2022年熔鹽儲(chǔ)能行業(yè)專(zhuān)題研究

2022年熔鹽儲(chǔ)能行業(yè)專(zhuān)題研究熔鹽儲(chǔ)能：光熱發(fā)電配套儲(chǔ)能方式，前景廣闊熔鹽儲(chǔ)能是光熱發(fā)電的配套儲(chǔ)能系統(tǒng)，也能同時(shí)滿(mǎn)足光伏、風(fēng)電的儲(chǔ)能需求。光熱發(fā)電配置了大容量、安全環(huán)保的熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠克服太陽(yáng)能自身的間歇性和不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期連續(xù)發(fā)電，可以承擔(dān)基礎(chǔ)電力負(fù)荷，是新型電力系統(tǒng)中的中流砥柱和壓艙石。清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研究結(jié)果顯示，若安裝22GW光伏和7GW風(fēng)電，青海電網(wǎng)在豐水期可連續(xù)3日全清潔能源供電（含省內(nèi)負(fù)荷及特高壓外送河南）；如在此基礎(chǔ)上配置4GW光熱發(fā)電，青海省在豐水期可高達(dá)創(chuàng)世界紀(jì)錄的連續(xù)30日全清潔能源供電。“風(fēng)光”建設(shè)加速，“配儲(chǔ)”勢(shì)在必行風(fēng)電光伏能源占比不斷提升下，能量消納存儲(chǔ)需求與日俱增。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有“極熱無(wú)風(fēng)”、“晚峰無(wú)光”等特點(diǎn)和“大裝機(jī)、小電量”特征，隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，高比例、間歇性和波動(dòng)性的風(fēng)電與光伏在電力系統(tǒng)中的比重不斷增加，在滿(mǎn)足電力系統(tǒng)電量需求的同時(shí)，也帶來(lái)較大的調(diào)峰壓力。近年來(lái)各省市地區(qū)陸續(xù)出臺(tái)可再生能源配套儲(chǔ)能政策指導(dǎo)，要求集中/分布式風(fēng)電光伏裝置配套5%~25%不等的儲(chǔ)能容量，且對(duì)儲(chǔ)能配時(shí)提出要求。光熱是光伏外另一種太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，自帶熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)光熱發(fā)電技術(shù)是一種光伏發(fā)電以外利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)。光熱發(fā)電的基本原理是通過(guò)鏡面反射太陽(yáng)光至集熱器完成太陽(yáng)能的采集，再通過(guò)換熱裝置提供高壓過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)完成發(fā)電。光熱發(fā)電裝置由聚光集熱系統(tǒng)、吸熱傳熱系統(tǒng)、儲(chǔ)換熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)四部分組成：聚光集熱系統(tǒng)：負(fù)責(zé)吸收太陽(yáng)輻射能，匯集能量，包含聚光裝置和接收器兩個(gè)核心組件。聚光裝置跟蹤太陽(yáng)位置，收集并反射最大量的陽(yáng)光，接收器則利用收集到的能量加熱內(nèi)部介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量的吸收和儲(chǔ)運(yùn)。吸熱傳熱系統(tǒng)：利用聚光集熱系統(tǒng)收集的熱能，通過(guò)導(dǎo)熱介質(zhì)，輸送給后續(xù)環(huán)節(jié)。目前最主流的工作流體為熔鹽。儲(chǔ)換熱系統(tǒng)：由高溫熔鹽罐和低溫熔鹽罐組成，利用熔鹽儲(chǔ)熱罐，將集熱器加熱過(guò)的介質(zhì)集中儲(chǔ)存，再泵出與水換熱。熱能被儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱罐中的熔鹽，可以在夜間和光照不足的情況下持續(xù)工作一段時(shí)間，進(jìn)而突破光照時(shí)長(zhǎng)限制，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電。