熔盐储能发展及其安全问题浅析

熔盐储热技术在能源行业中扮演着重要角色，是解决清洁能源的消纳和可持续能源应用的潜在管家技术。其广泛应用于光热、火电调峰能源系统中，为解决能源供应的不稳定性和不可预测性提供了创新性解决方案。该技术利用熔融盐储存和释放热能，弥补了可再生能源波动性与电力需求之间的差异，通过将太阳能或风能转化为热能储存，提高了电力系统的可靠性和稳定性。 这不仅扩大了可再生能源的整体渗透率，也为电力网络提供了更灵活的能源调度方式。 尽管熔盐储热技术已在全球范围内有数十年的应用历史，但2023年的丰鹤电厂熔盐储热项目高温爆裂事故后，行业开始重新审视这一技术的安全问题。 熔盐储热面临的安全性风险，主要包括缺乏统一的安全标准、熔融盐物理性质特殊且成分复杂、系统层面问题具有特殊性等方。针对这些风险，应该加快推进行业安全标准的出台、全生命周期管理、提升熔盐储热项目的整体安全性等方面。 随着行业发展，熔盐储热技术有着广阔的发展空间，尤其在大规模长时储能方向。未来的发展方向包括高性能熔融盐的研发、系统构架的不断改进、新的储热材料和系统设计的应用等方面。熔盐储热技术将持续受到研究和发展的支持，以提高储能效率、降低成本，并扩大其应用领域，有望成为建立可持续和绿色能源体系的重要支柱。 风险提示：技术不确定性：熔盐储能技术尚处于发展阶段，存在技术成熟度不高的风险。新型熔盐配方、系统设计或储能设备可能面临未知问题或挑战，导致性能不稳定或不符合预期。安全隐患：熔盐储能系统涉及高温高压环境，存在着泄漏、火灾或爆炸等安全隐患。需要关注安全措施的落实和系统的应急处理能力，以及行业对安全标准的持续审查和改进。市场竞争与需求不确定性：储能市场竞争激烈，其他技术（如锂电池等）也在不断进步。需审慎评估熔盐储能技术的市场前景和需求，尤其是对于特定应用场景下的竞争优势。政策和法规风险：政策环境和法规变化可能对熔盐储能行业造成影响，如补贴政策、环保标准变更等，可能影响其商业模式和经济效益。应关注政策风险并随时调整投资策略。 1熔盐储热技术简介 1.1熔盐储热的原理 随着“3060双碳”目标在我国的全面落实与推进，在当今的能源行业，可再生能源发电的快速增长以及新型电力系统建设的迫切需求引领了储能技术的迅猛发展。由于新型电力系统越来越依赖可再生能源，整个系统受天气条件和季节性变化的影响日益严重，新型电力系统对于能够平衡电力供应、缓解系统波动的可调节资源的需求与日俱增。新型长时储能（LDES）作为一种能够在长时间内储存大量电能的技术，能够满足新型电力系统对于系统稳定性的需求，已经成为能源领域的一个关键概念。 作为满足长时储能需求的有力技术路线之一，熔盐储热技术正逐渐崭露头角。熔盐储热的基本原理涉及将能量以热能的形式存储在高温介质当中，以在需要电力时将其转化为电能。对比其他储能技术，熔盐储热具有提供热能、适配传统发电技术等独特优势，使其在应对调峰辅助服务、系统供热和储备能源方面具有巨大潜力。然而，新技术的发展常常伴随着挑战和风险。与电化学储能在2021年左右的处境类似，随着示范项目的逐步推广，熔盐储热也面临着安全性问题的严峻考验。尤其是在今年5月发生的丰鹤电厂熔盐储能项目重大安全事故，更是为行业敲响了警钟，再次强调了熔盐储热的技术风险。 因此，本报告将探讨熔盐储热技术的基本原理、应用领域、经济可行性，同时也会深入探讨熔盐储热的安全性问题，从多个角度更加深入地了解这一技术路线所面临的挑战。 熔盐储热（储能）技术是一种先进的热能储存系统。其核心原理是将热能储存在高温熔化的盐溶液中，以供后续转化为电力或热能，具有理论成本低、工作温度高、环境友好等特点。一个熔盐储热项目的关键部分包括冷/热盐储罐、电加热器、换热器以及配套的汽轮机等组件，详细构成见图1。 图表1：熔融盐储热系统概念图 图表2：熔融盐储热系统的主要设备 在充电阶段，电加热器使用外部电力产生热能，用以加热盐溶液，将其升温至高温状态，通常可达600摄氏度。