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《新型熔鹽儲能技術(shù)研究與進(jìn)展》

周科西安熱工研究院鍋爐環(huán)保部電熱所所長

感謝主持人，尊敬的各位同仁，大家下午好，非常榮幸能跟大家分享一下我們西安熱工院在熔鹽領(lǐng)域所做的一些工作，我匯報的題目是新型熔鹽儲能技術(shù)研究與進(jìn)展。

主要分為五個部分，第一部分為做儲能技術(shù)概況。第二，介紹一下我們兩種熔鹽儲能技術(shù)，包括雙罐式和新型模塊式，介紹一下熱工院投運(yùn)的國內(nèi)前五項熔鹽儲熱的示范項目以及在建的耦合新能源的項目。最后做一個總結(jié)與展望。

首先，儲能技術(shù)的概況。

儲能技術(shù)在構(gòu)建清潔低碳安全高效的現(xiàn)代能源體系中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其作用主要體現(xiàn)在為電網(wǎng)削峰填谷、平滑輸出、提高可再生能源利用率，也可以作為調(diào)峰調(diào)頻或者備用電源，增強(qiáng)電網(wǎng)靈活性、安全性，可實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，減少對化石能源的依賴，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，還可以用于電壓和頻率調(diào)節(jié)、無功補(bǔ)償，改善電能質(zhì)量。對于企業(yè)來講通過峰谷差價降低企業(yè)的用電成本，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

這里我們列舉了典型儲能技術(shù)，如機(jī)械儲能、電磁儲能、化學(xué)儲能、熱儲能在功率規(guī)模、全功率響應(yīng)時間、循環(huán)壽命、循環(huán)效率、應(yīng)用場景的比較，可以看出熔鹽儲能與常規(guī)的電化學(xué)儲能相比，優(yōu)勢在于它的壽命和功率規(guī)模，劣勢在于它的循環(huán)效率。因此，要想提升它的循環(huán)效率，我們盡量儲存的熱量轉(zhuǎn)換為熱，而不是轉(zhuǎn)換為電出去，這也是它更適用于工業(yè)供氣場景的原因，工業(yè)供氣特點(diǎn)也是其他的儲能所不具備的特點(diǎn)。因此綜合來講熔鹽儲能的主要優(yōu)點(diǎn)是大容量、低成本和壽命長。

低成本應(yīng)該是相對于抽蓄、壓儲和飛輪來講的，對于鋰電來講，這兩年雖然造價不斷降低，如果從全壽命周期來看，熔鹽相對于鋰電還是有優(yōu)勢的。熔鹽儲能的缺點(diǎn)是電量轉(zhuǎn)化率低，變電是增氣儲熱，變電儲熱高達(dá)70%，但如果電加熱只能到40%左右，熔鹽儲能的作用是做大規(guī)模的儲能、調(diào)峰調(diào)頻、熱電解耦，技術(shù)上應(yīng)該非常成熟的，目前除供熱以外，我國現(xiàn)在建成和已經(jīng)在建的熔鹽儲能項目國內(nèi)已經(jīng)超過十幾個了。

近年來，隨著風(fēng)電光伏的發(fā)展，我國新型儲能的裝機(jī)迎來快速增長，截止2024年12月，我國新型儲能裝機(jī)累計規(guī)模為73.76GW，2024年同比增長130%。隨著規(guī)模化儲熱火電靈活性，包括新能源等需求的旺盛，熔鹽儲熱將迎來快速的發(fā)展。

隨著熔鹽儲熱技術(shù)的快速發(fā)展，我們迎來了一些新的場景以及系統(tǒng)設(shè)備的創(chuàng)新。新的場景熔鹽儲熱由原來的光熱技術(shù)，現(xiàn)在轉(zhuǎn)化到火電靈活性，與我們機(jī)組的熱電系統(tǒng)或者電負(fù)荷進(jìn)行耦合，進(jìn)而擴(kuò)展到了新能源直接消納供熱，以及未來的熔鹽儲能電站等場景。新的系統(tǒng)包括設(shè)備層面、系統(tǒng)層面和控制層面等，比如設(shè)備層有現(xiàn)在新型熔鹽的研發(fā)、高電壓電加熱器，傳統(tǒng)的690，現(xiàn)在到了6千伏、10千伏以及新型的一些熔鹽換熱器。系統(tǒng)層面我后面會給大家介紹研發(fā)的模塊化的熔鹽儲熱系統(tǒng)，還有控制層面的，例如我們現(xiàn)在利用可變負(fù)載的熔鹽電加熱器調(diào)頻提升負(fù)荷的響應(yīng)速率，后面我也將挑選熔鹽儲熱提升火電靈活性以及模塊化儲熱給大家做一個適當(dāng)?shù)恼归_。

