雙碳背景下熔鹽儲熱技術(shù)的研究分析報告-演講課件

匯報目錄1.背景意義2

研究進展3

團隊介紹4

總結(jié)展望1/56碳達峰和碳中和是國家重要發(fā)展戰(zhàn)略，其中清潔低碳的熔鹽儲能技術(shù)是解決雙碳戰(zhàn)略的重要手段之一。優(yōu)勢作用：安全可靠，供能穩(wěn)定使用壽命長，環(huán)保安全發(fā)電靈活，長時儲能友好并網(wǎng)，有效調(diào)峰無地域限制，移植推廣性高意義：積累碳資本，碳話語權(quán)節(jié)能降耗，合理消費實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型可持續(xù)發(fā)展，保護環(huán)境亟需加快發(fā)展安全高效的長時熔鹽儲能技術(shù)！1.背景意義2/56園區(qū)供熱儲 能風電光伏光熱熔 鹽水電火電技 術(shù)廢熱余熱等光熱發(fā)電火電靈活性改造鋼廠供能共享儲能電站1.背景意義3/562015年發(fā)改委提出約1GWe光熱示范電站的建設(shè)規(guī)劃，首批20個示范電站18個采用熔鹽儲熱；50MWe示范電站用鹽約3萬噸

?

目前已建成10多個光熱電站 熔鹽儲熱技術(shù)可聚能提質(zhì)，實現(xiàn)潔凈能源的高質(zhì)量可控性利用40%10%30%20%《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030

年)

》《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016-2030)

》《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》1.背景意義4/562022年6月國家發(fā)展改革委等9部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》：有序推進長時儲熱型太陽能熱發(fā)電發(fā)展。推進關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，推動太陽能熱發(fā)電成本明顯下降。在青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古、吉林等資源優(yōu)質(zhì)區(qū)域，發(fā)揮太陽能熱發(fā)電儲能調(diào)節(jié)能力和系統(tǒng)支撐能力，建設(shè)長時儲熱型太陽能熱發(fā)電項目，推動太陽能熱發(fā)電與風電、光伏發(fā)電基地一體化建設(shè)運行，提升新能源發(fā)電的穩(wěn)定性可靠性。在東疆以風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電相結(jié)合，建設(shè)千萬千瓦級新能源基地。持續(xù)推進可再生能源工程技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用，將推進光熱發(fā)電工程施工技術(shù)與配套裝備創(chuàng)新，研發(fā)光熱電站集成技術(shù)。2022年8月科技部等部門《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》：研發(fā)高可靠性、低成本太陽能熱發(fā)電與熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，突破高溫吸熱傳熱儲熱關(guān)鍵材料與裝備。2022年8月科技部等部門《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》：研發(fā)高可靠性、低成本太陽能熱發(fā)電與熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，突破高溫吸熱傳熱儲熱關(guān)鍵材料與裝備。1.背景意義5/56良好的熱穩(wěn)定性低蒸氣壓良好的化學穩(wěn)定性寬溫度使用范圍離子熔體，良好的導電性能原料來源廣，價格低廉熔 鹽（高效傳蓄熱介質(zhì)）凝固點高腐蝕性粘度較大1.背景意義6/56釷基熔鹽堆核能氟化物熔鹽：500-800℃氯化物熔鹽：

500-800℃工業(yè)高溫余熱回收（硝酸、碳酸、氯化物）熔鹽：300-1000℃碳酸鹽燃料電池碳酸熔鹽：400-600℃太陽能熱發(fā)電硝酸熔鹽：290-565℃碳酸、氯化熔鹽：300-1000

℃熔鹽熱裂解生物質(zhì)熔鹽：500-600℃熔鹽儲能熔鹽：200-1000℃1.背景意義7/56匯報目錄1.背景意義2

研究進展3

團隊介紹5

總結(jié)展望8/56100℃低熔點，使用溫度超過600℃1000℃超高溫，熔點低于450℃一、熔鹽儲能材料配方設(shè)計與定制技術(shù)熔鹽制備與凈化技術(shù)熔鹽測試與分析技術(shù)腐蝕評價與緩蝕技術(shù)相變蓄熱與傳熱技術(shù)二.熔鹽傳蓄熱技術(shù)熔鹽對流換熱熔鹽強化傳熱。。。。。。。三.

