罐內部自由對流，而且因管道中寄生熱對流而造成的熱損失，也值得進一步研究，以便評估具有更高效率的新設計的潛力。目前有多個正在進行的項目，旨在將剛上市的小型吸附式供冷機與太陽能水罐

256、相結合，以用于空間供熱和供冷（Reda 等人，2017 年）。大比例 VRE 發電為整合使用陶瓷磚的 SETS 加熱器創造了新的機遇和理想的條件。有專家提出用 SETS 系統為需求側管理提供服務，使低碳能源（例如 風能和光伏能）在地方和國家層面的滲透率能夠不斷提高。有幾項研究模擬并優化了分散式 TES 與 SETS 加熱器的使用，以提高可再生能源的滲透率（Ali、Ekstrm 和 Lehtonen，2017 年；Di Fresco，2018 年）。研究指出，可以對這些系統進行協調以嵌入互聯的 TES 網絡。潛熱與其他 PCM 相似，低溫 PCM 的低熱導率限制了傳熱速率，并因此阻礙了其更廣泛的

257、商業應用。按照前文所述的類似方法，我們可以通過用翅片和設計結構來增加傳熱面積，擴大嵌入 PCM 的導電基質，或者在基質中添加高導熱性材料（例如碳納米管）來提高傳熱速率（Karaipekli 等人，2017 年）。但是，大多數解決方案只是以實驗室規模進行測試，并且沒有一個通用的方法可用于所有共晶體。發展的重點將是在實際條件下測試這些策略。目前，一些低溫系統已經完全實現商業化并可投入使用，但投資成本卻非常高。我們需要進行進一步的研究，以仔細觀察其在系統層面的長期性能和可靠性。目前的當務之急是降低單個組件的成本，以及開發具有成本效益的新方法來設計整個 TES 系統。創新展望104如本報告前面各節所述

258、，我們需要開發高溫 cPCM，并開展進一步研究，以提高其在循環中儲能性能和復合材料穩定性。此外，在整合高溫 cPCM 時，還必須克服與無機 PCM 相關的過冷、泄漏、可循環性和腐蝕等方面的常見限制。對于其他應用來說，在高溫 cPCM 實現商業化之前，必須要克服各種障礙。這些障礙包括改善建筑材料和儲能介質之間的兼容性，降低整合成本（尤其是短期應用），以及找到能與其他傳統技術（顯熱）競爭的新整合系統。熱化學在水合鹽系統中，溫度范圍和用戶條件類似于區域供熱。有關開發中材料的技術詳細信息，請參閱附錄。一些針對各種應用的經濟研究表明，儲能材料會極大地影響蓄熱系統的性能和成本（通常約占總投資成本的 30）

259、（Lele，2016 年）。要優化所用材料的性能，還需要進一步的努力，特別是在導熱性方面，而且還需要研究材料在長期循環中的耐久性。研究人員預測，盡管需要對系統整合進行研究，但這些系統將成為未來長期蓄熱的現實可行的選擇（Mette、Kerskes 和 Drck，2012 年）。到目前為止，致力于對這些系統進行規模調整以確保實際適用性的研究工作還很有限，而這是實現商業化的首要任務。吸收式系統的創新需求與區域供冷部分中提出的需求相同，因為該技術在這兩種應用中使用的儲能介質并沒有區別。如前所述，出于系統復雜性和維護成本的原因，該技術的商業化仍然受到限制。因此，需要研究新的吸收循環并對系統設計進行改善。

260、必須降低系統復雜性和維護成本，才能為商業應用開辟道路。蓄熱105創新展望1064.加速部署的政策干預措施本章總結在整個能源系統使用 TES 的主要系統層面的障礙包括：有些 TES 技術不夠成熟，而且存在競爭性技術（例如化石燃料供熱）。缺乏對 TES 如何為社會、公共部門和工業帶來好處的了解和認識。這表現在當儲熱可為供熱或供冷負荷很高的能源系統帶來明顯好處時，我們的研發重點卻過多地集中在電池儲能上。未來能源系統如何發展具有不確定性，這導致投資者不愿對長期或大型項目進行投資。由于對不同能源載體（即熱能和電力）和部門的固有思維，在某些情況下會導致政策沖突和規劃效率低下。此外，與電力部門相比，供熱部門

261、缺乏脫碳的相關政策。決策者可以實施各種技術推動、市場拉動和扶持措施，以鼓勵人們使用 TES。這些技術的精確組合，事實上與相關 TES 技術的組合一樣，都取決于能源系統的特性。主要技術推動干預措施包括：加大對 TES 技術研發的投資力度，充分發揮其獨特潛力，以此促進供熱、供電和供冷部門實現脫碳。為示范項目提供資金以幫助建立市場意識，增強消費者信心并提高技術成熟度等級(TRL)。有些技術的供應鏈已經成熟，但那些最具潛力的技術（整合較高比例可再生能源的技術）的技術成熟度通常較低。主要的市場拉動干預措施包括：更為注重供熱脫碳，鼓勵靈活應用，開拓儲熱的輔助服務市場：取消化石燃料補貼，引入碳定價，以大幅提

