中國儲能網(wǎng)訊：近日，國家太陽能光熱聯(lián)盟理事單位——華電電力科學研究院有限公司張鐘平、謝玉榮、趙大周、牟敏、陳橋聯(lián)合上海電力大學能源與機械工程學院劉亨在《綜合智慧能源》發(fā)表《熔鹽儲熱技術(shù)的應用現(xiàn)狀與研究進展》的文章。
文章指出：熔鹽是一種理想的儲熱介質(zhì)，具有低黏度、低蒸汽壓、穩(wěn)定性高、儲熱密度高等優(yōu)點，因此熔鹽儲熱技術(shù)可以廣泛應用于太陽能光熱發(fā)電、火電機組的調(diào)峰調(diào)頻、供暖與余熱回收利用等領域。但目前對熔鹽儲熱關(guān)鍵技術(shù)的研究普遍是以太陽能光熱發(fā)電為中心展開的，針對其他場景的研究與應用還不夠充分。在不同的應用場景下，熔鹽的工作溫度區(qū)間、加熱方式、關(guān)鍵部件的選擇和系統(tǒng)流程的布置都有區(qū)別。本文概述了熔鹽儲熱技術(shù)的優(yōu)勢特點與技術(shù)關(guān)鍵，總結(jié)了在不同場景下的研究現(xiàn)狀和最新的應用示范，分析了目前熔鹽儲熱技術(shù)需要加強研究的關(guān)鍵方面，并提出了未來的發(fā)展趨勢與目標。
引言
隨著可再生能源并網(wǎng)規(guī)模的迅猛發(fā)展，其間歇性與不穩(wěn)定性對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，因此急需配置儲能系統(tǒng)消納可再生能源電力。2022年2月10日國家發(fā)展改革委員會、國家能源局發(fā)布的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中指出，新型儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎裝備，是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要支撐。建設火電機組抽汽蓄能等依托常規(guī)電源的新型儲能技術(shù)，推進源網(wǎng)荷儲一體化協(xié)同發(fā)展。
熔鹽作為一種中高溫傳熱蓄熱介質(zhì)，與常規(guī)高溫傳熱流體相比具有飽和蒸汽壓較低、高溫穩(wěn)定性能優(yōu)越、低黏度小、比熱容大的優(yōu)勢，因此熔鹽儲熱系統(tǒng)具有適用范圍廣、綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定等優(yōu)點，是目前大規(guī)模、長時間中高溫儲熱技術(shù)的首選，不僅適用于太陽能熱發(fā)電，還可以應用于火電的靈活性改造，余熱回收利用、清潔供暖等，是構(gòu)建未來新型儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
本文重點介紹熔鹽儲熱技術(shù)的特點，分析目前熔鹽儲熱技術(shù)在火電領域應用的研究進展，最后總結(jié)并展望熔鹽儲熱技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。
1.熔鹽儲熱技術(shù)特點
1.1熔鹽儲熱的優(yōu)勢
如今儲能技術(shù)主要分為機械儲能、電化學儲能、儲熱、電磁儲能及化學能儲能等，其發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)缺點、容量范圍等見表1。機械儲能的應用受限于位置環(huán)境，其中飛輪儲能更適用于啟動時間要求較高的快速調(diào)頻領域，且成本較高。電化學儲能技術(shù)既包括較成熟的鋰電池技術(shù)，也包括液流電池和鈉硫電池等新興技術(shù)。