關(guān)鍵設(shè)備與系統(tǒng)研制工藝放大與傳質(zhì)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計模擬高溫密封技術(shù)。。。。。。2.研究進展9/56儲能方式：顯熱儲熱、潛熱儲熱及熱化學儲熱研究對象：硝酸鹽、氯化鹽、碳酸鹽、氟化鹽、

互異熔鹽關(guān)鍵問題：材料設(shè)計、制備凈化、測試分析、腐蝕控制、相變儲熱等硝酸鹽：成本較低，腐蝕性較低，但工作溫度低，最高560℃（第二代）；氯化鹽：環(huán)境友好，成本低，超過700

℃

，腐蝕性強；（下一代）2.研究進展10/56熱力學函數(shù)焓、化學勢、活度相平衡參數(shù)溫度、壓強、成分“配菜”法測量傳統(tǒng)方法熔鹽？特別是有些熔鹽具有放射性、有毒，且高溫實驗操作很難，若只通過實驗，缺少理論指導，難以得到理想的效果；因此，探討符合熔鹽堆用的熔鹽體系亟需以理論計算作為指導。費時、費力、成本高、效率低···計算熱力學Calphad技術(shù)使用軟件：PANDAT、FACTDAGE、VASP2.研究進展11/56難點:

(1)軟件無法直接進行熔鹽的相圖計算(2)

沒有相同陽離子互異體系的相圖計算，無文獻可借鑒……ABLiquid

TE評估實驗相圖LT<TE確定各相Gibbs相圖計算相圖實驗FP計算

MD計算相 圖minG

G

G(1)

(2)

i i i傳統(tǒng)配方設(shè)計的試錯法費時、費力，成本高、效率低高溫實驗不確定度大，亟需理論計算為指導2.研究進展12/56相圖計算采用模型：替換熔體模型、締合物熔體模型、化學計量比模型、亞點陣模型。輔助手段：分子動力學計算（CMD、FPMD），Convex-Hull與離子參數(shù)預測A AaCcB BaCcA AaCc

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G2.研究進展13/561、基于Calphad原理完成硝酸鹽、氯化鹽的熱力學優(yōu)化2、Kohler-Toop原理外推預測多元體系相圖及熱力學性質(zhì)3、基于相平衡完成熔鹽的組分設(shè)計與構(gòu)建4、基于熱力學數(shù)據(jù)庫初步篩選出熱力學性能優(yōu)異的共晶鹽5、針對不同功能需求，開發(fā)了高穩(wěn)定的硝酸熔鹽6、通過精準化設(shè)計了低腐蝕的系列氯化鹽2.研究進展14/56NaNO3

(wt.)NaCl

(wt.)NaF

(wt.)No.10.93000.01890.0440No.20.95000.01720.0420No.30.94120.01810.0421No.40.94200.018310.0409No.50.93900.01760.0410平均值0.94040.018020.0420DSC測試ICPOES測試優(yōu)化得到了熔鹽制備工藝，經(jīng)實驗驗證該工藝合理可行JournalofEnergyStorage,2022,52:

104805.制備均勻、穩(wěn)定的熔鹽是科研與工程的重要前提熔鹽組分間熔點相差較大；

ICP-OES與DSC優(yōu)化熔鹽制備工藝2.研究進展16/56共晶反應(yīng)后處理預處理三傳問題傳動：流體輸送、過濾、沉降等傳熱：加熱、熔融、揮發(fā)等傳質(zhì)：吸收、干燥、擴散等一反問題原料產(chǎn)品熔鹽凈化過程可歸納為“三傳一反”無泵氣壓輸運，避免泵的使用內(nèi)加熱+外伴熱，強化傳熱顆粒狀懸浮設(shè)計，強化傳質(zhì)總反應(yīng)：2Mg+MgCl2·H2O+2Mg(OH)Cl?

2MgCl2+3MgO+2H2↑通過反應(yīng)工程分析速率控制步驟為擴散控制(1)Mg(s)

?

[Mg]MS

（擴散過程）(2)2[Mg]MS+2[OH-]MS?

2MgO↓+H2↑（反應(yīng)過程）2.研究進展17/56ZL

201811115475.XZL201911156141.1ZL

201911156132.22.研究進展18/56SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2022,

