1、前言
在全球氣候變暖和不可再生能源日漸枯竭的背景下,隨著國家雙碳戰(zhàn)略的落地,國家大力發(fā)展太陽能、風能等可再生能源。
太陽能、風能的不穩(wěn)定性以及末端用能的周期性峰谷波動,造成可再生能源利用效率不高。為適應(yīng)清潔可再生能源發(fā)電的特點,需要有配套儲能系統(tǒng)來解決能源供給與需求在時間、空間、強度上的不匹配問題,即在電能較多時將電能儲存于儲能系統(tǒng)中,在電能不足時通過儲能系統(tǒng)來發(fā)電對電網(wǎng)進行電能補充。
按照時長要求的不同,儲能的應(yīng)用場景大致可以分為容量型(≥4h)、能量型(約1~2h)、功率型(≤30min)和備用型(≥15min)四類。
容量型儲能:場景包括削峰填谷或離網(wǎng)儲能等
能量型儲能:具有調(diào)峰、調(diào)頻和緊急備用等多重功能
功率型儲能:主要用于調(diào)頻等
備用型儲能:可作為不間斷電源提供緊急電力

按應(yīng)場景劃分的儲能類型
在已知的清潔能源中,太陽能無疑是目前地球上可以開發(fā)的、儲量最多的可再生能源。但因受到季節(jié)分布和能耗需求不匹配的影響較大,如何將夏季的太陽能等熱能儲存于儲熱介質(zhì)中,在冬季將熱量釋放出來用于供暖,達到夏儲冬用的理想狀態(tài),成為當前行業(yè)主要研究發(fā)展方向。
當前,能量型儲能可以一定程度上緩解棄電現(xiàn)象,但不能完全實現(xiàn)“削峰填谷”,而采用容量型儲能可以更好調(diào)節(jié)電力供需,同時可以更加充分利用峰谷電價提高利潤。因此,容量型儲能成為了未來新型電力系統(tǒng)的重要方向。

熔鹽在各類劃分標準下的表現(xiàn)
在容量型儲能的諸多儲熱介質(zhì)之中,熔鹽具有儲熱密度大、黏度低、成本低、壽命長和效率高等方面的性能優(yōu)勢,成功脫穎而出。
2、什么是熔鹽儲熱
熔鹽是鹽類熔化形成的熔體,是由陽離子和陰離子組成的離子熔體。我們通常所說的熔鹽是指無機鹽的熔體,如堿金屬、堿土金屬的鹵化物以及硝酸鹽、硫酸鹽等的熔體。廣義的熔鹽還包括氧化物熔體和熔融有機物。
熔鹽在標準溫度和大氣壓下為固態(tài),而在溫度升高到一定程度之后轉(zhuǎn)化為液態(tài)。在特定的傳熱儲熱場合,可以根據(jù)工藝技術(shù)要求來選取不同類別的熔鹽單體,也可以按照一定比例通過復配方式來制成性能穩(wěn)定的混合共晶鹽,以完成特定的傳熱儲熱任務(wù)。

看似普通的熔鹽
如果利用棄風、棄光的電能以及“低谷電”來加熱熔鹽,從而把這些電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艽鎯ζ饋?,在用電高峰時再把這些熱能利用起來,這樣就可以通過供熱系統(tǒng)來替代燃煤(或天然氣)鍋爐進行供暖了。這樣既提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性,又改善了大氣環(huán)境,同時還可以緩解氣荒和降低運營成本。