262、高低碳供熱系統的競爭力。鼓勵使用分時定價等機制，以調動需求方的靈活性，幫助減少消費者開支，并提高可再生能源的利用率。確保對輔助服務的參與盡可能保持技術中立，以便克服電池儲能的常見障礙，并為 TES 的所有者/運營商提供額外的收入來源。用長遠的眼光看待 TES 的開發和部署，并提供激勵措施，為投資者降低此類項目的風險。促進在能源系統中使用 TES 所需的主要推動因素包括：采用全系統方法對能源系統進行脫碳，這對于實現具有成本效益的能源轉型來說至關重要。為了給脫碳能源系統確定一條最具成本效益的途徑，在研究中應將所有靈活性技術考慮在內。作為整合型能源政策的一部分，積極實施各種策略，以減少能源政策出現沖

263、突的情況，并幫助實現更高層次的系統效益。提高整個行業、公共部門和消費者的認識，有效地宣傳 TES 的優勢。從發展階段和總體特征來看，各個國家的能源系統構成均有所不同。因此，儲熱技術的適用性取決于具體情況，加速其部署的干預措施也是如此。決策者所采取的方法必須是以全系統思維為指導的整合戰略的 一部分。本節對以下內容進行了概述：限制采用 TES 解決方案的主要障礙。決策者為促進 TES 發展可使用的支持機制。各部門對 TES 的支持需求，以及已嘗試和測試的干預措施示例。4.1 TES 應用的系統層面障礙社會、公共部門和工業的相關認知一般而言，減緩氣候變化的工作重點是電力和運輸，有時也會包括農業，但供

264、冷和供熱很少會作為優先領域，而其卻占據了歐盟成員國年能源消耗的 50%左右。之所以如此，部分可能是因為供熱（和供冷）脫碳相對較難。由于缺乏對供熱/供冷脫碳的重視，對相關開發活動和示范項目的投資也就相對較少。示范項目通常會努力降低與特定技術相關的認知風險，從而鼓勵未來的投資。示范活動還有助于提前發現潛在的技術和系統缺陷，并可促進利益相關者和公眾群體之間達成共識。在沒有通過示范活動建立證據基礎的情況下，TES等新技術的設備和運營成本可能會更高，因此對這些機遇進行投資的風險也會更高。TES設備的示范結果報告似乎也不多。事實證明，為此類報告收集案例研究非常有難度。TES 技術相對不成熟有很多種 TES

265、 技術（特別是潛熱技術和熱化學技術）尚未在商業化層面得到提升或驗證，詳見第 4 章。這些系統仍處于早期或中期技術成熟度階段，要想得到廣泛采用，需要先降低成本。在近期內，重點應放在提供示范支持、制定投資機制和建立供應鏈和戰略上，以便順利地將 TES 整合到能源系統中。蓄熱107創新展望108未來能源系統結構具有不確定性如何解決脫碳的問題存在一定程度的不確定性。例如，可以通過大幅提高（波動性）可再生能源比例來解決這一問題。同樣，也可以通過更多利用核電來解決這一問題，而核電沒有波動性問題。目前尚不清楚哪種技術組合將構成未來的能源結構?？紤]到不同能源技術相關的不同儲熱需求（時間范圍、位置和溫度范圍等）

266、，未來能源系統的結構將決定所使用的 TES（或其他儲能形式）的類型。要找出一個單一的政策建議來解決這種不確定性并不可行，特別是還應該考慮到，未來能源系統的組成將因國家、政府的變化、成本的增加或減少以及其他各種因素而有所不同。然而，對能源系統進行進一步的分析和建模將很有益，能夠從不同的角度識別可能或不可能發生的各種情景（例如最小成本和最低 CO2 排放量）。對政策和法規的認知不足如前幾節所述，全球供熱和供冷部門脫碳并沒有跟上電力系統脫碳的步伐。部分原因是相對于電力脫碳而言，決策部門對供熱和供冷脫碳的路線圖和策略不夠重視。用于冷熱載體的 TES 技術和這些部門中的其他潛在脫碳解決方案一樣，并沒有得

267、到像電力部門儲能技術那樣的政策支持。2016 年，只有 21 個國家制定了可再生能源監管激勵措施和規定，強制要求實行太陽能供熱或各種技術的供熱要求。其中另外有 29 個國家采用了不同的供熱或供冷政策。顯然，我們需要在解決供熱和供冷問題上付出更多的努力，并應認識到要取得所需成果將面臨的挑戰，即供熱和供冷政策將需要隨部門、國家和基礎設施類型而不同，這樣才能克服具體障礙。從積極的角度看，歐盟的修訂版可再生能源指令中明確指出了與可再生能源供熱和供冷有關的挑戰。隨后，該指令還制定了一個雄心勃勃的目標，即從 2021 年開始，確?？稍偕茉垂岷凸├鋵崿F 1.3%的年增長率。很多國家已對其電力和天然氣能源

