5月25日下午，北京工業(yè)大學(xué)傳熱與能源利用北京市重點實驗室主任吳玉庭受邀在長時儲能技術(shù)及應(yīng)用專場分享了主題報告，報告題目為《雙碳目標(biāo)下熔鹽長時儲能應(yīng)用前景及研發(fā)進(jìn)展》。以下是報告主要內(nèi)容：

吳玉庭：女士們、先生們，下午好！我講的題目是“雙碳目標(biāo)下熔鹽長時儲能應(yīng)用前景及研發(fā)進(jìn)展”，我來自北京工業(yè)大學(xué)，大家都知道熔鹽是無機鹽及其混合物的熔融體，它在常溫下是一種白色的粉末，但是當(dāng)它加熱到熔點以上，它就會變成像水一樣流動的流體。單一無機鹽的液體溫度范圍非常窄，因此要作為傳熱流體必須把兩種以上的無機鹽按照一定比例混合在一起，可以形成共晶混合物，可以顯著降低熔點，提高溫度，進(jìn)一步拓寬液體溫度的范圍。因此我們傳熱蓄熱領(lǐng)域一般采用混合熔鹽。

因為我們在傳熱蓄熱領(lǐng)域，隨著太陽能熱發(fā)電、高溫儲能以及高溫工業(yè)傳熱的需求，特別需要幾百度的高溫傳熱介質(zhì)，這種情況下，如果液體作為蓄熱的介質(zhì)，我們可選擇的范圍比較窄，有水蒸氣、導(dǎo)熱油、液體金屬、空氣和熔鹽等等。

總之，熔鹽在整個傳熱蓄熱的溫度范圍內(nèi)都是液體，因此它的傳熱性能非常好，傳熱比較穩(wěn)定，另外在一個大氣壓下可以有非常寬的液體溫度范圍，使用溫度比較高，價格也低，安全可靠。因此熔鹽是一種理想的高溫傳熱介質(zhì)，同時也是一種理想的高溫蓄熱介質(zhì)。我們所有說的熔鹽儲熱是用它的液體段進(jìn)行儲熱，這是有別于相變儲能，我們是顯熱儲熱，用的是液體段，一般是采用雙罐儲熱，一個低溫罐，一個高溫罐，在低溫罐的熔鹽抽出來，經(jīng)過一個加熱器，可以把它加熱成高溫，在高溫中儲存熱能，在我們需要熱能的時候再從高溫罐抽出熔鹽，經(jīng)過一個熔鹽換熱器加熱流體，從而產(chǎn)生熱的流體。換熱以后的低溫熔鹽換到低溫罐，這樣就完成了儲熱和釋熱的過程。

熔鹽儲熱系統(tǒng)主要的優(yōu)點就是儲能密度高，質(zhì)量儲能密度是水的2-3倍，體積儲能密度更大，另外它的儲能成本低，還有一個是最大的好處就是儲熱的最高溫度與取熱流體的出口溫度比較接近。比如我們熱鹽罐溫度是565度，我們要是產(chǎn)生水蒸氣的話，我們可以產(chǎn)生550℃的水蒸氣，這是其他的像固體儲熱非常難以做到的，對于雙管罐儲熱是非常容易做到的，它儲熱的最高溫度與取熱流體的最高問題比較接近。

另外一個優(yōu)點是換熱器和電加熱器的進(jìn)出口溫度在整個儲放熱過程中能一直保持恒定，比如說電加熱器進(jìn)口溫度200度，從低溫儲罐剛開始抽一直到把低溫罐的鹽抽完，一直能保持200℃的電加熱器進(jìn)口溫度。最后換熱器也是一樣，高溫罐抽出的鹽是565度，滿罐子到抽完，一直能保持565℃。而且我們可以通過改變它的流量，精準(zhǔn)的調(diào)控它的儲熱和釋熱速率。

大家也都知道，因為我們實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和，必須要求在2060年采用以可再生能源為主，可再生能源的比例將達(dá)到80%。因此，雖然現(xiàn)在抽水蓄能在整個儲能中占比非常高，86%。但是由于資源條件的限制，單靠抽水蓄能是沒有辦法滿足高比例可再生能源對儲能系統(tǒng)的巨大需求，缺口是非常大的。因此，迫切要求發(fā)展儲存性能之外的低成本、大容量的新型儲能技術(shù)。