發(fā)電系統(tǒng)：與傳統(tǒng)電廠區(qū)別不大，也是通過(guò)加熱水獲得高質(zhì)量過(guò)熱蒸汽，推動(dòng)各式汽輪機(jī)發(fā)電。根據(jù)核心組成部分“聚光集熱系統(tǒng)”集熱方式的不同，光熱發(fā)電可分為槽式集熱、塔式集熱、碟式集熱以及線性菲涅爾式集熱4種。塔式集熱：塔式設(shè)計(jì)為點(diǎn)式聚焦系統(tǒng)，其利用大規(guī)模的定日鏡組成陣列，將太陽(yáng)輻射反射并積聚到吸熱塔頂部的吸熱器對(duì)內(nèi)部工質(zhì)進(jìn)行加熱。塔式電站最大的優(yōu)勢(shì)在于熱傳遞路程短，損耗小，聚光比和溫度都比較高，且規(guī)模大。但塔式的特性也決定了，它不能小型化，無(wú)法建立分布式系統(tǒng)，因此對(duì)土地占用多，前期投資大。此外，塔式系統(tǒng)的技術(shù)門(mén)檻也比較高，建設(shè)難度比槽式和菲涅爾式要大。但由于其可以預(yù)期的規(guī)?；?yīng)，以及伴隨著近年的技術(shù)進(jìn)步，塔式系統(tǒng)是在建的新一批光熱發(fā)電項(xiàng)目主流，前景明顯優(yōu)于其他技術(shù)路線。槽式集熱：槽式路線屬于線性聚焦系統(tǒng)，是通過(guò)槽式拋物面聚光鏡面，將太陽(yáng)光匯聚在焦線上，并在焦線上安裝管狀集熱器，從而吸收聚焦后的太陽(yáng)輻射能。槽式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)最為成熟，且各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備本身比較簡(jiǎn)單，大批量生產(chǎn)安裝的難度不大，維護(hù)成本也更低。但由于其集熱效率偏低，無(wú)法將導(dǎo)熱介質(zhì)加熱到太高溫度，有被塔式系統(tǒng)逐漸取代的趨勢(shì)。線性菲涅爾式集熱：整體設(shè)計(jì)與槽式差別不太大，但結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。它采用靠近地面放置的多個(gè)幾乎是平面的鏡面結(jié)（帶單軸太陽(yáng)跟蹤的線性菲涅爾反射鏡），先將陽(yáng)光反射到上方的二次聚光器上，再進(jìn)一步匯聚到管狀集熱器上，然后加熱導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行發(fā)電。其聚焦工作原理類(lèi)似槽式，只是采用菲涅爾結(jié)構(gòu)的反光鏡來(lái)替代拋面鏡聚光，帶來(lái)了一定的成本優(yōu)勢(shì)，但也進(jìn)一步降低了本就不是特別強(qiáng)的聚光能力，因此線性菲涅爾式集熱整體發(fā)電效率比較低。碟式集熱：碟式是最為特殊的一條光熱技術(shù)路線，其在設(shè)計(jì)上與另外三條路線差異巨大。槽式、塔式、菲涅爾式系統(tǒng)均是在大范圍內(nèi)聚熱后，將熱能集中進(jìn)行利用，但碟式則是由獨(dú)立的模塊就地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。碟式的聚光效率非常高，光電轉(zhuǎn)化效率也不錯(cuò)，但能源產(chǎn)業(yè)并不是特別需要一種和光伏差不多，卻更加昂貴的發(fā)電系統(tǒng)。更何況從各方面看，碟式相較于其他路線并不成熟，現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)也不突出，是這一路線落地項(xiàng)目稀少的核心原因。熔鹽是光熱發(fā)電的傳儲(chǔ)熱介質(zhì)，主要光熱發(fā)電路線均配有熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)。對(duì)比四種光熱發(fā)電路線，除碟式路線就地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，其他光熱發(fā)電方式均有傳儲(chǔ)熱要求。熔鹽具有傳熱能力強(qiáng)、系統(tǒng)壓力小、使用溫度范圍廣、經(jīng)濟(jì)性較好等一系列優(yōu)點(diǎn)，是目前光熱發(fā)電傳儲(chǔ)熱介質(zhì)的首選。熔鹽儲(chǔ)能當(dāng)前仍較小眾，未來(lái)空間廣闊。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有儲(chǔ)能模式為抽水蓄能為主，電化學(xué)儲(chǔ)能為輔。