中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：為了保障新能源占比逐步提高的新型電力系統(tǒng)的供電可靠性，需要配套使用長(zhǎng)時(shí)間、大容量、低成本的儲(chǔ)能系統(tǒng)以滿足各類新能源時(shí)空不平衡的調(diào)節(jié)需求。熔鹽儲(chǔ)能（Molten-Salt Energy Storage）是一種以金屬鹽作為介質(zhì)，將能量以熱能的形式儲(chǔ)存在鹽的溫升和相變過(guò)程中的新型儲(chǔ)能技術(shù)。熔鹽儲(chǔ)能有能量密度高、儲(chǔ)熱時(shí)間長(zhǎng)、規(guī)?；杀镜偷戎T多優(yōu)勢(shì)，與新能源特性互補(bǔ)性強(qiáng)，具有一定推廣潛力。
熔鹽儲(chǔ)能的技術(shù)背景
熔鹽的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)50年代。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基于熔鹽在高溫下不易分解的穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)和良好導(dǎo)熱性，首次提出了在核動(dòng)力飛機(jī)和核反應(yīng)堆中使用熔鹽傳熱冷卻的概念，并于1954年成功建造了熔鹽試驗(yàn)堆。60年代后期，熔鹽堆在美國(guó)原子能委員會(huì)選擇下一代增殖反應(yīng)堆技術(shù)路線的競(jìng)標(biāo)中輸給了液態(tài)金屬快中子堆，導(dǎo)致熔鹽系統(tǒng)的研究在十幾年間基本停滯。第二次石油危機(jī)后，由于新能源發(fā)電成為研究熱點(diǎn)，集中式光熱發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)作為光熱電站的配套重新受到關(guān)注。
熔鹽在發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)中被作為傳熱、儲(chǔ)熱的介質(zhì)使用。熔鹽的熱性質(zhì)由構(gòu)成的離子種類決定，一般選用堿金屬和堿土金屬的硝酸鹽或鹵化物搭配組成。熔鹽的關(guān)鍵參數(shù)包括熔化溫度、分解溫度、密度和比熱容等，主要根據(jù)設(shè)計(jì)中的工作溫度要求選用。在正常運(yùn)行流程中需要確保熔鹽始終為液態(tài)，以防止低溫凝固對(duì)管道造成的損傷和堵塞。在光熱電站中主要使用各種配比的鈉、鉀、鈣的硝酸鹽，例如包括60%硝酸鈉、40%硝酸鉀的“太陽(yáng)鹽”和由7%硝酸鈉、53%硝酸鉀、40%亞硝酸鉀組成的“Hitec”低熔點(diǎn)三元鹽。在核反應(yīng)堆中主要使用熔點(diǎn)較高的氯化物和氟化物。
熔鹽儲(chǔ)能的工作原理
最常用的雙罐式熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)由加熱器、冷/熱儲(chǔ)罐、管道和換熱器組成。加熱器使用陽(yáng)光、電爐等外部熱源加熱冷儲(chǔ)罐中的低溫熔鹽，并泵入熱儲(chǔ)罐備用。需要發(fā)電時(shí)，熔鹽從熱儲(chǔ)罐流入換熱器，加熱水產(chǎn)生高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，做功冷卻后的低溫熔鹽流回冷儲(chǔ)罐等待再次進(jìn)入加熱循環(huán)。此設(shè)計(jì)將熱源與儲(chǔ)能、發(fā)電系統(tǒng)解耦，通過(guò)大容量的熔鹽儲(chǔ)罐作為緩沖滿足儲(chǔ)能和發(fā)電靈活調(diào)度需求。使用熔鹽的光熱電站與光伏發(fā)電相比可隨時(shí)調(diào)節(jié)出力，在陰天和晚上也可發(fā)電，有一定的電力平衡支撐能力。
熔鹽系統(tǒng)不依賴特定熱源，可作為儲(chǔ)能裝置獨(dú)立運(yùn)行。例如，火電廠可利用鍋爐或余熱加熱熔鹽儲(chǔ)存熱能，降低火電調(diào)峰壓力，提高整體能效。熔鹽系統(tǒng)也可以與電熱裝置和中小型汽輪機(jī)配套，使用谷電加熱熔鹽，在負(fù)荷高峰期發(fā)電，為電網(wǎng)提供“削峰填谷”作用。
熔鹽儲(chǔ)能的特點(diǎn)
與抽水蓄能、電化學(xué)等主流儲(chǔ)能技術(shù)相比，熔鹽儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)自熔鹽本身作為儲(chǔ)能介質(zhì)優(yōu)異的性質(zhì)。總體來(lái)說(shuō)，熔鹽儲(chǔ)能主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：
