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1、presentation-energy-presentation-energy-storage-march-tongji-storage-march-tongji-universityuniversity19811985198819911993199419971999200120042006 2010 2012学士学士硕士硕士助教助教讲师讲师副教授副教授伯明翰大学伯明翰大学帝国理工帝国理工伯明翰大学伯明翰大学利兹大学利兹大学博士博士博后助研博后助研博士后博士后讲师讲师高级讲师高级讲师准教授准教授 教授教授研究员研究员中科院中科院教育与职业生涯教育与职业生涯北京科技大学北京科技大学 系团组织委员
2、系团组织委员班团支部书记班团支部书记帝国理工帝国理工学联委员学联委员大学校务会委员大学校务会委员颗粒科学与工程研究所颗粒科学与工程研究所/ /化工系化工系所长所长/ /主任主任入党入党创建创建创建创建英国利兹大学（英国利兹大学（University of Leeds）UniversityRussellsGroup(Redbrick)SecondlargestandthemostpopularUniversityintheUK30,500studentsfrom130countries8000staffmembersContributiontoover10USbntothelocaleconom
3、y(Leeds&WestYorkshireregion)9FacultiesArts;BiologicalSciences;Business;Education,SocialScience&Law;Engineering;Environment;MathematicsandPhysicalSciences;MedicalandHealth;Performance,VisualArtsandCommunication英国利兹大学（英国利兹大学（University of Leeds）l5NobelPrizeWinnersassociatedwithLeedslWilliamsandLaurenc
4、eBragg-NobelPrizeinPhysics(1915)英国利兹大学工学部英国利兹大学工学部（Institute of Particle Science & Engineering)研究团队研究团队 英国利兹大学英国利兹大学20012001年年6 6月月1 1日日 - - 筹建开始筹建开始20132013年年3 3月月 - - 2020人人20072007年年 - - 3030人人2012 研究方向研究方向 英国利兹大学英国利兹大学基础与应用研究基础与应用研究 偏基础研究偏基础研究研究团队研究团队 中科院过程所中科院过程所20102010年年3 3月月1919日日 - - 筹建开始筹建
5、开始20132013年年3 3：3535人（高级人（高级3 3，中级，中级9 9）20102010年年7 7月月: : 第一批研究人员进入第一批研究人员进入提炼科学技术问题提炼科学技术问题研究成果转化研究成果转化研究方向研究方向 中科院过程所中科院过程所基础与应用研究基础与应用研究 偏应用研究偏应用研究UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 重点方向重点方向储热过程和储热材料共性问题储热过程和储热材料共性问题UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 研究重点研究重点研究方向I：纳微结构储热材料(a)及性能（b)低温 - 低于约100oC(c)中温 -
6、介于100和350oC(d) 高温 高于约350oC(e)(a) (a) 包括固体、液体和液体包括固体、液体和液体复合复合结构材料结构材料: :(b)(b) 包括储热物理和机械性能包括储热物理和机械性能(c)(c) 包括超低温（低于零下包括超低温（低于零下196196o oC C）(d) (d) 目前钢铁等企业余热回收很少的温度段目前钢铁等企业余热回收很少的温度段(e) (e) 包括超高温（高于包括超高温（高于15001500o oC C）UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 材料方向材料方向研究方向II：储热换热装置及性能纳微结构材料的封装纳微结构换热表面换热方式储/
7、释热动态特性UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 过程过程/ /器件器件研究方向III：热管理系统通用方案测量控制控制模型软件平台UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 系统与优化系统与优化研究方向IV：共性技术应用与示范 考虑以下行业v钢铁行业v内燃机行业v发电行业UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 应用研究应用研究储热材料研究储热材料研究l高高性性能能中中低低温温（200-450200-450o oC C）和和中中高高温温（400-850400-850o oC C）纳纳微微结结构构储储热热材材料料的的优优化化配配方方研
8、研究究 储储热热密密度度高高于于600kJ/kg600kJ/kg；导导热热系系数数高高达达4W/m.K4W/m.K以上以上l纳纳微微结结构构储储热热材材料料的的规规模模化化生生产产 - - 碳碳酸酸盐盐/ /陶陶瓷瓷/ /纳纳微微复复合合材材料料达达吨吨级级/ /天产能天产能实验室实验室中试生产中试生产UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 2012 2012年进展年进展储热储热/ /储电系统研究储电系统研究l内燃机能源系统研究内燃机能源系统研究 建成了示范系统建成了示范系统; ; 初步搭建了热管理平台初步搭建了热管理平台储热储热/储电示范系统储电示范系统热管理平台热管理