抽水蓄能具有容量大、工況多、速度快、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)，且目前技術(shù)發(fā)展最為成熟，是我國(guó)當(dāng)前最主流的儲(chǔ)能方式。截至2021年底，抽水蓄能在國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能模式中占比高達(dá)86.3%，其次為電化學(xué)儲(chǔ)能（12.1%），熔鹽儲(chǔ)能占比僅約1.2%。我國(guó)西北地區(qū)可再生能源富集，但抽水蓄能存在資源痛點(diǎn)，熔鹽儲(chǔ)能有望大放異彩。西北地區(qū)能源資源富集，是我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一。在我國(guó)能源發(fā)展總體布局和“西電東送”戰(zhàn)略規(guī)劃中，西北地區(qū)是重要的能源外送基地，未來(lái)儲(chǔ)能配套建設(shè)空間大。但與我國(guó)南方的抽水蓄能電站相比，西北地區(qū)抽水蓄能電站受水源條件、地形地質(zhì)條件的制約。西北地區(qū)上、下水庫(kù)成庫(kù)自然條件較差，備用庫(kù)容也要大一些，壩體普遍較高，且由于缺乏地下水補(bǔ)給，上、下水庫(kù)普遍需要采用全庫(kù)盆的防滲措施，施工難度較大，這也導(dǎo)致抽水蓄能在我國(guó)西北部地區(qū)推廣一定程度受阻。熔鹽儲(chǔ)能與光熱發(fā)電配套，在太陽(yáng)能資源豐富的西北地區(qū)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。光熱發(fā)電適于搭配“風(fēng)光”使用，備受政策青睞光熱發(fā)電既可單獨(dú)使用，也可搭配風(fēng)電、光伏作為儲(chǔ)能系統(tǒng)工作。風(fēng)電、光伏電站在向電網(wǎng)供電時(shí)，可以通過(guò)電轉(zhuǎn)熱環(huán)節(jié)將剩余的一部分電量轉(zhuǎn)換為熱能存入光熱電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，在風(fēng)電光伏出力較低時(shí)可通過(guò)光熱電站將存儲(chǔ)的熱量轉(zhuǎn)換為電能來(lái)平衡電網(wǎng)負(fù)荷需求。光熱發(fā)電近年備受政策重視。中央層面，國(guó)務(wù)院在2021年10月下發(fā)的《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》明確提到積極發(fā)展光熱發(fā)電。此后能源局等部門(mén)陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)響應(yīng)政策：2021年11月至2022年6月，國(guó)家能源局下發(fā)的6份文件中均表示了優(yōu)先考慮和積極發(fā)展太陽(yáng)能光熱發(fā)電的政策主張。省級(jí)政府紛紛跟進(jìn)光熱發(fā)電支持政策。地方層面，內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等具有光照優(yōu)勢(shì)的西北地區(qū)積極響應(yīng)，推出了更為具體的光熱發(fā)電支持政策，設(shè)立了更為具體的光熱發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)。如青海省在《青海省“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃》中提到“力爭(zhēng)光熱裝機(jī)達(dá)到121萬(wàn)千瓦”；內(nèi)蒙古自治區(qū)能源局在《蒙西新型電力系統(tǒng)建設(shè)行動(dòng)方案（1.0版）》中提到“在阿拉善、巴彥淖爾、鄂爾多斯，布局建設(shè)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)熱型太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目，到2030年太陽(yáng)能熱發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)300萬(wàn)千瓦左右”。根據(jù)中央及地方政策指引的相關(guān)表述可以看出，光熱發(fā)電除是一種符合“雙碳”大方針的清潔可再生能源外，自帶的熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)具備有效消納存儲(chǔ)光伏、風(fēng)電的能力，因此更受政策青睞。