10月25日，由ESPLAZA长时储能网、CHPLAZA清洁供热平台主办，湖州工业控制技术研究院与浙江绿储科技有限公司联合主办，内蒙古梅捷新能源科技有限公司冠名赞助的2024第五届中国储热大会在浙江湖州盛大召开，北京大学讲席教授杨荣贵出席会议，对高温液体显热储能技术的优势与挑战进行了分析。

图：杨荣贵

一、研究背景

据杨荣贵介绍，双碳战略下，大规模长时间储能技术是实现电网深调峰、顶尖峰的重要手段，也是可再生能源大规模应用的关键。近年来，储能装机呈大幅增长趋势，高温热储能、压缩空气等新型长时储能技术具有广阔的发展前景，正在快速增长。

二、各类热储能技术对比

▌高温热储能

1、规模与灵活性优势

杨荣贵表示，高温热储能可以实现大规模储能，有功率高(GW)与储能时间长（＞4小时）的特点；高温热储能不受地理与环境因素限制，相比其他长时储能技术有灵活性和适用性优势。

2、成本优势

另外，高温热储能具备投资成本低、度电成本低（光热等热发电系统中）的优势，其成本远低于电池等其他储能技术。

3、规模化应用

杨荣贵展示了高温热储能在光热电站、压缩空气储能电站、火电站三个领域的应用规模以及基本参数情况。

▌热储能技术分类

杨荣贵展示了不同种类储热材料的应用温区以及潜在的应用场景，并表示任何一个技术只有在适配的应用场景才能发挥最好的作用。

1、液体显热储能技术

杨荣贵表示，液体显热储能技术主要有流动循环储热系统和静态/模块化储热系统，其主要传热机制、优劣势如下图所示。

2、固体显热储能技术

固体显热储能技术主要有流化床储热系统、移动床储热系统、固定床储热系统，其主要传热机制、优劣势如下图所示。

3、潜热储能技术

潜热储能技术主要有胶囊储热系统、管壳式储热系统，其主要传热机制、优劣势如下图所示。

4、热化学储能技术

热化学储能技术主要有固-气储热系统、液-气储热系统，其主要传热机制、优劣势如下图所示。

▌热传导与对流传热速率对比

杨荣贵表示，传热机制是决定热储能系统储放热性能的关键，真正把技术变为现实，传热速率问题尤为重要。

假设存在同样几何尺寸和初始温度的固体、静态液体和流动液体熔盐作为储热介质，三种介质热物性均选用太阳盐的物性，设置介质表面温度突然升高300℃，通过数值模拟方法求解加热不同时间后三种介质的温度分布如下。

结果显示流动液体熔盐平均温度上升最快，静态液体次之，固体温度上升最慢；传热速率由高至低依次为：强迫对流、自然对流、固体热传导。

另外，对比不同介质的传热速率：选用相同假设，考虑不锈钢介质热传导（高热导率固体，k≈20W/m∙K）与水泥介质热传导（中等热导率固体，k≈2W/m∙K）与此前三种情形进行比较，得出结论如下：

流动液体熔盐强迫对流传热速率高于不锈钢介质；

静态液体熔盐自然对流的传热速率前期略慢于水泥介质，而之后由于对流行为使得璧面处的流体与固体温差保持一定数值，因此熔盐自然对流传热速率在加热后期将高于水泥介质；

固体熔盐热传导速率较慢，因为其热导率较低，约k≈0.5W/m∙K，但该数值仍等于或略高于多数相变储热材料的热导率。

▌液体显热储能技术

低熔点、高热稳定性、流动性好（低粘度）、高热导率、高比热容、低腐蚀速率、低成本是液体显热储热介质的关键性能指标。

杨荣贵表示，熔盐的众多物性中，热导率的测量较为复杂，此前不同文献中的数据偏差较大；当前杨荣贵及其团队研究提出了一个改进的激光闪光测量方法以提升熔盐在液态时的热导率测量精度，优化了相关液体容器设计，最小化相关测量误差以及热场中的不理想因素（存在对流、侧壁导热等）。

杨荣贵及其团队近期在研究显热储热技术，他报告了团队在熔盐和单质硫两种储热介质的研究进展与思考。

三、熔融盐热储能技术

杨荣贵表示，硝酸基熔盐具有粘度低、腐蚀速率不高、成本相对较低的优势，但其高温易分解，储热温度上限无法满足超临界火电机组的要求；氯基熔盐高温不分解，但熔点高（低熔点配方蒸气压高）且高温腐蚀性极强。

▌高温熔盐研究现状的问题与挑战

杨荣贵就高温熔盐的研究现状提出问题：“为什么太阳盐的工作温度上限是565℃，而Hitec盐是450℃？”

