下一代太陽能光熱電站中熔融氯鹽技術研發進展丨Engineering
本文選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第3期，原文出自：Progress in Research and Development of Molten Chloride Salt Technology for Next Generation Concentrated Solar Power Plants
引言
結合熱能儲存（TES，以下簡稱儲熱）的太陽能光熱發電（concentrated solar power, CSP）技術是未來可再生能源系統中最具應用前景的發電技術之一，其可高效利用資源豐富但具間歇性的太陽能，為人們提供穩定可調度且低成本的電力。為了大幅度降低現有商業光熱電站的平準化發電成本（levelized cost of electricity, LCOE），人們正在開發具有更高運行溫度和發電效率的新一代CSP技術。與目前商業熔融硝酸鹽儲熱系統相比，下一代CSP電站中的儲熱系統通過使用新型儲熱材料可在更高的溫度（> 565 ℃）下運行。在本研究中，德國航空航天中心的丁文進等研究人員首先介紹了下一代CSP技術及其儲熱技術的研發進展，之后重點介紹了基于熔融氯鹽（如MgCl2/NaCl/KCl混合鹽）的先進儲熱技術。MgCl2/NaCl/KCl具有與商業熔融硝酸鹽相似的熱物性、更高的熱穩定性（> 800 ℃）和更低的材料成本（< 0.35 USD?kg–1）。在本研究中，研究人員還綜述了熔融氯鹽儲熱技術中混合氯鹽的選擇與優化、儲熱相關物性的測定，以及系統中使用的結構材料（如合金）的熔鹽腐蝕控制等方面的最新研究進展。
前言
具有結合熱能儲存（TES）的太陽能光熱發電（CSP）技術是未來可再生能源系統中最具應用前景的發電技術之一，其可高效利用資源豐富但具間歇性的太陽能，為人們提供穩定可調度且低成本的電力。根據國際知名可再生能源政策研究機構REN21（Renewable Energy Policy Network for the 21st Century）的研究報告，2018年全球有超過550 MW的新建CSP電站開始投入商業運營，并且大多數都配備了熔鹽儲熱系統；2008—2018年，全球CSP裝機容量從0.5 GW快速增長到5.5 GW。
據統計，2019年運營中的CSP電站（裝機容量約5.8 GW）主要分布在西班牙、美國、摩洛哥王國和南非共和國等國家和地區，而建造中的CSP電站（約2.2 GW）主要分布在中東和北非地區（MENA）以及中國。此外，歐洲、智利共和國、南非共和國和澳大利亞等國家和地區還在設計建造裝機容量超過1.5 GW的CSP電站。
如圖1所示，根據不同聚光方式，CSP技術主要分為菲涅爾式、塔式、蝶式和槽式四類。其中，菲涅爾式和槽式CSP屬于線性聚焦系統，而塔式和蝶式屬于點聚焦系統。與線性聚焦系統相比，點聚焦CSP系統由于具有更高的聚光率，因此可產生更高溫度的太陽熱和實現更高的熱電轉化效率以及更低的電力成本。目前運營中的大多數CSP電站采用低建造和低維護成本的成熟槽式技術，而大多數在建的CSP電站則基于更先進的塔式技術。
圖1. CSP技術的主要分類（從左到右）：菲涅爾式、塔式、蝶式和槽式。
圖2為目前最先進也最具代表性的第二代CSP電站，即配備熔融硝酸鹽直接儲熱系統（direct TES system）的商業化塔式電站。此電站主要由4個部分組成：定日鏡、吸收塔、熔鹽儲熱系統和動力循環發電系統。
圖2. 目前技術最先進的第二代熔鹽塔式CSP電站，其直接儲熱系統中熔融硝酸鹽可同時作為TES/導熱流體（HTF）材料使用。
圖3為位于西班牙的50 MW Andasol 3號CSP電站中的雙罐式熔鹽儲熱系統，其使用了約28 500 t的太陽鹽，儲存的熱量最多可供電站滿負荷發電約7.5 h。
圖3. 西班牙50 MW Andasol 3號CSP電站中的雙罐熔鹽儲熱系統。