熔鹽儲能熱電解耦系統(tǒng)原理
3、熔鹽儲熱的優(yōu)勢有哪些
在整個工作溫度范圍內(nèi),熔鹽始終保持液態(tài),吸收電能、輻射能等能量,當環(huán)境溫度低于熔鹽溫度時,再將熱能釋放出來,從而實現(xiàn)在升溫或降溫過程中的溫差存儲熱能。
因具有較寬液體溫度,儲熱溫差大、儲熱密度高、傳熱性能好、工作狀態(tài)穩(wěn)定、成本低等優(yōu)勢,適合大規(guī)模儲熱,單機可實現(xiàn)100兆瓦時以上的儲熱容量,成為儲能界一匹“黑馬”。
綜合來講,熔鹽儲熱優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下幾點:
(1)儲熱功率大,可以實現(xiàn)百兆瓦級儲能。例如甘肅省金昌市高溫熔鹽儲能綠色調(diào)峰電站儲能規(guī)模達到600MW/3600MWh;
(2)儲熱時間長,可以實現(xiàn)單日10h以上的儲熱能力。敦煌百兆瓦熔鹽塔式光熱電站的熔鹽儲熱時間可以達到11個小時,遠遠高于當前2-4小時的配儲比例要求;
(3)儲熱參數(shù)高,熔鹽儲熱溫度可達595℃或更高,放熱蒸汽參數(shù)可以達到亞臨界參數(shù),能驅(qū)動汽輪機進行發(fā)電;
(4)儲熱速度快,可以滿足負荷大幅度波動的調(diào)節(jié)需求;
(5)儲熱效率高,接近抽水蓄能綜合效率,能耗低;
(6)使用壽命長,熔鹽儲熱系統(tǒng)使用壽命可達30年以上;
(7)系統(tǒng)運行靈活,模塊化設(shè)計,儲熱功率模塊和容量模塊相互獨立,儲熱過程和發(fā)熱過程相互獨立,運行靈活,且可根據(jù)需求定制儲熱方案;
(8)運行安全可靠,帶有二元硝酸鹽的儲熱是一種安全性較高的儲熱方式。自1982年4月美國SOLAR ONE以來,全球669萬千瓦的太陽能熱發(fā)電裝機還未發(fā)生過類似鋰電爆炸等安全性事故,是一種高安全性的儲能方式;
(9)環(huán)保安全,不產(chǎn)生污染排放。
4、熔鹽儲熱的應(yīng)用領(lǐng)域與案例
熔鹽是通過儲存熱量的方式來儲存能量的,如果需要儲存的是電能,那整個流程中需要完成“電能——熱能——電能”的轉(zhuǎn)換,效率很低;
如果需要存儲的是熱能,在升溫和降溫過程中的溫差實現(xiàn)熱能存儲,整個過程是“熱能-電能”的轉(zhuǎn)換,當需要發(fā)電時,高溫罐熔鹽可以泵出,與水換熱產(chǎn)生蒸汽,推動汽輪機發(fā)電,損耗低、效率高。
熔鹽儲能可應(yīng)用在采用熱能發(fā)電的場景中,如光熱發(fā)電、火電廠改造等;或者應(yīng)用在終端能量需求為熱能而非電能的場景,如清潔供熱。
1)光熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用:熔鹽將儲熱和傳熱介質(zhì)合為一體,簡化電站系統(tǒng)組成。作為光熱發(fā)電的配套儲能設(shè)施,熔鹽儲熱系統(tǒng)可提高太陽能的利用率,減少功率波動,促進電網(wǎng)穩(wěn)定輸出。對于光熱發(fā)電來說,應(yīng)用較多的為二元熔鹽。常用的二元熔鹽為60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀的混合物。

2)為工業(yè)生產(chǎn)提供熱能:熔鹽儲熱系統(tǒng)的熱能利用效率高,可實現(xiàn)余熱、廢熱的回收利用,為工業(yè)園區(qū)的食品加工、紡織等企業(yè)提供穩(wěn)定持續(xù)的蒸汽、熱風等高品質(zhì)熱源。

3)發(fā)電站中儲能:在火電廠加裝熔鹽儲熱設(shè)備,可將其改造為儲能調(diào)峰電站,靈活輸出電力,儲熱可轉(zhuǎn)化成蒸汽為用戶供熱,提高電廠經(jīng)濟效益。

5、熔鹽儲熱的未來發(fā)展前景
當前,在我國“30·60”雙碳目標引領(lǐng)下,在充分利用綠色能源,自然無限量能量,也就是所說的跨季節(jié)儲熱方面,太陽能和風能利用具有很大的發(fā)展?jié)摿凸こ虄r值。
我國目前建成規(guī)模最大、吸熱塔最高、可24小時連續(xù)發(fā)電的100兆瓦級熔鹽塔式光熱電站——甘肅敦煌100兆瓦熔鹽塔式光熱電站,在占地7.8平方公里的發(fā)電站廠區(qū)內(nèi),140多萬平方米的定日鏡以同心圓狀圍繞著260米高的吸熱塔。
白天定日鏡就會將光線反射集中到吸熱塔頂部,對熔鹽進行加熱,其中一部分熱熔鹽進入蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)產(chǎn)生過熱蒸汽,驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電,一部分熱量存儲在熔鹽罐中,為夜晚滿負荷發(fā)電積蓄能量。
通過聚光吸熱、儲能換熱等環(huán)節(jié),這座電站年發(fā)電量達3.9億千瓦時,每年可減排二氧化碳35萬噸,釋放相當于1萬畝森林的環(huán)保效益,同時可創(chuàng)造經(jīng)濟效益3億至4億元。
該項目的成功并網(wǎng)投產(chǎn),意味著中國光熱發(fā)電企業(yè)已掌握建設(shè)大規(guī)模熔鹽塔式光熱電站的核心技術(shù),也為中國光熱發(fā)電企業(yè)立足國內(nèi)、邁向國際新能源市場積累了雄厚的技術(shù)儲備,是我國光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上重要的里程碑。

