熔盐储热技术的应用现状与研究进展

张钟平，刘亨，谢玉荣，赵大周，牟敏，陈桥

（1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.上海电力大学 能源与机械工程学院，上海 200090）

0 引言

随着可再生能源并网规模的迅猛发展，其间歇性与不稳定性对电力系统的安全稳定运行产生较大负面影响，须配置储能系统消纳可再生能源电力［1］。2022 年2 月10 日国家发展改革委员会、国家能源局发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》中指出，新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，是实现“双碳”目标的重要支撑。目前应大力发展火力发电机组抽汽蓄能等依托常规电源的新型储能技术，推进源网荷储一体化协同发展［2］。

熔盐作为一种中高温传热蓄热介质，与常规高温传热流体相比具有饱和蒸汽压较低、高温稳定性能优越、黏度低、比热容大的优势［3］，因此熔盐储热系统具有适用范围广、绿色环保、安全稳定等优点，是目前大规模、长时间、中高温储热技术的首选，不仅适用于太阳能热发电，还可应用于火力发电的灵活性改造、余热回收利用、清洁供暖等，是构建未来新型储能系统的关键技术之一［4］。本文重点介绍熔盐储热技术的特点，总结该技术在不同场景下的研究现状和最新的应用示范，分析目前需要加强研究的关键方面，总结并展示未来的发展趋势与目标。

1 熔盐储热技术特点

1.1 熔盐储热的优势

目前储能技术主要分为机械储能、电化学储能、储热、电磁储能及化学能储能等［5］，其发展现状、优缺点、容量范围等见表1。机械储能的应用受限于位置环境［6］，其中飞轮储能更适用于启动时间要求较高的快速调频领域，且成本较高［7］。电化学储能技术既包括较成熟的锂电池技术，也包括液流电池和钠硫电池等新兴技术。锂电池技术目前仍存在能量密度低、循环寿命短和安全性差等问题。液流电池与钠硫电池作为新兴的高效大容量储能电池，具有一定的应用前景，但成本还需要进一步控制［8］。电磁储能和化学储能目前还处于研发试验阶段，距离大规模应用还有一段距离［9］。与电化学储能和机械储能技术相比，储热技术的寿命更长、成本更低，比储电更加安全稳定［10］，并且在太阳能光热发电领域应用广泛，积累了丰富经验。

表1 各种储能技术的特点Table 1 Characteristics of various energy storage technologies

在储热技术中，熔盐是一种比较理想的储热介质。相比水储热，熔盐储热的工作温度区间更宽，可以在中高温储热场景使用［11］，因此熔盐储热技术可以在多种场景下应用。相比固体储热，熔盐储热具有稳定、寿命长、换热难度小等优势。综上所述，熔盐储热具有大规模、长时间、安全稳定以及不受选址限制的特点，是构建未来新型电力系统中极有前途的储能技术之一。

1.2 熔盐储热应用的关键

现阶段，熔盐储热技术要实现大规模应用还有一些关键技术问题需要解决。首先，熔盐材料是熔盐储热技术的根本，其热物理性质参数尚存在熔点高、比热容低、热导率低等不足，直接影响储热系统的运行，并导致系统占地面积及成本居高不下［12］。

近年来，国内外专家学者对高比热容、低熔点熔盐的制备及熔盐热物理性质参数的提升进行研究［13-19］，发现在熔盐材料中添加可溶性添加剂或纳米材料颗粒可以显著提升熔盐的储热性能［20-22］。Aljaerani 等［23］将CuO 纳米颗粒掺杂于三元硝酸熔盐（KNO3+NaNO2+NaNO3，也被称为HiTec盐）并分析了掺杂前后比热容、熔点和潜热、热稳定性的变化，如图1所示。结果表明，掺杂0.1%质量分数CuO纳米颗粒的HiTec 盐，比热容提高了5.6%，潜热提高了30.0%，热稳定性提高了9.0%。