9、平台UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 2012 2012年进展年进展储热材料和储热换热单元研发平台建设储热材料和储热换热单元研发平台建设l建成了储热材料配方研发平台建成了储热材料配方研发平台l建成储热换热单元性能测试平台建成储热换热单元性能测试平台UoL-IPEUoL-IPE储能联合研究中心储能联合研究中心 2012 2012年进展年进展Energy Storage: Challenges & OpportunitiesKolasinskiK.W.(2006)CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsScience,10,129-1
10、31.HumanDevelopmentIndexameasureofqualityoflifedevelopedbytheUNDevelopmentProgrammeplottedagainstthepercapitaenergyconsumptionof103oftheworldsmostpopulousnationsrepresentingatotalof5.763billionpeopleWhy Energy Storage?Why Energy Storage?Current status - carbon economyG. Marbn and T. Valds-Sols, Inte
11、rnational Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32, 1625-1637Not sustainable!Why Energy Storage?How about hydrogen economy?G. Marbn and T. Valds-Sols, International Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32, 1625-1637Great idea! Less feasible in short to medium term!Why Energy Storage?Challenge IRapid increa
12、se in energy demand & carbon emissionWhy Energy Storage?Possible solutions to curb the rapid increase in carbon emission: The use of renewable energy a medium to long terms measurePotential of carbon free energy sources(Basic Research Needs for Solar Energy Utilization, DOE 2005)Why Energy Storage?P
13、ossible solutions to curb the rapid increase in carbon emission: Carbon Capture and Storage (CCS) a short to medium term measurePre-combustioncaptureOxy-fuelcombustioncapturePost-combustioncaptureIssues: lStorage technology not proven lCost of over 10% efficiency for power generationlSo this may bec
14、ome a long term issue!Why Energy Storage?Possible solutions to curb the rapid increase in carbon emission: Turning CO2 into fuels using renewable energy a long term measureJiang et al. (2010) Phil. Trans. Roy. Soc A, 368, 3343-3364Why Energy Storage?Challenge IILarge variations in energy demand & in
15、termittence of most renewables TypicalelectricaldemandprofileofUKin2009lSeasonal(electriclightingandheatinginwinterandairconditioninginsummer)lWeekly(mostindustryclosesatweekends,loweringdemand)lDaily(earlyeveningwhenpeoplegethomeandswitchonelectricaldevices)lHourly(publiclighting/residentialuses)lT
16、ransient(fluctuationsduetoindividualsactions,differencesinpowertransmissionefficiency)Why Energy Storage?How to meet these challenges? Energy StoragelEnergystoragelAprocessofconvertingenergyintoaformthatcanbestoredandconvertedbacktoeithertheoriginalformorotherusableformswhenneeded.lDifferentviewsint
