电极式电制热与传统制热的差异及其在碳中和的应用前景

电极式电制热与传统制热的差异及其在碳中和的应用前景

于萍

中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300450

摘要：气候变化是当今人类面临的重大挑战之一，已成为全球性的非传统安全问题，严重威胁着人类的生存和可持续发展。我国碳达峰、碳中和承诺的提出，对我国建设人与自然和谐共生的社会主义现代化强国具有重要战略意义。然而，由于新能源发电固有的波动性，新能源消纳困难成为瓶颈问题。电极式电制热作为负荷侧宝贵的灵活性资源，对新能源消纳具有良好的支撑作用。首先，结合电制热的性能和结构特点，分析了现有电制热技术的工作原理。然后，整理了电极式电制热、固态电制热和传统制热在转换能效、爬坡速率以及安全程度等方面的差异。最后，针对电极式电制热无级调节、响应速等优势，论述了电极式电制热在电网削峰填谷、供暖期解放火电机组、参与调频辅助服务等方面的应用前景。

关键词：电极式电制热；传统制热；差异；碳中和；应用

引言

本文从电极式电制热技术着手，首先介绍了电极式电制热与固态电制热的工作原理。然后，围绕电热转换能效、爬坡速率、安全程度等性能指标，对比电极式电制热与其他制热方式的差异。最后，针对电极式电制热技术的优势，展望其在削峰填谷、“双热”协调发展和参与电网调频辅助服务方面的应用前景。

1我国实现碳中和目标面临的若干问题

1.1要充分重视碳减排中占比较大的行业并进行合理规划

目前，全球发电行业碳排放占比平均为41%，中国为52%。有报告提出未来要扩大电气化，通过可再生能源替代化石能源，将煤电为主的能源结构转型为绿色电力或零碳电力。一方面，市场上部分研究机构及人员对电力行业的减排转型情景过分乐观，忽视了非化石电源及输配电中的技术难度。另一方面，电力行业转型的融资需求巨大，要认真估算新增清洁电力装机容量的资金量（达到目标装机容量所需的资金量），既要考虑装机成本，也要考虑装机成本如何摊入供电运行成本，年发电小时数和电网接纳度，电网性能（包括线损）以及储能、调峰、输配电的投资成本等因素。

1.2要充分考虑到碳中和的难度，进行更多创新并提供激励机制

将生产生活过程中产生的碳排放完全降到零将非常困难。对于已经排放的二氧化碳，可以依靠新的科学技术和投资产生的碳沉降机制，将一部分二氧化碳吸收回来，在这方面还有很多可创新的工作。此外，还需要确定森林碳汇参数，明确不同的森林能够吸收多少二氧化碳。其中涉及的树种、密度等问题，还需要相关方面的技术创新。要加大对上述创新的激励机制建设，为社会资本投资绿色科技提供重要的回报率预期。

2电极式电制热与传统制热的差异

2.1热转换效率

传统制热方式都是通过燃烧的方式将化学能转换为热能，期间还会有少量能量转换为光能，造成热转换效率偏低。其中燃煤制热使用固态煤炭，与氧气接触面积少、存在杂质等问题也会造成热转换效率偏低。固态电制热利用导体的热效应，无其他能量转换，其热功率和电功率基本相当，热转换效率高于传统制热方式。电极式电制热直接利用炉水的高阻特性进行制热，炉水既是产热材料又是吸热介质，减少了热传递过程的损失，热转换效率最高。

2.2成本

燃煤制热的投资费用和运行费用最低，仅在人工费用方面高于其他制热方式。燃煤制热方式为我国城镇早期主要的制热供暖方式，但是其能源转换率低，严重污染环境，在部分地区已经禁止使用。燃气制热的主机设备和辅机投资高于燃煤制热与固态电制热，其高昂的燃料成本使得运行费用高于燃煤制热，但制热综合费用较低，加上天然气属于清洁能源，对环境影响较小，目前国家大力提倡燃气制热的利用。燃油制热的投资费用和运行费用较高，而且燃烧排放过多的污染气体，并未进行大规模应用。

