10月25日，由ESPLAZA長時儲能網(wǎng)、CHPLAZA清潔供熱平臺主辦，湖州工業(yè)控制技術(shù)研究院與浙江綠儲科技有限公司聯(lián)合主辦，內(nèi)蒙古梅捷新能源科技有限公司冠名贊助的2024第五屆中國儲熱大會在浙江湖州盛大召開，北京大學(xué)講席教授楊榮貴出席會議，對高溫液體顯熱儲能技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)進行了分析。

圖：楊榮貴

一、研究背景

據(jù)楊榮貴介紹，雙碳戰(zhàn)略下，大規(guī)模長時間儲能技術(shù)是實現(xiàn)電網(wǎng)深調(diào)峰、頂尖峰的重要手段，也是可再生能源大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。近年來，儲能裝機呈大幅增長趨勢，高溫?zé)醿δ?、壓縮空氣等新型長時儲能技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，正在快速增長。

二、各類熱儲能技術(shù)對比

▌高溫?zé)醿δ?/strong>

1、規(guī)模與靈活性優(yōu)勢

楊榮貴表示，高溫?zé)醿δ芸梢詫崿F(xiàn)大規(guī)模儲能，有功率高(GW)與儲能時間長（＞4小時）的特點；高溫?zé)醿δ懿皇艿乩砼c環(huán)境因素限制，相比其他長時儲能技術(shù)有靈活性和適用性優(yōu)勢。

2、成本優(yōu)勢

另外，高溫?zé)醿δ芫邆渫顿Y成本低、度電成本低（光熱等熱發(fā)電系統(tǒng)中）的優(yōu)勢，其成本遠(yuǎn)低于電池等其他儲能技術(shù)。

3、規(guī)模化應(yīng)用

楊榮貴展示了高溫?zé)醿δ茉诠鉄犭娬?、壓縮空氣儲能電站、火電站三個領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模以及基本參數(shù)情況。

▌熱儲能技術(shù)分類

楊榮貴展示了不同種類儲熱材料的應(yīng)用溫區(qū)以及潛在的應(yīng)用場景，并表示任何一個技術(shù)只有在適配的應(yīng)用場景才能發(fā)揮最好的作用。

1、液體顯熱儲能技術(shù)

楊榮貴表示，液體顯熱儲能技術(shù)主要有流動循環(huán)儲熱系統(tǒng)和靜態(tài)/模塊化儲熱系統(tǒng)，其主要傳熱機制、優(yōu)劣勢如下圖所示。

2、固體顯熱儲能技術(shù)

固體顯熱儲能技術(shù)主要有流化床儲熱系統(tǒng)、移動床儲熱系統(tǒng)、固定床儲熱系統(tǒng)，其主要傳熱機制、優(yōu)劣勢如下圖所示。

3、潛熱儲能技術(shù)

潛熱儲能技術(shù)主要有膠囊儲熱系統(tǒng)、管殼式儲熱系統(tǒng)，其主要傳熱機制、優(yōu)劣勢如下圖所示。

4、熱化學(xué)儲能技術(shù)

熱化學(xué)儲能技術(shù)主要有固-氣儲熱系統(tǒng)、液-氣儲熱系統(tǒng)，其主要傳熱機制、優(yōu)劣勢如下圖所示。

▌熱傳導(dǎo)與對流傳熱速率對比

楊榮貴表示，傳熱機制是決定熱儲能系統(tǒng)儲放熱性能的關(guān)鍵，真正把技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實，傳熱速率問題尤為重要。

假設(shè)存在同樣幾何尺寸和初始溫度的固體、靜態(tài)液體和流動液體熔鹽作為儲熱介質(zhì)，三種介質(zhì)熱物性均選用太陽鹽的物性，設(shè)置介質(zhì)表面溫度突然升高300℃，通過數(shù)值模擬方法求解加熱不同時間后三種介質(zhì)的溫度分布如下。

結(jié)果顯示流動液體熔鹽平均溫度上升最快，靜態(tài)液體次之，固體溫度上升最慢；傳熱速率由高至低依次為：強迫對流、自然對流、固體熱傳導(dǎo)。

另外，對比不同介質(zhì)的傳熱速率：選用相同假設(shè)，考慮不銹鋼介質(zhì)熱傳導(dǎo)（高熱導(dǎo)率固體，k≈20W/m?K）與水泥介質(zhì)熱傳導(dǎo)（中等熱導(dǎo)率固體，k≈2W/m?K）與此前三種情形進行比較，得出結(jié)論如下：

流動液體熔鹽強迫對流傳熱速率高于不銹鋼介質(zhì)；

靜態(tài)液體熔鹽自然對流的傳熱速率前期略慢于水泥介質(zhì)，而之后由于對流行為使得璧面處的流體與固體溫差保持一定數(shù)值，因此熔鹽自然對流傳熱速率在加熱后期將高于水泥介質(zhì)；

