1.2.5 儲熱

熱/冷能是重要的人類能源利用形式，占終端能源消費的40%～50%，儲熱技術應用領域十分廣闊。現有的能源開發利用體系中，絕大部分的能量形式轉化均涉及熱能，如圖1-14所示。受限于能量轉化過程的損耗，儲熱極少用于電能的存儲（輸入和輸出均為電），往往作為能量形式轉化過程中的一個環節，如太陽能熱發電、電供熱等；或者僅作為熱力系統的儲能，如工業余熱存儲后再利用等。

按照儲熱原理的不同，主要分為顯熱儲熱、潛熱（相變）儲熱和化學儲熱三種形式。其中，顯熱儲熱（利用儲熱材料溫度變化實現熱能的吸收和釋放）技術最成熟、成本最低廉，應用最廣泛，在電力系統中主要用于火電廠余熱的回收再利用和太陽能光熱發電。目前，常用的顯熱儲熱材料主要包括水、導熱油、熔融鹽等，其中，熔融鹽已成為高溫儲熱領域的研究熱點，在光熱發電領域得到較好應用。

相比其他儲能技術，儲熱具有技術成熟、成本低、壽命長、規模易擴展且儲能規模越大效率越高等優點。目前電力系統中應用較多的熔融鹽儲熱主要采用硝酸鹽或多元硝酸鹽的混合物作為儲熱介質，具有成本適中、溫域范圍廣、流動性好、蒸汽壓力低等優點，并且無毒、不易燃。儲熱效率可達90%左右。

圖1-14 常見能量形式之間的關系示意圖

熔融鹽儲熱系統與太陽能集熱設備、汽輪發電機等設備共同組成光熱發電系統，可以有效克服太陽能的間歇性和波動性，使太陽能的利用具備可調節能力，增加系統的靈活性。這種應用是未來儲熱技術在電力系統應用的主要發展方向。另一方面，熔融鹽儲熱也存在用于發電時熱-電轉化效率低（40%～50%）、熱量易散失、配套的集熱設施（如鏡場）成本高等問題。

以熔融鹽儲熱為代表的顯熱儲熱技術較為成熟。以光熱電站中常用的雙罐式熔融鹽儲熱系統為例，成本為25～40美元/kWh，其中，熔融鹽的材料成本約占50%，如圖1-15所示。無論熔融鹽（當前價格為500～700美元/t）還是配套設備，成本下降空間均有限，但隨著技術的進步，設備的使用壽命有望提高。

圖1-15 雙罐式熔融鹽儲熱系統成本構成

目前，儲熱技術在電力系統中最主要的應用是利用熔融鹽儲熱實現太陽能熱發電。西班牙、美國、摩洛哥等國家已經實現了光熱發電的商業化運行。在我國，光熱發電技術也已經步入產業化應用階段，截至2019年年底，已有約20萬kW投入商業運營。在太陽能-熱能-電能轉化的過程中，需要配置儲能來實現電站出力的可調節性。太陽能本身無法存儲，轉化為電能后直接存儲的成本較高，而利用熔融鹽在熱能環節實現儲能，成本相對較低。

光熱電站多采用雙罐式熔融鹽儲熱系統，一般由熱鹽罐、冷鹽罐、泵和換熱器組成。當充熱時，低溫熔融鹽從冷鹽罐中被泵送至太陽能集熱器系統中加熱后成為高溫熔融鹽，再被放入熱鹽罐存儲起來；當放熱時，熱鹽罐中的熔融鹽被泵入至蒸汽發生器中釋放熱量，將冷凝水加熱為高溫高壓的水蒸氣后，自身溫度降低再被送回冷鹽罐存儲。水蒸氣則進入汽輪機組發電。

儲熱技術還廣泛應用于供熱、工業余熱利用等領域，技術路線繁多。利用熔融鹽、鎂磚等材料的顯熱儲熱技術已經實現商業應用，利用混凝土等新型材料的顯熱儲熱技術還處于研究示范階段；利用石蠟等材料的潛熱儲熱技術開始初步商業化應用，同時不斷研發其他材料；化學儲熱還處于實驗研究階段。