成本低廉：硝酸鹽是極為常見(jiàn)的化學(xué)品，被廣泛用于化肥、建筑業(yè)、工業(yè)制造等產(chǎn)業(yè)，原料易獲得，制備簡(jiǎn)單。
安全環(huán)保：熔鹽吸熱放熱機(jī)理是純物理反應(yīng)，理論上相對(duì)電化學(xué)和氫能較安全穩(wěn)定，運(yùn)行時(shí)也不產(chǎn)生溫室氣體或有毒物質(zhì)。
容量較大：儲(chǔ)熱能量密度高，一般可按10小時(shí)以上配置，可滿足日內(nèi)甚至日間調(diào)節(jié)需求。
壽命較長(zhǎng)：系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中幾乎沒(méi)有材料損耗和性能衰減，僅受管道和設(shè)備磨損限制。
電網(wǎng)支撐：由于熔鹽需通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)接入電網(wǎng)，可以加大系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提供無(wú)功、調(diào)峰、調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用等輔助服務(wù)。
配置簡(jiǎn)單：儲(chǔ)能設(shè)備與電熱轉(zhuǎn)換設(shè)備相互獨(dú)立，工程占地面積小，不依賴特定地形地貌。
使用熔鹽作為儲(chǔ)能介質(zhì)也有各種缺點(diǎn)和困難，主要包括：
冰點(diǎn)高：熔鹽冰點(diǎn)一般在120攝氏度以上。在利用率較低的時(shí)段，為使熔鹽保持液態(tài)，需要增設(shè)電伴熱設(shè)備防止熔鹽凝固，增加廠用電需求。
溫度一致性差：加熱放熱不均勻易導(dǎo)致各處熔鹽溫度不一致，包括低溫黏度增加造成管道堵塞和過(guò)高溫氣化泄露損壞設(shè)備。
腐蝕性：熔鹽在高溫下的腐蝕性包括使金屬氧化為離子的電化學(xué)腐蝕和直接以金屬態(tài)溶解的溶解腐蝕，在長(zhǎng)期使用中會(huì)損傷金屬材料，對(duì)設(shè)備和管道的密封性和防腐要求高。
事故后果嚴(yán)重：熔鹽儲(chǔ)能發(fā)生安全事故時(shí)造成的損失較為嚴(yán)重。如系統(tǒng)中溫度過(guò)低，熔鹽低溫凝固后清潔、復(fù)產(chǎn)困難，造成大量經(jīng)濟(jì)損失。溫度過(guò)高時(shí)熔鹽高溫氣化導(dǎo)致爆炸將危害人身安全。正常運(yùn)行中腐蝕、焊縫和內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力在設(shè)備間造成縫隙導(dǎo)致熔鹽泄露也會(huì)產(chǎn)生安全隱患。
與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，熔鹽儲(chǔ)能具備以下特點(diǎn)：一是對(duì)比氫能和電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，熔鹽儲(chǔ)能容量成本較低，有較明顯優(yōu)勢(shì)。二是對(duì)比抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，熔鹽儲(chǔ)能不依賴于水體、地勢(shì)和天然洞穴等地理因素，且占地面積較小，適用范圍較廣。三是對(duì)比其他儲(chǔ)能技術(shù)，熔鹽儲(chǔ)能輸入、儲(chǔ)存和輸出的能量形式都是熱能。如需將該熱能發(fā)電上網(wǎng)，則還要配套建設(shè)發(fā)電設(shè)備，從輸入電力到再發(fā)電的往返效率不到30%，能量利用效率遠(yuǎn)低于除氫能外的其他儲(chǔ)能技術(shù)。因此，熔鹽儲(chǔ)能更加適用于終端需求為熱能的運(yùn)用場(chǎng)景，或與已有的火力發(fā)電設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行。
熔鹽儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景
根據(jù)熔鹽儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)，一般有以下幾種應(yīng)用場(chǎng)景：
集中式光熱電站