因為熔鹽最終釋放是熱量，實際上在整個人類社會的能耗中，熱能是占主要地位的。咱們覺得電是非常厲害的，但是電能只占17%，實際上人們大量需要的是熱能，51%。因此，熱能需求市場常大。而且，熔鹽儲熱不僅可以滿足熱能的需求，它還可以用于發(fā)電。熔鹽儲熱可以在供電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)都可以發(fā)揮作用。

下面介紹一下熔鹽傳熱的應(yīng)用場景，第一個大家都知道的太陽能光熱發(fā)電，因為大家都知道光伏和風(fēng)力發(fā)電它最大的問題是間歇性。目前來說大規(guī)模的儲能還是有難度，但是對于太陽能熱發(fā)電它跟低成本的、長壽命的熔鹽傳熱相結(jié)合，因此它發(fā)的電是連續(xù)穩(wěn)定可以調(diào)節(jié)的，這是太陽能光熱發(fā)電和其他的光伏風(fēng)力發(fā)電最大的優(yōu)勢。

另外光的發(fā)電，如果作為一個儲能電站，調(diào)節(jié)型的電站，調(diào)峰電站它跟燃煤發(fā)電相比的話，它具有負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、它可以從20%調(diào)到100%，具有升溫速度快、氣輪機的啟動速度快等一系列的優(yōu)點。另外跟光伏發(fā)電相比，如果光伏發(fā)電要是配上同樣跟太陽能熱發(fā)電同樣能力的磷酸鐵鋰儲能，這樣比較的話，實際上它的電價目前還比較高的。為什么光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)在電價低，主要是它沒有配置功儲能，所以它的電價低。因此，要走高比例可再生能源之路，只有光伏和風(fēng)電是沒有辦法實現(xiàn)的，必須是光熱、光伏和風(fēng)電協(xié)同發(fā)展，才能實現(xiàn)這個目標(biāo)。

國務(wù)院在2022年頒布的關(guān)于碳達(dá)峰行動方案的通知之中也明確指出，積極發(fā)展太陽能光熱發(fā)電，推動建立光熱發(fā)電與光伏發(fā)電、風(fēng)電互補調(diào)節(jié)的綜合可再生能源發(fā)電基地。而且，在這個文件頒布出來以后，無論是我們在新疆，還是在內(nèi)蒙古，還是在東北吉林在建的配的光熱項目目前已經(jīng)超過了400萬千瓦。

在太陽能熱發(fā)電從它誕生的一開始，就是跟熔鹽儲能的結(jié)合，比如說對于槽式光熱電站，它就用大容量的熔鹽儲熱耦合導(dǎo)熱油傳熱這樣的模式，全世界已有25座這樣的槽式太陽能熱電站成功投運，最長的已經(jīng)有18年的運行經(jīng)驗。已經(jīng)證明了大容量的熔鹽傳熱是非常好的儲能技術(shù)。

導(dǎo)熱油做槽式光熱電站的傳熱介質(zhì)，導(dǎo)熱油最高溫度只有400度，現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是熔鹽既做傳熱介質(zhì)，又做蓄熱介質(zhì)。這樣的話，可以把汽輪機入口蒸汽參數(shù)由370多度提高到535度，這樣就大幅度的提高了光熱發(fā)電的效率。這個在意大利有一個五兆瓦的示范電站，咱們國家做了800米長的槽式熔鹽傳熱回路，現(xiàn)在正在建設(shè)一個50兆瓦的熔鹽傳熱槽式光熱電站。

對于塔式光熱電站，實際上現(xiàn)在包括美國、西班牙、摩洛哥，在我們國家新疆哈密等等都是采用熔鹽作為傳熱和蓄熱的介質(zhì)，在吸熱器里面就把熔鹽作為吸熱的工質(zhì)，同時用大容量熔鹽儲熱，這種技術(shù)目前來說它已經(jīng)建成了八座，裝機容量達(dá)到了580兆瓦。

對于線性菲涅爾，現(xiàn)在既用熔鹽做傳熱工質(zhì)，又做蓄熱工質(zhì)。這個我們國家已經(jīng)走在了全世界的前列，在蘭州建設(shè)了線性菲涅爾50兆瓦的光熱電站，這個運行的也非常的成功。