固體熔鹽熱傳導(dǎo)速率較慢，因為其熱導(dǎo)率較低，約k≈0.5W/m?K，但該數(shù)值仍等于或略高于多數(shù)相變儲熱材料的熱導(dǎo)率。

▌液體顯熱儲能技術(shù)

低熔點、高熱穩(wěn)定性、流動性好（低粘度）、高熱導(dǎo)率、高比熱容、低腐蝕速率、低成本是液體顯熱儲熱介質(zhì)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

楊榮貴表示，熔鹽的眾多物性中，熱導(dǎo)率的測量較為復(fù)雜，此前不同文獻中的數(shù)據(jù)偏差較大；當(dāng)前楊榮貴及其團隊研究提出了一個改進的激光閃光測量方法以提升熔鹽在液態(tài)時的熱導(dǎo)率測量精度，優(yōu)化了相關(guān)液體容器設(shè)計，最小化相關(guān)測量誤差以及熱場中的不理想因素（存在對流、側(cè)壁導(dǎo)熱等）。

楊榮貴及其團隊近期在研究顯熱儲熱技術(shù)，他報告了團隊在熔鹽和單質(zhì)硫兩種儲熱介質(zhì)的研究進展與思考。

三、熔融鹽熱儲能技術(shù)

楊榮貴表示，硝酸基熔鹽具有粘度低、腐蝕速率不高、成本相對較低的優(yōu)勢，但其高溫易分解，儲熱溫度上限無法滿足超臨界火電機組的要求；氯基熔鹽高溫不分解，但熔點高（低熔點配方蒸氣壓高）且高溫腐蝕性極強。

▌高溫熔鹽研究現(xiàn)狀的問題與挑戰(zhàn)

楊榮貴就高溫熔鹽的研究現(xiàn)狀提出問題：“為什么太陽鹽的工作溫度上限是565℃，而Hitec鹽是450℃？”

他表示，硝基熔鹽在高溫下的穩(wěn)定性，主要與以下三個反應(yīng)相關(guān)：

(1)硝酸根(MNO3)與亞硝酸根(MNO2)的相互轉(zhuǎn)化（可逆反應(yīng)）；

(2)生成氧化物的反應(yīng)（M2O）（可逆反應(yīng)）；

(3)生成氮氣的反應(yīng)（不可逆反應(yīng)）。

楊榮貴表示，抑制上述不可逆反應(yīng)至關(guān)重要。

當(dāng)溫度高于450℃時，太陽鹽隨著溫度升高重量減小，而Hitec鹽重量先增加再減小，如下圖所示。

溫度高于450℃時，太陽鹽（60NaNO3-40KNO3）開始分解，最開始的反應(yīng)如下，推測在565℃，會生成一小部分亞硝酸鹽。

相反，Hitec鹽中含有大量的亞硝酸根，在空氣氣氛中一開始會先被氧化，產(chǎn)生增重現(xiàn)象。因此，Hitec鹽更適合在氮氣保護氣氛下使用。

溫度高于565℃時,推測兩種鹽會首先由于反應(yīng)平衡達(dá)到接近的組分,或者說NO3-/NO2-近似相等。更高溫度下（620-680℃）會生成氧化物和氮氣，均產(chǎn)生快速失重的現(xiàn)象。

另外，楊榮貴就高溫熔鹽的研究現(xiàn)狀提出挑戰(zhàn)：“如何控制硝基熔鹽的穩(wěn)定性？”

楊榮貴表示，除從機理上進一步研究硝基熔鹽的三個反應(yīng)之外，還需要更先進的測試方法，比如，服役工況下的測試（靜態(tài)、動態(tài)）、反應(yīng)物的在線檢測方法（氣-液-固產(chǎn)物）；另外，需要通過配方設(shè)計（陽離子、陰離子）、氣氛控制（氧分壓）等方法控制硝基熔鹽穩(wěn)定性。

▌熔鹽電加熱器

楊榮貴表示，熔鹽儲熱與新型電力系統(tǒng)深度耦合需要提升電加熱器電壓等級與功率水平。傳統(tǒng)電阻式加熱器是目前廣泛采用的電加熱器，但存在電壓等級低和成本高的問題；傳統(tǒng)感應(yīng)式電加熱器則效率較低；傳統(tǒng)電極式加熱主要用于鹽浴爐，電壓等級也較低。新型高電壓、高功率熔鹽電加熱器的研究近些年十分活躍。

楊榮貴及其團隊提出一種電極式熔鹽電加熱的原理與設(shè)計方法，搭建熔鹽電極式加熱試驗系統(tǒng)，初步驗證電極式加熱原理可行性以及理論預(yù)測結(jié)果的有效性。

