中國儲能網(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，需要配套使用長時間、大容量、低成本的儲能系統(tǒng)以滿足各類新能源時空不平衡的調(diào)節(jié)需求。熔鹽儲能（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存在鹽的溫升和相變過程中的新型儲能技術(shù)。熔鹽儲能有能量密度高、儲熱時間長、規(guī)?；杀镜偷戎T多優(yōu)勢，與新能源特性互補性強，具有一定推廣潛力。
熔鹽儲能的技術(shù)背景
熔鹽的應(yīng)用研究始于20世紀50年代。美國橡樹嶺國家實驗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，首次提出了在核動力飛機和核反應(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堆。60年代后期，熔鹽堆在美國原子能委員會選擇下一代增殖反應(yīng)堆技術(shù)路線的競標(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。第二次石油危機后，由于新能源發(fā)電成為研究熱點，集中式光熱發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，熔鹽儲能系統(tǒng)作為光熱電站的配套重新受到關(guān)注。
熔鹽在發(fā)電和儲能技術(shù)中被作為傳熱、儲熱的介質(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)計中的工作溫度要求選用。在正常運行流程中需要確保熔鹽始終為液態(tài)，以防止低溫凝固對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“太陽鹽”和由7%硝酸鈉、53%硝酸鉀、40%亞硝酸鉀組成的“Hitec”低熔點三元鹽。在核反應(yīng)堆中主要使用熔點較高的氯化物和氟化物。
熔鹽儲能的工作原理
最常用的雙罐式熔鹽儲能系統(tǒng)由加熱器、冷/熱儲罐、管道和換熱器組成。加熱器使用陽光、電爐等外部熱源加熱冷儲罐中的低溫熔鹽，并泵入熱儲罐備用。需要發(fā)電時，熔鹽從熱儲罐流入換熱器，加熱水產(chǎn)生高壓蒸汽推動汽輪機發(fā)電，做功冷卻后的低溫熔鹽流回冷儲罐等待再次進入加熱循環(huán)。此設(shè)計將熱源與儲能、發(fā)電系統(tǒng)解耦，通過大容量的熔鹽儲罐作為緩沖滿足儲能和發(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，可作為儲能裝置獨立運行。例如，火電廠可利用鍋爐或余熱加熱熔鹽儲存熱能，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配套，使用谷電加熱熔鹽，在負荷高峰期發(fā)電，為電網(wǎng)提供“削峰填谷”作用。
熔鹽儲能的特點
與抽水蓄能、電化學(xué)等主流儲能技術(shù)相比，熔鹽儲能的優(yōu)勢主要來自熔鹽本身作為儲能介質(zhì)優(yōu)異的性質(zhì)。總體來說，熔鹽儲能主要具有如下優(yōu)點：
成本低廉：硝酸鹽是極為常見的化學(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，制備簡單。
安全環(huán)保：熔鹽吸熱放熱機理是純物理反應(yīng)，理論上相對電化學(xué)和氫能較安全穩(wěn)定，運行時也不產(chǎn)生溫室氣體或有毒物質(zhì)。
容量較大：儲熱能量密度高，一般可按10小時以上配置，可滿足日內(nèi)甚至日間調(diào)節(jié)需求。
壽命較長：系統(tǒng)運行過程中幾乎沒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：由于熔鹽需通過旋轉(zhuǎn)電機接入電網(wǎng)，可以加大系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，提供無功、調(diào)峰、調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用等輔助服務(wù)。
配置簡單：儲能設(shè)備與電熱轉(zhuǎn)換設(shè)備相互獨立，工程占地面積小，不依賴特定地形地貌。
使用熔鹽作為儲能介質(zhì)也有各種缺點和困難，主要包括：
冰點高：熔鹽冰點一般在120攝氏度以上。在利用率較低的時段，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，在長期使用中會損傷金屬材料，對設(shè)備和管道的密封性和防腐要求高。
事故后果嚴重：熔鹽儲能發(fā)生安全事故時造成的損失較為嚴重。如系統(tǒng)中溫度過低，熔鹽低溫凝固后清潔、復(fù)產(chǎn)困難，造成大量經(jīng)濟損失。溫度過高時熔鹽高溫氣化導(dǎo)致爆炸將危害人身安全。正常運行中腐蝕、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)致熔鹽泄露也會產(chǎn)生安全隱患。
與其他儲能技術(shù)相比，熔鹽儲能具備以下特點：一是對比氫能和電化學(xué)儲能技術(shù)，熔鹽儲能容量成本較低，有較明顯優(yōu)勢。二是對比抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術(shù)，熔鹽儲能不依賴于水體、地勢和天然洞穴等地理因素，且占地面積較小，適用范圍較廣。三是對比其他儲能技術(shù)，熔鹽儲能輸入、儲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%，能量利用效率遠低于除氫能外的其他儲能技術(shù)。因此，熔鹽儲能更加適用于終端需求為熱能的運用場景，或與已有的火力發(fā)電設(shè)備聯(lián)合運行。
熔鹽儲能的應(yīng)用場景
根據(jù)熔鹽儲能的技術(shù)特點，一般有以下幾種應(yīng)用場景：
集中式光熱電站
集中式光熱電站利用光學(xué)反射鏡聚集太陽光的輻射熱能加熱工質(zhì)并通過汽輪機轉(zhuǎn)化為電能。早期的光熱發(fā)電使用太陽光直接加熱水產(chǎn)生蒸汽，但無法解決光照的短時波動造成的蒸汽壓力不穩(wěn)定和出力變化問題。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)電過程中傳熱、儲熱需求完美契合，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)《中國余熱發(fā)電行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與發(fā)展前景預(yù)測報告（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，達到了熔鹽儲能的工作范圍。熔鹽儲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，對煤電配合電網(wǎng)新能源波動的調(diào)節(jié)能力要求不斷增加。熔鹽儲能可以直接利用鍋爐出口的高溫蒸汽，增加機組調(diào)峰深度，提高能效和爬坡能力。廉價、大容量的特點使熔鹽儲能在各種改造方案中具有眾多獨有的優(yōu)勢。
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+熔鹽儲熱供暖可利用谷電和新能源大發(fā)時段產(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)儲能
熔鹽儲能可作為電網(wǎng)級儲能，用于對大容量、長時間儲能有需求，但沒有條件建設(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)電為主的偏遠地區(qū)，可使用熔鹽和汽輪機的儲熱-再發(fā)電系統(tǒng)提供發(fā)電功率調(diào)節(jié)，強化電網(wǎng)支撐能力。如我國西北新疆、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)熔鹽儲能項目。
據(jù)《2023-2029年中國熔鹽儲能行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)查及投資前景研判報告》，至2022年，我國熔鹽儲能行業(yè)投資規(guī)模已達17.9億元，已投運項目累計裝機規(guī)模588兆瓦，其中2022年新增50兆瓦。
在落實“雙碳”目標(biāo)、促進能源高質(zhì)量發(fā)展的時代浪潮中，積極發(fā)展儲能技術(shù)對能源綠色轉(zhuǎn)型、建設(shè)新型電力系統(tǒng)具有重大意義。熔鹽儲能憑借著獨有的技術(shù)特點，在發(fā)電、工業(yè)、綜合能源系統(tǒng)等場景中可以滿足一些其他儲能技術(shù)無法替代的需求，將有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?
作者為中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司博士后科研工作站在站博士后科研人員。
