伯明翰大学丁玉龙：相变储热技术最新进展
“储能国际峰会暨展览会2018（ESIE 2018）”，于2018年4月2-4日在北京国家会议中心举行。ESIE 2018是在国家能源局科技装备司指导下，在中关村管委会、中国能源研究会支持下，由中关村储能产业技术联盟（CNESA）打造的储能产业专业品牌会展被誉为全球范围内市场定位最精准、最具影响力的储能专业品牌展览会，亦是储能业内含金量最高、指导性最强的高规格会议。能见App全程直播本次大会。
英国伯明翰大学教授、伯明翰储能研究中心主任丁玉龙出席大会并发布了题为“相变储热技术最新进展”的主旨报告。
以下为发言内容：
丁玉龙：大家好。为何要储能？能不储就不储，任何中间过程都有损失，没有办法大家才来储。为什么要储能？大家前面都讲过了，我也不介绍了，以电力系统为例，这个图已经不少人用过，从陈所那里借过来的。
但是储能只是解决以上问题的主要手段之一，第一个新的电网技术，新的能源网的技术，不止电网。储能是其中之一，由于储能在另外三种当中都有应用，储能技术需要与其他技术进行竞争。下边简单介绍以下，储能研究的十年的状况，我们做了一些简单的分析，没有做非常透彻的分析，从过去十年期刊文章发表数量来看，锂离子电池确实是增长非常快，2009年的时候储热储能方向发表的文章数差不多，大概2015年的时候锂离子电池的文章，大概是储热储能方向的3.5倍，2014年以来这个图平缓，这个热点已经有一段时间了。
下边是专利情况，也是类似的，主要是锂离子电池方向跟储热储能方向，它比较古老，但是从应用方面还是有不少科学的东西需要做的。2006年锂离子电池方面专利从500件增长到1500件。这个图不太准确，我从DOE网页找出来的数据做的这张图。这个量基本上是对的，抽水储能从以前的98%降到目前的91%，化学储能大概占30%，储热储能占65%，数据库的问题，这里面不是很准，但是大概量是对的，未来5-10年之间，抽水储能仍然保持优势，但是份额会大幅度下降，下降到多少现在说不清楚，可能70%左右有可能，其他储能技术的快速发展。
另外市场有很多人对这个已经做了介绍，大概在千亿美元左右，有很多计算，结果各差异，但是量级差不多，不同领域做自己的方向，对自己的领域增加译一些。
为什么储热和储能，这是我想给大家介绍的，热能是二次能源，全球能源中大概90%的能源是基于热的转换输送和储存。这个数据是比较准确的，另外一个能源的中端应用制造，热热能大概占60%到70%，某些地方更高。从冷的角度，全球大概10%到20%的电力用来制冷，25%用来在数据中心的制冷。
两年多以前有一个政策性的报告，这是我们牵头，英国政府做的政策型的报告，在新的情况下，热和冷，热是占据绝对优势，冷占的量比较少的。原因是什么？因为中产阶级的崛起，冷链技术的发展，大家可能没有在这个领域，在这个领域里大概知道，在最近一两年热钱跑到冷链里面去了，大家可以查一查这方面。另外储热的不少功能是其他储能不能实现的，右边包括传统煤电的，附加储热可以提高系统响应速度，太阳能发电，弃风点，电动汽车不讲了，大家可能做电动车的同事知道，空调大概消耗电动车电池的30%到40%的电量，30%到40%是用在汽车空调，60%到70%是用来开车的。从这个角度热能的储存储可以为这个提供方面的。
另外一个过程工业余热，中国大概20亿吨标煤，一半以上以废热的形式排除，这个是热的应用，其实比任何其他的都重要。
另外储热和储冷技术用在哪儿？这个过程很简单，能量到能量网络，到能量用户，假如说有多余的，假如不是热的话，不是冷的话，可能有个能量转换，变成热和冷，到一个装置里面去。需要热的时候反过来进行，这样跟我们电池的存储和释放的过程基本上差不多的。
