清华大学PPT：太原机场零碳园区的跨季节储能方案

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太原机场零碳园区的 跨季节储能方案 赵玺灵 清华大学建筑节能研究中心 2025.5 整个城市能源体系实现零碳的关 键就是电和热的零碳化 城市或园 区能源系 统 零碳城市或园区能源系统 电 热 能源消耗 2 如何实现电力零碳化 ? · 构建新型电力系统 · 在电力系统产能端一是风电、光伏等可再生能源 · 在电力系统使用端—园区有自己的用电特征 日内供需不平衡问题 季节性供需不平衡问题 瞬时的供需不平衡是 需要解决的核心问题 3 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0 电量成本 一 设备折旧成本 2.0 1.5 0.8 · 成本可接受 · 短周期储能的 问题不突出 0.0 风光电 短周期储能长周期储能 日内供需不平衡问题——短周期储能 靠储电池、双向充电汽车、日储电热泵等技 可再生能源发电 用电负荷 时 间 (h) 电 功 率 ( k W ) 电 功 率 ( k W ) 调 峰 发 电 成 本 ( 元 / 350 200 100 K W h ) 400 450 250 300 500 50 150 0.5 0.3 1.0 4 季节性不平衡 长周期储能问题 冬 夏 冬 0 50 100 150 200 250 300 350 一 电 负 荷 一 风光发电波动 400 · 常规储电技术：经济性上不可接受 . 长周期储能采用 P2G- 电制甲醇储电方式 . 其中发电设备 5000 元 /kW, 碳捕捉成本约 3000 元 /kW, 年运行小时数 1500h, 设备折旧约 0.36 元 /kWh · 绿色甲醇成本约 4.96 元 /kg, 折合 1.28 元 /kWh · 如何解决 ? 5 风光电 短周期储能长周期储能 电量成本 设备折旧成本 2.0 调 峰 发 电 成 本 ( 元 / K W h ) W 光伏发电 零碳系统耗电 + 刚 I 常规供热供冷 方式 秏电 + 刚性 用电 耗电存冷 耗电存热 中 利国用储城热 ( ) 代替储电 中 国 城 识 ■ 低成本地解决光伏发电与用电负荷季节性不平衡的问题 长周期储能问题的解决方案 冬 季 储热池放热 末寒期利用过剩光伏发电深度 提热制冰 秋 季 利用过剩光伏发电提升储 热池温度 春季 利用过剩光伏发电制冰 夏季 供冷 ( 冰 ) 回收空调余热 冬季 储热池放热 办 会 6 · 储热成本：是储电的数十分之一，可大幅降低成本 · 储热投资：按 95℃/10℃( 一共 85℃ 温差 ), 单位容积储热量 0.356GJ/m³, 单位容积投资 200 元 /m³, 所以单位储热量投资 562 元 /GJ=2 元 /kWh, 按 COP=5 折算到储电，就是 10 元 /kWh 。 · 储电投资：电池按目前厂家的报价就是 600 元 /kWh 投资，充放 次 数 6000 次。 10~60 0.4~1 电 热 气 用跨季节储热 ( 冷 ) 代替储电的成本低 储能形式的投资 ( 元 /kWh) 1000 如何实现电力零碳化 ? · 构建新型电力系统 · 在电力系统产能端一是风电、光伏等可再生能源 · 在电力系统使用端—园区有自己的用电特征 日内供需不平衡问题 季节性供需不平衡问题 瞬时的供需不平衡是 需要解决的核心问题 8 如何实现供热和供冷的零碳化 ? 冷热的来源都是光伏可再生能源 光伏发电 零碳系统耗电 + 刚 常规供热供冷 方式 耗电 + 刚性 用电 耗电存热 秋季 利用过剩光伏发电提升储 热池温度 耗电存冷 春季 利用过剩光伏发电制冰 冬季 储热池放热 末寒期利用过剩光伏发电深度 提热制冰 夏季 供冷 ( 冰 ) 回收空调余热 冬季 储热池放 热 热电协同零碳能源系统 这种理念在太原机场如何实现 ? 10 执 协 会 北区 1# 零碳综合能源站 国 城 镇 供 热 协 会 太原机场的特点 。 