17、erconnectivity!lLesslikelynationalsecurityandnationalinterestlExamplesofenergystoragelstoresolarenergyindaytimeforuseatnighttimelstorewindenergywhenthereisforusewhen/wherethereisnowindlstore electricity when price are cheap for use when theyexpensiveWhy Energy Storage?How to Store Energy?能量及其存在形式可归类
18、为动能和势可归类为动能和势能或他们的组能或他们的组/ /混合混合空间和时间尺度的区分能源以多种形式和能级能源以多种形式和能级存在，储能不只是储电！存在，储能不只是储电！能量的质量能量的质量How to Store Energy?l电能储存l机械能存储l热能存储l化学能存储l 储能技术储能技术储电是目前最受重视的技术之一储电是目前最受重视的技术之一How to Store Energy?l没有一种通用的储电技术没有一种通用的储电技术l市场需要各种各样的储电技术市场需要各种各样的储电技术储电技术的需求储电技术的需求How to Store Energy?现状是多种技术并存，各说各的好！未来还会是这
19、样！现状是多种技术并存，各说各的好！未来还会是这样！储电技术的现状与趋势储电技术的现状与趋势 各类技术各类技术Electrical Energy Storage: Current State of the Art大部分技术发展了，但成熟度有待改进！大部分技术发展了，但成熟度有待改进！储电技术的现状与趋势储电技术的现状与趋势 技术成熟度技术成熟度未来我们未来我们需要在这需要在这儿！儿！Electrical Energy Storage: Current State of the Art储能技术的经济性需改进！储能技术的经济性需改进！储电技术的现状储电技术的现状 经济性经济性未来我们未来我们需要在
20、这需要在这儿！儿！Electrical Energy Storage: Current State of the Art储电技术的现状储电技术的现状 寿命和效率寿命和效率储能技术的寿命和效率需改进！储能技术的寿命和效率需改进！未来我们未来我们需要在这需要在这儿！儿！热管理问题热管理问题Electrical Energy Storage: Current State of the Art储能技术的未来发展储能技术的未来发展l新的储能技术新的储能技术l增加各类技术的使用范围增加各类技术的使用范围l降低成本降低成本l增加成熟度增加成熟度l增加效率增加效率l提高寿命提高寿命l增加安全性增加安全性怎么做
21、怎么做？l储能材料储能材料l储能单元储能单元l过程放大过程放大l储能过程储能过程l储能系统储能系统l应用集成应用集成Electrical Energy Storage: How to Improve?技术性挑战！技术性挑战！储能技术的未来发展储能技术的未来发展 为何强调过程和系统为何强调过程和系统？l热力学考虑热力学考虑l热力学第一定律热力学第一定律l如质、能、动量守恒，我们可以从A到Bl热力学第二定律热力学第二定律l即使质、能、动量守恒，我们从A可能到不了Bl如可以从A到B，A-B之间有无无数条途径数条途径！A A - - 原料原料产品产品过程过程l需求决定产品需求决定产品l上帝给我们最初的
22、（一次）原料上帝给我们最初的（一次）原料l单位产品（原料和能源）最低消耗取决于过程和热力学单位产品（原料和能源）最低消耗取决于过程和热力学l单位产品（原料和能源）的实际消耗还取决于操作和管理单位产品（原料和能源）的实际消耗还取决于操作和管理Electrical Energy Storage: How to Improve?l能源和过程工程考虑能源和过程工程考虑l所有过程的理论所有过程的理论/ /理想能耗理想能耗相同相同l不同的过程的实际能耗相差不同的过程的实际能耗相差很大很大l快快和和高效高效经常相冲经常相冲突；突；快快很有可能是高消很有可能是高消耗耗l快和高消耗有可能同时实现，快和高消耗有可
23、能同时实现，如通过催化剂如通过催化剂l多、快、好、省得口号与科学可能相违多、快、好、省得口号与科学可能相违l储能技术也应汲取以上经验储能技术也应汲取以上经验储能技术的未来发展储能技术的未来发展 为何强调过程和系统为何强调过程和系统？Electrical Energy Storage: How to Improve?l储能与节能减排相关l储能可提高能源利用效率l现有储能技术性能比较有误区l如CAES和CES的效率被认为比电池低，但他们与合适工业过程集成后的整体效率可高于电池！l与工业过程的集成可能是某些技术未来的出路Electrical Energy Storage: How to Improv
24、e?一个例子：深冷储能技术 l储电储电 - 用低谷用低谷/可再生能源电生产液态空气可再生能源电生产液态空气l释电释电 - 需要电的时候，环境热加热液态空气膨胀做功发电需要电的时候，环境热加热液态空气膨胀做功发电Electrical Energy Storage: An Example of Improvement1.Dingetal.(2007)WO/2007/080394Cryogenicengines2.Chenetal.(2007)WO/2007/096656Cryogenicenergystorage一个例子：深冷储能技术 物理机理 给定物质，以零度作参考，零下给定物质，以零度作参考，
25、零下100度比零上度比零上100度的能级高很多度的能级高很多Electrical Energy Storage: An Example of ImprovementLi etal(2010)International Journal of Thermal Sciences一个例子：深冷储能技术 发展历史15kW35kW600kW/4MWhElectrical Energy Storage: An Example of Improvement储能方法 除能密度 kWh/kg寿命 年 Round trip 效率 % 单位投资 USD/kW 存储介质存储介质对地质条对地质条件要求件要求技术成熟度 抽