熔盐储热系统储能媒介通常是一种含有钾和硝酸钠的混合物，具有良好的热特性和长寿命，不仅可以在高温下储存大量热能，还具有环保性，不会泄漏或对环境造成危害。在放电阶段，高温的熔盐通过热交换器将热能传递给流体介质，通常是高温油。该介质随后被用于产生高温高压蒸汽，以驱动汽轮机来生产电力。同时，冷却的熔盐则被泵回冷盐储罐，准备好参与到下次储能过程当中。 理论上，熔盐储热是一种高效且环保的能源储存系统，能够供热的特性使其从其他储能技术中脱颖而出。它可以用于电力领域，直接供应高温蒸汽以发电，也可以直接为工业园区供热以及高压蒸汽，有助于减少工业对化石燃料的依赖，降低碳排放。该技术具有广泛的应用前景，有望为能源行业的可持续发展提供有力支持。 1.2熔盐储热的主要设备 1.2.1熔融盐 熔融盐是熔盐储热技术的核心，它是在高温条件下呈熔化状态的盐类。通常情况下指无机盐的熔化体，包括一系列常见的盐类，如NaNO、KNO、Ca(NO)、NaCO、 K2CO3 、NaCl、KCl等，均为农业化肥的常见原材料，常温下化学性质稳定。广义上还包括氧化物和有机盐。目前行业多采用混合盐作为熔融盐使用，对比熔点高、热稳定性过强的单一成分熔盐，混合盐具有较低的熔点和较高的分解温度，能够满足各种应用对高温传热和温度的需求，在匹配应用层面不同工作温度的同时，保持了熔盐的热稳定性和低饱和蒸汽压等一系列优点。调整混合盐的成分和比例可以获得多种具有不同熔点、分解温度和适用工作温度范围的混合盐，因此，寻找熔点低、分解温度高的混合熔融盐成为熔盐储热技术的研究重点之一。 33 3 2 2 3 熔融盐相比其他储热介质具有诸多特点。首先，熔融盐是一种离子熔体，具有良好的导电性能，导电率远高于常规电解质溶液，这使得电加热过程非常方便。其次，熔融盐具有广泛的使用温度范围，通常在280°C到1000°C之间，而新型低熔点盐的最低使用温度甚至达到了80° C1 ，能够匹配绝大部分工业应用的温度需求。此外，熔融盐的饱和蒸汽压较低，降低了设备成本，提高了安全性。此外，它的液态状态下粘度较低，具有良好的化学稳定性和热稳定性，同时原料容易获得，价格相对较低。 目前，工程应用最广泛，也是商业化光热电站采用做多的熔融盐是二元硝酸盐（由60%NaNO3和40%KNO3组成，俗称“太阳盐”，Solar Salt），其熔点为220°C，最高运行温度可达585°C。虽然其最高温度可观，但是先进的高性能光热发电要求更高的工作温度，因此新型混合硝酸盐的研发已被提上日程。三元硝酸盐Hitec、Hitec XL、四元硝酸盐是目前熔融盐的重点研发方向，其与二元硝酸盐的技术对比参考表2。此外，国外还开发出了新型的五元混合硝酸盐，具有更低的熔点和更高的最高使用温度。国内某高 专利CN104610926B《一种低熔点混合熔盐传热蓄热介质》 校提出了130多种混合熔融盐配方，其中不乏熔点在100°C左右的低熔点熔融盐。熔融盐的不断研究和创新是熔盐储热技术发展最根本的驱动力。 图表3：混合硝酸盐关键物性参数表 1.2.2储盐罐 储盐罐是存储熔融盐的关键设备，通常以不锈钢、碳钢作为制造原材料。储盐罐外部和地基通常会覆盖较厚的保温层，助于减少内部热能向外散失，从而降低了能量损耗。罐顶通常设计有与熔盐泵相连接的孔，同时设有安全阀，以确保罐内的压力维持在常压范围内。罐内通常设置有浸入式电加热器，其任务是在系统停用或需要时维持熔融盐的温度，保证存储的热能在需要时被有效地释放。此外，为防止混凝土层温度超温，系统还增设了通风层，通风层中的钢管布置得当，确保了系统的温度控制。这种精心设计的系统保障了熔盐储热技术的安全性和高效性。 1.2.3换热器、熔盐泵以及其他设备 构成熔盐储热系统的其他设备还包括换热器、熔盐泵、熔盐阀、疏盐罐等，它们在整个系统中发挥着重要的作用。 换热器包括预热器、蒸发器和过热器。预热器将给水加热到临界温度，通常采用U型管表面式结构，熔盐在壳侧流动，这种设计具有较高的换热系数。