268、市場進行了監管。市場監管機構的設立通常是為了防止形成潛在的剝削性壟斷，確保市場參與者之間的競爭給消費者帶來價值。然而，對于熱能（或冷能）的生產、分配或供應，卻沒有同等的市場監管。值得注意的是，英國有多個行業參與者支持未來在監管機構（目前或新成立）監督下對供熱網絡進行監管（The Association for Decentralised Energy，2018 年）。此外，展望未來，由于部門耦合，能源種類之間的跨部門相互影響預計會更大（英國能源技術研究所，2017 年）。如果決策者采取政策和管理的全系統辦法，以對能源載體之間的相互影響和競爭作出反應，使 TES 有機會與其他技術在公平的環境中競

269、爭。有些 TES 技術也沒有在環境或規劃和建筑標準監管制度中得到廣泛認可。TES 是一種相對較新的基礎設施類型，在缺乏有力監管的情況下，可能會遭到公眾的強烈反對。因此，應制定相關法規，確保以最佳方式設計這些系統，最大程度地減少 TES 設備和技術本身對環境的影響。政策沖突在某些情況下，化石燃料補貼會破壞低碳技術應用的努力和進展（Matsuo 和 Schmidt，2017 年）。例如，柴油補貼可能會嚴重限制各國及其行業投資 TES 的積極性，進而縮小了促進高水平可再生能源滲透率的 空間。蓄熱109競爭技術很多類型的儲能設備（例如，電化學電池）可以在當前電力系統中提供與 TES 類似的服務。如果電

270、池（尤其是鋰離子電池）的進一步創新促使能源價格降 低（部分是由于電動汽車的快速部署），那么這種情況可能會將 TES 技術置于一個很復雜的成本競爭環境中。熱泵可通過電力在家庭層面提供一定比例的熱量，但這種技術是否能單獨應對供熱的挑戰還有待觀察。在家庭和工業層面，將需要不同規模的可再生能源供熱和供冷，這意味著 TES 可能會更好地提供一些可行的方案。同樣，來自替代性供熱脫碳技術的競爭也可能會加劇。例如，氫氣在理論上可以利用某些國家已安裝的現有地下天然氣網絡基礎設施，并提供天然氣的替代載體。這個例子表明，所采用的解決方案需要根據當地情況因地制宜。4.2 可用的支持機制決策者可以采取一系列干預措施，以

271、幫助 TES 技術在目標部門加速部署。這些措施涵蓋了從研發階段、到示范和商業部署的所有發展階段。圖 47 中列出了各種已有的干預措施，并將其分類為技術推動支持、市場拉動型支持，以及整體扶持型監管和生態系統支持。圖 47.促進 TES 技術商業化的政策方案清單技術推動支持市場拉動支持使能 借調 補貼/激勵措施 獎勵/獎金 設備共享 企業和大學助學金 實驗室資助 獎學金、簽證和借調基礎研究研發示范部署商業化教育和研究支持 設置商用車 行業/利益相關者聯盟 測試中心 協作式資助倡議示范支持 技術孵化器 公司技能支持 培訓計劃和教育政策企業支持 公共風險投資 私人風險投資支持 擔保/損失承保 保險 稅

272、收優惠投資支持 上網電價補貼 招投標 可交易證書 碳定價（上限和交易/稅）價格支持 投資組合 標準 公共采購 當地購買規則命令與控制措施 國際合作 培訓 媒體活動 創新集群 路線圖/目標設定 專利數據庫 產品標簽/認證 闡明私人需求知識共享和傳播（生態系統支持）規劃 市場監管 知識產權保護 靈活性市場 建筑法規 熱泵 區域供熱/供冷 波動性可再生能源 綜合能源政策系統支持加強監管創新展望110技術推動隨著技術本身的發展，技術推動支持通常在技術開發項目商業化進程的初期實施。它可分為教育和研究支持、示范支持和企業支持。教育和研究支持主要側重于商業化進程的早期階段，包括提供獎學金、簽證和借調、實驗室

273、資助、企業和大學助學金、設立學術獎和獎項等干預措施。示范支持側重于通過試驗中心、聯合工業項目、資助試驗性示范、創新競賽等機制，在實驗室和運營環境中測試未經驗證的技術。技術開發人員通常從學術機構、大公司或技術專家中挑選出來，商業化經驗非常有限。一旦證明該技術有效，就可以開啟商業化進程。這就要求開發人員具備完全不同的技能，而他們在此之前可能只擁有技術專長。因此，技術孵化基地、培訓計劃和教育政策或公司技能支持等形式的企業支持，可以幫助技術初創企業開始建立或改進其商業產品。市場拉動市場拉動支持在技術得到驗證后提供，旨在讓技術具有商業競爭力并達到成功的部署水平。市場拉動支持可分為投資支持、價格支持和指揮