火電機(jī)組耦合熔鹽儲熱技術(shù)路線有很多，包括供熱機(jī)組的熱電解耦，調(diào)峰時機(jī)組多余的電負(fù)荷蒸汽或者煙氣里的熱量儲存到熔鹽中，不需要調(diào)峰的時候給釋放出來用于機(jī)組供熱。純凝機(jī)組因為它沒有供熱需求，所以它儲存的熱量只能回到機(jī)組，耦合熱力系統(tǒng)去發(fā)電。還有退役機(jī)組的改造，將蒸汽鍋爐直接替換為熔鹽電鍋爐，利用峰谷電價差進(jìn)行儲熱，無論采取哪種耦合方式，都是電和熱相互轉(zhuǎn)化的過程，熔鹽在其中充當(dāng)了“充電寶”緩沖的作用，不同的技術(shù)路線也決定了不同的投資和不同能量轉(zhuǎn)化效率。

首先我們來看一下目前最為常見的熔鹽電、蓄場景，是將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電引入到我們的熔鹽電加熱器中進(jìn)行加熱儲能。電源的接入方式，比如直接從高廠連接的，也有從發(fā)電機(jī)出口母線提接，或者廠內(nèi)母線接。釋放的時候目前大多用于工業(yè)供氣，它的優(yōu)點(diǎn)在于熱電解耦的能力強(qiáng)，儲熱過程調(diào)節(jié)比較簡單，基本不會影響技術(shù)的熱平衡，因為它跟機(jī)組沒有供熱方面的流動。另外，在電儲熱的過程中還可以利用可控硅快速的控制電加熱器用于技術(shù)的調(diào)頻。缺點(diǎn)是它通過高頻位轉(zhuǎn)換為低頻位，效率比較低。典型的案例有我們現(xiàn)在江蘇靖江電廠、山東德州電廠、山東華源濟(jì)寧電廠，廣東海門電廠等，這些都是有供熱需求的采用電蓄儲能模式。

除了電蓄熱之外，還有蒸汽儲熱，也是另外一個典型模式，蒸汽儲熱又分為顯熱儲熱和潛熱i儲熱，顯熱儲熱進(jìn)來的蒸汽，出來的也是蒸汽，利用蒸汽一部分顯熱，它與機(jī)組的熱力系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性比較高，因此系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，而且也存在著冷源損失，所以它的儲熱效率并不是特別高。典型的案例現(xiàn)在的國家能源的龍山電廠、安徽宿州電廠都是采用顯熱儲熱方式。

還有一種潛熱儲熱，蒸汽進(jìn)去以后儲完熱以后凝結(jié)成水以后，充分利用蒸汽的潛熱，它的效率是非常高的，同樣與熱力系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性比較高，儲存大部分潛熱將熔鹽加熱的溫度取決于我們蒸汽溫度的壓力所對應(yīng)的保護(hù)溫度，比如蒸汽儲熱在熱蒸汽壓力相對比較低，所以它對應(yīng)的飽和溫度是200多度，我們儲存到熔鹽里面鹽的鹽溫也就200多度，我們用三元鹽140或者160，到200多度，鹽的利用效率受影響。另外一個方面，如何把我們這部分頻率相對比較低的熱量釋放出去也是一個問題，所以我們認(rèn)為選幾種蒸汽效率比較高，但是它的適用場景比較有限，更多適用于有采暖需求的機(jī)組，因為采暖需求熱要求的頻位相對低一點(diǎn)，典型的應(yīng)用案例之前我們做的內(nèi)蒙古魏家峁電廠。

第二部分，介紹一下我們典型熔鹽儲能系統(tǒng)及模塊化新技術(shù)。

常見的熔鹽儲熱技術(shù)包括適用于分布式小規(guī)模場景單罐式的熔鹽儲熱系統(tǒng)以及我們在光熱站應(yīng)用數(shù)十年，適用大規(guī)模儲能的雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)，和近些年來比較受關(guān)注的集成化程度比較高的適用于中小規(guī)模的模塊化儲熱系統(tǒng)。