鋰電池技術(shù)目前仍存在能量密度低、循環(huán)壽命短和安全性差等問題。液流電池與鈉硫電池作為新興的高效大容量儲能電池，具有一定的應用前景，但成本還需要進一步控制。電磁儲能和化學儲能目前還處于研發(fā)試驗階段，距離大規(guī)模應用還有一段距離。與電化學儲能和機械儲能技術(shù)相比，儲熱技術(shù)的壽命更長、成本更低，比儲電更加安全穩(wěn)定，并且在太陽能光熱發(fā)電領域廣泛應用，積累了豐富經(jīng)驗。
在儲熱技術(shù)中，熔鹽是一種比較理想的儲熱介質(zhì)。相比水儲熱，熔鹽儲熱的工作溫度區(qū)間更寬，可以在中高溫儲熱場景使用，因此熔鹽儲熱技術(shù)可以在多種場景下應用。相比固體儲熱，熔鹽儲熱具有穩(wěn)定、壽命長、換熱難度小等優(yōu)勢。綜上，熔鹽儲熱具有大規(guī)模、長時間、安全穩(wěn)定以及不受選址限制的特點，是構(gòu)建未來新型電力系統(tǒng)中極有前途的儲能技術(shù)之一。
1.2熔鹽儲熱應用的關(guān)鍵
現(xiàn)階段，熔鹽儲熱技術(shù)要實現(xiàn)大規(guī)模應用還有一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。首先，熔鹽材料是熔鹽儲熱技術(shù)的根本，其熱物性參數(shù)尚且存在熔點高、比熱容低、熱導率低等不足，直接影響儲熱系統(tǒng)的運行，并導致儲能系統(tǒng)占地面積及成本居高不下。
近年來，國內(nèi)外專家學者對高比熱容、低熔點熔鹽的制備及熔鹽熱物性參數(shù)提升進行了研究，發(fā)現(xiàn)在熔鹽材料中添加可溶性添加劑或納米材料顆?？梢燥@著提升熔鹽的儲熱性能。Hatem等將CuO納米顆粒摻雜于三元硝酸熔鹽（KNO3+NaNO2+NaNO3），也被稱為HiTec鹽。
并分析了摻雜前后比熱容、熔點和潛熱、熱穩(wěn)定性的變化，如圖1所示。結(jié)果表明，摻雜0.1%質(zhì)量分數(shù)的CuO的HiTec鹽，比熱容提高了5.6%，潛熱提高了30.0%，熱穩(wěn)定性提高了9.0%。
其次，熔鹽換熱器是熔鹽儲熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其設計不僅要考慮換熱效率，還要考慮熔鹽的腐蝕性，以及溫度變化時熔鹽可能凝固造成換熱器堵塞等問題。因此熔鹽換熱器的設計也是近年來的研究熱點。最后，在熔鹽儲熱系統(tǒng)集成方面還有一些關(guān)鍵技術(shù)，如高電壓等級的電加熱熔鹽加熱器、耐腐蝕與高溫的熔鹽泵、閥門、管道及熔鹽儲罐的設計選型與單罐、雙罐、多罐系統(tǒng)的研發(fā)設計等。
圖1（a）HiTec鹽，HTC-0.1，HTC-1，HTC-3和HTC-5在液相中的比熱容（b）比熱容測量的平均值（c）熔點曲線與潛熱變化趨勢（d）熔鹽的熱穩(wěn)定性測試
2.太陽能光熱發(fā)電
熔鹽儲熱已成功應用于多個國內(nèi)外的太陽能光熱電站，以槽式導熱油傳熱熔鹽儲熱和熔鹽塔式光熱電站最為常見。
2009年，配置熔鹽儲熱的西班牙安達索爾槽式光熱發(fā)電站成功投入運行，成為全球首個商業(yè)化聚光太陽能電站。2010年，意大利阿基米德建成以熔鹽作為儲熱傳熱介質(zhì)的4.9 MW槽式聚光太陽能光熱電站。2013年，國內(nèi)的青海中控德令哈10.0 MW塔式熔鹽光熱電站實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，是我國首座成功投運的規(guī)?；瘍δ芄鉄犭娬?。2018年，北京首航敦煌100.0 MW塔式熔鹽光熱電站的建成，標志著我國自主研發(fā)的太陽能光熱發(fā)電技術(shù)向商業(yè)化運行邁出了成功的一步。