光熱待投項(xiàng)目規(guī)模龐大，硝酸熔鹽需求或迎爆發(fā)我國(guó)光熱發(fā)電潛力巨大，蓄勢(shì)待發(fā)我國(guó)光熱發(fā)電已并網(wǎng)項(xiàng)目共9個(gè)，總光熱裝機(jī)規(guī)模約550MW，預(yù)計(jì)年可發(fā)電共20.97億度。其中，《國(guó)家能源局關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》所確定第一批太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單中，共8個(gè)項(xiàng)目完成并網(wǎng)，包括5個(gè)塔式項(xiàng)目、2個(gè)槽式項(xiàng)目以及1個(gè)菲涅爾項(xiàng)目。在已并網(wǎng)項(xiàng)目中，青海中控德令哈50MW光熱電站自2021年8月6日（汽輪機(jī)完成整改后）起，電站完整年度累計(jì)實(shí)際發(fā)電量1.58億kWh，達(dá)到年度設(shè)計(jì)發(fā)電量（1.46億kWh）的108%。光熱發(fā)電在建、招投標(biāo)項(xiàng)目數(shù)量大，“十四五”期間裝機(jī)與發(fā)電規(guī)模具有較高增長(zhǎng)潛力。首批太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單中尚有12個(gè)項(xiàng)目處于開(kāi)工在建或招投標(biāo)階段，其中位于德令哈市的青海中控德令哈135兆瓦光熱發(fā)電項(xiàng)目是目前中國(guó)裝機(jī)規(guī)模最大、儲(chǔ)能規(guī)模最大的光熱電站。剩余在建太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目與2021-2022新開(kāi)工太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目共39個(gè)，預(yù)計(jì)總光熱裝機(jī)規(guī)模3.9GW，大量項(xiàng)目預(yù)計(jì)在“十四五”階段迎來(lái)集中投產(chǎn)，未來(lái)光熱裝機(jī)與發(fā)電規(guī)模將快速增長(zhǎng)，帶動(dòng)儲(chǔ)能熔鹽需求快速提升?！岸}材料”硝酸鈉、硝酸鉀需求或迎放量熔鹽約占“聚光吸熱儲(chǔ)熱子系統(tǒng)”中原材料成本的21%，僅次于鋼材。光熱發(fā)電系統(tǒng)中主流熔鹽選擇為硝酸鈉、硝酸鉀混合物——二元鹽（Solarsalt），即由60%KNO3和40%NaNO3組成的二元混合硝酸鹽。根據(jù)《塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電中熔鹽儲(chǔ)能材料的篩選》（李潤(rùn)達(dá)），熔鹽儲(chǔ)熱材料主要包括碳酸鹽、氯化鹽、氟化鹽和硝酸鹽。其中硝酸鹽熔點(diǎn)低、腐蝕性較小，性能最適合作為熔鹽儲(chǔ)熱材料，因此硝酸熔融鹽在傳蓄熱應(yīng)用中較為常見(jiàn)。碳酸鹽：碳酸鹽價(jià)格低廉，原料容易獲取，且腐蝕性??；但其缺點(diǎn)是熔點(diǎn)較高且黏度大，有些碳酸鹽容易分解，另外碳酸鹽熱導(dǎo)率低，容易產(chǎn)生局部過(guò)熱。氯化鹽：價(jià)格低廉，原料也較容易獲取，相變潛熱大，且工作溫度范圍寬，儲(chǔ)熱密度較大。但有些氯化鹽腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)金屬管路有損害。氟化鹽：熔點(diǎn)和相變潛熱都較高，與金屬容器材料的相容性也較好。但是，其在液相—固相轉(zhuǎn)化時(shí)體積變化劇烈，有些材料甚至超過(guò)了20%。另外，氟化物的導(dǎo)熱性能較差，容易出現(xiàn)熱斑和熱松脫現(xiàn)象。硝酸鹽：硝酸鹽具有熔點(diǎn)較低、價(jià)格低廉、腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)。工作溫度相對(duì)較低，是最適宜的熔鹽，是應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)能熱發(fā)電傳蓄熱工質(zhì)。根據(jù)《硝酸熔鹽儲(chǔ)熱材料在太陽(yáng)能利用中的研究進(jìn)展》（張宏韜），硝酸熔融鹽中，單鹽熔點(diǎn)較高，在使用中容易導(dǎo)致“凍管現(xiàn)象”，而Hitecsalt（三元混合硝酸鹽，成分為53%KNO3—40%NaNO2—7%NaNO3），可以大大降低體系熔點(diǎn)，但體系的導(dǎo)熱系數(shù)和熔化熱也會(huì)隨之降低，Solarsalt既保證了導(dǎo)熱系數(shù)和熔化熱變化不大，還降低了熔點(diǎn)。