11月23日，北京工业大学校聘教授、博士生导师、内蒙古百川光热科技有限公司首席技术专家张灿灿出席了由ESPLAZA长时储能网、国家储能技术产教融合创新平台（华北电力大学）共同主办的2023首届中国长时储能大会，并作主题报告《低熔点LMTS-150混合熔盐储热技术及应用》。
张灿灿本次演讲从低熔点LMTS-150混合熔盐储热技术的研发背景、低熔点混合熔盐的筛选及热物性分析、低熔点LMTS-150混合熔盐的腐蚀性研究及其应用展望四方面展开。
▲北京工业大学教授张灿灿
一、低熔点LMTS-150混合熔盐的研发背景
在“双碳”目标的驱动下，以风电、光伏为代表的可再生能源正在加速我国能源结构的低碳化转变，但其具有间歇性和波动性的特点，就迫切需要规模化的储能容量来保障能源电网的稳定性运行。
就目前来看，风电和光伏发电储能电站的合理配比为15%~20%，而到2030年，我国储能电站的合理装机容量要求达到1.8~2.4亿千瓦以上，其中抽水蓄能电站投产总规模1.2亿千瓦左右，还有0.6~1.2亿千瓦的缺口。那么哪些储能方式适合填补这个缺口？张灿灿道：“压缩空气储能技术具有储能容量大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长、比投资小，是一种适宜于大范围推广的规模化电力储能技术。”
张灿灿首先介绍了现有的几种压缩空气储能技术，如补燃式压缩空气储能技术、非补燃式压缩空气储能技术、液态压缩空气储能技术等。其中采用非补燃式的压缩空气储能技术的江苏金坛导热油储热平均效率为61.2%，随着压缩空气储能技术不断的发展，现在的效率应达到70%。
张灿灿指出，近年来，随着高温压缩机的发展，压缩机的压缩热已接近350℃，如果以压力水为储热介质，储罐压力过高，壁厚太大。如果采用低熔点混合熔盐回收压缩机在压缩热，可以将压力罐水温降低至150℃以下，材料壁厚相对于180℃可减少一半，相当于可以减少一半的成本。
于是，中国能建提出采用熔盐和压力水接力的技术方案，以减小储水罐压力，从而提高压缩空气中电-电转换效率。张灿灿表示：“对此，我们做了多方面的准备工作”。
在研发上，2022年，中国能建数科集团与北京工业大学传热强化与过程节能全国重点实验室成立“储热联合研究中心”：为压缩空气储能发电系统等研发最低工作温度为150℃的低熔点低成本混合熔盐，以降低压缩空气储能成本，并提高系统效率。
同时，在光热发电领域，以中船新能乌拉特100MW槽式太阳能热电站为例，该电站采用的传热介质为导热油，储热介质为太阳盐，蓄热温区在290-390℃之间，整个工程使用太阳盐7万吨。该工程采用了常规的二元盐，最低运行温度比较高，从而导致冻堵风险高，同时储热密度低，熔盐使用量大。张灿灿表示，如使用低熔点混合熔盐，使用温区便会在150-550℃之间，可以大幅降低熔盐使用量，提高发电效率，降低管道伴热能耗和冻堵风险。
二、低熔点LMTS-150混合熔盐的筛选及热物性分析
1.重复性测试
张灿灿道：“首先我们通过大量的计算，包括理论和软件结合的方法，筛选了熔盐一些基本的物性，得到了一些可行性方案配方。随后我们对于这些配方进行优选，对于优选配方的测试结果，我们会进行多次重复性测试，根据平均值得出结果。”
从测试中可以看出，目前来说正常液体使用温区为150-550℃，熔点低于100℃，分解温度582.1℃。优选配方主要是通过对比热容、密度、导热、粘度进行测试得到的热物性。张灿灿指出，所展示的热物性都是由国家资质CMA机构测试得到的数据，并经过了反复的测试，更接近真实结果。
2.稳定性实验
张灿灿介绍，熔盐的稳定性实验分两部分，一部分是热冲击实验，一部分是恒温实验。
（1）骤冷骤热热冲击试验：150-300℃
该实验让高温低温不停循环，不断进行高低温冲击，快速实现升温降温。150-300℃热冲击1000次，可以看到样品的比热、熔点、初晶点变化情况：