在熔鹽流量0.05 m/s-0.21 m/s，電壓從200V-600V的范圍內(nèi)測試了電極式加熱器，測試結(jié)果符合理論計算。

▌熔鹽-蒸汽換熱器技術(shù)

楊榮貴表示，熔鹽-蒸汽換熱器是基于熱儲能的火電廠改造以及調(diào)峰電廠的核心裝備。蒸汽尤其是超臨界蒸汽在臨界點附近具有劇烈的物性參數(shù)變化，造成換熱器出現(xiàn)“夾點”，傳統(tǒng)換熱器設(shè)計方法在該情形下具有較大誤差，需要開發(fā)準(zhǔn)確的換熱器設(shè)計模型。

▌CFD仿真模型搭建

經(jīng)過實驗驗證的CFD模型可以準(zhǔn)確模擬換熱器中兩側(cè)流體的溫度場、速度場與壓力場，目前已對管殼式換熱器以及繞管式換熱器中的核心區(qū)域完成模型建設(shè)與驗證工作。不過，大規(guī)模換熱器的CFD仿真具有龐大的計算量，無法完成換熱器多參數(shù)優(yōu)化等工作。

▌分布式參數(shù)模型構(gòu)建

另外，楊榮貴及其團隊通過將求解域離散成多個能量平衡的計算單元來求解溫度分布，較CFD模型提升計算速度超過100倍。離散單元尺度由當(dāng)前溫度下工質(zhì)的熱物性梯度決定，同時保證計算效率與準(zhǔn)確度。當(dāng)前模型與25組實驗數(shù)據(jù)吻合較好，平均誤差維持在±3%以內(nèi)，且較此前發(fā)表的分布式參數(shù)模型具有更高的計算效率與精度。

四、單質(zhì)硫熱儲能技術(shù)

楊榮貴展示了團隊在新型高溫?zé)醿δ芙橘|(zhì)-單質(zhì)硫的一些工作。

楊榮貴表示，硫元素在地球上的儲量大，目前的工業(yè)單質(zhì)硫生產(chǎn)成本極低，約1000元/噸，只有商用硝酸基熔融鹽（太陽鹽）的1/5。除此之外，單質(zhì)硫具有良好的高溫穩(wěn)定性，不存在高溫分解問題。同時，單質(zhì)硫的熔點低（約114℃），比商用硝酸基熔鹽（太陽鹽）低100℃左右。

他還指出，單質(zhì)硫儲熱也有一些瓶頸問題：首先，單質(zhì)硫的高溫腐蝕性較強，對不銹鋼材料的年腐蝕速率高于硝酸基熔鹽；其次，液態(tài)單質(zhì)硫粘度偏高，工業(yè)純硫的峰值粘度大于100mPa·s，限制了其流動與傳熱。

為此，楊榮貴及其團隊對單質(zhì)硫的腐蝕與抗腐蝕機理進行了一些研究。他們發(fā)現(xiàn)，封閉條件下400℃單質(zhì)硫?qū)S316不銹鋼材料的腐蝕速率超過100μm/年，不過腐蝕產(chǎn)物相對均勻，產(chǎn)物內(nèi)側(cè)的致密硫化鉻層有一定的抗腐蝕保護作用。

對此，他們進一步探究合金中元素比例變化對于致密腐蝕產(chǎn)物鈍化效果的影響，并篩選得到適用單質(zhì)硫儲熱系統(tǒng)的高溫耐蝕合金。

另外，此前關(guān)于單質(zhì)硫粘度調(diào)控機理的研究表明：單質(zhì)硫分子在160-250℃左右的聚合行為導(dǎo)致其粘度急速上升，但長鏈硫會在溫度進一步升高或存在雜質(zhì)等條件下發(fā)生解聚，從而降低粘度。目前楊榮貴及其團隊正在研究少量摻雜對單質(zhì)硫長鏈分子產(chǎn)生解聚作用機制，以此開發(fā)單質(zhì)硫粘度調(diào)控技術(shù)與低粘度摻雜硫儲熱材料體系。

楊榮貴表示，此前做過35kWh單質(zhì)硫儲熱-太陽能集熱示范系統(tǒng)，綜合性能不錯。他坦言，單質(zhì)硫熱儲能技術(shù)具備較好的發(fā)展前景，希望行業(yè)內(nèi)共同努力。

最后，楊榮貴表示，高溫?zé)醿δ芗夹g(shù)發(fā)電側(cè)和用電側(cè)均有應(yīng)用。未來，基于高溫?zé)醿δ艿拇笠?guī)模儲能系統(tǒng)有望成為新型電力系統(tǒng)的能源調(diào)度核心。