Обзор инженерного проектирования, материаловедения и их глобального применения.
В глобальном процессе энергетического перехода и декарбонизации технологии долговременного хранения энергии (LDES) считаются ключевым средством решения проблемы нестабильности возобновляемой энергии. Системы хранения тепловой энергии на основе расплавленной соли (TES) стали стандартной конфигурацией для концентрированных солнечных электростанций (CSP) и атомных энергетических систем следующего поколения благодаря высокой плотности энергии, длительному сроку службы, низкой стоимости и превосходной безопасности по сравнению с существующими системами аккумуляторных батарей. Проектирование и строительство резервуаров для хранения на основе расплавленной соли, являющихся основным элементом этой системы, включает в себя сложную конструктивную механику и тесно связано с высокотемпературной материаловедческой наукой, электрохимической кинетикой коррозии и термодинамикой жидкости. В данном отчете представлен всесторонний анализ резервуаров для хранения на основе расплавленной соли по таким параметрам, как термофизические основы, проектирование конструкций, проблемы материаловедения, глобальное коммерческое применение и будущая технологическая эволюция.
Термофизические основы и принципы работы
Основная идея аккумулирования энергии в расплавленных солях заключается в использовании теплоаккумулирующих свойств неорганических солей в их жидком состоянии. В отличие от аккумулирования скрытой теплоты (PCM), аккумулирование явной теплоты обеспечивает поглощение и высвобождение энергии путем изменения температуры среды, что является более зрелым и менее затратным методом для инженерной реализации.1
Термодинамический количественный анализ емкости хранилища
Общее количество теплоты, запасаемой системой расплавленных солей $Q$, подчиняется закону сохранения энергии и рассчитывается следующим образом:
В практической инженерии плотность накопления энергии в системе ограничивается одновременно удельной теплоемкостью Cp, плотностью ρ и разностью рабочих температур △T. В качестве примера рассмотрим широко распространенную «солнечную соль» (бинарный нитрат): в типичном рабочем диапазоне температур от 290℃ до 565℃ ее объемная теплоемкость может достигать приблизительно 200 кВт·ч/м³. 2Высокая плотность энергии позволяет осуществлять крупномасштабное хранение энергии на относительно небольшой площади.
Сравнительные термофизические свойства расплавленных солевых сред
Выбор расплавленной соли напрямую определяет проектные ограничения резервуара для хранения. В настоящее время наиболее широко используемой коммерческой солью является смесь 60% нитрата натрия NaNO₃.3 и 40% нитрата калия (KNO₃).3Кроме того, ведутся исследования и демонстрация специализированных солей для различных температурных диапазонов.
| Черта | Бинарная нитратная соль (солнечная соль) | Тройной нитрат (с LiNO3) | Hitec Salt | Соли хлорида (цель Gen3) |
| Температура плавления (°C) | ≈ 240 XNUMX | ≈ 124 XNUMX | ≈ 142 XNUMX | ≈ 450-500 |
| Предел устойчивости ($^{\circ}C$) | ≈ 565-600 | ≈ 550 XNUMX | ≈ 538 XNUMX | ≈ 800+ |
| Вязкость (при 300 °C, сП) | ≈ 4-7 | ≈ 7-8 | ≈ 3-4 | Низкий (при высокой температуре) |
| Уровень стоимости | Низкий | Чрезвычайно высокий (из-за лития) | Средний | Средний |
| Основное применение | Коммерческая башенная/трубопроводная солнечная электростанция. | Исследования LDES | Гидростатические концентраторы солнечной энергии / Промышленное теплоснабжение | Сверхкритические системы следующего поколения |
Исследования показывают, что, несмотря на чрезвычайно низкие температуры плавления литийсодержащих тройных солей, которые могут эффективно снизить энергопотребление антифриза, их удельная теплоемкость снижается с 1.794 Дж/г·К до 1.409 Дж/г·К при длительной эксплуатации (приблизительно 15,000 3+ часов). Это в основном связано с разложением LiNO₃ и образованием осадков в результате реакции оксидов лития с примесями.3
Проектирование конструкций и системные конфигурации
Конструкция резервуаров для расплавленной соли должна учитывать ползучесть под воздействием напряжений, термическое расширение/сжатие и высокое давление жидкого столба в условиях экстремально высоких температур. Современные инженерные решения развились в несколько форм, включая двухрезервуарные системы и однорезервуарные термоклиновые системы.
