3)熔盐储能其他潜在应用:除了上述两种典型应用之外,各行各业也在探索熔盐储热的新型应用与商业模式。基于上述熔盐储热联合火电调峰调频的应用场景,有提议在此基础之上继续接入光热、光伏、风电等资源,构成电能-热能综合体。在工业领域,熔盐储热在高能耗生产过程中(例如钢铁、有色金属、化工等行业)的应用也备受关注,具体形势包括烟气余热回收、备用热能、蒸汽供应稳定等。该应用有望使得高能耗企业具备以更灵活的方式运行,也为电网提供了额外的可调节资源。在民用供暖领域,熔盐储热可在低谷电价时加热熔盐,在用电高峰时供热,不仅可以实现绿色供热,改善北方冬季雾霾问题,还可以实现削峰填谷,消纳新能源发电。谷电供热模式在我国河北省已有实践,并且实现了一定的经济价值与环保效益。
3、熔盐储热的安全问题:在大规模能源储存和供应中,安全性是至关重要的因素。熔盐储热在推广之初,也将熔融盐的稳定、安全、不可燃作为其与锂电储能竞争的最大卖点。尽管该技术在全世界范围内已有数十年的应用,技术相对成熟,然而,2023年5月丰鹤电厂熔盐储热项目高温爆裂事故,造成了重大人员伤亡。随后国家能源局发布安全排查通知,要求熔盐储热项目“不安全不生产”,也使得行业重新开始审视熔盐储热的安全问题。
1)熔盐储热所面临的行业风险
(1)行业缺乏统一的安全标准:熔融盐作为熔盐储热的核心部件,在工业领域应用已有超过百年的历史,已经形成了一套完整的安全体系。然而,已有的熔融盐安全体系主要针对传统化工、工业原材料市场,对成分指标没有过高的要求,而新兴的光热、储能行业对于熔融盐在成分、性能、质量管理等方面要求更加严格,无法直接套用已有的安全体系。我国目前尚未推行专门针对光热、熔盐储热行的安全标准,单独面向熔盐储热系统的施工标准、质量标准、检测标准不统一,在行业进一步发展的情况下,容易造成市场产品鱼龙混杂,埋下诸多安全隐患。
(2)熔融盐物理性质特殊且成分复杂
a.理论上,熔融盐的安全性主要体现在其不可燃特性,但是其在高温工况下所展现出的物理化学性质,意味着熔融盐绝非完全意义上的安全无害。熔融盐在高温下以液体盐(电解质)形式存在,具有极强的腐蚀性和化学活性,会腐蚀常见金属材料,因此对设备环境有着高要求。而且在事故条件下,熔融盐与杂质或者外部环境接触,也有可能造成严重的安全隐患。以前文所提到的三元硝酸盐Hitec(主要成分为NaNO3、KNO3、NaNO2)为例,其自身在高温下具有活跃的化学特性,能够腐蚀部分金属。虽然硝酸钠、硝酸钾化学性质稳定,但是亚硝酸盐为氧化剂,可助燃,存在爆炸风险,且对人体有致命毒性。上述化学物质在高温状态下与水接触,也会产生剧烈爆炸,导致污染物喷溅。因此,熔融盐泄露有造成事故扩散的风险。
b.随着储能行业的发展,新的混合盐也不断地被研发并投入使用,除了传统的不同硝酸盐之间的配比调整之外,可溶性添加剂、纳米颗粒材料乃至有机物也被添加到熔融盐当中,以提升热物理参数。某些材料的微量添加也会极大得改变混合盐原有的化学性质,因此在经过充分验证前,新型的混合盐的安全性都值得怀疑。国家能源局在《关于开展熔盐储热等能源综合利用项目安全排查的通知》中也要求,熔盐材料成分不明的,不得使用。