熔鹽儲熱另外一個用途是現(xiàn)在大量的風(fēng)電和光電急需一種儲能技術(shù)，它可以跟熔鹽儲熱結(jié)合起來，熔鹽儲熱系統(tǒng)可帶一個汽輪機，這樣的話就可以在它棄風(fēng)棄光的時候把電能轉(zhuǎn)換為熱能儲存起來，在高峰用的時候再放出來，驅(qū)動汽輪機發(fā)電，同時它還可以實現(xiàn)熱電冷三聯(lián)供，它既可以供電，又可以供熱，又可以供冷。這種技術(shù)跟風(fēng)光結(jié)合起來，尤其是風(fēng)光綜合能源系統(tǒng)，用熔鹽做儲能是一種非常好的技術(shù)，而且它具有成本低、壽命長的好處。

現(xiàn)在有好幾個大的熔鹽儲能電站啟動建設(shè)，分別在湖南和山東省的壽光市，另外咱們紹興建的熔鹽儲熱示范工程，就是用風(fēng)電和光電來加熱熔鹽儲熱，來實現(xiàn)熱電聯(lián)供。這個在去年開始運行，一年可以發(fā)電6370萬千瓦時，年產(chǎn)蒸汽84萬噸。

電加熱熔鹽儲熱發(fā)電，要想跟抽水蓄能電站的效率相當(dāng)?shù)脑挘仨氁裙嵊职l(fā)電。但是如果要是沒有用熱需求的地方怎么辦？我們可以用氣體壓縮熱泵加熱熔鹽儲熱發(fā)電，我們不是用電直接加熱來儲存，是用電帶動一個熱泵來產(chǎn)生高溫?zé)崃浚@樣的話，熱泵循環(huán)COP可達(dá)到1.5~2。釋熱階段發(fā)電，就用咱們傳統(tǒng)的布雷頓循環(huán)來發(fā)電。這樣的話，就可以做到40%的釋熱發(fā)電效率，這樣兩個效率乘積就是氣體壓縮熱泵加熱熔鹽儲熱發(fā)電系統(tǒng)的電-電往返效率，該系統(tǒng)電-電的往返效率就可以做到60%—80%。這樣就完全跟抽水蓄能，壓縮空氣蓄能的效率相當(dāng)，而且沒有用熱需求的場合是非常適合的，這也是一項前沿技術(shù)。現(xiàn)在包括國外和我們國家都在研發(fā)這項技術(shù)，將來有望成為大規(guī)模儲能電站的技術(shù)。

熔鹽儲熱第三個用途就是火電廠靈活性改造，現(xiàn)在為了消納可再生能源發(fā)電，火電廠要進(jìn)行深度的調(diào)峰，甚至要求零功率發(fā)電，零功率上網(wǎng)。但電站鍋爐沒辦法實現(xiàn)零功率或者是低功率。比如說40%是最好做到的，現(xiàn)在的先進(jìn)技術(shù)可降到30%。但是要實現(xiàn)更深的15%的發(fā)電，它就得加上儲熱來實現(xiàn)。加上儲熱，如果供熱的話完全可以用水儲熱做，但是如果沒有熱用戶，它要給工業(yè)用，必須要用熔鹽傳熱結(jié)合起來。現(xiàn)在火電廠靈活性改造，大家可以注意到，有很多要配熔鹽儲熱的工程。現(xiàn)在建成的就是江蘇靖江發(fā)電公司用的電加熱，電場發(fā)的電不讓它上，用電加熱熔鹽儲熱，給工業(yè)供蒸汽。這個已經(jīng)是2022年12月正式的投入運行。在內(nèi)蒙古魏家峁火電站，采用電廠抽的再熱蒸汽加熱熔鹽進(jìn)行儲能。在發(fā)電的高峰期，熔鹽釋熱加熱給水，這樣的話，它在用電的高峰期就可以節(jié)省煤耗，這樣的系統(tǒng)也在今年的5月15日成功的投入運行，使用了北工大研發(fā)、河北井礦新能源生產(chǎn)的260噸低熔點熔鹽。