图1 不同熔盐性能对比Fig.1 Performances of different molten salts

其次，熔盐换热器是熔盐储热系统中的关键部件之一，其设计不仅要考虑换热效率，还要考虑熔盐的腐蚀性，以及温度变化时熔盐可能凝固造成换热器堵塞等问题。因此熔盐换热器的设计也是近年来的研究热点［24-26］。最后，在熔盐储热系统集成方面还有一些关键技术，如高电压等级的电加热熔盐加热器［27］、耐腐蚀与高温的熔盐泵［28］、阀门、管道［29］及熔盐储罐［30］的设计选型与单罐、双罐、多罐系统的研发设计等［31-32］。

2 太阳能光热发电

熔盐储热已成功应用于国内外多个太阳能光热电站，以槽式导热油传热熔盐储热和熔盐塔式光热电站最为常见。2009 年，配置熔盐储热的西班牙安达索尔槽式光热发电站成功投入运行，成为全球首个商业化聚光太阳能电站。2010 年，意大利阿基米德建成以熔盐作为储热传热介质的4.9 MW 槽式聚光太阳能光热电站。2013 年，国内的青海中控德令哈10.0 MW 塔式熔盐光热电站实现并网发电，是我国首座成功投运的规模化储能光热电站。2018年，北京首航敦煌100.0 MW 塔式熔盐光热电站的建成，标志着我国自主研发的太阳能光热发电技术向商业化运行迈出了成功的一步。相比国外，我国的太阳能光热发电处于示范电站阶段，商业化运行也处于初级发展阶段，因此熔盐储热应用于太阳能光热发电有着广阔的市场空间［33］。

目前，常见的光热电站按光热和熔盐的耦合方式可分为间接与直接2 种，系统结构如图2 所示［34］。2 种系统流程的区别在于，间接熔盐储热系统需要设置换热装置进行换热，通常采用导热油或水蒸气作为传热介质，而直接熔盐储能不需要换热装置。因此，间接熔盐储热的工作温度一般在400 ℃以下，直接熔盐储热的工作温度适用于400～500 ℃。

图2 常见光热电站熔盐储热结构Fig.2 Structure of a common molten salt heat storage system in a photothermal power station

现阶段光热电站的冷却方式以空冷机组为主，但机组发电仍采用水蒸气朗肯循环。许多专家学者研究了基于S-CO2布雷顿循环的太阳能光热发电系统，以CO2替代水蒸气作为传热介质。系统运行时最高温度可达800 ℃，通常选用耐高温且性能稳定的氯化盐和碳酸盐，使系统获得循环效率高、系统紧凑、灵活性高等优点，更适我国缺少水资源的西部地区［35］。王智等［36］通过Ebsilon 软件模拟了青海塔里木地区30 MW再压缩S-CO2塔式太阳能光热布雷顿循环系统，其设计了使用45%LiCl+55%KCl作为传热介质的熔盐储热系统，总结了熔盐储满热量在各月所需时长与两分两至日系统供能情况，发现5—7 月熔盐系统的储热时间最短，11 月至次年1月储热时间最长，在无光源状态下机组可满功率发电10 h，如图3 所示。冬至日熔盐储热系统无法储满热，无光照下系统持续运行发电功率仅为17.34 MW，如图4所示。

图3 30 MW再压缩S-CO2塔式太阳能光热电站储热时长［36］Fig.3 Time of heat storage of a 30 MW re-compressed tower solar thermal power plant based on S-CO2［36］

图4 系统供能情况［36］Fig.4 Energy supply situation of system［36］

3 煤电灵活性改造

在太阳能光热发电领域广泛应用的二元硝酸盐（60%NaNO3+40%KNO3），其工作温度区间为221～565 ℃，刚好匹配火力发电系统的温度参数，因此熔盐储热技术也适用于火力发电机组的灵活性改造。以热电联产机组为例，此类机组需要长期向外供热，在调峰时段，机组的电负荷出力严重受限，调峰深度受到供热负荷的影响及“以热定电”的约束。将熔盐储热系统加入机组的热力系统，在适合的时段加热熔盐，待到调峰时段通过高温熔盐放热供暖，从而切除机组的热负荷，实现“热电解耦”的同时提高机组运行的灵活性。图5为火力发电机组的锅炉和汽轮机之间耦合大容量高温熔盐储热系统，为煤电机组灵活性改造提供了新的策略［37-39］。