光光伏资资源源：铺设约 106MW 光 伏 国 ■ 原能源方案 浅层地热能 + 深层地热能 + 空气源热 泵 ■ 供热 共 热 协 会 北区供热面积 77.6 万平米 中 ■ 本期热负荷 57MW(50/35℃) ■ 总热量 24 万 GJ ■ 供冷 ■ 北区供冷面积 69.2 万平米 ■ 本期冷负荷 65.74MW(7/14℃) ■ 总冷量 26 万 GJ 热 执 协 会 山 北区 2# 零碳综合能源站 0 校 机场东屈 中 国 城 镇 中 国 * 资 料 来 源 ： 利 用 新 开 发 银 行 贷 款 太 原 武 宿 零 碳 机 场 工 程 设 计 初 步 设 计 中 国 城 镇 供 共 协 会 11 供能范围 南区零碳综合能源站 中 过剩的光伏发电 50℃ 大焓差热 能充放单 元 35℃ 跨季节储热水体 50℃ 现状系统 35℃ 冬季 ■ 功能 1 一供热调峰： ■ 利用跨季节储热水体存储非采暖季余热，承担尖峰热负荷，提供约 10MW 供热能力 60000 跨季节储热供热 约 10MW 30000 20000 10000 0 时间 (h) ■ 原系统供热 ■跨季节储热体 + 大焓差机组供热 1121 1261 1401 1541 168 1 1821 1961 2101 2241 2381 2521 2661 2801 2941 3081 3221 3361 3501 方案设计 热负荷 供水 50℃ 回水 35℃ 用户供热 0 1 4 1 热负荷 放热 40000 50000 12 281 冬季 ■ 功能 2 一深度提热制冰： ■ 储热放完后，接受系统指令、利用过剩的光伏发电，从水中深度提热， 一边供热一边制冰 ■ 水相变成冰浆，存储在储热体中，用于夏季供冷 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 只 时间 (h) 原系统供热 ■跨季节储热体 + 大焓差机组供热 全采暖季供热量 0.56 万 GJ 方案设计 制冰、同时供热 热负荷 94 1 08 1 221 336 1 350 1 168 1 182 1 112 1 126 1 241 38 152 1 661 热负荷 210 1 280 1 42 1 84 1 1401 54 1 81 1 3 196 1 方案设计 ■ 春 季 ■ 消耗过剩的光伏发电制冰，存冰，用于夏季供冷 过剩的光伏发电 大焓差热能 充放单元 冷却塔 消纳原本要弃掉的 光伏发电，制冰 储 电 00:00 10:0012:00 ■ 实时光伏满足刚性负荷用电 ■ 春季制冰 一光伏发电 1600 18:00 20:00 2200 00-00 ■ 电池放电 ■ 电池储电 一刚性负荷用电 跨季节储热水体 春 季 消 纳 示 意 图 冷却水 02 :0 0 。 存冰 14 过剩的光伏发电 7℃ 放 冷 元 14℃ 跨季节储热水体 供水温度 7℃ 用户供冷 回水 14℃ 70000 由跨季节储冷 + 大焓差 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 H 时间 (h) 夏季 ■ 供冷调峰：利用存的冰承担尖峰冷负荷，提供约 9.4MW 的供冷能 力 ■ 夏季消纳过剩的光伏发电，接受系统指令运行 方案设计 1121 1261 140 1 1541 1681 1821 1961 2101 2241 2381 2521 2661 294 1 80 1 ■ 原系统供冷 ■跨季节储热体 + 大焓差机组供冷 大焓差热 能充放单 现状系统 机组承担 9.4MW 冷负荷 081 22 1 361 冷负荷 8 1 42 170 1 841 14℃ 7℃ 350 1 15 夏季 ■ 回收空调余热： ■ 跨季节储热水体放完冷后，回收原本排向环境的空调散热，向跨季节储热体存热 过剩的光伏发电 约 40℃ 7℃ 14℃ 跨季节储热水体 12℃ 大焓差热能 制冷散热 充放单元 用户供冷 方案设计 存热 16 95℃ 55℃ 存热 取热 3MW 跨季节储热水体 约 40℃ 20:00 实光伏满足刚性负荷用电 秋季制热 一光伏发电 一刚性负荷用电 ■ 消纳过剩的光伏发电向跨季节储热体存热，用于冬季供 热 消纳原本要弃掉的 光伏发电，存热 方案设计 大焓差热能 充放单元 现状系统的 地热井 ■ 秋 季 过剩的光伏发电 成镇 电池放电 ■ 电池储 电 秋季消纳示意图 储电 04:00 06:00 17 。 自 中 自 盘 盟 现状消防泵站 水 雄银报道 25.5 机喻事停率 1108Pe 借量 L 3.35 Ru6 ho ? 