电解铝蓄能调峰的一次革命

　　铝电解——高载能产业，工业用电大户，有较高的碳排放，具有24小时稳定运行的特点。

　　蓄能调峰——电网调节发用电不均衡，高效运行的重要举措之一。在“碳达峰，碳中和”形势下，任务更加艰巨，是电力系统当前一项重大命题。

　　原本看似不相关的两个问题，却使一项技术的诞生成为历史的必然，HORRS——实现铝电解槽参与蓄能调峰的一次革命！

　　以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源，在使用过程排放了大量的温室气体，造成全球变暖、极地冰层融化、海平面上升等环境问题，已经威胁到人类的生存。化石能源的不可再生性也使得人类可利用的能源越来越少，开发利用可再生能源成为共识和未来能源工业发展的方向。未来30年全球一次能源预期将增加30-50%，但要求碳排放保持基本不增加或有所减少，必须要靠增加以水能、风能、太阳能为代表的可再生能源。

　　根据英国BP所作的不同模型下预测：到2040年，能源结构将发生根本性变化，可再生能源将成为最大的电力来源。然而，尽管可再生能源的开发利用已经成为共识，但是在实际应用中，由于可再生能源受自然条件变化的影响巨大，水能、风能、太阳能不同季节、昼夜和不同时段负荷差别巨大，使得未来电力供给在技术上存在突出的问题。2019年，由于电力供、需峰谷差异造成我国全年弃水、弃风、弃光负荷达到515亿千瓦时。

　　2020年我国电解铝产量约3700万吨，电解铝工业年用电量约5000亿千瓦时，约占全国总用电量的7%。由于电解铝生产24小时稳定运行的工艺特点，电解铝工业对于供电系统的稳定性有着极高的要求，蓄能调峰更是遥不可及的一项难题！

　　但近年来，一项电解铝技术的革命正在悄然来临。通过电解槽输出端能量流调节技术，开发适应宽幅柔性的电力输入，使电解槽摆脱对电力稳定性的高依赖性要求，从而可使电解铝工厂成为大容量的“虚拟电池”。

电解铝蓄能调峰示意图

　　国际上，2017年新西兰奥克兰大学轻金属研究中心经历17年研究开发的EnPot技术在德国TRIMET铝厂12台120kA工业电解槽上投入运行。可适应在电力供应大负荷波动条件下电解槽的稳定操作，成功地将电解铝工业成为“虚拟电池”，实现蓄能调峰幅度达到±25%。

　　在国内，我国科技工作者历经多年研究开发，电解铝蓄能调峰技术近日取得重大突破。由郑州大学梁学民教授团队与郑州轻冶科技股份有限公司、河南中孚实业股份有限公司以及河南省电力设计院等单位联合攻关，在与挪威、加拿大、美国等国际公司广泛合作的基础上，历经四年研究开发的“铝电解能量流调控与输出端节能技术”（HORRS系统）研制成功，两台400kA电解槽已分别于3月11日和5月16日投入工业化运行。回收余热成功送入巩义市热网和中孚电厂火力发电机组的回热系统。

HORRS系统原理图

　　由于采用了独特的热管集热器技术，HORRS系统的研制成功，首次完成铝电解槽能量流调节、槽体热聚集、输出端余热利用成套工业系统的开发，实现以下三大目标：

　　一、输入端节能——电化学过程优化。实现稳定热特性控制、降低电解槽平均压降、提高电流效率，实现吨铝节电300-500千瓦时；

　　二、输出端节能——余热回收利用。回收电解槽余热8-10%，折合吨铝节电400-500千瓦时；

　　三、虚拟电池——实现电网蓄能调峰。在电力供应波动±20%情况下，实现电解铝生产的稳定运行。

　　HORRS技术的开发应用将通过电解槽热特性优化控制为电解铝探索优化工艺条件奠定理论基础，并取得电解槽槽体散热的高效聚集和利用，使电解铝工业首次实现输入端与输出端“双端节能”目标，综合节能达8-10%，同时为电解铝工厂成为“虚拟电池”工厂创造了良好条件。

　　2020年全国电解铝产量3730万吨，若按50%使用HORRS技术，年用电量减少180亿千瓦时，减少CO2排放1800万吨，对于节能效益和碳减排意义重大；同时，按照2019年电力需求月度最大峰谷差为1879亿千瓦，当年铝冶炼用电量4730亿千瓦时，其蓄能调峰将调节电量可达4730×40%×50%=946亿千瓦时，对可再生能源利用和国家智能电网建设贡献巨大。

　　此项技术的应用，有助于在北方地区秋冬季重污染天气情况下，实施电解铝生产线的错峰生产和限产措施。也可以在南方水电枯水期，实施错峰生产，保持电解铝生产运行的稳定性，并减少电解铝限产和错峰生产给企业生产带来的负面影响；在水电丰水期，可实现电解铝增产。在调节并高效利用风电、光伏等新能源电力方面，也有同样的应用场景和作用。此项技术的应用，将深度挖掘电解铝行业在减少碳排放上的潜力，具有极大的社会效益，经济效益和环境收益。

　　（作者：张丽红）