他表示，硝基熔盐在高温下的稳定性，主要与以下三个反应相关：

(1)硝酸根(MNO3)与亚硝酸根(MNO2)的相互转化（可逆反应）；

(2)生成氧化物的反应（M2O）（可逆反应）；

(3)生成氮气的反应（不可逆反应）。

杨荣贵表示，抑制上述不可逆反应至关重要。

当温度高于450℃时，太阳盐随着温度升高重量减小，而Hitec盐重量先增加再减小，如下图所示。

温度高于450℃时，太阳盐（60NaNO3-40KNO3）开始分解，最开始的反应如下，推测在565℃，会生成一小部分亚硝酸盐。

相反，Hitec盐中含有大量的亚硝酸根，在空气气氛中一开始会先被氧化，产生增重现象。因此，Hitec盐更适合在氮气保护气氛下使用。

温度高于565℃时,推测两种盐会首先由于反应平衡达到接近的组分,或者说NO3-/NO2-近似相等。更高温度下（620-680℃）会生成氧化物和氮气，均产生快速失重的现象。

另外，杨荣贵就高温熔盐的研究现状提出挑战：“如何控制硝基熔盐的稳定性？”

杨荣贵表示，除从机理上进一步研究硝基熔盐的三个反应之外，还需要更先进的测试方法，比如，服役工况下的测试（静态、动态）、反应物的在线检测方法（气-液-固产物）；另外，需要通过配方设计（阳离子、阴离子）、气氛控制（氧分压）等方法控制硝基熔盐稳定性。

▌熔盐电加热器

杨荣贵表示，熔盐储热与新型电力系统深度耦合需要提升电加热器电压等级与功率水平。传统电阻式加热器是目前广泛采用的电加热器，但存在电压等级低和成本高的问题；传统感应式电加热器则效率较低；传统电极式加热主要用于盐浴炉，电压等级也较低。新型高电压、高功率熔盐电加热器的研究近些年十分活跃。

杨荣贵及其团队提出一种电极式熔盐电加热的原理与设计方法，搭建熔盐电极式加热试验系统，初步验证电极式加热原理可行性以及理论预测结果的有效性。

在熔盐流量0.05 m/s-0.21 m/s，电压从200V-600V的范围内测试了电极式加热器，测试结果符合理论计算。

▌熔盐-蒸汽换热器技术

杨荣贵表示，熔盐-蒸汽换热器是基于热储能的火电厂改造以及调峰电厂的核心装备。蒸汽尤其是超临界蒸汽在临界点附近具有剧烈的物性参数变化，造成换热器出现“夹点”，传统换热器设计方法在该情形下具有较大误差，需要开发准确的换热器设计模型。

▌CFD仿真模型搭建

经过实验验证的CFD模型可以准确模拟换热器中两侧流体的温度场、速度场与压力场，目前已对管壳式换热器以及绕管式换热器中的核心区域完成模型建设与验证工作。不过，大规模换热器的CFD仿真具有庞大的计算量，无法完成换热器多参数优化等工作。

▌分布式参数模型构建

另外，杨荣贵及其团队通过将求解域离散成多个能量平衡的计算单元来求解温度分布，较CFD模型提升计算速度超过100倍。离散单元尺度由当前温度下工质的热物性梯度决定，同时保证计算效率与准确度。当前模型与25组实验数据吻合较好，平均误差维持在±3%以内，且较此前发表的分布式参数模型具有更高的计算效率与精度。

四、单质硫热储能技术

杨荣贵展示了团队在新型高温热储能介质-单质硫的一些工作。

杨荣贵表示，硫元素在地球上的储量大，目前的工业单质硫生产成本极低，约1000元/吨，只有商用硝酸基熔融盐（太阳盐）的1/5。除此之外，单质硫具有良好的高温稳定性，不存在高温分解问题。同时，单质硫的熔点低（约114℃），比商用硝酸基熔盐（太阳盐）低100℃左右。

他还指出，单质硫储热也有一些瓶颈问题：首先，单质硫的高温腐蚀性较强，对不锈钢材料的年腐蚀速率高于硝酸基熔盐；其次，液态单质硫粘度偏高，工业纯硫的峰值粘度大于100mPa·s，限制了其流动与传热。

为此，杨荣贵及其团队对单质硫的腐蚀与抗腐蚀机理进行了一些研究。他们发现，封闭条件下400℃单质硫对SS316不锈钢材料的腐蚀速率超过100μm/年，不过腐蚀产物相对均匀，产物内侧的致密硫化铬层有一定的抗腐蚀保护作用。

对此，他们进一步探究合金中元素比例变化对于致密腐蚀产物钝化效果的影响，并筛选得到适用单质硫储热系统的高温耐蚀合金。

另外，此前关于单质硫粘度调控机理的研究表明：单质硫分子在160-250℃左右的聚合行为导致其粘度急速上升，但长链硫会在温度进一步升高或存在杂质等条件下发生解聚，从而降低粘度。目前杨荣贵及其团队正在研究少量掺杂对单质硫长链分子产生解聚作用机制，以此开发单质硫粘度调控技术与低粘度掺杂硫储热材料体系。

杨荣贵表示，此前做过35kWh单质硫储热-太阳能集热示范系统，综合性能不错。他坦言，单质硫热储能技术具备较好的发展前景，希望行业内共同努力。

最后，杨荣贵表示，高温热储能技术发电侧和用电侧均有应用。未来，基于高温热储能的大规模储能系统有望成为新型电力系统的能源调度核心。