11月24日，华中科技大学二级教授、能源学院储能专业负责人杨荣贵出席了由ESPLAZA长时储能网主办的2023首届中国长时储能大会，并作主题报告《双碳战略下的高温热储能技术与应用》。
▲华中科技大学教授、能源学院储能储能专业负责人杨荣贵
1、为什么热储能很重要？
为什么热储能很重要？下图中，杨荣贵展示了热储能种类之多样，材料之丰富以及应用场景之广阔。
▲不同温度下的热储能材料与类型
杨荣贵认为，目前的热储能尤其是高温热储能并没有在新型电力系统中得到应有的尊重与呼声。他坦言道：“希望未来5~10年会有更多人意识到热储能的重要性，共同推进热储能技术的发展。”
他表示，高温热储能优势众多，最重要的就是储能时长非常长（＞4小时），另外其成本优势明显，远低于电池等其他储能技术。
相比其他长时储能技术，高温热储能还有着灵活性与适用性优势，不受地理与环境因素限制。
▲高温热储能的优势
杨荣贵认为，热储能尤其是高温热储能对未来意义重大。他指出，过去几十年，熔盐高温热储能技术已经在国内外光热电站中实现了商业化，为电网规模热储能提供了宝贵的经验。未来，高温热储能技术可耦合发电侧或用能侧的高温工业系统，有望在新型电力系统中承担能源调控或集散中心的作用。
“储能电站到底是干什么的？是调峰还是调频？储能电站是必不可少的吗？”杨荣贵认为，弄清这些问题尤其重要。
杨荣贵表示，1990年代我国的燃煤电厂还非常少，而现今，我国在燃煤发电领域投入了巨额资金与科技力量，已经成为了世界上燃煤电厂最多、发电量最大的国家。
他指出，未来双碳目标要实现30%、50%、70%可再生能源，就不得不利用新的技术来进行储能，平缓电力。而什么样的储能系统能够与电厂进行耦合非常重要。杨荣贵认为，最容易的就是将储热罐与现有的煤电厂进行耦合，既解决技术难题，又解决经济和社会问题。
▲基于高温热储能技术的燃煤电厂灵活性改造
燃煤电厂耦合热储能。通过电加热器将光伏电、风电或电网中的谷电转化为高温热能，当电网侧有顶峰需求时可将储存的热能通过换热器传输到蒸汽机组中进行发电。在储热温度为275-580℃时，该系统的循环效率为45%，比传统燃煤火电厂稍高。该系统负荷变化时，电热转换㶲损失低于原火电机组，可见系统具备优良的调度能力。最重要的是，这里的电用的是弃电，较抽水蓄能、电化学储能等其他大规模储能技术，高温热储能具有明显的成本优势。
另一种则是通过热泵循环充能。在电加热的同时联合热泵系统进行储热，可提升系统循环效率并额外产生冷能。该系统的循环效率相比纯电加热系统效率有显著提升，最高可达70%。当充电电价约0.2元/kWh时，该系统的度电成本低于0.8元/kWh，较其他储能技术具有一定优势。由此可见，在充电电价较高时，耦合热泵系统比纯电加热系统有更低的度电成本，若考虑售卖冷能的经济效益则成本可进一步降低。
杨荣贵坦言，对于科学家来说，未来的综合能源系统或是新型电力系统，不止是简单的供电而已，而是通过明确真正的需求后再考虑电、热、冷或其他的联供系统。杨荣贵强调，电、热或冷的联供，是一个比较重要的系统优化的观点。
除此之外，杨荣贵表示，如果真的有高温热储能系统，可能会改变现有的电力系统结构，也包括当前的用电与石化资源的需求。杨荣贵设想，未来的高温工业或能与高温热储能进行合。例如，在建材水泥生产方面，以前靠烧煤，烧煤之后要除二氧化碳，因为煤的杂质对之后的除碳或碳捕集成本就非常高。而利用高温储热热源可以改变诸多状况。
经过杨荣贵的分析，如果把高温储热系统与水泥生产结合起来，将会具有一定的优势：1、高温热储能取代分级炉中的燃煤供热，可减少化石能源使用与非CO₂杂质排放，利于碳捕集；系统具有较低的生产能耗，若将余热用于胺吸收，可明显降低CO₂排放；BaCO₃等高温热化学储热较其它技术成本更低，CO₂减排率更高，有规模化前景。
▲高温热化学储热与水泥生产循环系统
杨荣贵指出，一个行业的推进，需要付出很多努力。双碳战略下，长时储能是大势所趋，而高温储热系统能否在众多技术中脱颖而出？首先是抓住市场，另一个就是核心技术。而高温储热系统核心技术囊括了材料与装备。