Двухрезервуарные системы: анализ стабильности коммерческого эталона.
Двухрезервуарная конфигурация — единственная крупномасштабная коммерчески подтвержденная технология, состоящая из «холодного резервуара» (поддерживаемого при температуре около 290℃) и «горячего резервуара» (обычно при 565℃). Основное преимущество этой конструкции заключается в «полном разделении мощности и емкости»: для увеличения продолжительности хранения требуется лишь увеличение размера резервуара и объема соли, без необходимости увеличения мощности теплообменников.4
В цикле зарядки холодная соль перекачивается из холодного резервуара через солнечный приемник или котел-утилизатор тепла для нагрева, а затем хранится в горячем резервуаре. Цикл разрядки обратный: горячая соль проходит через парогенератор, в результате чего образуется сверхкритический пар, который приводит в движение турбину для выработки электроэнергии. Эта система поддерживает постоянную температуру на выходе, что очень важно для регулирования энергоснабжения и увеличения срока службы паровых турбин.5
Термоклин и хранение наполнителей: пути к снижению затрат.
Для снижения капитальных затрат (CAPEX) примерно на 35% академическое и инженерное сообщества работают над системами с одним резервуаром. В одном резервуаре используется естественная стратификация жидкости (горячая соль с меньшей плотностью сверху, холодная соль с большей плотностью снизу), образующая термоклинный переходный слой толщиной в несколько метров.6
- Технология твердых наполнителей: Для дальнейшего снижения затрат резервуар можно заполнить на 50–75% недорогим твердым наполнителем (например, галькой или керамическими кирпичами), при этом расплавленная соль будет выступать в качестве теплоносителя только в порах. Сложности такой конструкции заключаются в механическом боковом давлении твердого наполнителя на стенки резервуара и поддержании стабильности термоклина во время циклов заряда/разряда.7
- Проектирование плавучих барьеров: Еще одно инновационное решение заключается в размещении плавающего диска или барьера с плотностью, находящейся между плотностью горячей и холодной соли, для физического уменьшения тепловой конвекции и перемешивания.8
Проектирование фундаментов резервуаров и тепловое регулирование
Фундаменты резервуаров должны не только выдерживать нагрузки в десятки тысяч тонн, но и обладать исключительными возможностями терморегулирования, чтобы предотвратить высыхание/растрескивание грунта или разрушение бетона. В современных крупномасштабных резервуарах для расплавленной соли (диаметром до 40 метров и объемом соли до 30 000 тонн) обычно используются многослойные композитные фундаменты.9
| Фундаментальный слой | Общие материалы | Основная функция |
| Контакт дна резервуара | Алюмосиликатное волокно / Огнеупорный кирпич | Теплоизоляция; снижает передачу тепла на бетон. |
| Несущая изоляция | Пеностекло / Легкий бетон | Обеспечивает структурную поддержку, одновременно ограничивая теплопотери. |
| Система охлаждения | Активная вентиляция / Водяное охлаждение | Поддерживает температуру бетона в пределах 60-80℃. |
| Структурные опоры | Свайно-плитное основание | Уменьшает неравномерность осадки; улучшает геологическую адаптацию. |
Исследования показывают, что использование свайно-плитного фундамента позволяет уменьшить осадку центральной части верхней поверхности фундамента на 380.1 мм по сравнению с традиционными методами, что значительно повышает безопасность крупных резервуаров в сложных геологических условиях.
Материаловедение при высоких температурах: коррозия, ползучесть и прогнозирование срока службы.
При рабочих температурах 565℃ и выше расплавленные соли не только обладают высокой окислительной способностью, но и их физические свойства создают серьезные проблемы для механической прочности материалов.
Характеристика эксплуатационных характеристик ключевых материалов-кандидатов
Выбор материала требует баланса между прочностью на ползучесть при высоких температурах, коррозионной стойкостью и экономичностью. Для резервуаров с низкой температурой (< 400℃) углеродистая сталь (например, ASTM A516 Gr70) может обеспечить 30-летний срок службы при соответствующем допуске на коррозию (приблизительно 0.078 мм/год). Однако для резервуаров с высокой температурой необходимо использовать высокопрочные нержавеющие стали или никелевые сплавы.10
- Нержавеющая сталь AISI 347H: В настоящее время это основной материал для горячих ванн, обладающий хорошей прочностью при высоких температурах. Однако он чувствителен к «растрескиванию вследствие релаксации напряжений» (SRC), что легко может привести к образованию трещин в зонах термического воздействия сварных швов.11
- AISI 316L и 321H: Распространенные альтернативы, которые, хотя и несколько уступают по прочности стали 347H, демонстрируют лучшую пластичность и коррозионную стойкость в определенных солевых средах.