2.3占地面积

燃煤制热需要装备脱硫除尘器、烟囱、炉排、鼓引风机、空气预热器、除渣器、省煤设备等大型辅助设备，同时还需要留出囤煤场地，占地面积大。燃油制热需要配备储油罐和防火防爆设备，占地面积较大。燃气制热需要布置天然气管道和除氧泵等辅助设备，其总占地面积低于上述方式。2类电制热方式的加热过程全部在筒体中完成，不需要额外增设燃烧室。目前的电制热产品都是成套组装出售，使用时仅需插上电源与水管即可投入使用，占地面积最小。

2.4工艺复杂程度

传统制热方式较早投入使用，技术成熟，一般人就可进行作业。其中燃油制热系统的辅助系统设备较多，操作过程较繁杂，并且易磨损腐蚀的部件多，维护工作繁杂。固态电制热对水质没有要求，操作简便，一般人即可使用。电极式电制热对水质要求较高，同时要保证溶液中电导率恒定，需要经过一定培训后的运行人员进行操作；锅炉内水与供暖用水应相互隔离，需要二次换热进行供暖，工程略微繁琐。

3电极式电制热储热的应用前景

3.1削峰填谷，提升电网接纳清洁能源的能力

风电固有的波动性和间歇性影响了规模化并网的进程，随着未来新能源继续扩张，弃风消纳成为瓶颈问题，风电资源的浪费成为制约其发展的重要因素。目前，弃风主要发生在我国北方地区，其中80%以上的弃风出现在供暖期。因此，解决弃风的关键在于解决北方地区供暖期弃风问题。电极式电制热储热装置通过调整运行计划，主动跟随低谷期弃风电量，优先使用弃风进行制热，并将多余的热量存储起来，在高峰期停止制热，释放存储的热量以满足热负荷需求。这样不仅能够有效帮助电网削峰填谷，并且实现风电等新能源的消纳，减少资源浪费；同时也可以减少燃煤锅炉的使用，减少废气废渣，有利于减轻环境污染。

3.2“双热”协调发展，解放火电机组

对调峰价格进行合理的把控，可以提高社会效益并且改善弃风消纳效果。从目前的电价结构和现有政策来看，电极式电制热储热在发电侧利用协议商定的电价购买弃风电量、在用户侧煤改电供热获得电价补贴的运营模式都具备一定的盈利空间，具有推广价值。因此，规模化建设电制热装置有很好的经济前景，有助于实现热电解耦，提升热电机组的供热调峰能力，实现电能、热能的协同优化。

3.3无级调节，参与电网调频辅助服务

规模化新能源并网后，其固有的波动性可能会引起电网频率不稳定，因此电网需要额外的调频容量来提供调频服务。尽管关于固态电制热储热方面的研究已经做出很大贡献，固态电制热储热系统也已经被广泛应用于处理新能源消纳与调峰问题，但是它只能分级调节，无法弥补极短时间内因电力不平衡导致的频率偏移问题。而电极式电制热装置可以通过升降电极浸没在水中的深度调节运行功率，实现从零至满负荷运行无级调节，且响应速度和爬坡速度极快，可以迅速弥补源荷不平衡的差额。另外，作为电力和热力系统耦合环节，可以通过快速响应能力和需求侧管理技术参与到电力系统调度中，在处理调频问题中推广使用。

结束语

碳中和目标符合我国根本利益，各地方、各行业都应积极拥抱碳中和。作为世界最大的能源消费国和碳排放国，在实现碳中和的道路上，我电极式电制热的灵活运行特性有助于电网削峰填谷，特别在冬季供暖期，能够提升火电机组的灵活调节容量，将火电机组从供热约束中解放出来。

参考文献

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