2、高温热储能材料
杨荣贵表示，目前热储能材料种类多样，可适用于不同的场景需求。而考虑与发电侧耦合和工业供汽，熔盐是当之无愧的明星。
硝酸基熔盐具有粘度低，比热容高，成本相对较低的优势，该类熔盐储热系统与光热电站的亚临界蒸汽发电机组的耦合技术已经接近成熟。但熔盐材料还存在高温易分解、腐蚀性强等挑战，目前尚无法与超临界机组耦合。包括杨荣贵团队在内的国内外很多研究组对此都做了一些努力。
一方面，他们正在研究硝酸基熔融盐热稳定性增强机制：通过改变气氛、添加与原有体系不同的阴阳离子控制分解反应平衡，初步得到高分解温度熔盐配方；另一方面，改进硝酸基熔盐高温稳定性实验方法：传统热重分析为毫克级实验，结果极易受到测试条件干扰，正在开发基于质谱与酸碱滴定分析结合的熔盐稳定性测试方法，将更准确地定义并测量熔融盐配方的温度上限。
▲硝酸基熔盐高温分解调控机理与稳定性测试方法
杨荣贵表示，硝酸基熔盐的高温腐蚀一直以来都是一个悬而未决的难题。杨荣贵及其团队研究了硝酸基熔盐高温抗腐蚀方法：基于分解产物浓度控制抑制腐蚀、基于致密氧化层原位钝化策略与化学缓蚀方法协同抑制腐蚀。在实际热储能系统中，对流行为具有加速熔融盐高温腐蚀的作用，基于此，杨荣贵团队正在研究熔盐中的离子传质速率增强与熔盐流的侵蚀磨损作用耦合的加速腐蚀机理。
▲硝酸基熔盐高温抗蚀方法与对流加速腐蚀机理
杨荣贵还展示了新型高温热储能介质单质硫的一些工作。
杨荣贵表示，由于单质硫在地球上储量大，因此成本极低，(约1000元/吨)，只有商用硝酸基熔融盐（太阳盐）的1/5，除此之外，硫具有高温稳定，蒸气压低且无分解问题的优势。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，硫也有一些瓶颈问题：首先，液态单质硫粘度很高，200-250℃的工业硫粘度超过100mPa·s，限制了其流动能力；其次，单质硫高温腐蚀性较强，对不锈钢材料的年腐蚀速率高于硝酸基熔盐。
为此，杨荣贵团队对单质硫的粘度调控与腐蚀控制作了一些研究。他们发现，少量掺杂将对单质硫长链分子产生解聚作用，有望大幅降低液态单质硫的粘度。另外，前期研究表明，合金中Cr、Mo等元素易于单质硫在高温下反应生成致密硫化物，具有抗腐蚀保护效果。杨荣贵表示，硫作为高温热储能介质目前还没有配套的产业链，他希望有更多的人看到硫的优势，一起推进这个技术的发展。
▲单质硫粘度调控与腐蚀控制
3、高温热储能装备
杨荣贵表示，现在的很多电加热都存在一些局限性：传统电阻式加热器存在提高电压等级的同时传热性能变差的矛盾；新型感应式电加热器则功率较低，硬件电路复杂且体积庞大；电极式加热目前电压等级低。
因此他认为，我们急需一些新的技术。如何同时实现电加热器的高电压等级与高传热速率？杨荣贵及其团队提出一种新的熔盐电加热方法并发展相应的电加热器技术，避免传统电阻式加热的高电压击穿问题并保证传热速率。该技术已通过理论计算与实验验证初步证明了该技术原理的可行性与可靠性。
▲高电压等级电加热技术开发
高参数换热器是保障热储能与发电、用能系统进行高效热-热传递的关键装备。然而，传统管壳式换热器在大温差工况下体积庞大、效能不高、应对热冲击能力差，印刷电路板式与绕管式换热器具备更优的性能，但其流道结构复杂，难以准确预测其传热与流体动力性能。
▲熔盐-蒸汽绕管式换热器技术
为此，杨荣贵及其团队开发了熔盐-蒸汽绕管式换热器技术，并在建立兆瓦级熔盐-蒸汽储/放热实验系统。该实验系统设计加热与换热功率1MW，旨在示范证明熔盐与高参数蒸汽耦合的可行性。设计参数覆盖超临界蒸汽机组运行参数，可以提供热储能与火电厂耦合场景下的兆瓦级电加热器与换热器测试条件。
最后，杨荣贵总结道：“作为热能动力科学家，我认为热储能作为一种长时储能技术，在未来新型电力系统中应该有比较重要的作用。希望大家共同努力，把热储能的关键材料和装备技术做下去，带动行业上行。”