相比國外，我國的太陽能光熱發(fā)電處于示范電站階段，商業(yè)化運行也處于初級發(fā)展階段，因此熔鹽儲熱應用于太陽能光熱發(fā)電有著廣闊的市場空間。
目前，常見的光熱電站按光熱和熔鹽的耦合方式可分為間接與直接2種，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2種系統(tǒng)流程的區(qū)別在于，間接熔鹽儲熱系統(tǒng)需要設置換熱裝置進行換熱，通常采用導熱油或水蒸氣作為傳熱介質(zhì)，而直接熔鹽儲能不需要換熱裝置。因此，間接熔鹽儲熱的工作溫度一般在400℃以下，直接熔鹽儲熱的工作溫度適用于400-500℃。
現(xiàn)階段光熱電站的冷卻方式以空冷機組為主，但機組發(fā)電仍采用水蒸氣朗肯循環(huán)。許多專家學者研究了基于S-CO2布雷頓循環(huán)的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)，以CO2替代水蒸氣作為傳熱介質(zhì)。但在系統(tǒng)運行時最高溫度可達800℃，通常選用耐高溫且性能穩(wěn)定的氯化鹽和碳酸鹽，使系統(tǒng)獲得循環(huán)效率高、系統(tǒng)緊湊、靈活性高等優(yōu)點，更適我國缺少水資源的合西部地區(qū)。
王智等通過Ebsilon軟件模擬了青海塔里木地區(qū)30 MW再壓縮S-CO2塔式太陽能光熱布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，如圖3a所示。他們設計了45%LiCl+55%KCl的熔鹽儲熱系統(tǒng)，總結(jié)出熔鹽儲滿熱量在各月所需時長與兩分兩至日系統(tǒng)供能情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5—7月熔鹽系統(tǒng)的儲熱時間最短，11月到次年1月儲熱時間最長，在無光源狀態(tài)下機組可滿發(fā)10小時，如圖3b所示。冬至日熔鹽儲熱系統(tǒng)無法儲滿熱，無光照下系統(tǒng)持續(xù)運行發(fā)電功率僅為17.34 MW，如圖3c所示。
圖3（a）再壓縮S-CO2塔式太陽能光熱布雷頓循環(huán)系統(tǒng)流程（b）不同月份熔鹽儲熱系統(tǒng)的儲熱時長（c）兩分兩至日熔鹽儲熱系統(tǒng)供能情況
3.煤電靈活性改造
圖4 高溫熔鹽儲熱系統(tǒng)耦合燃煤機組
在太陽能光熱發(fā)電領域廣泛應用的二元硝酸鹽（60%NaNO3+40%KNO3），其工作溫度區(qū)間為221-565℃，剛好匹配火電系統(tǒng)的溫度參數(shù)，因此熔鹽儲熱技術(shù)也適用于煤電的靈活性改造。以熱電聯(lián)產(chǎn)機組為例，此類機組需要長期向外供熱，在調(diào)峰時段，機組的電負荷出力嚴重受限，調(diào)峰深度受到供熱負荷的影響，受到“以熱定電”的約束。
將熔鹽儲熱系統(tǒng)加入機組的熱力系統(tǒng)，在適合的時段加熱熔鹽，待到調(diào)峰時段通過高溫熔鹽放熱供暖，從而切除機組的熱負荷，實現(xiàn)“熱電解耦”的同時提高機組運行的靈活性。圖4展示了在煤電機組的鍋爐和汽輪機之間耦合大容量高溫熔鹽儲熱系統(tǒng)，為煤電機組靈活性改造提供了新的策略。
2022年12月，全球首套煤電機組耦合熔鹽儲熱示范工程在江蘇國信靖江發(fā)電有限公司順利投入運行，機組調(diào)峰容量達到75%額定負荷，標志著熔鹽儲熱技術(shù)在煤電領域的應用取得新的突破。