由于热和冷全负荷释放的过程中涉及到传热过程，这个技术的反应速度不会太快，大概分钟级，分钟级，适用于能量型的应用，不太适合于功率型的应用，除非一些特殊的方式，储热储能另领域的挑战，一个是材料领域的，第二单元和装饰，有了材料还不行，材料到装饰过程还比较长，从装饰到系统集成有一个过程，集成与应用，主要在应用这个层面。实际上这几个图大家可能已经碰到过，我们以前的系统，没有处存储的时候这个系统比较刚性，柔性很差，加了存储以后柔性有了，但是系统变得更复杂了，因为存储可以在能量的产生端，输送端，也可以在用户端，这个系统更复杂，这个答案不是一个答案，可能是有多个正确答案，所以你的优化和集成更复杂。
下边简单介绍以下储热储能技术的分类，这个图，文件当中大家看到的图我想可能不少都是错的，纵轴是系统的能量密度，有时候能量密度的时候，可能有材料的能量密度，装置的能量密度，系统的能量密度
把材料的能量密度和系统的能量密度去比这是不公平的，这是系统能量密度。显热储能已经用了及百年以上了，相变储热刚刚开始应用，吸附处于早期，大家在能源领域作的时间长了以后，这里面有很多是相通的一部分。这个图大家可以看到，这几种存储技术，温度范围不一样，能量密度没有说一定那哪一个高，哪一个低，同样温度下，以后化学储热能量密度高一些，相当于好多交叉，全球热化学的储能能量密度高基本上不一定对，因为化学储热和储能还有一部分没有算，比如说他的储气罐，有些误区。
下边聚焦一下，有气相液相和固相区，超过这个临界点，固液相变，气液相变和固液相变都可以通过这些机理进行。
由于气液和固气之间的相变体积变化太大，基本上是不用的。除非比如说我们传统的用来发电的水蒸气，以后是不用的，大部分聚焦在液固，因为体积变化小，体积变化大了以后，材料的性能都会有很大问题。这就是我所要聚焦的这一部分。原理很简单，加热的时候，熔化过程中温度不变，会吸收好多存储或者释放能量，这是所谓的相变过程。
我更要聚焦的主要是定定型复合相变，固体变成液体的时候机械性能就没有了，因为液体它的形状，它容器的形状，你让它变它就变，我们聚焦把它变成这样一个定型的，定型怎么做？结构很简单，它是多层次材料结构，这是一个典型的定型相变材料的模块，把它用显微镜放大，这里头有结构材料，有相变材料。配方也是这样的，配方的时候你需要考虑它的至少三种材料，因为三种材料混合不均匀的话是混合不均匀的，这个代表材料模块，这是复合相变出来的，看着像砖，但是实际上是复合材料。它的机械性能基本上不会有太大变化。
传统的制造方法，传统的方法就是把它颗粒更小，混合，shaping，然后再干燥，这是过去十年左右做的工作，从实验室到商业化的过程。最近这一年多我们发展一个新的方法叫挤压法，这个具体不讲了，大家感兴趣我们有文章发表出来，这个比我们传统的方法难很多，这个门槛比较高。
一个是储热电暖器的应用，这个看起来小，但是很重，200公斤，抬到楼上去很难，很沉，密度大概4千公斤每平方米。过去两年期间，基于相变储热，一个是比传统的高一些，第二材料密度低一些，第三个它有相变测量。相变储热技术比传统的储热技术轻译写，基于复合材料，反应速度快一些。
简单讲以下低谷电的应用，把电变成热是不是太划算的东西，未来高温热泵的技术发展好了，比如600度的情况下，这时候一度电的能量可以变成3度或者4度的热，这样我再存储就没有这个问题了。但是高温热泵技术还是比较有挑战性的。现在做的是150的左右的UEDF，再高的200度，但是很难。这个系统是36兆瓦小时，这部分的投资大概在500万人民币，算下来每千瓦130块钱，140块钱。这个大家可以看到，跟电池，电化学储能的比较，可能差10倍左右。这是我们最新的研究，主要是把储热储能用于空调，温度波动减少40%，效率提升20%，节电18%，这个系统未来应用到市场上去，最后非常感谢大家！
（根据发言整理，未经本人审阅）
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