(3)系统层面问题也具有特殊性:熔盐储热系统的运行温度普遍在500~600℃之间,极高的温度和压力增加了泄漏的严重性,极易引发严重火灾;高温罐和低温罐作为储存熔盐的关键设备,在长期运行中承受着巨大的冷热温差变化。这种极端环境下,设备可能会出现疲劳开裂的风险。目前多数项目的储盐罐横截面积较大,因此需要特别的监测和维护来确保其可靠性;低温罐和高温罐出口的泵和阀门的控制是确保熔盐储热系统平稳运行的关键,不当的控制可能导致局部熔盐温度过高,引发气化导致压力过高,或者温度过低,导致熔盐凝固堵塞。这些情况也可能对系统的稳定性和安全性造成威胁。与此同时,熔盐储热与其他储能技术一样,面临着巨大的降本压力,否则便面临着市场淘汰。尽管上述问题在科研领域均有有效的解决防范,但是从系统成本角度出发,盲目地通过采用高标准设备提升安全性,也不利于熔盐储热技术的商业化进程。如何在经济性与安全性之间达到平衡,也是系统层面需要重点考虑的问题之一。
2)安全措施建议:针对以上提出的几点行业风险,我们建议通过一下几点措施加以应对。从行业顶层到实际项目,全方位改善熔盐储热安全性问题。
(1)加快推进行业安全标准的出台:丰鹤电厂熔盐储能项目重大安全事故已引起了能源行业对于熔盐储热技术安全性的重点关注,2023年9月,国家能源局综合司发布《2023年能源领域行业标准制定计划项目》,其中与光热、熔盐储热相关的标准多达10余项,包括《太阳能热发电站熔盐电伴热系统设计规范》、《太阳能光热发电站储热换热系统技术监督规程》、《熔盐阀门选用导则》等。然而上述标准多从光热系统层面出发,仍然缺乏专门针对熔盐储热安全性的相关准则,且计划完成年限多为2024~2025年,无法对现已招标开工的第二批光热项目具备有效影响力。因此,行业仍需专注于熔盐储热行业,特别是针对储能用熔融盐的行业标准与安全规范,且应赶在光热、熔盐储能进一步装机前加速出台。相应的,行业也需要一系列熔盐储热存量项目排查体系与整改规范,对已在运行的项目进行系统性审查,对于后续行业标准出台之前的在运行项目进行安全整改,解决行业发展初期由于不规范造成的安全隐患。
(2)对熔融盐行业实施更为严格的全生命周期管理
a.在研发阶段,针对具有新成分配方的熔融盐需要采取一系列严谨的科研论证、风险评估、市场准入和生产制造措施。对于新型熔融盐,在科研阶段需要进行全面的成分评估和风险分析,验证新成分的化学稳定性和安全性,确定其在高温下的特性,并评估其与其他材料的相互作用。在向市场推广前,要求在实验室内充分验证其在不同温度和压力条件下的表现,采用全面的极端环境测试体系,以建立数据支持和安全指标。在规模化实验设施中进行新熔融盐的验证和测试,模拟工业生产条件,检验其在大规模条件下的性能、稳定性和安全性。新型熔融盐在大规模生产之前需要建立生产工艺标准,确保成分配方的准确性、稳定性和质量可控,配套设立严格的生产控制和质量监测体系。研发生产过程也应该搭配与新型熔融盐配套的安全规范和配套设施,包括合适的储存容器、管道系统和泄漏检测设备,确保安全操作和应急处置能力。新型熔融盐在向市场推广的同时应搭配响应的培训措施,培训生产、运维人员,强调操作规程和安全标准,提高他们对新配方熔融盐特性和安全风险的认识,确保他们具备正确的操作技能和应对突发事件的能力。在新型熔融盐向市场推广后,还应建立全面的安全监测跟踪体系,定期进行安全评估和改进,及时发现并纠正潜在风险。同时行业也应该建立信息共享和交流平台,与相关行业机构和研究机构合作,共享安全信息,促进新型熔融盐开发过程中安全标准的制定和提高。