典型雙罐式熔鹽儲熱系統(tǒng)源于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，該技術(shù)通過使用兩個儲罐，分別是高溫罐、低溫罐來儲存加熱后或冷卻后的熔鹽，系統(tǒng)蓄熱運(yùn)行時，把熔鹽加熱至高溫并存儲在高溫罐中，當(dāng)需要釋放能量時，高溫熔鹽從高溫罐流出，經(jīng)過我們換熱器把熱量釋放出來用于發(fā)電或供熱，隨后冷卻后的鹽又回到冷源罐，系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常好的。

典型的雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)包括長桿熔鹽泵、熔鹽汽水換熱器和熔鹽儲罐增。長桿熔鹽泵由于工作環(huán)境的原因，它的故障率比較高，比較容易振動，早年間主要采取進(jìn)口產(chǎn)品，近些年也逐漸被國產(chǎn)化替代。熔鹽汽水換熱器對產(chǎn)地的要求比較高，它的電泵熱耗能比較高，早期的項目都設(shè)置了氣包，近年來很多項目把氣包優(yōu)化掉了。儲罐的核心就是基礎(chǔ)，以及焊接工藝，目前這個工藝也是比較成熟的。

接著跟大家分享一下我們院的模塊化熔鹽儲熱專利技術(shù)，它是將處方熱換熱器集成到箱體式模塊內(nèi)部，通過串并聯(lián)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的蓄熱，占地面積小，投資小的特點(diǎn)，目前已授權(quán)國內(nèi)外專利四十余項，也被何雅玲院士為首的專家組鑒定為國家領(lǐng)先水平。

我們模塊化儲熱裝置的外形結(jié)構(gòu)，儲熱模塊是我們儲熱裝置構(gòu)成的一個基本因子，多個儲熱模塊疊加起來形成一個儲熱單元，單元內(nèi)部管路是串聯(lián)的，單元和單元之間是并聯(lián)運(yùn)行的，通過串并聯(lián)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和大容量，也可以根據(jù)我們所產(chǎn)蒸汽的參數(shù)選擇我們不同的材質(zhì)。

這是模塊化裝置的一個基本原理，以電加熱為例，冷源從模塊底部通過熔鹽泵進(jìn)入熔鹽電加熱器，加熱以后從我們的頂部到儲熱單元，在熔鹽泵不斷循環(huán)下逐步加熱，讓整個單元的溫度加熱到預(yù)期溫度，這是整個儲熱的過程。放熱的過程我們的水從底部進(jìn)入模塊，在模塊內(nèi)部完成余熱蒸發(fā)過熱產(chǎn)生的蒸汽，用于供熱供汽，類似于直流鍋爐的原理。蒸汽儲熱跟電儲熱放熱過程都是一樣的，不同的是儲熱蒸汽通入模塊的頂部，逐級換熱從底部出來。

我介紹一下模塊化的一些主要特點(diǎn)，一是核心設(shè)備高可靠性，我們之前介紹了傳統(tǒng)的雙罐利用長桿熔鹽泵，我們只用1.5米短桿泵，直接替代長桿泵，核心設(shè)備的可靠性得到大幅的提升。第二，蓄熱/放熱一體化，沒有大量的電伴熱、疏鹽、汽水換熱、熔鹽閥門等外圍措施，風(fēng)險點(diǎn)就小了，因為半伴熱減小了，它的得到提升。第三，它的多單元并聯(lián)，因為我剛才介紹了我們是串并聯(lián)結(jié)合，多個單元之間并聯(lián)運(yùn)行，避免局部故障導(dǎo)致整體停運(yùn)的現(xiàn)象，如果一個單元出了問題，我們直接給隔離，其他單元也不受影響。因為單元制，所以電加熱和蒸汽蓄熱可以獨(dú)立布置，相互不受影響，這也是它的靈活性。還有采取兩種介質(zhì)，減少了熔煉用量，大家知道熔鹽，尤其是硝酸鉀超過1000噸就屬于超大危險源，所以我們在這個里面添加了一部分的固體氧化物、顆粒物等，這樣把熔鹽的量減少，一方面規(guī)避了重大危險源的管理，另外一方面從本質(zhì)上講減少了熔鹽的使用量，節(jié)約了成本，降低造價成本。再一個熔鹽可以凝固，因為我們換熱器是內(nèi)置的，所以一旦發(fā)生凝固，我們反向把鹽化開，它有這個優(yōu)勢，雙罐一旦凝固是不可逆的，比較麻煩。

