“热能电池”大规模消纳过剩风光电的可能性

近年来，中国大力发展风电和太阳能发电，装机容量持续攀升。2025年第一季度，我国风电+光伏新增装机74.33GW，累计达到1482GW，首次超过火电装机规模。同期，风光发电量达5,364亿kWh，占全社会用电量22.5%。风光发电固有的间歇性与波动性，导致其在特定时段（如阳光辐射极佳光伏发电出力大增的午间和在用电低谷的后半夜刮大风时）产生大量富余电力。传统方案如抽水蓄能建设周期长并受地理限制，难以在短期内大量建成投产。而新型储能如电池储能投资成本高，寿命相对较短。

目前，中国的家庭已经普遍安装了家用电热水器或天然气热水器，按每年每人用热水热能500kWh计，全国就有7000亿千瓦时的热水热能。利用家用电热水器的用电储热功能形成“热能电池”，将几亿家庭的热水需求转化为电网的灵活调节资源，能够实现高效率、低成本地消纳过剩风光电力。

现状：风光电过剩与“家庭储能”设施闲置并存

风电、光伏发电成本的断崖式下降是热水器储能大规模发展的基石。2023年起，全国范围内大多数地区风光发电的平均发电成本（LCOE）已经普遍低于新建燃煤电厂。在我国部分太阳能资源优越的地区，光伏发电成本甚至可低至0.1元/千瓦时左右。然而，风光发电“靠天吃饭”的特性，使其发电功率与用电需求时空错位明显。在电网需求低而风光发电出力大的时段，过剩电力无处可去，“弃电”成为常态。目前调节风光发电波动和过剩的手段主要是集中式储能和电网升级。抽水蓄能电站在用电低谷期夜间抽水，白天用电高峰时发电，其运行成本低且寿命长，但建设周期长并受地形、水源等限制。

近年来，我国抽水蓄能装机翻倍，从2015年的2280万kW增加到2024年底的5869万kW。然而，单纯依赖抽水蓄能难以满足快速增长的电力调节需求。相比之下，锂电池等新型电储能建设周期较短且布局灵活，可随时响应，但系统成本仍在800元/千瓦时左右，电池寿命往往只有几年。2024年底，蓄电池储能电站的储能容量为1.68亿kWh。两者都难以在短期内满足高速发展的风光电的消纳补偿需求。

与此同时，家庭层面蕴藏着巨大的可调节电力负荷。家用电热水器功率一般为3kW，可在风光电发电的高峰和用电低谷，即中午（光伏发电高峰、家中用电空置时段）和后半夜（风电发电高峰、用电低谷）启动加热，将过剩电力转化为热能。这两个时段家用电器负荷极低，无须升级住宅区的电网容量，即可灵活消纳。

按全国每人有平均1千瓦的热水器功率，若全国的热水器都为电热水器时，就等于拥有14亿千瓦的抽水蓄能电站，既可削减傍晚和清晨洗浴高峰也是用电高峰时的用电量，又可消纳中午和深夜的过剩电力。这种用户侧调节方案难度低、见效快、投资仅数百元/台，是容易落地的“家用储能”路径。

解决方案：把家用电热水器改造为“热能电池”

这一方案的技术机制在于，储水式电热水器利用电加热元件将电能转为热能，存储在保温水箱内。在电网的电力富余时段（如中午12:00左右光伏峰值或后半夜风电高峰）自动启动加热，将水箱温度最高提升至75℃（国标GB4706.12—2006最高允许值）；在电网用电紧张自动停机，使用已存热水。以60升热水罐的机型为例，将水从15℃加热到75℃需约4.5kWh，等同于一块4.5kWh的“热能电池”。

为实现上述目的，需要对现有的家用储水式电热水器进行一定改造。一是加装智能控制器：核心是智能继电器（或升级热水器内置控制器），如果有智能电表，配合电网给智能电表的信息运行。如果没有智能电表，则在智能继电器中按照电价的时段，实现自动启停控制。二是提供用户友好的操作界面，设置“智慧模式”（自动响应电网）和“即时加热”（满足临时使用需求）选项，保障用户的使用舒适度。

