近年來,隨著我國新能源發電規模持續快速增長,新型儲能進入大規模發展期。“十四五”以來,新增新型儲能裝機直接推動經濟投資超過1000億元,有力支撐能源電力發展,成為中國經濟發展新動能。
今年的《政府工作報告》提出,加強大型風電光伏基地和外送通道建設,推動分布式能源開發利用,提高電網對清潔能源的接納、配置和調控能力,發展新型儲能,促進綠電使用和國際互認,發揮煤炭、煤電兜底作用,確保經濟社會發展用能需求。這是我國首次將“發展新型儲能”寫進政府工作報告。
儲能發展現狀
我國出臺了一系列相關政策,促進和鼓勵儲能項目開發建設。“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要提出,加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規模化應用。2022年1月,國家發展改革委和國家能源局聯合印發的《“十四五”新型儲能發展實施方案》提出,到2025年,新型儲能由商業化初期步入規模化發展階段,具備大規模商業化應用條件;到2030年,新型儲能全面市場化發展。
國家能源局數據顯示,截至2023年底,全國已經建成投運新型儲能項目累計裝機規模達3139萬千瓦/6687萬千瓦時,平均儲能時長2.1小時。2023年新增裝機規模約2260萬千瓦/4870萬千瓦時,較2022年底增長超過260%。
按照存儲介質的不同,儲能賽道的技術路徑可分為新型儲能和傳統儲能,其中傳統儲能以抽水蓄能為代表,適合大電網的能量調配,而建設周期短、選址靈活、響應速度快的新型儲能,則更適合給以風電光伏為代表的可再生能源項目做配套,比如說,熔鹽儲能。
熔鹽儲熱系統
熔鹽儲熱(儲能)技術是一種先進的熱能儲存系統。其核心原理是將熱能儲存在高溫熔化的鹽溶液中,以供后續轉化為電力或熱能,具有理論成本低、工作溫度高、環境友好等特點。一個熔鹽儲熱項目的關鍵部分包括冷/熱鹽儲罐、電加熱器、換熱器以及配套的汽輪機等組件。詳見下圖。
在充電階段,電加熱器使用外部電力產生熱能,用以加熱鹽溶液,將其升溫至高溫狀態,通常可達600攝氏度。熔鹽儲熱系統儲能媒介通常是一種含有鉀和硝酸鈉的混合物,具有良好的熱特性和長壽命,不僅可以在高溫下儲存大量熱能,還具有環保性,不會泄漏或對環境造成危害。在放電階段,高溫的熔鹽通過熱交換器將熱能傳遞給流體介質,通常是高溫油。該介質隨后被用于產生高溫高壓蒸汽,以驅動汽輪機來生產電力。同時,冷卻的熔鹽則被泵回冷鹽儲罐,準備好參與到下次儲能過程當中。
理論上,熔鹽儲熱是一種高效且環保的能源儲存系統,能夠供熱的特性使其從其他儲能技術中脫穎而出。它可以用于電力領域,直接供應高溫蒸汽以發電,也可以直接為工業園區供熱以及高壓蒸汽,有助于減少工業對化石燃料的依賴,降低碳排放。該技術具有廣泛的應用前景,有望為能源行業的可持續發展提供有力支持。
由于熔鹽儲能獨特的儲熱能力,其應用場景與當下主流的電化學儲能略有差異。近年來,熔鹽儲熱技術開始在多個領域嶄露頭角,如光熱電站、火電靈活性改造、工業余熱回收、蓄熱空調、城市供熱等。其中,以太陽能光熱發電與火電靈活性改造這兩個領域的推廣應用最為廣泛,部分項目已實現商業化運行。
熔鹽儲熱主要設備
█熔融鹽
熔融鹽是熔鹽儲熱技術的核心,它是在高溫條件下呈熔化狀態的鹽類。通常情況下指無機鹽的熔化體,包括一系列常見的鹽類,如NaNO3、KNO3、Ca(NO3)2、Na2CO3、K2CO3、NaCl、KCl等,均為農業化肥的常見原材料,常溫下化學性質穩定。廣義上還包括氧化物和有機鹽。目前行業多采用混合鹽作為熔融鹽使用,對比熔點高、熱穩定性過強的單一成分熔鹽,混合鹽具有較低的熔點和較高的分解溫度,能夠滿足各種應用對高溫傳熱和溫度的需求,在匹配應用層面不同工作溫度的同時,保持了熔鹽的熱穩定性和低飽和蒸汽壓等一系列優點。調整混合鹽的成分和比例可以獲得多種具有不同熔點、分解溫度和適用工作溫度范圍的混合鹽,因此,尋找熔點低、分解溫度高的混合熔融鹽成為熔鹽儲熱技術的研究重點之一。