還有它的擴(kuò)展性比較強(qiáng)，因為它是模塊化的，第八項是投資，這是大家都非常關(guān)心的，我們中小規(guī)模下的投資可以節(jié)約10%左右，但僅限于中小規(guī)模，我們覺得大規(guī)模比如400兆瓦以上，所以應(yīng)用場景主要集中于中小規(guī)模的。其他的一些比如標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、模塊化安裝、集約化成套還是有其他的綜合優(yōu)勢的。

第三部分，西安熱工院正在執(zhí)行已經(jīng)建成的全國前5套的熔鹽儲熱項目。

首先，江蘇國信靖江，這是全球首個與煤電耦合的熔鹽儲熱項目，由熱工院節(jié)能中心承建，規(guī)模是80兆瓦時，功率是40兆瓦，采用電加熱、雙罐式，主要解決的是技術(shù)熱電解耦調(diào)峰調(diào)頻的問題。投運(yùn)以后機(jī)組的深調(diào)能降到25%，爬坡速率大于3%，前兩年的收益是非常好的，基本在3000萬到4000萬，這個項目當(dāng)初也是在國內(nèi)引起比較大的反響。

第二個項目是北方魏家峁，國內(nèi)首個蒸汽熔鹽儲熱項目，于2023年5月投運(yùn)，儲熱規(guī)模80兆瓦時，也是我們?nèi)A能重大科技項目和內(nèi)蒙古自治區(qū)的重點(diǎn)研發(fā)計劃的依托項目，主要解決的純凝技術(shù)和全年調(diào)峰調(diào)頻的問題。這是魏家峁示范工程工藝流程總圖，我們抽取再熱蒸汽，先加入口熱煙氣，解決低負(fù)荷煙溫不足的問題，加熱之后一部分進(jìn)入輔汽，解決輔汽不足的問題，儲熱之后水或者蒸汽又繼續(xù)進(jìn)行梯級儲存，到我們的承壓水罐，放熱的時候跟臨界水系統(tǒng)進(jìn)行耦合，系統(tǒng)相對來說還是比較復(fù)雜一些，但是效率比較高，儲能導(dǎo)致效率到了61%左右。通過蒸汽熔鹽儲熱同步解決低負(fù)荷SCR入口以及輔汽不足的問題，由原來的50%降低至25%額定負(fù)荷，提升了25%。這是華北電科院給我們做的性能試驗驗收報告，主要設(shè)計熱能效率、調(diào)峰25%，儲熱容量，包括AEC響應(yīng)速率的提升。

第三，華能山東德州熔鹽儲熱項目，此為國內(nèi)首個模塊化電加熱儲熱項目，儲熱容量30兆瓦，6小時，180兆瓦時，主要解決技術(shù)熱電解耦調(diào)峰調(diào)頻的問題，山東也是目前我國電力現(xiàn)貨實(shí)施最好的時代，過去兩年零電價以上的時長超過2000小時，但網(wǎng)上負(fù)電價的時候，我了解最低已經(jīng)到了負(fù)的一毛二，還得給電網(wǎng)倒貼錢，所以這個時候我們把這部分的電能儲存下來，我不用給電網(wǎng)掏錢，這部分熱量還是我白撿的，因為既然有負(fù)電價，就有高電價，高電價的時候熔鹽多供熱，讓機(jī)組多發(fā)熱去掙錢，所以一正一反山東目前是熔鹽儲熱項目這個賬是非常好算的，因為德州是華南最大的工業(yè)供汽電廠，供汽的能力和供汽品質(zhì)也得到了提升，投運(yùn)以后年收益每年還是在3000萬元左右。

這是山東德州熔鹽儲能項目的場地布置圖，儲熱系統(tǒng)占地面積只有600平方米，它是僅利用原來機(jī)組的綠化帶，這邊上以前是綠化帶，這也是模塊化熔鹽儲能的系統(tǒng)，它的占地面積小，正因為如此解決了存量火電機(jī)組建設(shè)場地不足的問題。

這是德州電廠熔鹽儲熱建設(shè)過程中的一個實(shí)景畫面，這個項目也是我們國內(nèi)首次火電機(jī)組耦合熔鹽儲能項目新建儲能變壓器的示范工程。

第四個介紹的是華源濟(jì)寧項目，這是我們國內(nèi)首個“汽電”聯(lián)合加熱熔鹽儲能項目，50兆瓦，包含40兆瓦的電和10兆瓦的蒸汽，總?cè)萘渴?00兆瓦時，跟德州的類似，因為都在山東，他們也是解決機(jī)組熱電解耦、調(diào)峰調(diào)頻和供汽的問題，增加機(jī)組運(yùn)行的靈活性，充分利用電加熱的峰谷差，提高機(jī)組的運(yùn)行收益。