可以看到经过了1000次的实验之后，熔点基本上保持在100℃左右，初晶点平均下来108℃左右。
（2）骤冷骤热热冲击试验：350-500℃
在350-500℃高温的实验中可以看到，通过高温的热冲击之后，熔盐的物性依然稳定，基本上没有发生大幅度的变化。
张灿灿表示：“由此证明，低熔点LMTS-150混合熔盐的物性是稳定的。”
（3）450℃高温恒温1000h试验
恒温实验相对选用了高温450℃做了1000小时的恒温实验，对于熔点、初晶点的变化情况进行了分析可以得出低熔点LMTS-150混合熔盐熔点基本上100℃左右，初晶点110℃左右。
（4）高温恒温热损失试验-450℃
高温运行时间长以后熔盐有没有损失？张灿灿指出，根据自主研发的设备测量到高温熔盐恒温之后的质量变化：
该实验把500g的熔盐放在一个恒高温的仪器里，去测量它实时的重量变化，此设备可以做到1/10万的精度，可以看到在450℃恒温1000小时之后熔盐质量基本不变。
根据上述的重复性测试和稳定性试验可以看出，优选的低熔点混合熔盐正常液体使用温区为150-550℃，具有长期的热稳定性，在高温情况下长时间使用并不用进行补盐，可以大大节省成本。
三、低熔点LMTS-150混合熔盐的腐蚀性研究
张灿灿表示：“低熔点混合熔盐的物性很稳定，但是腐蚀性怎么样？长时间使用对换热器、储罐的损害如何？我们同样进行了研究。”腐蚀性研究结合工程的实际情况，高温罐用的是347H，低温罐用Q345R，输运管道用20号钢。
1.腐蚀性研究结果
研究采用湿度法，可以看到450℃条件下Q345R和20号钢板材试样腐蚀1000h的实验结果：20号钢最低的腐蚀速率0.0451mm/y，Q345R为0.0749mm/y。随着时间的增加，腐蚀速率的趋势会继续下降，时间越长腐蚀速率越低，最终达到平衡的状态。
另外，张灿灿介绍，研究将低熔点混合熔盐与常用的太阳盐的腐蚀速率在同等温度下进行对比，可以看到低熔点混合熔盐的腐蚀速率远低于太阳盐。
2.低腐蚀性原因分析
张灿灿指出，研究通过对腐蚀产物进行分析去得到低熔点优选混合熔盐低腐蚀性的原因。比如说Q345R试样在普通太阳盐和450℃低熔点优选混合熔盐中腐蚀前后的变化：
与普通太阳盐不一样的是，Q345R试样在450℃低熔点优选混合熔盐腐蚀过程中会有钙铁氧化物的生成，这些氧化产物会减缓腐蚀速度，阻止深层次的腐蚀。
“很多情况下熔盐罐发生问题，大部分原因是焊缝。焊缝材料和罐体材料不一样，施工工艺会造成这方面开裂的可能较大，于是我们对焊缝也进行了实验研究。”张灿灿道。
在焊缝的腐蚀性实验中发现，450℃情况下Q345R和20号钢的腐蚀速率比较低，20号钢为0.0681mm/y，Q345R为0.0597mm/y。同时对腐蚀产物进行分析，测出了同样减缓腐蚀速度的物质。
最后测量347H在550℃低熔点优选混合熔盐中的腐蚀速率，明显得出347H耐腐蚀性很强，仅为0.0313mm/y。
张灿灿指出，通过腐蚀性研究发现，低熔点优选混合熔盐中因含有钙离子，生成产物钙铁氧化物抑制了低熔点优选混合熔盐对试样的腐蚀，且腐蚀性小于太阳盐。在450℃以下选择Q345R作为储罐材料，450℃以上选择347H作为储罐材料。且低熔点优选混合熔盐对焊缝的腐蚀性小于板材，实用性很高。
四、低熔点LMTS-150混合熔盐的应用展望
张灿灿总结表示，低熔点优选混合熔盐熔点为98℃，初晶点110℃，分解温度582℃，正常使用温区150-550℃，应用的场景非常广阔。除了压缩空气储能，在光热发电领域，如线性菲涅尔聚光集热系统、槽式聚光集热系统都可以应用。
而火电厂灵活性调节可以匹配火电厂的参数，通过计算得到更优的性能。包括高温热能与电能耦合的系统、电厂抽汽、烟气与工业余热、弃风弃光电以及谷电、火电厂不上网电都是低熔点LMTS-150混合熔盐很好的应用场景。
