双碳背景下熔盐储热技术的研究分析报告-演讲课件

汇报目录1.背景意义2

研究进展3

团队介绍4

总结展望1/56碳达峰和碳中和是国家重要发展战略，其中清洁低碳的熔盐储能技术是解决双碳战略的重要手段之一。优势作用：安全可靠，供能稳定使用寿命长，环保安全发电灵活，长时储能友好并网，有效调峰无地域限制，移植推广性高意义：积累碳资本，碳话语权节能降耗，合理消费实现能源结构转型可持续发展，保护环境亟需加快发展安全高效的长时熔盐储能技术！1.背景意义2/56园区供热储 能风电光伏光热熔 盐水电火电技 术废热余热等光热发电火电灵活性改造钢厂供能共享储能电站1.背景意义3/562015年发改委提出约1GWe光热示范电站的建设规划，首批20个示范电站18个采用熔盐储热；50MWe示范电站用盐约3万吨

•

目前已建成10多个光热电站 熔盐储热技术可聚能提质，实现洁净能源的高质量可控性利用40%10%30%20%《能源技术革命创新行动计划(2016-2030

年)

》《能源发展“十三五”规划》《能源生产和消费革命战略(2016-2030)

》《可再生能源中长期发展规划》《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》《“十四五”可再生能源发展规划》1.背景意义4/562022年6月国家发展改革委等9部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》：有序推进长时储热型太阳能热发电发展。推进关键核心技术攻关，推动太阳能热发电成本明显下降。在青海、甘肃、新疆、内蒙古、吉林等资源优质区域，发挥太阳能热发电储能调节能力和系统支撑能力，建设长时储热型太阳能热发电项目，推动太阳能热发电与风电、光伏发电基地一体化建设运行，提升新能源发电的稳定性可靠性。在东疆以风电、光伏发电、光热发电相结合，建设千万千瓦级新能源基地。持续推进可再生能源工程技术创新及应用，将推进光热发电工程施工技术与配套装备创新，研发光热电站集成技术。2022年8月科技部等部门《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》：研发高可靠性、低成本太阳能热发电与热电联产技术，突破高温吸热传热储热关键材料与装备。2022年8月科技部等部门《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》：研发高可靠性、低成本太阳能热发电与热电联产技术，突破高温吸热传热储热关键材料与装备。1.背景意义5/56良好的热稳定性低蒸气压良好的化学稳定性宽温度使用范围离子熔体，良好的导电性能原料来源广，价格低廉熔 盐（高效传蓄热介质）凝固点高腐蚀性粘度较大1.背景意义6/56钍基熔盐堆核能氟化物熔盐：500-800℃氯化物熔盐：

500-800℃工业高温余热回收（硝酸、碳酸、氯化物）熔盐：300-1000℃碳酸盐燃料电池碳酸熔盐：400-600℃太阳能热发电硝酸熔盐：290-565℃碳酸、氯化熔盐：300-1000

℃熔盐热裂解生物质熔盐：500-600℃熔盐储能熔盐：200-1000℃1.背景意义7/56汇报目录1.背景意义2

研究进展3

团队介绍5

总结展望8/56100℃低熔点，使用温度超过600℃1000℃超高温，熔点低于450℃一、熔盐储能材料配方设计与定制技术熔盐制备与净化技术熔盐测试与分析技术腐蚀评价与缓蚀技术相变蓄热与传热技术二.熔盐传蓄热技术熔盐对流换热熔盐强化传热。。。。。。。三.

关键设备与系统研制工艺放大与传质设备系统设计模拟高温密封技术。。。。。。2.研究进展9/56储能方式：显热储热、潜热储热及热化学储热研究对象：硝酸盐、氯化盐、碳酸盐、氟化盐、

互异熔盐关键问题：材料设计、制备净化、测试分析、腐蚀控制、相变储热等硝酸盐：成本较低，腐蚀性较低，但工作温度低，最高560℃（第二代）；氯化盐：环境友好，成本低，超过700

℃

，腐蚀性强；（下一代）2.研究进展10/56热力学函数焓、化学势、活度相平衡参数温度、压强、成分“配菜”法测量传统方法熔盐？特别是有些熔盐具有放射性、有毒，且高温实验操作很难，若只通过实验，缺少理论指导，难以得到理想的效果；因此，探讨符合熔盐堆用的熔盐体系亟需以理论计算作为指导。费时、费力、成本高、效率低···计算热力学Calphad技术使用软件：PANDAT、FACTDAGE、VASP2.研究进展11/56难点:

(1)软件无法直接进行熔盐的相图计算(2)

没有相同阳离子互异体系的相图计算，无文献可借鉴……ABLiquid

TE评估实验相图LT<TE确定各相Gibbs相图计算相图实验FP计算

MD计算相 图minG

G

G(1)