274、控制支持。一旦技術在技術上和商業上得到驗證，這些支持機制往往會變得更有意義。投資支持涉及通過公共或私人風險投資等機制為商業企業提供各種形式的資本，或通過稅收優惠、損失承保和保險等方式降低成本。價格支持包括一系列機制，這些機制可幫助提高技術的競爭力，為技術實施者提供額外的收入來源，有助于降低技術對投資者的財務風險。相關機制包括上網電價、可交易證書，碳定價或限額和交易計劃，以及投標和招標支持（例如 差價合約）。指揮控制機制使用自上而下的方法，通過諸如公共采購、本地采購規則和投資組合標準等措施將技術推向市場。案例研究 9.英國的 LAES 技術推動干預措施LAES 在英國的應用英國的液態空氣儲能行業

275、已開始受到上述三種示例技術推動支持方式的影響。2013 年，英國工業和工程與物理科學研究委員會撥款 1,360 萬英鎊，成立了伯明翰低溫儲能中心和伯明翰儲熱中心，打造出教育和研究支持的典范。一家尋求將這些技術推向市場的企業在一個由政府資助的清潔技術孵化基地的協助下，發展了商業技能和商業策略。示范支持的提供一直沒有間斷，最近一次是在 2018 年，曼徹斯特附近的 5 MW/15 MWh LAES 項目便得到了這種支持。該項目是在約 1,000 萬英鎊的政府撥款支持下建設而成的（Innovate UK，2020 年）。扶持措施決策部門可以采取一系列扶持性干預措施，使技術直接或間接受益。這些措施在商

276、業化進程的各個階段都很重要。知識共享和傳播（生態系統支持）本質上是通過各種手段來提高認識。相關示例包括媒體宣傳、培訓講習班、路線圖、產品標簽或認證、可公開訪問的專利數據庫以及此類的報告。諸如此類的干預措施有助于增加市場需求，提高利益相關者的認可度，并使投資者獲得清晰的認識。政策制定部門可以出臺扶持性法規，以便向投資者提供清晰的說明并降低技術對投資者的財務風險。通過改善計劃法規、引入建筑法規淘汰化石燃料鍋爐、調節市場（例如消除法規沖突、建立規范的熱電和彈性市場，或實行脫碳政策）或保護知識產權，決策者可以減少壁壘，甚至提供激勵措施。從 2021 年起實施的新歐盟法規要求各國制定能源和氣候計劃，歐盟

277、成員國必須制定 2021 至 2030 年可再生能源在供熱和供冷中的滲透規劃。該法規還要求各國評估是否有必要為通過可再生資源生產的區域熱能或冷能建設新的基礎設施。系統支持涉及支持可再生能源和其他基礎設施發展的干預措施，可視為是發展 TES 技術的間接干預措施，隨著扶持性基礎設施的普及，對蓄熱的需求也很可能會增加。例如，熱泵和熱水罐的滲透都可視為是 TES 技術跨多部門（建筑、工業、區域供熱和供冷）發展的關鍵推動力。需要一個長期規劃周期，以便制定長期電力購買協議或儲能容量租賃協議。以約旦為例，該國于 2018 年提出了一項提案，提議建造一個輸入輸出功率為 30 MW 且可用能源容量為 60 MW

278、h 的儲能系統。如果由私人開發商提供資金和管理，并簽訂一份長期承購協議（15 年），金融家和投資者就會認為對儲能系統的項目融資更加可行。這歸因于儲能系統市場成熟度、技術改進、成本下降以及工程、采購和施工承包商市場的穩定性。案例研究 10.加利福尼亞州為拉動儲能市場實行強制干預措施加州強制儲能措施通過市場拉動技術直接鼓勵儲能的政策實例之一是美國加州的強制儲能措施。該提議于 2013 年由加州公共事業委員會發起，要求加州三大投資者擁有的公用事業公司在 2020 年之前在其能源機構中增加 1.3 GW 的儲能。加州的遠大目標是使其 50%的電力來自可再生能源，這可能導致加州政府規劃或宣布更多的儲能項

279、目。然而，這一可再生電力目標少不了州立法者的不懈努力，才能解決與儲能相關的復雜問題，包括如何對儲能進行分類和監管（Hill 和 Williams，2016）。蓄熱111創新展望1124.3 各部門面臨的主要障礙及建議本節討論第 3 章中概述的 TES 在各部門中遇到的障礙。此外，本節還提出了與每個部門相關的潛在政策干預措施。這些措施可視為是上一節提出的“政策選項菜單”的補充措施。電力在全球范圍內，能源市場的法律法規中涉及儲能或供熱/供冷系統的內容不多。電力部門的規章制度通?；跒楸粍酉M者集中生產基礎負荷電力的設想模式來制定的。分布式波動性發電的增長和“產消者”的崛起已經改變了電力市場參與者互