近年來，許多專家學者通過軟件模擬（如Ebsilon，Aspenplus等）的方法對熔鹽儲熱系統(tǒng)耦合燃煤機組實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻進行了深入研究，選擇的機組類型為350，600，660 MW的燃煤機組，熔鹽的加熱方式主要分為電加熱和機組的蒸汽加熱，見表2。
鄒小剛等發(fā)現(xiàn)在他們設計的多種不同耦合流程中，電加熱熔鹽系統(tǒng)的循環(huán)熱效率是最高的。劉金愷等設計幾種不同的電加熱與蒸氣加熱熔鹽耦合煤電系統(tǒng)的方案，通過計算后發(fā)現(xiàn)電加熱熔鹽儲熱，在放熱時通過熔鹽加熱旁路給水的方案，具有最佳的負荷調(diào)節(jié)能力，但電加熱造成大量的?損失。
從表2中的模擬分析結(jié)果可以看出，熔鹽儲熱系統(tǒng)耦合煤電系統(tǒng)可以明顯提高調(diào)峰能力、拓寬機組的運行區(qū)間及響應速度等參數(shù)。王惠杰等模擬了塔式太陽能耦合燃煤機組，結(jié)果表明耦合之后可以降低燃煤機組的煤耗，同時熔鹽儲熱系統(tǒng)消納了更多的太陽能。
4.熔鹽儲熱供暖與余熱利用
利用夜間低谷電價時段的電能加熱熔鹽，待頂峰電價時段需要供熱時，將熔鹽儲存的熱量放出，通過換熱器加熱給水并實現(xiàn)供暖。放熱后的冷熔鹽再儲存于儲罐中，待到低谷電價時加熱，重復循環(huán)使用，不僅實現(xiàn)了移峰填谷，還能消納新能源發(fā)電，為電網(wǎng)的安穩(wěn)運行提供保障，又能在一定程度上減少排放。系統(tǒng)原理如圖5a所示。2016年，河北辛集的全球首座熔鹽蓄熱低谷電供暖項目投入運行，每年可節(jié)約燃煤699 t，減少CO2排放1 889 t，具有出色的環(huán)保效益。
在我國鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)過程中，存在大量可回收的余熱，將這些余熱回收用于發(fā)電、居民供暖將獲得可觀的收益。以煉鋼爐為例，耦合熔鹽儲熱系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電的系統(tǒng)原理如圖5b所示，煉鋼過程中產(chǎn)生的高溫煙氣在煙腔內(nèi)將低溫熔鹽加熱至高溫，高溫熔鹽通過過熱器、蒸發(fā)器、預熱器將給水加熱成過熱蒸汽并驅(qū)動汽輪機發(fā)電。
圖5（a）谷電-熔鹽儲熱供熱系統(tǒng)（b）煉鋼爐耦合熔鹽儲熱發(fā)電系統(tǒng)
5.結(jié)論與展望
熔鹽儲熱具有儲能容量大、儲存周期長、成本低等優(yōu)點，是大規(guī)模儲能的理想選擇。熔鹽儲熱已廣泛應用于太陽能光熱發(fā)電，及火電機組的靈活性改造、供暖與余熱回收利用等場景，并有一些代表性的示范項目，但在一些關(guān)鍵技術(shù)方面還有待提升。在熔鹽材料方面，應研發(fā)出更加適合商業(yè)化的熔鹽材料。并且以熔鹽為工質(zhì)的相關(guān)設備缺乏完善的制造標準和規(guī)范。在火電機組靈活性改造方面，標準尚未明確，以及對實際改造中將面臨的問題缺少研究。
未來，熔鹽材料的成本得到明顯降低，同時儲熱密度大大提高。熔鹽儲熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設備形成明確的制造標準，系統(tǒng)集成形成規(guī)范的評價體系，應用于各場景的技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一配套。熔鹽儲熱技術(shù)將實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化，成為新型電力系統(tǒng)中成熟的儲能技術(shù)之一。
