10月25日，由ESPLAZA長時儲能網、CHPLAZA清潔供熱平臺主辦，湖州工業控制技術研究院與浙江綠儲科技有限公司聯合主辦，內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，北京大學講席教授楊榮貴出席會議，對高溫液體顯熱儲能技術的優勢與挑戰進行了分析。

圖：楊榮貴

一、研究背景

據楊榮貴介紹，雙碳戰略下，大規模長時間儲能技術是實現電網深調峰、頂尖峰的重要手段，也是可再生能源大規模應用的關鍵。近年來，儲能裝機呈大幅增長趨勢，高溫熱儲能、壓縮空氣等新型長時儲能技術具有廣闊的發展前景，正在快速增長。

二、各類熱儲能技術對比

▌高溫熱儲能

1、規模與靈活性優勢

楊榮貴表示，高溫熱儲能可以實現大規模儲能，有功率高(GW)與儲能時間長（＞4小時）的特點；高溫熱儲能不受地理與環境因素限制，相比其他長時儲能技術有靈活性和適用性優勢。

2、成本優勢

另外，高溫熱儲能具備投資成本低、度電成本低（光熱等熱發電系統中）的優勢，其成本遠低于電池等其他儲能技術。

3、規模化應用

楊榮貴展示了高溫熱儲能在光熱電站、壓縮空氣儲能電站、火電站三個領域的應用規模以及基本參數情況。

▌熱儲能技術分類

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

1、液體顯熱儲能技術

楊榮貴表示，液體顯熱儲能技術主要有流動循環儲熱系統和靜態/模塊化儲熱系統，其主要傳熱機制、優劣勢如下圖所示。

2、固體顯熱儲能技術

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

3、潛熱儲能技術

潛熱儲能技術主要有膠囊儲熱系統、管殼式儲熱系統，其主要傳熱機制、優劣勢如下圖所示。

4、熱化學儲能技術

熱化學儲能技術主要有固-氣儲熱系統、液-氣儲熱系統，其主要傳熱機制、優劣勢如下圖所示。

▌熱傳導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儲放熱性能的關鍵，真正把技術變為現實，傳熱速率問題尤為重要。

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

結果顯示流動液體熔鹽平均溫度上升最快，靜態液體次之，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。

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

流動液體熔鹽強迫對流傳熱速率高于不銹鋼介質；

靜態液體熔鹽自然對流的傳熱速率前期略慢于水泥介質，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；

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

▌液體顯熱儲能技術

低熔點、高熱穩定性、流動性好（低粘度）、高熱導率、高比熱容、低腐蝕速率、低成本是液體顯熱儲熱介質的關鍵性能指標。

楊榮貴表示，熔鹽的眾多物性中，熱導率的測量較為復雜，此前不同文獻中的數據偏差較大；當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時的熱導率測量精度，優化了相關液體容器設計，最小化相關測量誤差以及熱場中的不理想因素（存在對流、側壁導熱等）。

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

三、熔融鹽熱儲能技術

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。

▌高溫熔鹽研究現狀的問題與挑戰

楊榮貴就高溫熔鹽的研究現狀提出問題：“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定性，主要與以下三個反應相關：

(1)硝酸根(MNO3)與亞硝酸根(MNO2)的相互轉化（可逆反應）；

(2)生成氧化物的反應（M2O）（可逆反應）；

(3)生成氮氣的反應（不可逆反應）。

楊榮貴表示，抑制上述不可逆反應至關重要。

當溫度高于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，產生增重現象。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平衡達到接近的組分,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，均產生快速失重的現象。

另外，楊榮貴就高溫熔鹽的研究現狀提出挑戰：“如何控制硝基熔鹽的穩定性？”

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、動態）、反應物的在線檢測方法（氣-液-固產物）；另外，需要通過配方設計（陽離子、陰離子）、氣氛控制（氧分壓）等方法控制硝基熔鹽穩定性。

▌熔鹽電加熱器

楊榮貴表示，熔鹽儲熱與新型電力系統深度耦合需要提升電加熱器電壓等級與功率水平。傳統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；傳統感應式電加熱器則效率較低；傳統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計方法，搭建熔鹽電極式加熱試驗系統，初步驗證電極式加熱原理可行性以及理論預測結果的有效性。

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

▌熔鹽-蒸汽換熱器技術

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變化，造成換熱器出現“夾點”，傳統換熱器設計方法在該情形下具有較大誤差，需要開發準確的換熱器設計模型。

▌CFD仿真模型搭建

經過實驗驗證的CFD模型可以準確模擬換熱器中兩側流體的溫度場、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域完成模型建設與驗證工作。不過，大規模換熱器的CFD仿真具有龐大的計算量，無法完成換熱器多參數優化等工作。

▌分布式參數模型構建

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。離散單元尺度由當前溫度下工質的熱物性梯度決定，同時保證計算效率與準確度。當前模型與25組實驗數據吻合較好，平均誤差維持在±3%以內，且較此前發表的分布式參數模型具有更高的計算效率與精度。

四、單質硫熱儲能技術

楊榮貴展示了團隊在新型高溫熱儲能介質-單質硫的一些工作。

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

他還指出，單質硫儲熱也有一些瓶頸問題：首先，單質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，液態單質硫粘度偏高，工業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硫的腐蝕與抗腐蝕機理進行了一些研究。他們發現，封閉條件下400℃單質硫對SS316不銹鋼材料的腐蝕速率超過100μm/年，不過腐蝕產物相對均勻，產物內側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物鈍化效果的影響，并篩選得到適用單質硫儲熱系統的高溫耐蝕合金。

另外，此前關于單質硫粘度調控機理的研究表明：單質硫分子在160-250℃左右的聚合行為導致其粘度急速上升，但長鏈硫會在溫度進一步升高或存在雜質等條件下發生解聚，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硫長鏈分子產生解聚作用機制，以此開發單質硫粘度調控技術與低粘度摻雜硫儲熱材料體系。

楊榮貴表示，此前做過35kWh單質硫儲熱-太陽能集熱示范系統，綜合性能不錯。他坦言，單質硫熱儲能技術具備較好的發展前景，希望行業內共同努力。

最后，楊榮貴表示，高溫熱儲能技術發電側和用電側均有應用。未來，基于高溫熱儲能的大規模儲能系統有望成為新型電力系統的能源調度核心。