280、動的方式，但監管框架總體上沒有跟上步伐。有幾個具有挑戰性的法規怪圈阻礙了儲能技術的發展，其中包括缺乏分類，以及在儲能和使用時可能出現的電力雙倍收費。歐盟可再生能源指令能源整合政策的一個跨國案例是歐盟的 2009 可再生能源指令。該指令要求所有歐盟成員國制定國家可再生能源行動計劃(NREAP)，并在其中概述各自的 2020 年可再生能源目標。根據相關政策要求，所有成員國隨后都制定了運輸、電力和供熱的脫碳目標。表 12 展示了三個成員國的 NREAP 目標。自從制定 NREAP 以來，大多數成員國已經采取了相關的政策措施，以實現其宣布的可再生能源部署目標。表 12.歐盟三個成員國的 NREAP 介

281、紹，揭示了 2020 年各部門的可再生能源滲透率目標部門/國家德國瑞典法國電力37%63%27%供熱和供冷15%62%33%運輸13%14%10.5%來源：IEA 和 IRENA，2018。政策部門應解決這些有關儲能的監管障礙，向更大范圍的市場清晰闡述儲能應用于電力系統的大好前景。在歐洲，決策者已經通過向更大范圍的市場清晰闡述儲能應用于電力系統的大好前景，解決了儲能方面的監管障礙（表 13）。具體來看 TES，決策者必須從整個系統的角度評估和修改監管框架，才能確保電力和熱力市場不會遭到孤立。當前的市場結構也限制了 TES 的商業化。需要釋放價格信號來提供靈活性，以此改善 TES 技術的價值定位

282、。然而，政府應注意避免與 VRE 相關的電價大幅波動。以棄電為例，如果該問題不在更廣大的市場上顯現出來，就幾乎不會有解決該問題或更好地整合 VRE 發電機的動機。如果在間歇性可再生能源滲透率較高的市場中價格波動明顯，這就加強了部署儲能的經濟理由。蓄熱113表 13.歐盟儲能部署中遇到的障礙障礙解決方案所有權不明確明確所有權價值流對輔助服務和電網服務給予高額獎勵棄電消除可再生能源的棄電，例如太陽能和風能定價確保熱能的定價能反映需求和/或稀缺性來源：Westgeest，2017。案例研究 11.市場改革有助于減少中國的可再生能源棄電問題在中國避免棄電問題中國最近對市場環境進行了改革，以期更好地解決

283、可再生能源棄電問題。中國政府于 2016 年出臺了 625 號政策文件，旨在解決高比例的可再生能源棄電問題（Xuan 和 Dupuy，2016）。該政策的主要特點是可保證電網公司將首先購買可再生能源生產的電力（優先于化石燃料電廠的電力），并保證購買的最低小時數。由國家能源管理局和國家發改委規劃分配情況。前些年在中國，遭受棄電的可再生能源發電商并沒有因此得到任何付款或收入損失補償，可以說，這無疑影響了可再生能源部門對于投資者的吸引力。然而，在出臺 625 號文件后，可再生能源發電商有望從不可再生能源發電商或電網公司那里獲得棄電補償，具體取決于棄電的原因。由于示范項目相對較少，目前關于非 CSP

284、可再生能源發電熱儲能解決方案的技術和財務業績的信息也很有限。然而，目前有幾個示范項目正在開發或建設中，這些項目將測試 TES 在這些應用中的技術和商業可行性。我們需要為研究和示范項目提供更多資金，以推動創新，并進一步降低本報告中分析的所有技術成本，而生態系統支持則有助于確保充分記錄和分享通過這些示范項目學到的知識。工業工業部門的決策者通常把提高收入放在比降低成本更重要的位置，并且非常重視投資回收期。此外，因為缺乏對 CO2 排放等外部進行定價的政策，而且某些情況下還可以獲得化石燃料補貼，所以會存在 TES 部署資金不足的問題，導致可再生能源難以整合到工業環境中。例如，在墨西哥，將太陽熱能用于工

285、業生產過程的市場具有很大潛力，但對前期投資的需要和貸款計劃的缺乏一直是采用太陽熱能的障礙。因此，其他更具有商業吸引力的投資項目可能會將使用或不使用 TES 的可再生能源的優先級降低。市場拉動干預措施（如上限和交易制度）可以激勵工業部門在特定時間段內投資可再生能源/TES，以此提高投資興趣。風險規避是工業部門脫碳工作中的另一個關鍵障礙，特別是新資本密集型技術的潛在部署方面。在沒有充分保證成功的情況下，決策者通常不愿意冒著影響收入的風險采用新的技術和方法。即使從概念上理解了采用該技術的好處，但也沒有任何一個組織愿意率先采取行動。創新展望114生態系統和技術推動支持有助于圍繞相關技術建立信任，例如通