熔鹽儲熱第四個用途就是清潔能源供熱，因為現(xiàn)在不讓燒煤了，所以必須得用電加熱來供熱。電加熱因為晚上的谷電比較便宜，這樣可以用晚上低價的供谷電或者是不能上網(wǎng)的風(fēng)/光電加熱來儲熱，白天利用儲熱系統(tǒng)放出的熱就可以為工業(yè)供熱或建筑供暖了。實際上熔鹽儲熱而言，它在工業(yè)供熱更具優(yōu)勢。因為建筑供暖只有一個采暖季，就是三個月到五個月的采暖季的運行，夏天就不運行了。但是對于工業(yè)供熱是一年四季都需要，而且對于建筑供熱它需要用的熱，可以用水蓄熱，也可以用固體蓄熱。但是工業(yè)供熱的話，熔鹽儲熱都是有得天獨厚的優(yōu)勢，有的儲熱沒辦法做到，但是熔鹽儲熱可以做到。用這種辦法給工業(yè)供蒸汽是一種非常好的方式。我們也在河北做了兩個示范工程，一個是7萬平方米的建筑供熱，使用了我們自主研發(fā)的450噸低熔點二元熔鹽。一個是2萬平方米的建筑供熱，用的是200噸熔鹽。這兩個工程都成功的運行了數(shù)年，一個運行了三年，一個運行了四年。另外北京熱力公司建了一個熔鹽儲熱示范工程，西子航空公司用屋頂光伏電加熱，給熔鹽傳熱供蒸汽。

另外，在太陽能的供熱里頭如果用槽式聚光或者是線性菲涅爾聚光的話，它可以用來做供熱或者是熱電冷聯(lián)供，這個也是在西部地區(qū)太陽能資源豐富的地區(qū)是有非常好的用途。我們在河北的臨城也建成了8000瓦的槽式聚光加熱熔鹽，再用熔鹽來傳熱蓄熱，驅(qū)動一個單螺桿膨脹機有機朗肯循環(huán)發(fā)電的示范系統(tǒng)。

另外現(xiàn)在壓縮空氣儲能，可以用熔鹽來回收儲存它的壓縮熱，這樣可以提高壓縮空氣儲能的效率，電-電效率可提高3—6個百分點。這個我們跟中能建數(shù)科集團(tuán)在合作，開發(fā)壓縮空氣儲能用的低溫熔鹽。

另外一個就是余熱利用，因為現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域有很多的間歇性余熱，這些余熱的溫度比較高，但是它是間歇性的。如果配上熔鹽儲熱，把間歇性余熱變成連續(xù)性熱量再來使用，無論發(fā)電還是什么，這個都是非常有前景的。

在工業(yè)傳熱領(lǐng)域，現(xiàn)在用熔鹽傳熱超快冷卻軋制超級鋼，用熔鹽冷卻比水冷卻可以提高鋼的強度。同時，它回收的余熱比水的溫度要高的多，還可以進(jìn)行余熱發(fā)電，所以它是有非常大的用途。熔鹽傳熱在其他的行業(yè)，都可以作為一種高溫的傳熱工質(zhì)來使用。熔鹽高溫傳熱在核電領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。總之，熔鹽傳熱它未來的發(fā)展前景挺好的，光熱發(fā)電熔鹽儲能裝機容量已經(jīng)達(dá)到了21 GWh，未來預(yù)測到2030年將達(dá)到630 GWh，因此還是非常大的，每年有百億美元以上的市場。

我們北工大實際上從2003年開始做熔鹽儲熱，也有一個非常大的團(tuán)隊在做熔鹽儲熱。所以這里面我們也是三代人結(jié)合，老中青結(jié)合來做了幾十年的熔鹽儲熱。我們主要從三個方面做，一個是現(xiàn)有熔鹽存在液體溫域窄、熔點高和分解溫度低的缺陷，我們就進(jìn)行革新，致力于先進(jìn)低熔點高分解溫度寬液體溫域熔鹽研發(fā)。另外一個熔鹽對流傳熱機理、熔鹽換熱器、熔鹽電加熱器等等關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)。另外一個就是原來熔鹽傳熱主要用在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，我們把它推廣到了清潔能源供暖，火電靈活性改造，熔鹽儲能電站等新型應(yīng)用領(lǐng)域。