蒸发器将略低于蒸发临界温度的给水加热到微过热的蒸汽，具有最大的体积、面积和重量，成本较高。过热器的任务是将微过热的蒸汽加热到所需的温度，同样采用U形管表面式结构，熔盐在壳侧流动，工作压力和温度较高，管内蒸汽流速较大。 熔盐泵又分为冷盐泵与热盐泵，采用高可靠性变频电机驱动泵，通过使用变频器来适应管内不同的流量需求。冷盐泵负责冷盐罐、集热场和热盐罐之间的熔盐循环，热盐泵负责热盐管、换热器、冷盐罐之间的循环。 熔盐阀与常规阀门类似，需要额外配备电伴热系统，确保了熔盐在系统中稳定高效流动。 疏盐罐用于收集管道和换热器中的熔盐，通常设有立式泵，用于将收集的熔盐返回到冷盐罐中，并装配有电加热器，以防止熔盐凝结。此外，疏盐系统还配备有泄漏探测器，一旦发现泄漏，可快速定位泄漏位置，确保系统的安全性。 2熔盐储热应用场景 由于熔盐储能独特的储热能力，其应用场景与当下主流的电化学储能略有差异。近年来，熔盐储热技术开始在多个领域崭露头角，如光热电站、火电灵活性改造、工业余热回收、蓄热空调、城市供热等。其中，以太阳能光热发电与火电灵活性改造这两个领域的推广 3 4 《熔融盐在太阳能热发电中的应用及性能研究现状》 数据来源：综合智慧能源《熔盐储热技术的应用现状与研究进展》、《低熔点四元混合硝酸盐的开发与实验研究》 应用最为广泛，部分项目已实现商业化运行。 2.1太阳能光热发电 光热发电技术（Concentrating Solar Power, CSP）将太阳辐射能有效地捕获并转化为高温热能，通过使用反光镜或其他集光系统，太阳辐射被聚焦到一个小面积上，大幅提高光热发电系统的能量密度。聚焦后的太阳能会被用来加热工质，通常是熔盐，将其储存为高温热能，随后通过加热蒸汽驱动汽轮机的方式来发电，系统具体构成见图2。纵观整个光热系统，热能储存系统（Thermal Energy Storage, TES）弥补太阳供能的不稳定性。光热发电系统在太阳能供应充足时可以连续产生电力，而在夜晚或阴天，可以通过释放储存的热能来继续发电，实现了全天候的电力供应，因此光热技术也被认为是自带储能的太阳能发电技术。 图表4：光热电站结构图 理论上，光热技术可选的高温热能存储介质包括固态介质、加压水、熔融盐等，然而现阶段商业化的光热发电系统几乎完全采用熔盐作为储能方式。对比水储热，熔盐储热的工作温度区间更宽、温度更高且不需要高压等极端工况；对比固体储热，熔盐储热更加稳定、寿命长、换热效率高，因此熔盐储热在光热领域被广泛应用。在运行的商业化光热项目中，绝大部分均采用前文所提到的“太阳盐”，熔盐成本也占据了整个储热系统的大部分成本。 光热发电发展至今，自身已成为了一个非常庞大且复杂的体系，熔盐储热仅为光热发电的子系统。本文由于篇幅限制，仅聚焦于熔盐储热部分，不对整个光热产业进行深入探讨。 2.2火储联合参与辅助服务 2.2.1火电灵活性改造的背景 随着新能源的快速增长，新型电网对于可调节资源的需求与日俱增。虽然抽水蓄能以及电化学储能被普遍认为是解决这一需求的最终方案，但抽水蓄能建设周期长、选址限制大，电化学储能商业化进展缓慢，两者在短期内均不能满足电网快速增长的调峰、调频需求，电力系统急需一个短期可行的过渡方案。截止2023年第三季度，我国火电在全国总装机量占比为49.2%，仍是电源侧的中流砥柱。通过火电灵活性改造，使得老旧存量机组具备调节能力，便成为当下解决电网可调资源匮乏问题最直接的解决方案。随着各省份辅助服务交易规则的实施，参与辅助服务获得补偿收入，将成为煤电机组未来的重要盈利点。 火电的可调节性主要体现在参与电网调峰、调频。火电机组在参与该类辅助服务时，通常需要降低出力，做出频繁的调节，这种运行方式对于火电机组来说是不经济的，也会加大机组设备损耗，老旧机组的性能也无法满足电网对于辅助服务的考核标准。对于具备热电联产能力（Combined Heat and Power, CHP），参与