286、過引入由受信第三方管理的認證計劃，或通過政府資助的示范項目來建立信任。最好將目標鎖定那些對這種障礙可能不太重要的創新型公司。這些組織通常是面向客戶大型公司，擁有專門的可持續發展部門（例如 大型汽車制造商），并且對成功實施脫碳計劃所帶來的名譽很感興趣。此類活動有助于提高人們對儲熱所提供機會的認識，特別是對尚未商業化的技術的了解。通過明確 TES 在工業領域的潛在利益，提供生態系統支持以與相關市場參與者分享學習成果，決策者可以幫助加快 TES 的應用。冷鏈預計冷鏈的能源需求將大幅增長。重要的是，應該采用系統思維方法，確保政策制定和監管能鼓勵這一重要領域實現脫碳。從歷史的角度看，缺乏研發投入是包括儲

287、熱在內的冷鏈技術發展的主要障礙之一。然而，自 2015 年以來，有很多政府機構（例如 歐盟冷凍中心）、教育機構（例如英國熱能研究促進機構）和慈善事業（例如基加利供冷效率計劃）發起了一系列倡議。后面的這個倡議是希望為冷鏈中應用儲熱技術這樣的解決方案籌集資金。要加快冷鏈 TES 技術的商業化進程，需要采取一些技術推動干預措施。在理想情況下，最好能對這些類型的倡議同時進行管理，以實現協同作用，例如在英國 LAES 開發項目中實現的協同作用。正如前文所強調的一樣，英國為研發活動和 LAES 示范項目撥款證明了該技術的潛力，也有助于發展工業供應鏈和技術。預計冷鏈領域的大部分增長將出現在發展中國家。目前，

288、實現供冷脫碳所需的技術涉及大量的資本支出成本。冷鏈在農業中尤為重要，而小型農戶經濟資源有限將是部署 TES 和可再生供冷資產的一個關鍵障礙。另一個障礙是利益相關者對冷鏈 TES 的認識和接受度不夠。大中型農戶擁有投資儲熱技術的資源，但卻沒有得到補貼，對相關技術也是一竅不通。事實上，如果技術創新存在影響收入的風險，他們可能會對此持懷疑或反對態度。同樣的擔憂在冷鏈的另一端（例如食品零售商）也很明顯，他們對這些技術的潛力的認識也很 有限。案例研究 12.印度實行技術推動和市場拉動干預措施以發展清潔冷鏈印度的農業冷鏈印度的干預措施成功支持了 TES 解決方案在農業中的早期采用。印度政府為農民投資采用儲

289、熱技術的設備提供補貼。這是價格支持機制的一個示例。TES 制造商在該國也一直在試行以租代購的方案。這樣的方案可以鼓勵農民嘗試這些新技術，而不必承擔前期投資帶來的風險和抵押。決策者還可以將技術推動和市場拉動干預措施相結合，通過媒體宣傳、知識共享和國際共同運作等生態系統支持，擴大此類示范的影響。這可以將有關儲熱技術優勢的信息廣泛傳達給利益相關者（伯明翰大學，2017 年）。蓄熱115區域供熱和供冷盡管相關示范已經證明了設備和基礎設施的技術可行性，但投資成本高和可能的風險大目前使開發商不愿意優先考慮這些解決方案。此外，參與區域供熱/供冷項目的利益相關者（包括開發商、地方當局、公用事業公司、消費者和住

290、房協會）的復雜性也進一步使這種情況惡化。開發商需要大量的人力和資源才能處理好與上述各種群體的關系?？梢酝ㄟ^投資支持機制和指揮控制機制（例如 通過公共采購）來加速項目的發展。此外，有關規劃、建筑標準和環境保護的明確準則和法規將有助于促進項目在開發區域供熱/供冷系統的同時配套建設 TES。歐盟目前關于區域供熱和供冷的戰略是確保其靈活性，允許更快速地整合和部署可再生能源（歐洲委員會，2016）。UTES 技術可以在有限的占地面積內提供強大的儲能能力，并且與這些基礎架構類型相關。然而，地下設施建設必須獲得專業的規劃許可，而決策者可以消除項目進展的障礙，并確保規劃程序的穩健性，以協助開發商管理相關的利益

291、相關者?？稍偕茉磪^域供熱（以及任何與其相關的 TES）的市場需求可能會收到使用方便且具有成本效益的化石燃料方案的影響。認識到繼續使用化石燃料的外部成本將有助于創造公平的競爭環境。價格支持機制（例如碳稅）構成了更廣泛的監管框架的一部分，有助于提升可再生能源區域供熱的競爭力。建筑電力公司將需要決策者的支持，以便提出解決方案，管理在建筑中使用量日益增多的可再生能源，提高電氣化水平。TES 設備可以幫助管理建筑規模的能源需求，但仍不具備成本競爭力。消費者對于建筑物新型儲熱技術（熱能和冷能）缺乏認識，而且市場需求量也不大。廉價的電力或天然氣的供應和價格信號的缺乏（例如分時定價）限制了消費者對傳統非智能