我們在熔鹽方面先后獲得了國家重點研發(fā)計劃項目及課題，國家863計劃，973計劃、國際合作項目等一系列項目的支持，總共得到了有六千多萬元的支持。同時也發(fā)表了國際期刊論文有79篇，有一系列授權(quán)的發(fā)明專利。同時我們也參與了關(guān)于蓄熱型電加熱性置、工業(yè)余熱梯級綜合利用導(dǎo)則，太陽能中低溫蓄熱裝置，太陽能光熱發(fā)電傳熱蓄熱熔鹽技術(shù)要求等國家標(biāo)準(zhǔn)編寫，也參與了一系列行業(yè)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定。我們也建設(shè)了完整的測試平臺，可以進(jìn)行熔鹽各種的物理性能和腐蝕性能，以及它的穩(wěn)定性能的測試。在低熔點熔鹽研發(fā)方面，目前在光熱發(fā)電中用的熔鹽都是太陽鹽，我們廣大用的太陽熱，它的熔點（凝固點）是220度，我們開發(fā)了一系列的熔鹽，我們的熔點都降到了100度附近，有80多度，90多度，還有110多度。我們的使用溫度達(dá)到了600溫度以上，同時我們也開發(fā)了熔點是132度，分解溫度是734度的寬液體溫域熔鹽，特別適合二氧化碳的發(fā)電，還有一些高溫工業(yè)傳熱等領(lǐng)域的使用。我們低熔點熔鹽方面發(fā)表的國際SCI期刊論文在全球排名第一。我們在熔鹽當(dāng)中添加納米粒子，可以提高它的比熱20%，同時可以提高對流傳熱系數(shù)40%。我們也是在國際上第二個建立的熔鹽對流傳熱實驗臺的單位，我們把我們的研究結(jié)果跟美國的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，提出了熔鹽對流傳熱通用的關(guān)聯(lián)式，美國愛達(dá)荷試驗室的兩篇報告都大篇幅引用我們的論文，把我們推薦的六個熔鹽對流傳熱公式作為唯一的計算公式推薦。還有各種自然對流的傳熱，另外一個我們?yōu)榱藵M足鋼鐵，因為鋼鐵它要超快冷卻，我們在世界上首次做了熔鹽的射流沖擊傳熱，進(jìn)行了數(shù)字值模擬和實驗。另外我們做熔鹽的腐蝕性，我們大量做了熔鹽的動態(tài)腐蝕。熔鹽在流動的狀態(tài)下，我們建立了熔鹽的動態(tài)腐蝕實驗，這在世界上我們也是少數(shù)幾個動態(tài)腐蝕研究單位之一。

另外對熔鹽的設(shè)備，比如說熔鹽的儲罐方面，我們做了大量的數(shù)值模擬，找到它的薄弱環(huán)節(jié)，提出應(yīng)對措施。另外熔鹽的電加熱，這是我們開發(fā)的6兆瓦的鹽電加熱器，還有電磁加熱的熔鹽電加熱器我們也研制出了樣機。另外我們進(jìn)行了各種熔鹽換熱器研發(fā)，包括熔鹽-壓縮空氣、熔鹽-水/蒸汽、熔鹽-有機工質(zhì)、印刷電路板換熱器、纏繞管換熱器等等。同時我們也在樓頂建了一個槽式聚光熔鹽傳熱蓄熱試驗臺，進(jìn)行了長期的實驗。另外我們?yōu)榱酸槍π⌒托顭岬男枨螅覀冮_發(fā)了單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)，因為對于小型系統(tǒng)分布式儲熱系統(tǒng)，雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)存在占地面積大和熔鹽泵選型難得缺陷，為此我們開發(fā)了小型單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)，已經(jīng)在呼和浩特體育場館的供熱中獲得了應(yīng)用。

這是我們建的雙罐熔鹽儲熱綠色供熱示范工程，剛才已經(jīng)說過了。另外我們的低熔點熔鹽也在熔鹽傳熱蓄熱中得到了大量的應(yīng)用，這是在南通的鋼鐵生產(chǎn)線上用的我們研發(fā)的低熔點高分解溫度熔鹽，可以在600度以上冷卻鋼鐵。我們也成立了河北井礦新能源科技公司，進(jìn)行熔鹽材料和設(shè)備批量供應(yīng)、系統(tǒng)的工程技術(shù)服務(wù)。同時我們跟浙江高晟光熱發(fā)電研究院成立了聯(lián)合研究實驗室，開發(fā)高溫的混合熔鹽，跟中能建數(shù)科集團(tuán)成立了聯(lián)合研發(fā)中心來開發(fā)壓縮空氣用的低溫熔鹽，能適用到150度的低溫熔鹽。我們的熔鹽也在工業(yè)領(lǐng)域，熔鹽傳熱等等得到了廣泛的應(yīng)用。

感謝大家，這是我的報告，謝謝大家。