238:11162460噸/a氯鹽凈化生產(chǎn)裝置高溫穩(wěn)定運行超7000小時為儲能裝置制備3.5噸低腐蝕高溫氯鹽3熔點分含量2

緩蝕劑含量檢測合格成功實現(xiàn)ppm級水氧控制1

雜質(zhì)成2.研究進展19/56中國可再生能源學會科學技術(shù)進步獎-技術(shù)發(fā)明獎三等獎2016個月緩蝕劑儲能裝置熔鹽質(zhì)量長期跟蹤監(jiān)測10個月緩蝕劑700℃，200h靜態(tài)腐蝕評價多次取樣分析，316H未見明顯腐蝕，熔鹽質(zhì)量良好316H截面316H表面316H截面2.研究進展20/56制備3.5噸低腐蝕高穩(wěn)定氯鹽（首次），并在企業(yè)使用國家太陽能光熱聯(lián)盟對我單位高溫氯鹽制備成功進行專門報道國家太陽能光熱聯(lián)盟對我單位高溫氯鹽制備成功進行專門報道2.研究進展20/56滲透測不出、測不準、

精度差2.研究進展21/56從頭計算和分子動力學機器學習初晶溫度步冷曲線法DSC阿基米德法激光閃光法最大氣泡法旋轉(zhuǎn)法2.研究進展22/56CALPHAD+分子動力學人工智能方法發(fā)展中原子分子參數(shù)+已知特性(建模）不需要目標體系試驗數(shù)據(jù)快速預測一類體系大量類似體系數(shù)據(jù)人工智能對多變量、非線性、高噪聲、非高斯或均勻分布的復雜數(shù)據(jù)處理具有優(yōu)勢基于已有體系的已知實驗數(shù)據(jù)訓練模型，預測未知體系的特性相平衡數(shù)據(jù)，熱力學數(shù)據(jù)交互系數(shù)第一性原理傳統(tǒng)且相對成熟 理論性強兩種原理，不同輸入數(shù)據(jù)需要一定的目標體系試驗數(shù)據(jù)重新建模計算其他體系熱穩(wěn)定性（如蒸氣壓）等鮮見研究依托超級計算中心，開展熔鹽熱物性計算及結(jié)構(gòu)預測豐富的軟件及編譯器：

Lammps，Materials

studio，Gaussian，Hitran和Hitemp軟件及數(shù)據(jù)庫等SolarEnergy,2020,204:

667-672SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2020,218:110756SolarEnergy,2020,209:568-575JournalofMolecularLiquids,2020,314:

113592.研究進展23/56人工智能算法開發(fā)數(shù)據(jù)收集分子、原子參數(shù)已知熱物性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析處理可行性評估樣本、變量篩選模型選擇與訓練熱物性Tm、ΔH、Cpρ、η、λ、蒸氣壓構(gòu)效關(guān)系規(guī)律分析高性能熔鹽獲取第一性原理輸入能量、力、維里數(shù)、盒子參數(shù)等DeePMD-kitLAMMPS經(jīng)典分子動力學DeePMD-Kit勢函數(shù)訓練勢函數(shù)驗證RawdataDescriptorsDeePMD

networksPredictions2.研究進展24/56LiCl-NaCl-ZnCl2三元體系的熱物性評估（例子）比熱液相比熱密度熱重DSC

曲線

xi

Mi

x

NDulong-Pitit方法：Cp

8

i i摩爾平均值：ρ

xi

ρi2.研究進展25/56主要內(nèi)容:

建立了密度、熔點、熱擴散等物性參數(shù)的模擬，與實驗值的擬合好建立熔鹽物性測試的模擬方法，預測結(jié)果吻合度高SolarEnergyMaterialsandSolarCells，2020,

210:110504.SolarEnergy,2020,

209:568-575.JournalofMolecularLiquids,2020,314:113596.JournalofMolecular

Liquids，2021，117054.2.研究進展26/56主要內(nèi)容:

徑向分布、角分布、結(jié)構(gòu)因子、多面體配位結(jié)構(gòu)。解析高溫下其微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；SolarEnergy,2020,

209:568-575.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2021,

232:111351微觀結(jié)構(gòu)演變2.研究進展27/56Deep

potential驗證熱輸運性質(zhì)模擬2.研究進展28/56數(shù)據(jù)評估搭建平臺建立方法設(shè)備可靠方法準確操作規(guī)范標準方法標準樣品標準數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計安全分析熱工計算準確可靠2.研究進展29/56熔鹽腐蝕控制方法主動控制被動控制合金成分優(yōu)化

(美國、俄羅斯：添加Zr,Nb,Ti改善HastelloyN抗晶間腐蝕性能）研制新型耐蝕合金（法國、中國研制Ni-Cr-W合金）熔鹽化學控制（熔鹽純化，添加緩蝕劑等-MSRE采用此方法）研制耐蝕涂層（利用金屬表面鍍Ni,Mo等金屬涂層或金屬碳化物、碳化物等陶瓷涂層提高合金耐蝕性）復合管（在耐蝕差的合金表面通過特殊的加工工藝復合一層耐蝕性好的金屬或合金）2.研究進展30/56氯鹽腐蝕SolarEnergy2018,171:

320-329CorrosionScience2018,143:

187-199.31/561.5kg級純化鹽300g級純化鹽未純化還原性金屬CCl4或光氣H2-HF熔鹽雜質(zhì)高溫熔鹽腐蝕評價與緩釋技術(shù)

氯鹽腐蝕是應(yīng)用國際難題（氯鹽極易吸水，水氧是關(guān)鍵）水/氧過渡金屬離子酸根離子活性炭還原

NH4Cl

HCl腐蝕性凈化后高溫熔鹽對316合金年腐蝕率小于50微米，申請發(fā)明專利2項一種多組分氯化物共晶熔鹽的制備方法（201811115475.X）一種高純氯化物熔鹽的制備方法及其應(yīng)用（201811057800.1）2.研究進展32/561.蓄熱球研制2.傳蓄熱性能研究3.工程驗證700度雙罐系統(tǒng)2.研究進展33/56一種低成本高導熱水泥包覆熔鹽相變蓄熱固態(tài)元件的方法，專利炭/陶包覆球陶瓷包覆球高分子包覆球鹽成球防水涂層陶瓷包覆工藝路線2.研究進展34/56PropertiesGF0GF1GF2GF3Density(g/cm3)0.7850.8380.9280.940Thermaldiffusivity(Zaxis,mm2/s)317.32249.49276.46222.92Thermalconductivity(Zaxis,

W/mK)Averagecellsize

(μm)176.86≈350148.44≈300182.15≈300148.78≈100石墨泡沫制備的工藝參數(shù)和性能.泡沫炭結(jié)構(gòu)調(diào)控及相變儲能材料調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，制備了不同密度、空隙率和強度的泡沫炭；泡沫炭熱導率可以達到182.15

W/mK。2.研究進展35/56選擇不同熔點鹽，制備外部保護層，電鍍鎳；表征保護層和電鍍層的結(jié)構(gòu)和性能；研究包覆元件材料間的相容性及元件熱穩(wěn)定性。鹽球制備及烘干澆注料包覆后金屬涂覆層鹽球金屬涂覆層2.研究進展36/56材料：Inconel

600運行：>6000小時熱工實驗回路熔鹽：三元硝酸鹽溫度：250～450℃流量＜2m3/h功率～120kW硝酸鹽熱工實驗回路建成硝酸鹽熱工實驗回路，完成系統(tǒng)和設(shè)備性能測試，獲得熔鹽對流換熱系數(shù)、回路壓損等熱工數(shù)據(jù)及力學實驗結(jié)果。硝酸鹽熱工實驗回路100.

000.

00Hz0.

170.

00g/NAmplit

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000.

00Amplit

ude0.0139.000.

070.

120.170.16FFRF

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+ZFFRFright:2:+Z/force:+ZFFRFright:3:+Z/force:+ZFFRFright:4:+Z/force:+ZF

FRF

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+Z100.

000.

00Hz0.

220.

00g/NAmplit

ude1.

000.

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/39.

00000.99970.2183FFRFright:1:+Z/force:

+ZBCoherenceright:1:+Z/force:

+熱工和力學實驗結(jié)果2.研究進展37/56攻克關(guān)鍵技術(shù)，推進世界首座10MW超高溫熔鹽儲能示范裝置系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計分析 熔鹽制備系統(tǒng)設(shè)計：完成了世界首座10MW示范裝置初步設(shè)計，蓄熱溫度700℃關(guān)鍵技術(shù)：完成換熱器、泵樣機制造，完成氯鹽制備，腐蝕控制達到要求示范工程：項目納入“甘肅省推進綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”腐蝕控制5000h26μm2.研究進展38/56匯報目錄1.背景意義2

研究進展3

團隊介紹4

總結(jié)展望39/56嘉定園區(qū)武威園區(qū)成立于1959年，

2003年由上海原子核研究所更名為上海應(yīng)用物理研究所。擁有嘉定(TMSR基礎(chǔ)研究基地)和武威(TMSR實驗基地)兩個園區(qū)(共1400畝)，職工720人、研究生500人。承擔首批中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項：未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)40/56釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)環(huán)境友好的先進能源系統(tǒng)熔鹽儲能解決可再生能源的輸出不穩(wěn)定問題無碳氫解決化石能源的CO2排放問題無水冷卻高溫制氫釷鈾循環(huán)焚燒廢