292、水罐以外的熱儲能需求。對于商業建筑而言，能源通常只占企業總成本的一小部分，與企業成本結構中更為核心的其他部分相比，很少會被作為戰略問題看待。政府部門可以協助為研發和示范提供資金，以證明系統優勢，提供生態系統支持（例如媒體宣傳）以鼓勵消費者采用，并提供價格支持機制以增強可行性。決策者還可以提供系統支持，即鼓勵使用熱泵，或確保適當激勵電網運營商有效地管理電網，而不是將投資電網固強作為默認選項。在很多國家，對現有技術和基礎設施的依賴限制了其在供熱和供冷領域脫碳方面可發揮的空間。盡管如此，從燃氣鍋爐向可再生熱能的轉型將有助于推動儲熱需求，因此可幫助解決間歇性問題。在建筑物方面，專家們正在考慮通過直接可

293、再生能源供熱（例如屋頂太陽能集熱板）、清潔的氫氣或熱能電氣化來實現供熱脫碳。這些解決方案的廣泛采用可以通過國家或地方主管機構所制定的強制性建筑法規來實現。例如，2017 年 6 月，挪威氣候與環境部宣布從 2020 年起禁止將石油和石蠟用于建筑物供熱。該禁令將涉及新老建筑物、公共設施，以及私人住宅和企業。列出的一些替代方案包括熱泵和木屑燃燒爐，這些設備的使用量將大幅增加。創新展望1164.4 廣泛部署 TES 的主要障礙表 14.各終端用能部門應用 TES 所需支持的匯總表應用監管/政策環境利益相關者接受度技術表現財務建議電力 零散孤立的能源法律法規。沒有對熱能或冷能出臺規章制度。100 MW

294、 規模的商業化 CSP 工廠提高了國際電力項目開發商和承包商的認知度和信心。應在貸款人和消費者的認知上多下功夫。公用事業規模的熱儲能技術（非碳氫化合物用途）仍處于早期發展階段 熔融鹽 TES 的技術性能在多家公用事業規模的 GW 級 CSP 工廠的 10 多年的運行跟蹤記錄中得到了驗證。非 CSP 公用事業規模儲能技術的商業可行性仍有待證明。工業 零散孤立的能源法律法規。沒有對熱能或冷能的規章制度。對非電力資產設備的補貼有限。規避風險的決策者可能會優先考慮不會影響收入的解決方案，包括現有的化石燃料替代品。很多前景光明的技術仍處于早期發展階段，還沒有做好廣泛部署的準備。商業測試尚未證明除 TTE

295、S 以外的其他任何財務主張。高資本支出的項目令人望而卻步。要考慮可再生能源項目的投資回報率必須很高。冷鏈 零散孤立的能源法律法規。沒有對熱能或冷能的規章制度。農業和食品零售業的利益相關者通常會規避風險。沒有人愿意成為第一個吃螃蟹的人。失敗會使易腐產品變質，進而影響創收。N/AN/A區域供熱 和供冷 對于 UTES 技術來說，獲取相關計劃許可或許會很復雜。零散孤立的能源監管。沒有對熱能或冷能的監管。區域供熱潛熱技術在技術/商業/環境上的表現最近才得到證實，因此利益相關者對這些技術的認識和接受程度還很有限?；谛乱淮邷?cPCM 儲能的示范項目很少?？稍偕鷧^域供熱/供冷計劃，無論是否儲能，其前期

296、成本都會很高，進而限制了吸引力。建筑 對于 UTES 技術來說，獲取相關計劃許可或許會很復雜。缺乏鼓勵/強制采用化石燃料供熱系統替代品的建筑法規。零散孤立的能源監管。沒有對熱能或冷能的監管。消費者對家用和非家用熱儲能（熱能和冷能）的認知度都很低。在供熱/供冷應用中，低溫 PCM 和儲能解決方案的技術成熟度仍然相對較低。N/A注：N/A 表示未發現主要需求。蓄熱117應用產業供應鏈和技能市場機遇公司成熟度使能基礎設施電力N/A 缺乏對靈活性規定的重視將減少應用儲能（包括 TES）的機遇。工程、采購和建筑(EPC)公司通過為 CSP 工廠實施 17 GW 熔融鹽 TES 系統而在競爭中日趨成熟。C

297、SP 采用率有限與熔融鹽 TES 的低需求量有關。工業 目前技術商業化仍處于初期階段，因此 TES 的供應鏈還相對欠發達。工業通常以收入為導向，因此對降低成本措施的投資往往是次要的優先事項?？稍偕茉丛诠I中的整合程度很低，部分原因是缺乏客戶需求，導致客戶對 TES 的興趣受到影響。為了規避技術風險，客戶會優先選擇成熟的設備供應商，這使早期企業很難闖入這一領域。工業環境中采用的可再生能源技術非常有限。冷鏈 由于是新興技術，供應鏈還相對不發達，尤其是對于 LAES。發展中國家的小型農戶面臨經濟障礙，阻礙了 TES 的采用。與 TES 相關的制造商和 其他企業都剛剛進入市 場（尤其是對于 PCM，