智能家用热水器可起到“一箭三雕”之效：消纳、降本、削峰填谷。家庭热水需求具有明显时段性，一般在清晨和傍晚用水高峰出现。我国多地调查表明，居民热水负荷日内典型呈现“双峰”结构，一次在早晨6:00—8:00（起床洗漱），一次在19:00—22:00（洗澡清洁）。如果在白天光伏发电过剩时段（11：00—14：00）和后半夜风电过剩时段（1:00—6:00）自动启动电热水器对储水罐中的水加热，在早晨（6:00—8:00）和傍晚（19:00—22:00）用电高峰使用存储的热水，既可以有效消纳过剩风光电，也可降低用户用能成本，同时通过负荷的削峰填谷减轻电网压力，有“一箭三雕”之效此外，由于电热水器有相当的保温能力，提前储热并不会对用户的使用舒适性造成明显影响。

经济性与储能潜力分析。与抽水蓄能和电池储能相比，家用电热水器的储热成本极低。大多数家庭已经拥有电热水器，利用现有设备进行夜间或低谷时段加热几乎无须额外投资。用户无须购置新的电热水器，增量投入仅为智能控制装置。在有分时电价的地区，由于将加热水的时间集中在低电价时段，用户节省了电费。

水热储能的一个优势在于无须额外维护或更换老化部件，可长期稳定运行。全国有数以亿计的家用热水器。现有电热水器的功率一般为3kW，平均储热量为约4.5kWh。如果全国的热水器全部更换为电热水器，则平均每人的热水器功率为1kW，储热容量约为1.5kWh。于是全国的热水器总计约为14亿kW，有21亿kWh的储能容量。如果给这些热水器全部加装智能控制器，等于建设了总计14亿kWh、21亿千瓦时的蓄电池储能电站。而现在中国的抽水蓄能储能电站仅有5869万kW，蓄电池储能电站仅有1.68亿kWh的储能容量。

将一个3kW、60升的家用电热水器的水从15℃加热至75℃，每次加热需要4.5kWh的电量，等于存储了4.5kWh的电力。而购买和安装智能控制器的费用仅为300元左右。这意味着，将家用电热水器改造成消纳过剩风光电的储能装置的单位功率投资仅为约100元/kW，单位储能量的投资仅为67元/kWh。相比之下，抽水蓄能的单位功率投资约为6000元/kW，电池储能的单位储能量投资约为800元/kW。

政策建议

为将家用电热水器转变为有效的分布式储能资源，可从以下三个方面落地推进。

首先，在全国范围对居民用电普遍实行分时电价。目前，全国有20多个省对工商业用电户实施了分时（峰谷）电价，但对居民用电户采用分时电价政策的仅有山东、江苏、浙江等少数几个省。这是释放家用电热水器“储能”潜力的最重要机制条件。

其次，建议给所有家庭的电热水器免费购买安装智能控制装置，使热水器能根据电价时段或电网负荷自动启动，同时保留用户“即时加热”按钮，兼顾灵活性和便利性。

再次，制定统一技术标准，明确智能热水器的最小调节功率（≥500W）、响应时延（≤5分钟）、通信协议及加密要求，确保设备能安全响应调度指令。考虑到智能电热水器是通过公共通信网或者通过时间进行调度，为保证电网的运行安全，政府应对智能插座/继电器制定技术标准和通信协议，防止电热水器的启停被非法控制。

把家用电热水器改造为分布式储能单元，不仅投资成本低、实施速度快，而且可在不降低用户舒适性的前提下，能够将过剩风光电“锁进”热水箱，随需释放。全国总计14亿千瓦、21亿千瓦时的电热水器储能能力，可为约20亿千瓦的新增风光电提供过剩电消纳能力，每年消纳约7000亿千瓦时的过剩风光电。