- Сплавы на основе никеля (инконель 625 / хастеллой N): Единственным вариантом для систем с хлоридными солями (> 700℃). Несмотря на превосходные характеристики, их стоимость (более 20 долларов за кг) существенно ограничивает их применение в крупномасштабных резервуарах для хранения.12
Анализ кинетики коррозии и микромеханизмов
Коррозия в расплавленных солях — это сложный физико-химический процесс, на который влияют температурные градиенты, содержание кислорода и чистота соли.
- Статическая коррозия и образование оксидного слоя: В условиях статического расплавленного солевого раствора на стальных поверхностях образуется защитный слой оксида железа (Fe).2O3) или со структурой шпинели (Fe)3O4Однако длительные термические циклы приводят к отслаиванию этих слоев, обнажая свежие металлические поверхности и вызывая непрерывную коррозию.
- Влияние примесей: Ион хлорида ( Cl-) Примеси являются основными виновниками ускорения коррозии, поскольку они могут проникать в оксидные слои, вызывая точечную коррозию. Кроме того, примеси солей магния могут разлагаться при нагревании, образуя NO.2 газ, представляющий опасность для окружающей среды и усиливающий коррозию солей.
- Электрохимическая коррозия: Выступая в качестве электролита, расплавленная соль генерирует гальванические токи на стыке различных металлов или в областях с разницей температур, что приводит к быстрой локальной потере металлических элементов.
Вспомогательные системы и проектирование ключевых компонентов
Резервуар с расплавленной солью не существует изолированно; его эффективная работа зависит от точности насосов, клапанов и систем мониторинга.
Конструктивные ограничения насосов для расплавленной соли
Вертикальные центробежные насосы являются стандартом для резервуаров с расплавленной солью. Из-за ограничений, связанных с соотношением сторон вала и необходимостью контроля вибрации при высоких температурах, глубина резервуаров с расплавленной солью обычно ограничена 14 метрами. Это связано с тем, что более длинные валы очень подвержены термической ползучести и нарушению динамического равновесия при температуре 565℃. Кроме того, системы уплотнения насоса должны выдерживать воздействие солевого тумана и потенциального износа от кристаллов соли.
Технические проблемы клапанов для работы в условиях высоких температур расплавленной соли
Достижение «нулевой утечки» при экстремальных температурах — серьезная инженерная задача. Клапаны для расплавленных солей должны отвечать следующим ключевым требованиям:
- Конструкция с защитой от замерзания: Клапаны обычно оснащаются системами электрического обогрева, чтобы обеспечить поддержание внутренней температуры выше точки застывания соли (например, 240℃) и предотвратить «замерзание» штока клапана.
- Уплотнение сальниковой коробки: Традиционная графитовая набивка окисляется при температуре выше 500℃. В современных конструкциях часто используются удлиненные крышки, чтобы отодвинуть уплотнения от источника тепла, и они сочетаются с композитными материалами, такими как волокна PBI.
- Снижение теплового напряжения: Для предотвращения деформации седла клапана во время частых термических запусков и остановок необходимо проводить конечно-элементный анализ (КЭА).
Уроки коммерческого проекта и анализ причин неудач: пример компании Crescent Dunes
Проект Crescent Dunes (110 МВт) в штате Невада, США, как первая в мире крупномасштабная коммерческая башенная электростанция, использующая технологию концентрированной солнечной энергии с хранением расплавленной соли, предоставил бесценный опыт для отрасли.
Анализ первопричин утечек на дне резервуара
С момента ввода в эксплуатацию в 2015 году на объекте произошло четыре крупных протечки в резервуарах с горячей солью, что привело к длительным простоям и в конечном итоге к банкротству.
- Деформация днища резервуара: Из-за огромного диаметра горячего резервуара и большой разницы рабочих температур стальные плиты днища создавали колоссальные сжимающие напряжения при ограничении теплового расширения, что в конечном итоге приводило к изгибу и деформации вверх.
- Взаимодействие остаточных напряжений при сварке: Анализ причин разрушения, проведенный NREL, показал, что первоначальные остаточные напряжения, возникающие во время сварки в полевых условиях, являются «отпечатком пальца» разрушения. В процессе эксплуатации они в сочетании с напряжениями, возникающими при термических циклах, превышают предел текучести нержавеющей стали 347H, вызывая усталостные трещины.