298、LAES）。冷鏈需要得到完善-缺少功能性冷鏈化合物的問題。發展中國家缺乏可靠電力基礎設施是采用 TES 的驅動因素，因此改善電力基礎設施會降低 TES 的價值定位。區域供熱 和供冷N/AN/AN/A 相關障礙包括高昂的前期費用、可知的財務風險、資源方面的限制、城市環境和現有網絡。建筑N/A 在很多國家，廉價的天然氣意味著對熱儲能和可再生熱能的需求較低。廉價的電力則意味著對用于冷卻的熱儲能（而不是使用交流電）的需求很有限。N/A 燃氣基礎設施的沉沒成本可能會減緩供熱電氣化的進程。在熱能需求量最高的歐洲和北美發達國家，熱泵仍然相對稀缺。注：N/A 表示未發現主要需求。創新展望118表 15.終端用

299、能部門中 TES 相關政策干預概述應用監管環境利益相關者接受度技術表現財務主張電力 脫碳政策。對供熱市場進行監管，將其作為整體多載體能源監管的一部分。儲能指令。為合理的儲能和高溫 cPCM 示范及試點提供資金，以便向投資者和其他利益相關者證明技術和商業利益。為合理的儲能和高溫 cPCM 研發、示范和試點提供資金，以加快技術成熟。為合理的儲能和高溫 cPCM 研發、示范和企業支持提供資金，以通過創新來降低成本。市場拉動政策可推動同地儲能對 TES 的采用。工業 確保脫碳政策不會將工業排除在外。開展國際合作，以消除與競爭力有關的擔憂。取消化石燃料補貼，有助于提高 TES 的價值定位。由政府主導各種

300、倡議，以便向行業參與者展示技術。使用示范和“冠軍”組織提供知識共享和傳播支持，以減少采用技術的可知風險。為研發、示范和試點提供資金（特別是對于化學和潛熱儲能），以加快開發速度。為研發、示范和試點提供資金（特別是對于化學和潛熱儲能），以通過創新來降低成本。一旦技術得到證明，就應提供投資支持和價格支持，將此作為市場拉動選擇，以便克服財政障礙。冷鏈 取消化石燃料補貼，有助于使冷鏈技術比柴油替代品更具競爭力。提供有關潛熱儲能示范的知識共享支持。企業支持可幫助企業向客戶展示和宣傳 TES 的優勢，有助于企業闖入/創造冷鏈市場。N/AN/A區域供熱 和供冷 更全面地改善區域供熱和供冷的監管環境。取消化石燃

301、料補貼，有助于提高 TES 的價值定位。提供有關潛熱儲能示范的知識共享支持。為化學和潛熱儲能解決方案提供一系列技術推動支持。為化學儲能解決方案提供市場拉動支持機制。TES 有助于降低區域供熱和供冷的能源平準化成本 (LCOE)。雖然區域供熱和供冷的財務主張可以進一步得到改善并受益于市場拉動機制，但知識共享支持也可以提高人們對 TES 優勢的認識度。建筑 取消化石燃料補貼，有助于提高 TES 的價值定位。整合的規范化熱電市場。儲能指令，建筑法規等。提供生態系統支持，以增強公眾對家用 TES 應用優勢的了解。N/A 技術推動支持，促進對低溫 PCM 和水合鹽產品的開發。市場拉動支持，激勵家庭/非家

302、庭消費者購買設備。注：N/A 表示未發現主要需求。蓄熱119應用產業供應鏈和技能市場機遇公司成熟度使能基礎設施電力N/A 建立平衡市場、分時定價或其他激勵措施，認清定期儲存對電力部門的價值。需要建立長期的儲能收入機制（例如電力采購協議），以滿足全天 24 小時的需求（例如 迪拜、南非、智利）。N/A 加速可再生能源的滲透將推動對靈活性解決方案（如 TES）的需求。工業N/A 建立平衡市場，使用分時 定價或其他激勵措施，認清需求靈活性所提供的價值，并幫助提高熱儲能（和現場可再生能源）的價值定位。由可信賴的第三方進行技術認證/認可，可以降低預期的風險。加快太陽能熱發電和熱泵在工業領域中的滲透。冷鏈

303、 支持供應鏈發展（例如 LAES）。N/A 企業支持和生態系統支持可提高 LAES 等新技術的知名度。LAES 與 LNG 氣化基礎設施的協調?；?LAES 的冷鏈的開發。區域供熱和供冷N/A 生態系統支持可突出 TES 在可再生區域能源項目中的優勢。N/A 作為整合系統方法的一部分，加快可再生能源區域供熱和供冷計劃的滲透。建筑N/AN/AN/A 支持熱泵的開發/滲透。確保制定正確的激勵措施，以實現有效的電網管理和調整。注：N/A 表示未發現主要需求。創新展望120ABEDIN,A.H.AND M.A.ROSEN(2012),“Closed and open thermochemical e

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