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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)模化成本低等諸多優(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)定化學性質(zhì)和良好導熱性，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)路線的競標中輸給了液態(tài)金屬快中子堆，導致熔鹽系統(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、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?br />
  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。

原標題：熔鹽儲能：長時大容量電網(wǎng)級儲能技術(shù)