集中式光熱電站利用光學(xué)反射鏡聚集太陽(yáng)光的輻射熱能加熱工質(zhì)并通過(guò)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。早期的光熱發(fā)電使用太陽(yáng)光直接加熱水產(chǎn)生蒸汽，但無(wú)法解決光照的短時(shí)波動(dòng)造成的蒸汽壓力不穩(wěn)定和出力變化問(wèn)題。熔鹽由于工作溫度范圍廣、導(dǎo)熱性優(yōu)異、熱容量大、蒸汽壓力極低和高溫下黏度低等特性，與光熱發(fā)電過(guò)程中傳熱、儲(chǔ)熱需求完美契合，成為了目前商用光熱電站的主流技術(shù)。
余熱廢熱利用
工業(yè)生產(chǎn)中存在大量余熱，根據(jù)《中國(guó)余熱發(fā)電行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告（2022-2029年）》，各行業(yè)可回收利用的余熱資源占燃料消耗總量17%-67%。冶金、石化、陶瓷等行業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐余熱溫度基本大于300攝氏度，達(dá)到了熔鹽儲(chǔ)能的工作范圍。熔鹽儲(chǔ)能可以將余熱集中管理，產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)、可控的高溫蒸汽，提高余熱利用效率。
火電靈活性改造
隨著“雙碳”目標(biāo)的工作有序推進(jìn)，對(duì)煤電配合電網(wǎng)新能源波動(dòng)的調(diào)節(jié)能力要求不斷增加。熔鹽儲(chǔ)能可以直接利用鍋爐出口的高溫蒸汽，增加機(jī)組調(diào)峰深度，提高能效和爬坡能力。廉價(jià)、大容量的特點(diǎn)使熔鹽儲(chǔ)能在各種改造方案中具有眾多獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。
集中供暖
與目前以鍋爐燃燒化石燃料為主的供暖方式相比，電熱+熔鹽儲(chǔ)熱供暖可利用谷電和新能源大發(fā)時(shí)段產(chǎn)熱，大幅降低碳排放，幫助電網(wǎng)消納新能源并有效降低供熱成本。此技術(shù)既可用于北方人口密度高的城市集中供熱，也可為化工、醫(yī)藥、紡織等行業(yè)提供高溫蒸汽。
電網(wǎng)儲(chǔ)能
熔鹽儲(chǔ)能可作為電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能，用于對(duì)大容量、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能有需求，但沒(méi)有條件建設(shè)抽水蓄能的地區(qū)。在電網(wǎng)建設(shè)較弱、以風(fēng)力光伏發(fā)電為主的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可使用熔鹽和汽輪機(jī)的儲(chǔ)熱-再發(fā)電系統(tǒng)提供發(fā)電功率調(diào)節(jié)，強(qiáng)化電網(wǎng)支撐能力。如我國(guó)西北新疆、青海、甘肅等地氣候干燥，山地較多，風(fēng)光資源豐富，較適合配套建設(shè)熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目。
據(jù)《2023-2029年中國(guó)熔鹽儲(chǔ)能行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)查及投資前景研判報(bào)告》，至2022年，我國(guó)熔鹽儲(chǔ)能行業(yè)投資規(guī)模已達(dá)17.9億元，已投運(yùn)項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模588兆瓦，其中2022年新增50兆瓦。
在落實(shí)“雙碳”目標(biāo)、促進(jìn)能源高質(zhì)量發(fā)展的時(shí)代浪潮中，積極發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)能源綠色轉(zhuǎn)型、建設(shè)新型電力系統(tǒng)具有重大意義。熔鹽儲(chǔ)能憑借著獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，在發(fā)電、工業(yè)、綜合能源系統(tǒng)等場(chǎng)景中可以滿足一些其他儲(chǔ)能技術(shù)無(wú)法替代的需求，將有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?
作者為中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司博士后科研工作站在站博士后科研人員。