因此Solarsalt熔鹽體系是最適合應(yīng)用于光熱發(fā)電的，其在熔鹽儲(chǔ)能中的占比也最高，Hitecsalt僅在部分裝置體系中有少量應(yīng)用。光熱發(fā)電對(duì)儲(chǔ)能熔鹽的需求量取決于集熱方式（線性菲涅爾式、槽式、塔式）和儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)（需求量與時(shí)長(zhǎng)正相關(guān)）。根據(jù)2021年底我國(guó)已并網(wǎng)發(fā)電的8個(gè)光熱電站材料用量推算，當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為10小時(shí)，線性菲涅爾式、槽式、塔式光熱電站對(duì)儲(chǔ)能熔鹽的需求量分別約為32萬(wàn)噸/GW、73萬(wàn)噸/GW、28萬(wàn)噸/GW。根據(jù)上文對(duì)剩余在建示范項(xiàng)目與新開(kāi)工項(xiàng)目梳理，預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)尚存光熱裝機(jī)總規(guī)模約3.9GW，且即將在“十四五”階段集中投產(chǎn)。若上述項(xiàng)目（總規(guī)模3.9GW）全部并網(wǎng)，則對(duì)二元熔鹽需求合計(jì)約128.6萬(wàn)噸，其中硝酸鈉、硝酸鉀需求分別為77.2萬(wàn)噸、51.4萬(wàn)噸?？紤]部分項(xiàng)目或因資金問(wèn)題退出或無(wú)限擱置，若2GW項(xiàng)目并網(wǎng)，則二元熔鹽需求合計(jì)65.8萬(wàn)噸，硝酸鈉、硝酸鉀分別為39.5萬(wàn)噸、26.3萬(wàn)噸。投資分析根據(jù)上文測(cè)算，若尚存光熱裝機(jī)項(xiàng)目在“十四五”期間全部集中釋放，帶來(lái)的硝酸鈉、硝酸鉀總需求分別可達(dá)77.2萬(wàn)噸、51.4萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)硝酸鈉產(chǎn)能約120萬(wàn)噸/年，硝酸鉀產(chǎn)能約213萬(wàn)噸/年，光熱項(xiàng)目投放帶來(lái)的熔鹽需求釋放或?qū)?duì)硝酸鈉、硝酸鉀行業(yè)現(xiàn)有的供需格局帶來(lái)較大利好。熔鹽儲(chǔ)能對(duì)硝酸鹽原料純度要求高。與傳統(tǒng)化肥用硝酸鹽產(chǎn)品不同，純度特別是氯離子含量是判斷熔鹽產(chǎn)品優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。熔鹽是通過(guò)選取不同類(lèi)別的單體原材料（單晶鹽），嚴(yán)格按照一定比例復(fù)配形成性能穩(wěn)定的混合共晶鹽。在熔鹽所選用的單晶鹽中，若雜質(zhì)離子（如氯離子、硫酸根離子、銨根離子、碳酸根離子等）含量不能?chē)?yán)格把關(guān)，將會(huì)導(dǎo)致最終的產(chǎn)品性能大打折扣，從而影響儲(chǔ)換熱效率，嚴(yán)重時(shí)可能腐蝕設(shè)備管道造成熔鹽泄露事故，或者堵塞管道導(dǎo)致電站癱瘓。硝酸鈉：純堿下游制品，應(yīng)用廣泛硝酸鈉是純堿的下游制品，廣泛應(yīng)用于制硝酸、亞硝酸鈉、制備其他硝酸鹽，也可以用作玻璃、火柴、搪瓷或陶瓷工業(yè)中的配料，肥料，制硫酸工業(yè)中的催化劑等。國(guó)內(nèi)硝酸鈉行業(yè)總產(chǎn)能約130萬(wàn)噸/年，年產(chǎn)量在100萬(wàn)噸左右。硝酸鈉近期價(jià)格走勢(shì)較為平穩(wěn)。根據(jù)百川盈孚，截至2022年9月23日，國(guó)內(nèi)硝酸鈉市場(chǎng)均價(jià)為3500元/噸。硝酸鉀：用于生產(chǎn)鉀肥、炸藥等，供給較為分散硝酸鉀應(yīng)用于鉀肥合成、炸藥生產(chǎn)、食品防腐等領(lǐng)域。硝酸鉀（KNO3）是鉀的硝酸鹽，生產(chǎn)工藝為復(fù)分解法和離子交換法，離子交換法（原料為硝酸、氯化鉀）是國(guó)內(nèi)主流制備路徑，產(chǎn)能占比接近80%。硝酸鉀主要下游為農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域，占比約50%，主要用于鉀肥的合成；約45%左右的硝酸鉀