第五個是華能海門熔鹽儲熱項目，這也是國內(nèi)首個熔鹽儲熱耦合百萬機(jī)組，60兆瓦120兆瓦時，它是電加熱熔鹽，取電來自4臺機(jī)組的容量，也是解決機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻和供汽的問題，它的特點(diǎn)投運(yùn)的第一年獲得調(diào)頻收益基本上占了廣東煤電調(diào)頻市場的80%的收益，所以當(dāng)時的效益是非常好的。

第四部分，介紹一下我們在建項目，主要是兩個新能源耦合。第一，山東安潤能源500MW/2000兆瓦時，這個熔鹽儲能項目也是國內(nèi)在建的儲熱容量最大新能源熔鹽儲熱項目，采用雙罐式的技術(shù)方案，它是將光伏的電直接轉(zhuǎn)換成熱儲存起來用于工業(yè)供汽，減少棄光率，實(shí)現(xiàn)新能源的直接消納，這也是我們?nèi)埯}耦合新能源的一種典型模式，目前國內(nèi)許多在建新能源項目都無法并網(wǎng)，需要尋求就地的消納，熔鹽儲熱正好為此架起了這個橋梁，500兆瓦的電加熱項目可以實(shí)現(xiàn)對外供汽300噸/小時，該項目已經(jīng)納入山東省2025年綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)項目目錄，目前項目也在加班加點(diǎn)的干，預(yù)計春節(jié)前能夠投產(chǎn)。

這是一個簡單的系統(tǒng)圖，因為它系統(tǒng)比較簡單，取新能源的電，電加熱熔鹽，儲熱的時候加熱完到高溫罐，放熱的時候，我們是兩列SGS放完熱以后回到低溫罐。

這是我前段時間拍的現(xiàn)場照片，兩個罐子，一個低溫罐，一個高溫罐，現(xiàn)在開始保溫，核心設(shè)備基本上都到齊了，這是變壓器，這是我們的電加熱器。

第二個項目是達(dá)拉特旗，它也是一個新能源耦合熔鹽項目，它也是利用光伏棄電，將電能轉(zhuǎn)換成熱能儲存起來，因為它是增量配電網(wǎng)，光伏所發(fā)熱的電是不能上網(wǎng)，要不直接供給它的用戶，要不轉(zhuǎn)換成熱量，也是供給園區(qū)的用戶，我們這里設(shè)計的是61兆瓦，4小時，總儲熱量為244MWht，可以連續(xù)為園區(qū)供汽1個小時11噸，也是根據(jù)園區(qū)供汽的一個適應(yīng)性的設(shè)計。這是我們現(xiàn)場的進(jìn)度，這是模塊化的熔鹽儲熱系統(tǒng)，也是到今年春節(jié)前投運(yùn)。

最后做一個總結(jié)和展望。

應(yīng)該說我們依托這些項目，我們西安熱工院參與組建了中央企業(yè)的新型儲能的創(chuàng)新聯(lián)合體，其中負(fù)責(zé)“熔鹽儲能技術(shù)研發(fā)”，我們成果入選2024年度十大創(chuàng)新成果，今年拿到2025年中國電力科技進(jìn)步獎一等獎，同時我們完成了全國前5套熔鹽耦合煤電機(jī)組靈活性項目，也引領(lǐng)了這塊的技術(shù)進(jìn)步，推動了整個燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)的升級。

我們覺得熔鹽儲熱應(yīng)該說在未來或者現(xiàn)在到未來都是一個非常有前途的一項儲熱技術(shù)，能夠解決火電靈活性、耦合新能源，解決新能源的消納問題，我們西安熱工院一直致力于技術(shù)的研發(fā)，包括各種從前期方案設(shè)計，到后續(xù)的總承包、EPC，到后續(xù)的技術(shù)服務(wù)，我們一直在這個方面爭取做更多的工作。

我的匯報就到這里，感謝大家，希望大家多溝通、多交流，我們一起在熔鹽儲能這個領(lǐng)域一起努力，合作共贏。謝謝大家！