b.在应用过程中,针对化学性质活跃、有可能快速释放能量的熔融盐成分,需要仔细控制反应环境,控制材料的比例、纯度、加热和冷却速率,以及搅拌程度。谨慎处理高温高压反应、避免过度形变和冲击。需要了解可能发生爆炸后分解产生的物质和混合物类型,以避事故扩散;针对过热风险,建议使用完全自动温度控制器,以确保精确的温度控制。对设备进行定期清空、清洗,避免积聚热盐垃圾。对于需要保持“闲置”状态的熔盐,建议将温度降至略高于熔点;针对蒸汽爆炸风险,蒸汽爆炸的最常见原因是意外引入水,应重点关注避免水源与熔盐接触,如水管、蒸汽管等,同时严格监控阀门压力水平。应对小范围火灾提供防火沙桶作为灭火器。
(3)在系统层面提升熔盐储热项目的整体安全性:对熔盐储热项目在系统层面加强安全防控是提升项目安全性的最直接手段,参与项目的业主、EPC总包方、运营主体应该遵循更加严格的质量管控体系,确保项目从采购(材料、设备、系统控制等)、设计、施工、运维等各个环节都遵循良好设计及操作规范,重点关注设备材料、焊接质量、熔盐监测、罐体检修、温度压力控制等因素。在项目运行过程中,应搭建、采用完善的安全控制系统,对储能系统进行实时检测、预警等功能,及时发现和解决任何潜在事故风险。在熔融盐的运输、安装、检修、回收过程中,也应采取严格的质量控制手段,避免在熔盐中混入外部杂质,降低爆炸风险。在国家标准尚未推行落实的领域,建议采用高于行业平均的标准和要求,率先推动行业团体标准的执行。除此之外,合理的安全运行制度,适当的个人防护装备,良好的通风,足够的培训和演习等常规安全措施也是保障熔盐储热安全运行的重要环节。
4、熔盐储热行业展望:据CNESA统计,截止2022年底,我国熔盐储热装机量仅占储能市场累计装机量的1%,全球范围内仅占1.4%。考虑到大规模长时储能将会是储能市场下一阶段的发展方向,熔盐储热有着广阔的增长空间。鉴于熔盐储热在光热领域的大规模应用,其未来几年的发展速度将很大程度上取决于光热市场的发展空间。建议重点关注我国新能源大基地建设,以及电力辅助服务市场的发展。
1)截止2022年底全球熔盐储热装机占比
2)技术研发方面,高性能熔融盐的研发仍会是熔盐储热技术发展的关键。熔点低、工作温度高、成本低的熔融盐也是近几年各大科研机构与高校研发的重点方向。硝酸盐以外的新材料,例如碳酸盐、氯化物、纳米材料等,均被用于研发新型熔融盐。在保障安全的情况下,有望进一步提升熔盐储热的技术性能,拓展应用场景与商业模式。在系统层面,熔盐储热的系统构架也在被不断改进。单罐熔盐系统是近年来被提出的新概念,该方案将冷热熔盐装在同一个罐内,热熔盐在上方,冷熔盐在下方,中间设置温跃层,以实现系统的简化与降本。此外,能够更好地抵挡熔融盐腐蚀性的熔盐罐、阀门等设备研发也受到了行业的广泛关注。
3)熔盐储热技术符合清洁能源行业的发展要求,为应对能源转型挑战提供了另一套可行的解决方案。其应用范围不仅包括能源领域,还涉及高温工业过程、供热供汽等多个行业,有利于碳中和目标在整个社会层面的全面推广。未来,熔盐储热技术将继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。预计新的储热材料和系统设计将进一步改进系统性能,使其适用于更广泛的气候和地理条件。熔盐储热的产业发展有助于建立更加可持续和绿色的能源体系,为未来的能源供应和环境保护作出积极贡献。
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