26、 水 蓄能0.5-1.540-60 60-85 600-2000 Hours to months YesMature 压 缩 空气 30-6020-40 60-70+ 400-800 Hours to months YesDeveloped 深 冷 储能100-200 2540 -90*600-800Hours to monthsNoNearly Developedl+Withheatrecovery;l*Useoflowgradewasteheat(e.g.300oC)andwasteheatdoesnotcost一个例子：深冷储能技术 与抽水蓄能和压缩空气储能比较深冷储能在有工业余热时效率
27、可以很高深冷储能在有工业余热时效率可以很高Electrical Energy Storage: An Example of ImprovementLi et al. (2010) International Journal of Energy Research一个例子：深冷储能技术 与调峰发电技术及CO2集捕捉集成Electrical Energy Storage: An Example of Improvement一个例子：深冷储能技术 与调峰发电技术及CO2集捕捉集成l储能调峰发电技术的发电效率可达储能调峰发电技术的发电效率可达60%左右左右 l在现有的调峰电站基础上集成本系统后，不改变燃
28、料在现有的调峰电站基础上集成本系统后，不改变燃料消耗，系统的调峰能力可增加约一倍消耗，系统的调峰能力可增加约一倍 l对新建的调峰电站，集成本技术后，同样的调峰容量对新建的调峰电站，集成本技术后，同样的调峰容量要求下，系统的装机容量可减少约要求下，系统的装机容量可减少约50% l在捕捉尾气中的二氧化碳后，电能存贮与再利用的效在捕捉尾气中的二氧化碳后，电能存贮与再利用的效率仍然可达到约率仍然可达到约65% l这种技术的投资约为每千瓦这种技术的投资约为每千瓦500美元美元Electrical Energy Storage: An Example of ImprovementHow to Store
29、Energy?能源以多种形式和能级存在，能源以多种形式和能级存在，储能不只是储电！其他形式能储能不只是储电！其他形式能量存储的发展如何？量存储的发展如何？How to Store Energy?储热储热 - 除了建筑等低温应用，太阳能热发电及核电调峰等应用情景宽广除了建筑等低温应用，太阳能热发电及核电调峰等应用情景宽广Thermal Energy Storage储热材料研究现状与挑战储热材料研究现状与挑战l储热材料研究集中在低温范围，已获商业化应用的包括BASF、PCM Products、PCM Energy、TEAP和EPS等公司的产品；近年来中高温材料研究增多；l储热材料亟待解决的问题：低
30、温材料 - 低导热系数、低储热密度、封装和高价格；中高温材料 低导热系数、腐蚀问题、化学稳定性和高价格等。Sharma A. et al. (2011) Renewable and Sustainable Energy Review; Chen et al (2009) Progress in Natural Science美国美国DOE (2011) ARPA Thermal Energy Storage Workshop.; 欧盟欧盟EERA (2011) Energy Storage Report.l储热系统在能量分级存储和利用上实际实施的尚少；缺乏动态热管理系统；l储热系统亟待解决的问
31、题：储热换热单元的界面热阻机理、跨尺度强化换热机理、放大问题；能量转换与分配单元的非线性、动态性能控制与热管理问题。Sharma A. et al. (2011) Renewable and Sustainable Energy Review美国美国DOE (2011) ARPA Thermal Energy Storage Workshop欧盟欧盟EERA (2011) Energy Storage Report储热过程研究现状与挑战储热过程研究现状与挑战Thermal Energy Storagel储能不仅仅是储电储能不仅仅是储电l储能技术繁多，没有一种是通用的，现在这样，未来还是这样储能
32、技术繁多，没有一种是通用的，现在这样，未来还是这样l储能技术的赢家是由技术本身和市场决定储能技术的赢家是由技术本身和市场决定l储能的技术性挑战在于解决以下问题储能的技术性挑战在于解决以下问题: : l增加各类技术的使用范围；降低成本；增加成熟度；增加效率；提高寿命；增加各类技术的使用范围；降低成本；增加成熟度；增加效率；提高寿命；增加安全性增加安全性l储能的技术性挑战储能的技术性挑战包括：包括：l储能材料；储能单元；过程放大；储能过程；储能系统；应用集成；储能材料；储能单元；过程放大；储能过程；储能系统；应用集成；l储能过程和（应用）系统集成非常重要储能过程和（应用）系统集成非常重要l储能与节能减排相关，储能可提高能源利用效率；与工业过程的集储能与节能减排相关，储能可提高能源利用效率；与工业过程的集成可能是某些技术未来的出路成可能是某些技术未来的出路l热占全球能源预算热占全球能源预算90%90%，储热与储电一样重要，也具诸多技术性挑，储热与储电一样重要，也具诸多技术性挑战战Concluding Remarks 致谢致谢Over10otherindustrialsponsors,andcollaborators,students,visitingscholars,toomanytoname!Thankyouallforlistening!结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！54