(2)

i i i传统配方设计的试错法费时、费力，成本高、效率低高温实验不确定度大，亟需理论计算为指导2.研究进展12/56相图计算采用模型：替换熔体模型、缔合物熔体模型、化学计量比模型、亚点阵模型。辅助手段：分子动力学计算（CMD、FPMD），Convex-Hull与离子参数预测A AaCcB BaCcA AaCc

B

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G2.研究进展13/561、基于Calphad原理完成硝酸盐、氯化盐的热力学优化2、Kohler-Toop原理外推预测多元体系相图及热力学性质3、基于相平衡完成熔盐的组分设计与构建4、基于热力学数据库初步筛选出热力学性能优异的共晶盐5、针对不同功能需求，开发了高稳定的硝酸熔盐6、通过精准化设计了低腐蚀的系列氯化盐2.研究进展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测试ICPOES测试优化得到了熔盐制备工艺，经实验验证该工艺合理可行JournalofEnergyStorage,2022,52:

104805.制备均匀、稳定的熔盐是科研与工程的重要前提熔盐组分间熔点相差较大；

ICP-OES与DSC优化熔盐制备工艺2.研究进展16/56共晶反应后处理预处理三传问题传动：流体输送、过滤、沉降等传热：加热、熔融、挥发等传质：吸收、干燥、扩散等一反问题原料产品熔盐净化过程可归纳为“三传一反”无泵气压输运，避免泵的使用内加热+外伴热，强化传热颗粒状悬浮设计，强化传质总反应：2Mg+MgCl2·H2O+2Mg(OH)Cl⇌

2MgCl2+3MgO+2H2↑通过反应工程分析速率控制步骤为扩散控制(1)Mg(s)

⇌

[Mg]MS

（扩散过程）(2)2[Mg]MS+2[OH-]MS⇌

2MgO↓+H2↑（反应过程）2.研究进展17/56ZL

201811115475.XZL201911156141.1ZL

201911156132.22.研究进展18/56SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2022,

238:11162460吨/a氯盐净化生产装置高温稳定运行超7000小时为储能装置制备3.5吨低腐蚀高温氯盐3熔点分含量2

缓蚀剂含量检测合格成功实现ppm级水氧控制1

杂质成2.研究进展19/56中国可再生能源学会科学技术进步奖-技术发明奖三等奖2016个月缓蚀剂储能装置熔盐质量长期跟踪监测10个月缓蚀剂700℃，200h静态腐蚀评价多次取样分析，316H未见明显腐蚀，熔盐质量良好316H截面316H表面316H截面2.研究进展20/56制备3.5吨低腐蚀高稳定氯盐（首次），并在企业使用国家太阳能光热联盟对我单位高温氯盐制备成功进行专门报道国家太阳能光热联盟对我单位高温氯盐制备成功进行专门报道2.研究进展20/56渗透测不出、测不准、

精度差2.研究进展21/56从头计算和分子动力学机器学习初晶温度步冷曲线法DSC阿基米德法激光闪光法最大气泡法旋转法2.研究进展22/56CALPHAD+分子动力学人工智能方法发展中原子分子参数+已知特性(建模）不需要目标体系试验数据快速预测一类体系大量类似体系数据人工智能对多变量、非线性、高噪声、非高斯或均匀分布的复杂数据处理具有优势基于已有体系的已知实验数据训练模型，预测未知体系的特性相平衡数据，热力学数据交互系数第一性原理传统且相对成熟 理论性强两种原理，不同输入数据需要一定的目标体系试验数据重新建模计算其他体系热稳定性（如蒸气压）等鲜见研究依托超级计算中心，开展熔盐热物性计算及结构预测丰富的软件及编译器：

Lammps，Materials

studio，Gaussian，Hitran和Hitemp软件及数据库等SolarEnergy,2020,204:

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

113592.研究进展23/56人工智能算法开发数据收集分子、原子参数已知热物性数据数据分析处理可行性评估样本、变量筛选模型选择与训练热物性Tm、ΔH、Cpρ、η、λ、蒸气压构效关系规律分析高性能熔盐获取第一性原理输入能量、力、维里数、盒子参数等DeePMD-kitLAMMPS经典分子动力学DeePMD-Kit势函数训练势函数验证RawdataDescriptorsDeePMD

networksPredictions2.研究进展24/56LiCl-NaCl-ZnCl2三元体系的热物性评估（例子）比热液相比热密度热重DSC

曲线

xi

Mi

x

NDulong-Pitit方法：Cp

8

i i摩尔平均值：ρ

xi

ρi2.研究进展25/56主要内容:

建立了密度、熔点、热扩散等物性参数的模拟，与实验值的拟合好建立熔盐物性测试的模拟方法，预测结果吻合度高SolarEnergyMaterialsandSolarCells，2020,

210:110504.SolarEnergy,2020,

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

Liquids，2021，117054.2.研究进展26/56主要内容:

径向分布、角分布、结构因子、多面体配位结构。解析高温下其微观结构的变化规律；SolarEnergy,2020,

209:568-575.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2021,

232:111351微观结构演变2.研究进展27/56Deep

potential验证热输运性质模拟2.研究进展28/56数据评估搭建平台建立方法设备可靠方法准确操作规范标准方法标准样品标准数据系统设计安全分析热工计算准确可靠2.研究进展29/56熔盐腐蚀控制方法主动控制被动控制合金成分优化

(美国、俄罗斯：添加Zr,Nb,Ti改善HastelloyN抗晶间腐蚀性能）研制新型耐蚀合金（法国、中国研制Ni-Cr-W合金）熔盐化学控制（熔盐纯化，添加缓蚀剂等-MSRE采用此方法）研制耐蚀涂层（利用金属表面镀Ni,Mo等金属涂层或金属碳化物、碳化物等陶瓷涂层提高合金耐蚀性）复合管（在耐蚀差的合金表面通过特殊的加工工艺复合一层耐蚀性好的金属或合金）2.研究进展30/56氯盐腐蚀SolarEnergy2018,171:

320-329CorrosionScience2018,143:

187-199.31/561.5kg级纯化盐300g级纯化盐未纯化还原性金属CCl4或光气H2-HF熔盐杂质高温熔盐腐蚀评价与缓释技术

氯盐腐蚀是应用国际难题（氯盐极易吸水，水氧是关键）水/氧过渡金属离子酸根离子活性炭还原

NH4Cl

HCl腐蚀性净化后高温熔盐对316合金年腐蚀率小于50微米，申请发明专利2项一种多组分氯化物共晶熔盐的制备方法（201811115475.X）一种高纯氯化物熔盐的制备方法及其应用（201811057800.1）2.研究进展32/561.蓄热球研制2.传蓄热性能研究3.工程验证700度双罐系统2.研究进展33/56一种低成本高导热水泥包覆熔盐相变蓄热固态元件的方法，专利炭/陶包覆球陶瓷包覆球高分子包覆球盐成球防水涂层陶瓷包覆工艺路线2.研究进展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石墨泡沫制备的工艺参数和性能.泡沫炭结构调控及相变储能材料调节工艺参数，制备了不同密度、空隙率和强度的泡沫炭；泡沫炭热导率可以达到182.15

W/mK。2.研究进展35/56选择不同熔点盐，制备外部保护层，电镀镍；表征保护层和电镀层的结构和性能；研究包覆元件材料间的相容性及元件热稳定性。盐球制备及烘干浇注料包覆后金属涂覆层盐球金属涂覆层2.研究进展36/56材料：Inconel

600运行：>6000小时热工实验回路熔盐：三元硝酸盐温度：250～450℃流量＜2m3/h功率～120kW硝酸盐热工实验回路建成硝酸盐热工实验回路，完成系统和设备性能测试，获得熔盐对流换热系数、回路压损等热工数据及力学实验结果。硝酸盐热工实验回路100.

000.

00Hz0.

170.

00g/NAmplit

ude1.

000.

00Amplit

ude0.0139.000.

070.

120.170.16FFRF

right:1:+Z/force:

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

FRF

right:5:+Z/force:

+Z100.

000.

00Hz0.

220.

00g/NAmplit

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/39.

00000.99970.2183FFRFright:1:+Z/force:

+ZBCoherenceright:1:+Z/force:

+热工和力学实验结果2.研究进展37/56攻克关键技术，推进世界首座10MW超高温熔盐储能示范装置系统设计 设计分析 熔盐制备系统设计：完成了世界首座10MW示范装置初步设计，蓄热温度700℃关键技术：完成换热器、泵样机制造，完成氯盐制备，腐蚀控制达到要求示范工程：项目纳入“甘肃省推进绿色生态产业发展规划”腐蚀控制5000h26μm2.研究进展38/56汇报目录1.背景意义2

研究进展3

团队介绍4

总结展望39/56嘉定园区武威园区成立于1959年，

2003年由上海原子核研究所更名为上海应用物理研究所。拥有嘉定(TMSR基础研究基地)和武威(TMSR实验基地)两个园区(共1400亩)，职工720人、研究生500人。承担首批中国科学院战略性先导科技专项：未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统(TMSR)40/56钍基熔盐堆核能系统环境友好的先进能源系统熔盐储能解决可再生能源的输出不稳定问题无碳氢解决化石能源的CO2排放问题无水冷却高温制氢钍铀循环焚烧废