图5 高温熔盐储热系统耦合燃煤机组Fig.5 High-temperature molten salt heat storage system coupled with coal-fired units

2022年12月，江苏国信靖江发电有限公司煤电机组耦合熔盐储热示范工程顺利投入运行，机组调峰容量达到75%额定负荷，标志着熔盐储热技术在煤电领域的应用取得新的突破。

近年来，许多专家学者通过软件模拟（如Ebsilon，Aspenplus 等）的方法对熔盐储热系统耦合火力发电机组实现调峰调频进行了深入研究［40-46］，选择的机组为350，600，660 MW 的火力发电机组，熔盐采用电加热或机组产生的蒸汽加热，模拟分析得出的结果见表2。

表2 近年来对熔盐储热系统耦合燃煤机组模拟的研究Table 2 Recent simulation studies on the molten salt heat storage system coupled with coal-fired units

邹小刚等［40］发现在他们设计的多种不同耦合流程中，电加热熔盐系统的循环热效率是最高的。刘金恺等［41］设计几种不同的电加热与蒸汽加热熔盐耦合煤电系统的方案，通过计算发现电加热熔盐储热，在放热时通过熔盐加热旁路给水的方案具有最佳的负荷调节能力，但电加热造成大量的㶲损失。由表2 可见，熔盐储热系统耦合煤电系统可以明显提高调峰能力、拓宽机组的运行区间及响应速度等参数。王惠杰等［44］模拟了塔式太阳能耦合燃煤机组，结果表明耦合之后可以降低火力发电机组的煤耗，同时熔盐储热系统消纳了更多的太阳能。

4 熔盐储热供暖与余热利用

利用夜间低谷电价时段的电能加热熔盐，待顶峰电价时段需要供热时，将熔盐储存的热量放出，通过换热器加热给水并实现供暖。放热后的冷熔盐再储存于储罐中，待到低谷电价时加热，重复循环使用，不仅实现了移峰填谷，还能消纳新能源发电，为电网的安稳运行提供保障，又能在一定程度上减少排放［47］，系统原理如图6a 所示。2016 年，河北辛集熔盐蓄热低谷电供暖项目投入运行，每年可节约燃煤699 t，减少CO2排放1 889 t，具有出色的环保效益［48］。

图6 熔盐储热余热利用案例Fig.6 Waste heat utilization project with molten salt heat storage system

在我国钢铁行业的生产过程中，存在大量可回收的余热，将这些余热回收用于发电、居民供暖将获得可观的收益。以炼钢炉为例，耦合熔盐储热系统实现发电的系统原理如图6b所示，炼钢过程中产生的高温烟气在烟腔内将低温熔盐加热至高温，高温熔盐通过过热器、蒸发器、预热器将给水加热成过热蒸汽并驱动汽轮机发电。

5 结论与展望

熔盐储热具有储能容量大、储存周期长、成本低等优点，是大规模储能的理想选择。熔盐储热已广泛应用于太阳能光热发电及火力发电机组的灵活性改造、供暖与余热回收利用等场景，并有一些代表性的示范项目，但在一些关键技术方面还有待提升。在熔盐材料方面，应研发出更加适合商业化的熔盐材料。以熔盐为工质的相关设备缺乏完善的制造标准和规范。在火力发电机组灵活性改造方面，标准尚未明确，以及对实际改造中将面临的问题缺少研究。

未来，熔盐材料的成本将明显降低，同时储热密度大大提高。熔盐储热系统的关键设备形成明确的制造标准，系统集成形成规范的评价体系，应用于各场景的技术实现统一配套。熔盐储热技术将实现大规模的商业化，成为新型电力系统中成熟的储能技术之一。