科普｜“魅力”熔盐储能技术
前不久，人民网以《炙手可热的“熔盐”》为题，介绍了熔盐的优异传热储热性能，在清洁取暖和太阳能热发电中的应用，引起了广泛关注。近日，太阳能光热联盟理事单位——中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司从技术角度对熔盐储能技术进行了介绍。
01 背景
在全球气候变暖和不可再生能源日渐枯竭的背景下，可再生能源的研究与开发快速发展。传统工业的低能源利用效率，太阳能、风能的不稳定性，均需要配套储能来解决能源供给与需求在时间、空间、强度上的不匹配问题。
2021年7月，《国家发展改革委国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》（发改能源规〔2021〕1051号）将发展新型储能作为提升能源电力系统调节能力、综合效率和安全保障能力，支撑新型电力系统建设的重要举措。意见鼓励以需求为向导，推动技术进步，探索开展储热及其他储能技术的研究和示范应用。
02 基本原理
熔盐是指熔融态下的液体盐，工程中使用的熔盐通常指无机盐熔融体。熔盐具有高沸点、低粘度、低蒸汽压力和高体积热的特点，是一种优良的传热储热介质。熔盐储能技术即利用熔盐在升温和降温过程中的温差实现热能存储。
03 光热发电领域
世界上第一个配置熔融盐蓄热储能技术的太阳能光热发电项目是Solar Two实验电站，它为熔融盐在光热发电领域的应用打下了基础。2009年3月成功运行的西班牙安达索尔槽式光热发电站配置了熔盐储热系统，成为全球首个商业化聚光太阳能电站。由中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司负责总承包的青海共和50MW光热电站采用了熔盐塔式技术路线，其熔盐储热系统可在无太阳的情况下，供发电系统继续满负荷运行6小时。
图1 中电建青海共和50MW共和光热发电项目
二元盐Solar Salt（60%硝酸钠+40%硝酸钾）是目前多数光热电站选用的传储热工质，其熔点为220℃，最高工作温度可达600℃。光热电站一般采用冷/热熔盐双储罐存放熔盐，冷熔盐贮罐内的熔融盐经熔盐泵输送到太阳能集热器内，吸收热能升温后进入热熔盐储罐中，随后高温熔融盐流进熔盐蒸汽发生器，产生过热蒸汽，驱动蒸汽涡轮机运行发电，而熔盐温度降低后流回冷熔盐储罐。光热发电站实际运行过程中，日照强度会不断变化，传储热系统需要依据各个节点管道内熔盐的温度、压力及时调整熔盐流速，以保障系统稳定工作，电站出力总体平稳。
图2 光热发电熔盐蓄热储能循环系统的工艺流程
04 供暖领域
谷电蓄热供热技术是近年来新兴的供热技术之一，利用夜间低谷电加热储能介质，将夜间富余的低谷电力转换为热能进行储存，待用热时进行供热，有效解决了能量供求时间上不匹配的问题，转移了富余的低谷电力，提高了能源综合利用效率，带来可观的经济效益。
熔盐储能技术可实现谷电蓄热，熔盐储能供暖系统原理如下图。在夜间谷电时段，熔盐泵将低温熔盐储罐内冷熔盐输送至熔盐加热器，利用谷电加热，并在高温储罐中存储，在日间用热时段，高温熔盐被熔盐泵抽出，流入熔盐-水换热器。市政用水在换热器中与高温熔盐换热成为热水，为住宅小区供给热能或热水。系统内熔盐降温后流回低温熔盐储罐。
图3 熔盐储能供暖系统原理
熔盐蓄热供暖系统与水蓄热、固体蓄热、箱变蓄热对比，综合占地面积、系统安全、使用寿命、储能密度等因素考虑，占有明显优势，详见表1。
表1 不同蓄热供暖技术对比表
05 余热回收领域
我国钢铁行业能源消耗一直居高不下，总耗能占全国工业耗能综合的15%左右，能源利用率偏低，仅为30%~50%左右[1]。钢铁工业所产生的余热温度范围较大，各个工序生产过程中形成的钢制品、钢渣废料、焦炭等都存在大量可回收的热量。目前广泛使用的转炉烟气余热回收系统，只能将高温余热转化为低品位的低压饱和蒸汽发电，余热资源利用不充分。
钢铁炉熔盐余热回收发电系统原理如下图，炼钢过程中产生的高温余热采用熔盐作为换热储能介质，烟气-熔盐换热器由多根并联的金属管束设置在烟腔内，上下端彼此连通。熔盐在管束中的流动方向与烟气的流动方向相反，低温熔盐从烟气出口进入管束，与烟气换热成为高温熔盐，存储在高温熔盐储罐中。高温熔盐通过熔盐泵依次经过过热器、蒸发器、预热器，与水换热成为低温熔盐，重回到低温熔盐储罐。蒸发器内生成的过热蒸汽驱动汽轮器发电。相比之下，钢铁炉熔盐余热回收发电系统可以使高温余热转化为高品质热能，产生稳定可持续的高温蒸汽，使发电功率和能源效率得到大幅提升，提高了余热发电系统的灵活性。
图4 钢铁炉熔盐余热回收发电系统原理
06 火电灵活性改造领域
火电灵活性改造的主要目标是改善火电机组的最小出力限制，扩大机组出力调节的幅度，减小热电联产组合中发电对发热的配比，即热电解耦。目前实现发电机组热电解耦的技术路线较多，熔盐储能技术是其中重要方法之一，其可与火电机组热力系统参数相匹配，显著改善火电机组供热调峰能力。
熔盐储能热电解耦系统原理如下图[2]，该系统利用高温蒸汽加热熔盐储能，并实现供热。当发电机组负荷较高，供热能力过剩时，系统转为储热模式，即低温熔盐经过蒸汽换热器加热成为高温熔盐，通过熔盐泵输送至高温熔盐储罐中存储。换热后的高温蒸汽温度降低，进入供热联箱，供应热能用户。当发电机组负荷低至供热参数无法保证时（＜65%），系统将进入放热模式，即高温熔盐作为加热源，依次经过过热器、蒸发器、预热器，加热水产生供热蒸汽，供应热能用户。通过热电解耦，火电机组将不受工业供热限制，发电机组的调峰能力得到提高，机组运行的灵活性得到了增加。
蒸汽加热熔盐储能的火电机组调峰技术与现有的火电机组调峰技术相比，具有能耗低、机组运行更节能可靠，改造成本低等优点。
图5 熔盐储能热电解耦系统原理
07 结语
熔盐储能技术还亟待更深入的工程研究及更广泛的应用场景挖掘。一批研究者正在探寻熔点更低，工作温度更高，工业制取更简单，储能效率更高的多元熔盐，以满足不断发展的储能需求[3]。随着研究不断深入，熔盐储能技术在减少环境污染和提高能源效率等方面将释放更大的潜力。（来源：中国电建西北院）
参考文献
[1]石峥,周华鑫,覃皓,冯乾.钢铁工业余热回收技术现状研究[J].科技风,2019.
[2]林俊光,仇秋玲,罗海华,赵申轶,张艳梅.熔盐储热技术的应用现状[J].上海电气技术,2021,14(02):70-73.
[3]李想. 多元熔盐储能材料的相图热力学计算及热物性研究[D].中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2019.