圖4為美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）提出的基于新型熔鹽儲熱材料的下一代CSP技術概念圖。在下一代熔鹽儲熱CSP電站中，熔鹽儲熱/導熱系統（運行溫度為520~720 ℃）與超臨界二氧化碳（sCO2）布雷頓動力循環（運行溫度為500~700 ℃）相結合。與熱電轉化效率約為40%的傳統蒸汽動力循環相比，sCO2布雷頓動力循環具有超過50%的熱電轉化效率和更低的資本支出，其在下一代CSP電站和其他熱電站（如核電站）中具有巨大的應用潛力。
新一代CSP技術
為了開發具有更高發電效率和更低發電成本的下一代CSP技術，在近10多年中，包括美國、澳大利亞、歐洲和亞洲在內的國家和地區都已經提出了不同的研發方案或啟動了相關的研發項目。
例如，在2011年啟動的“SunShot Initiative”框架內，美國能源部（DOE）于2018年開始資助與Gen3 CSP研究計劃相關的研究課題。澳大利亞于2012年啟動了ASTRI研究計劃，目的是改進當前商業CSP技術和開發新一代CSP技術。自2004年以來，歐盟（EU）通過“第六框架”（FP6）、“第七框架”（FP7）和“地平線2020”（H2020）等歐盟項目資助了包含下一代CSP技術在內的多個CSP研發項目。歐盟還資助了“歐洲研究區太陽能設施”（Solar Facilities for the European Research Area, SFERA）I?III期和“歐洲聚光型太陽能熱利用技術科技聯盟”（STAGE-STE）等項目，以促進歐盟內各國科研機構的聯合協作，推進CSP技術的發展。還有，中國等國家也對下一代CSP技術開展了一些前期研究，例如，中國一些科研機構從2011年開始研究采用熔融氯鹽和碳酸鹽的下一代熔鹽儲熱技術。2020年，中國科技部（MOST）還通過國家重點研發計劃啟動了“超臨界CO2太陽能熱發電”研究項目。
2.1
美國
2011年，美國能源部發起了為期10年的“SunShot Initiative”，提供大量經費支持太陽能技術（即光熱和光伏技術）的研發，以降低太陽能的發電成本，使其與常規電站和其他可再生能源技術相比也具有成本競爭力。如圖5所示，2017年，美國能源部宣布已成功地將儲能12 h以上的基本負荷CSP的LCOE降到0.10 USD?kW–1?h–1，與2010年不具備儲能功能的CSP相比，降低了50%以上。
圖5. DOE資助的“SunShot Initiative”中CSP技術進展和2030年目標。
2.2
澳大利亞
作為擁有全球最佳太陽能資源的國家之一，近年來澳大利亞投入了大量資金和精力來開發具有成本競爭力的太陽能技術。如圖6所示，在ARENA的資助下，位于新南威爾士州的Vast Solar CSP測試站（儲熱量為6 MW，儲電量為1 MW）于2014年開始建設。據報道，2019年科研人員成功以液態鈉金屬作為導熱介質進行測試，其最高運行溫度可高于800 ℃。
圖6. 位于澳大利亞新南威爾士州的Vast Solar CSP試驗電站，使用液態鈉金屬作為導熱介質，試驗電站設計儲電量和儲熱量分別為1 MW和6 MW。
2.3 歐洲 歐洲在研發CSP技術方面有悠久的歷史，并取得了許多成果。據2019年的統計數據，西班牙是擁有世界上最大CSP裝機容量的國家（> 2.3 GW）。自2004年以來，歐盟通過FP7和H2020計劃支持了包括下一代CSP技術在內的技術研發。德國宇航中心（German Aerospace Center, DLR）科研人員已經在一個CSP中試裝置（Juelich Solar Tower）中測試了固體顆粒儲熱技術和先進顆粒接收器，他們利用該技術在900 ℃以上的高溫下實現了高效的儲放熱能（圖7）。
圖7. DLR的CSP中試裝置。（a）Juelich Solar Tower；（b）測試中的顆粒接收器CentRec。