眼 RC 781.70 现状制冷站 (±0.00) 重状堂 66.1_ B 助自行车丰帽 K 雌 豆 Or 18 主出入口 TZ ■ 建设位置及内容 ■ 在现状锅炉房内进行改造： ■ 建设 4 座储热水罐，每座约 380 立方米， 直径 7 米，液位高度 10 米 建设 1 台大焓差热能充放机组 中 国 中 ■ 在现状办公楼的位置： ■ 建设 1 座跨季节储热水体，容积约 1.4 万立方米，直径 24 米，罐顶高度 39 米 ■ 通过地下管道连接该处的跨季节储热 池体和现状锅炉房内的大焓差机组 中 国 城 ” 中 总图 执 跨季节 。 储热水罐 0.5 594 1p 国 国 2 欣 费 长 # 北区 1 号零碳综合能源 站 nu3 7B200l 1.34 0.5 26.0m 国 自 24.56 56.67 2 F H = T 贝 市 现状锅炉房 现状办公楼 陆 15.66 6.25 30.46 35 59 n 7620i 28 6 74 17.46 " 现状单化 R=12 3.43 会 会 会 执 执 协 协 协 6.71 = 热力系统图 冷却塔 P D 跨季节储热水体 4 万 立 OJ: O= LO O= LO= LO= 0= 执 协 会 供热供冷管道 ( 接入 1 号能源站的分集水器 ) 与地热井取热管道 现 状 地 热 井 取 热 管 道 日调节蓄热水罐 380 立 ×3 座 大焓差热能充放 机 组 1 台 5 大物会 uu a 4 Am 19 二 项目 单位容量 数量 总容量 跨季节储热水体 1.4 万立方米 1 座 1.4 万立方米 跨季节储热水罐 380 立方米 城 镇 供 1 座 380 立方米 日调节储热水罐 380 立方米 3 座 1140 立方米 中国功 大焓差热能充放机组 供热 10MW, 供冷 9.4MW 1 套 供热 10MW, 供冷 9.4MW 冷却塔 散热量 3MW 1 台 散热量 3MW 进执协会 热 协 会 中 国 城 识 共热 国城镇供热协会 设备装机执 协 会 中国城 镇 中国城镇 中 国 城 镇 20 机场 110kV 中心站 1 号、 2 号 10kV 开关站 武宿 110kV 中心站 能源站 国 T1 航站楼 10kV 开关站 3 号 10kV 开关站 T3 航站楼 4 座 10kV 开关站 4 号 10kV 开关站 T2 航站楼 10kV 开关站 2 号灯光站开关站 1 号灯光站开关站 5 号 10kV 开关站 O 王 ( 由于场地有限，跨季节储热体规模较小 ■ 跨季节储热系统消纳电量占春秋季光伏发电量的 70% 以 上 方案效果 上 执 协 会 In 1 n " INEt arIm 7L ina nca i CTC+ 停车楼 3 座 10kV 开 关站 今 协 中 21 城 现 不 初投资 中 国 城 镇 ■ 本方案建设跨季节储热水体、大焓差热能充放机组等，总计投资约 4000 万元 ■ 运行成本 ■ 在冬季供热和夏季供冷、同时回收空调余热，消耗少量的电约 16 万 kWh, 按平均电价 0.55 元 /kWh” 计算，耗 电 费用 8.77 万元 国本方案每年供热供冷总量约 1 万 GJ, 每 GJ 供热供冷量的运行成本为 8.7 元 /GJ ■ 与原 CO₂ 空气源热泵 (50℃ 供水 ) 相比，每 GJ 供热供冷量的运行成本为 43.2 元 /GJ · ■ 本方案运行成本降低约 80% 热媒温度 每 GJ 热量运行费用 (℃) ( 元 /GJ) 75/D0 48.7 3.04 00/35 17.2 10.75 75/D0 41.0 3.26 10/35 21.8 6.13 00/35 32.4 4.13 n n n nn 00/35 13.2 3.10 中 国 城 镇 供 (2) 运行费用比较：不同热源种类，其源侧 SCOP ( 不考虑 川 经济性分析 ■ 本方案消纳春秋季过剩光伏发电约 50 万 kWh, 是零成本 的电 中 国 城 镇 供 热 协 会 下 会 ∠Z ** 资料来源：利用新开发银行贷款太原武宿零碳机场工程设计初步设 计 采雇井组合 无干扰井组合 浅层地匪热梨 CO 望气源热 * 国网山西省电力公司代理购电价格公告 www.sx.sgcc.com. cn 执 协 会 户侧输配系统 ) 及运行费用如下表： 表 7-11 不同热源运行单 价 平均 SCD P 热源形式 中 中 谢谢 ! 清华大学建筑节能研究中心 2025.5 热协会