- Неправильное смешивание: Если поступающая горячая соль не перемешивается должным образом с имеющимся запасом соли, на дне резервуара могут образовываться резкие температурные градиенты. Эта неравномерная тепловая нагрузка является основной причиной растрескивания.
В качестве контрмеры электростанции в конечном итоге пришлось снизить рабочую температуру с проектных 565℃ до приблизительно 450−480℃, что привело к снижению выработки электроэнергии примерно на 45%, серьезно подорвав экономическую целесообразность проекта.
Глобальная ситуация на рынке хранения расплавленной соли: подъем Китая.
В глобальном масштабе Китай стал самым активным рынком технологий хранения расплавленной соли, демонстрируя лидирующие в мире масштабы проектов и темпы внедрения новых технологий.
Обзор китайского рынка CSP и LDES
К концу 2025 года Китай построил 27 систем концентрированной солнечной энергии с общей установленной мощностью 1,738.2 МВт, что на 107% больше по сравнению с 2024 годом.
| Компания / Проект | Технологический маршрут | Масштаб / Продолжительность хранения | Статус |
| Cosin Solar | Башня из расплавленной соли | 350 МВт (Голмуд) | Крупнейший в мире единый энергоблок находится в стадии строительства. |
| Шоухан ХайТех | Башня из расплавленной соли | 100 МВт (Дуньхуан) | В ходе операции было побито множество рекордов. |
| CHN Energy (Аньхой-Сучжоу) | Хранение угля и расплавленной соли | 1,000 МВтч | Крупнейший в стране проект по повышению гибкости угольной электростанции |
| CSSC Новая Энергия | Корыто из расплавленной соли | 100 МВт (Урадский средний баннер) | В 2025 году будет произведено 301 миллион кВт·ч электроэнергии. |
Лидерство Китая проявляется не только в мощностях, но и в инновационных сценариях, таких как «Уголь + Хранение». Добавление резервуаров для хранения расплавленной соли к существующим угольным электростанциям позволяет добиться тепловой и электрической развязки, обеспечивая угольным энергоблокам возможность работы в пиковые периоды мощностью до 100 МВт и позволяя ежегодно потреблять около 128 миллионов кВт·ч энергии ветра и солнца.
Процесс стандартизации: от API к ASME TES-1
Из-за ограничений традиционных стандартов область хранения расплавленных солей вступает в эру специализированных кодов. Выпуск ASME TES-1 (2020/2023) Стандарт безопасности для систем аккумулирования тепловой энергии: расплавленная соль Этот стандарт знаменует собой переход отрасли от эмпирического подхода к проектированию, основанному на стандартах. Он устанавливает требования на протяжении всего жизненного цикла — от проектирования, производства и монтажа до вывода из эксплуатации — охватывая все технические аспекты резервуаров, насосов, клапанов и теплообменников. Китайские компании, такие как Cosin Solar, также возглавляют разработку многочисленных национальных стандартов для систем теплового аккумулирования на основе расплавленных солей, что еще больше укрепляет техническую основу отрасли.
Разнообразные области применения и перспективы на будущее
Применение резервуаров для хранения расплавленной соли расширяется от концентрированной солнечной энергии до атомной энергетики, промышленного отопления и производства водорода.
Реакторы на расплавленных солях (MSR): будущее ядерной энергетики.
В реакторах на расплавленных солях расплавленная соль действует не только как охлаждающая жидкость, но часто и как растворитель для ядерного топлива.
- Преимущества безопасности: Реакторы на расплавленных солях работают при атмосферном давлении, что исключает риск взрыва, связанный с легководными реакторами высокого давления. Топливная соль естественным образом расширяется при перегреве, создавая эффект отрицательной обратной связи, который замедляет реакцию.
- Управление отходами: Жидкое топливо позволяет осуществлять переработку в режиме реального времени, преобразуя долгоживущие актиниды в топливо и значительно сокращая требуемый период полураспада ядерных отходов (с десятков тысяч лет до приблизительно 300 лет).
Интеграция технологического тепла и водорода в производственные процессы
Резервуары с расплавленной солью могут служить «тепловыми батареями», обеспечивая стабильное высокотемпературное технологическое тепло для трудно поддающихся снижению выбросов отраслей тяжелой промышленности, таких как металлургия, керамика и химическая промышленность.