國家首批利用太陽能熱發(fā)電項目——新疆首個光熱發(fā)電示范項目,由中國能建承建的新疆哈密熔鹽塔式50MW光熱發(fā)電站,該項目首創(chuàng)了雙熱熔罐的配置,高效利用吸熱塔中的熔鹽吸收太陽光熱量,將約290攝氏度的熔鹽加熱成565攝氏度的高溫熔鹽,再經(jīng)過熱能交換產(chǎn)生高溫高壓蒸汽,推動汽輪發(fā)電機發(fā)電,
并配置13小時儲熱系統(tǒng),確保機組24小時連續(xù)穩(wěn)定運行,提高了機組的可靠性和靈活性。
該項目每年可提供1.98億度的清潔電力,對促進太陽能熱發(fā)電國產(chǎn)化進程、改善地區(qū)能源結(jié)構(gòu)、帶動當?shù)叵嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的意義。

同類型的工程,目前有世界上投資規(guī)模最大、裝機容量最大、熔鹽罐儲熱量最大的“光熱+光伏”混合發(fā)電項目,也是“一帶一路”建設(shè)的典型工程——阿聯(lián)酋迪拜950兆瓦光熱光伏電廠項目,占地面積44平方公里,相當于6000多個足球場大,實現(xiàn)了“光熱發(fā)電技術(shù)”和“光伏發(fā)電技術(shù)”的結(jié)合,通過塔式和槽式光熱機中安裝的7萬片集熱鏡,將大面積的陽光反射并匯聚到太陽能收集裝置,在太陽能的加熱下,收集裝置中的熔鹽升溫并熔化為液體,流入高溫熔鹽罐中儲存。

需要發(fā)電時,高溫熔鹽罐中的熔鹽將水加熱形成蒸汽帶動發(fā)電機發(fā)電。與普通光伏電站僅能在光照充足時工作不同,該光熱電站項目的一大特點是能夠大量儲存陽光充沛時產(chǎn)生的熱能,并在夜間或陰天時提供穩(wěn)定的電力,做到24小時連續(xù)穩(wěn)定地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。項目建成后可為迪拜32萬戶家庭提供綠色能源,每年可減少160萬噸碳排放。

還有目前世界最大容量的熔鹽塔式光熱電站——摩洛哥努奧三期項目,坐落在1430公頃荒漠地帶中,有65萬塊光伏鏡面裝置,該項目不僅是中摩‘一帶一路’建設(shè)最大的合作項目,也是摩洛哥境內(nèi)最大的工程項目。規(guī)劃項目完全建成后,供應(yīng)摩洛哥近50%的電力需求,擺脫其能源困境。

熔鹽以其獨特的儲能優(yōu)勢,迅速成為新能源發(fā)展中的一顆新星?!坝名}取暖”方興未艾,“用鹽發(fā)電”已成為光熱電站的標準配置。熔鹽儲能可以參與火電機組靈活性改造、利用谷電加熱熔鹽蓄熱工業(yè)供汽、利用谷電加熱熔鹽蓄熱集中供暖(“煤改電”)、利用棄風、棄光電加熱熔鹽蓄熱供暖、工業(yè)余熱利用等,熔鹽儲熱還可用于海水淡化、稠油開采、電網(wǎng)移峰填谷、分布式能源等多個領(lǐng)域,具有廣闊的發(fā)展前景。

在“30 60”雙碳目標背景下,發(fā)展以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為我國能源行業(yè)的時代需要。新型儲能是支撐構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備,對推動能源綠色轉(zhuǎn)型和保障能源安全具有重要意義,已成為大局所需、大勢所趨、行業(yè)所向,正迎來規(guī)?;?、融合化、數(shù)字化發(fā)展的大潮。