熔融鹽相比其他儲熱介質具有諸多特點。首先,熔融鹽是一種離子體,具有良好的導電性能,導電率遠高于常規電解質溶液,這使得電加熱過程非常方便。其次,熔融鹽具有廣泛的使用溫度范圍,通常在280°C到1000°C之間,而新型低熔點鹽的最低使用溫度甚至達到了80°C,能夠匹配絕大部分工業應用的溫度需求。此外,熔融鹽的飽和蒸汽壓較低,降低了設備成本,提高了安全性。此外,它的液態狀態下粘度較低,具有良好的化學穩定性和熱穩定性,同時原料容易獲得,價格相對較低。
█儲鹽罐
儲鹽罐是存儲熔融鹽的關鍵設備,通常以不銹鋼、碳鋼作為制造原材料。儲鹽罐外部和地基通常會覆蓋較厚的保溫層,助于減少內部熱能向外散失,從而降低了能量損耗。罐頂通常設計有與熔鹽泵相連接的孔,同時設有安全閥,以確保罐內的壓力維持在常壓范圍內。罐內通常設置有浸入式電加熱器,其任務是在系統停用或需要時維持熔融鹽的溫度,保證存儲的熱能在需要時被有效地釋放。此外,為防止混凝土層溫度超溫,系統還增設了通風層,通風層中的鋼管布置得當,確保了系統的溫度控制。這種精心設計的系統保障了熔鹽儲熱技術的安全性和高效性。
構成熔鹽儲熱系統的其他設備還包括換熱器、熔鹽泵、熔鹽閥、疏鹽罐等,它們在整個系統中發揮著重要的作用。
熔鹽閥
熔鹽具有運行溫度高、凝固點高、運行溫差變化大和腐蝕性強等特點,對與其直接接觸的熔鹽閥、熔鹽泵、儲罐等設備以及管道系統的設計、生產與制造均提出了較高的要求。
熔鹽閥與常規閥門類似,需要額外配備電伴熱系統,確保了熔鹽在系統中穩定高效流動。在光熱電站的傳熱以及蓄熱系統都采用熔鹽介質,其設備如吸熱塔和冷/熱熔鹽儲罐需要安裝開關及調節閥門,來控制調節工藝流程。一般采用閘閥、截止閥或三偏心蝶閥,安裝在這里的閥門必須滿足下述工況:耐高溫,設計溫度高達595℃;閥門的熱傳導效率高,保證熔鹽始終在其凝固點之上;很好的耐腐蝕性。
目前在熔鹽閥門方面,技術及產品儲備較好的企業有哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司、北京市閥門總廠股份有限公司、浙江高中壓閥門有限公司、重慶川儀調節閥有限公司、北京佳潔能新節能技術有限公司等。其中,哈電閥門是目前國內熔鹽閥門領域業績最高、種類最全、技術儲備最雄厚的公司。
國內相關閥企參與的重點項目包括:
█北京佳潔能新節能技術有限公司
·蘭州大成50MW光熱項目集熱島先期運行系統
·玉門鑫能50MW光熱發電示范項目
·中國能建哈密塔式50MW光熱發電項目
·中國科學院上海應用物理研究所熔鹽回路
·中國科學院上海應用物理研究所超高溫(730℃)熔鹽儲能試驗回路
█浙江萬龍機械有限公司
·向青海某50MW光熱發電項目提供化鹽系統熔鹽截止閥
·向玉門鑫能50MW二次反射塔式光熱項目供貨40臺熔鹽閥產品
·向天津濱海阿克塞試驗回路供應熔鹽截止閥
█哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司
·向青海中控德令哈50MW塔式光熱電站提供熔鹽管路安全閥
·青海某50MW光熱發電項目熔鹽調節閥
█浙江高中壓閥門有限公司
·國內某10MW光熱發電項目
·中標玉門鑫能50MW塔式光熱發電項目熔鹽截止閥
·中標國內某50MW塔式光熱發電項目熔鹽截止閥
█北京市閥門總廠股份有限公司
·中科院電工所光熱試驗項目
·東方鍋爐酒泉光熱試驗項目
·清蕓陽光-清華大學實驗室項目
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熔鹽儲熱技術符合清潔能源行業的發展要求,為應對能源轉型挑戰提供了另一套可行的解決方案。未來,熔鹽儲熱技術將繼續受到研究和發展的支持,以提高儲能效率、降低成本,并擴大其應用領域。熔鹽儲熱的產業發展有助于建立更加可持續和綠色的能源體系,為未來的能源供應和環境保護作出積極貢獻。