2.4 亞洲 在亞洲（如中國和印度）有許多CSP電站正在運行、建設或開發。2016年，中國宣布了首批獲得國家補貼的20個CSP示范項目（共1.35 GW），其中包括浙江中控太陽能德令哈50 MW塔式熔鹽光熱發電項目（Zhejiang SUPCON SOLAR Delingha 50 MW molten salt tower project）和北京首航節能敦煌100 MW塔式熔鹽光熱發電項目（Beijing Shouhang IHW Dunhuang 100MW molten salt tower project）。2019年，全球大多數的新CSP電站（> 1.1 GW）在中國開始建設。據統計，2018年約有550 MW的新CSP電站投入商用運營，其中，通過開始運行的中控太陽能德令哈50 MW和首航節能敦煌100 MW塔式熔鹽光熱電站，貢獻了約200 MW電力。 在印度，太陽能技術的研發主要由印度國家太陽能研究所（National Institute of Solar Energy, NISE）負責。據介紹，與光伏技術相比，印度目前在CSP技術的研發方面面臨著各種挑戰，如缺乏有經驗的勞動力以及本土制造業不足等。因此，盡管印度的法向直接日射輻照度（direct normal irradiance, DNI）較高，用于開發太陽能的面積也較大，但印度對下一代CSP技術的研發進展卻很緩慢。 而日本和韓國等其他亞洲國家的DNI較小，用于開發CSP的地面空間也較小，因此，與下一代CSP技術相比，它們更偏好研發可在海外（如澳大利亞）生產氫氣的太陽能技術。產生的氫氣可以通過存儲和運輸，在國內用于發電、供熱或合成化學物質。例如，日本建立了一個聚光測試裝置，測試了使用二氧化鈰的兩步式水分解工藝（800~1400 ℃），用于太陽熱生產氫氣。 2.5 小結 據上所述，可用于下一代CSP電站的儲熱/導熱技術（溫度高于565 ℃）主要包括以下幾種： ? 以新型熔鹽作為儲熱/導熱材料，如熔融碳酸鹽和氯鹽，由于低廉的成本目前主要將后者作為研究對象； ? 以固體顆粒作為儲熱/導熱材料，該技術已在美國、歐洲和中國進行了一些示范； ? 利用氣體（如氦氣）進行導熱，使用其他材料（如固體材料，PCM）間接儲熱，科研人員計劃在美國、歐洲和中國進行示范； ? 將液態金屬作為導熱材料，使用其他材料（如液態金屬本身、固體材料或PCM）間接儲熱，在澳大利亞和歐洲對該技術進行示范。
下一代CSP電站中的熔融氯鹽技術
熔融氯鹽具有熱穩定性高且成本低的優勢，是下一代熔鹽技術中最有發展潛力的儲熱/導熱材料之一。與碳酸鹽混合鹽（如Li2CO3/Na2CO3/K2CO3，1.3~2.5 USD?kg–1）和硝酸鹽混合鹽（如太陽鹽，0.5~0.8 USD?kg–1）相比，氯鹽混合鹽（如MgCl2/KCl/NaCl，低于0.35 USD?kg–1）具有較高的熱穩定性（> 800 ℃）和合適的熱物理性質，同時價格也低很多。然而，與商業熔融硝酸鹽技術不同，熔融氯鹽技術面臨著另一項主要挑戰，即在高溫下對金屬結構材料有強烈的腐蝕性。因此高效且價格合理的腐蝕控制技術對于熔融氯鹽技術至關重要。 文章重點綜述了熔融氯鹽儲熱技術中混合氯鹽的選擇與優化、儲熱相關物性的測定，以及系統中使用的結構材料（如合金）的熔鹽腐蝕控制等方面的最新研究進展。熔融氯鹽儲熱/導熱技術的研發進展總結如下： （1）MgCl2/KCl/NaCl已被確定為最有發展前景的熔融氯鹽儲熱/導熱材料； （2）熔融氯鹽的物性參數對熔融氯鹽技術的工程設計至關重要，其重要物性的測量方法和推薦值（即最低熔點、蒸氣壓、比熱容、密度、導熱系數、黏度和腐蝕性等）還需進一步確認； （3）結構材料（如合金）在熔融氯鹽中的腐蝕機理已被廣泛研究，基于腐蝕機理，科研人員也找到了一些有發展前景的腐蝕控制方法。 研究建議 在回顧和總結最新研究進展的基礎上，本研究也給出一些未來研究建議，以促進熔融氯鹽儲熱/導熱技術的成熟和實現其在下一代CSP電站中的應用： （1）研究如何合理整合鹽純化和減緩腐蝕的方法，開發經濟有效的控制熔融氯鹽腐蝕性的技術； （2）研究經濟有效的腐蝕控制方法及系統； （3）考慮耐久性以及熔融氯鹽的腐蝕性，確定值得在實驗室水平試驗的結構材料； （4）開發熔鹽回路中所需的所有關鍵部件，如熔融氯鹽儲罐、熱交換器、管道、泵和閥門，并在高溫下進行熔融氯鹽回路試點示范； （5）確定整個技術放大策略，包括考慮實際應用中所需的材料和工藝。