- Зеленый водород: Использование высокотемпературного тепла, аккумулированного в расплавленных солях, может приводить в действие высокотемпературный паровой электролиз (SOEC) или термохимические циклы для производства водорода, обеспечивая гораздо более высокую эффективность, чем низкотемпературный электролиз.
- Рекуперация отходящего тепла: Промышленное отработанное тепло может храниться в резервуарах с расплавленной солью и преобразовываться в электроэнергию или промышленный пар в периоды пиковой нагрузки, обеспечивая эффективное каскадное использование энергии.
Тенденции технологической эволюции
В течение следующего десятилетия разработка резервуаров для хранения расплавленной соли будет сосредоточена на трех основных направлениях:
- Проблемы, связанные со сверхвысокими температурами (Gen3): Системы на основе хлоридных солей позволят повысить рабочую температуру выше 700℃. Это полностью изменит конструкцию резервуаров, перейдя от «несущих металлических конструкций» к конструкциям с «внутренней керамической изоляцией + внешней металлической опорой».
- Цифровые двойники и предиктивное техническое обслуживание: Использование технологий волоконно-оптических решеток Брэгга (FBG) и цифровой корреляции изображений (DIC) для мониторинга деформаций в резервуаре в режиме реального времени, а также создание физических моделей для раннего выявления усталостных трещин.
- Новые покрытия и методы модификации поверхности: Разработка коррозионностойких керамических покрытий или многослойных композитных облицовок для недорогих стальных поверхностей обещает обеспечить 30-летний срок службы при значительном снижении стоимости материалов.
В заключение, резервуар для хранения расплавленной соли — это не только зрелая инженерная технология, но и постоянно развивающаяся область научных исследований. Благодаря прорывам в материаловедении и совершенствованию стандартизации, он станет незаменимым ключевым звеном в создании гибких низкоуглеродных энергетических систем по всему миру.
Референции
- Аккумуляторы тепловой энергии – Википедия
- Хранение расплавленной соли для выработки электроэнергии
- Долгосрочная оценка тройной смеси расплавленных солей в системах солнечного теплового аккумулирования: влияние на термофизические свойства и коррозию – PubMed
- Аккумулирование тепловой энергии в резервуарах с расплавленными солями: аспекты, которые следует учитывать при проектировании – MDPI
- https://rpow.es/energy-storage-solutions/molten-salt-energy-storage/
- Термическая стабильность расплавленных нитритных/нитратных солей для аккумулирования солнечной тепловой энергии в различных атмосферах | Запрос PDF – ResearchGate
- Обзор и подробная информация о нитратных солях для хранения явной и скрытой теплоты – PMC – PubMed Central
- Аккумулирование тепловой энергии в расплавленных солях: обзор новых концепций и испытательного стенда DLR (TESIS)
- Схема конструкции резервуара с расплавленной солью. | Скачать научную схему
- Проектирование, коррозия и изоляция солнечных батарей на основе расплавленной соли при температуре 565 °C – Издательство David Publishing
- Анализ причин отказов резервуаров для хранения тепловой энергии в расплавленной соли на действующих солнечных электростанциях.
- Исследование применения клапанов для высокотемпературных коррозионных сред на международном рынке
1. Какая расплавленная солевая среда чаще всего используется в промышленных системах?
Отраслевой стандарт для крупномасштабных систем хранения энергии — это Бинарная нитратная сольЧасто называемая «солнечной солью», она представляет собой неэвтектическую смесь, содержащую 60% нитрата натрия (NaNO₃).3) и 40% нитрата калия (KNO₃)3Эта смесь остается в жидком состоянии при температуре от минимальной рабочей температуры 290℃ до максимальной приблизительно 565℃. В то время как усовершенствованные тройные соли (с LiNO)3Несмотря на более низкие температуры плавления, бинарные нитраты остаются предпочтительными благодаря оптимальному балансу стоимости, термической стабильности и теплоемкости.
2. Почему резервуары с расплавленной солью подвержены протечкам и разрушению конструкции?
Недавние отказы высокотемпературных резервуаров в основном объясняются несколькими инженерными факторами:
Деформация днища резервуара: Значительные перепады температур на больших диаметрах резервуаров приводят к ограничению теплового расширения, вызывая высокие сжимающие усилия, которые приводят к деформации или короблению стальных днищ.
Растрескивание при релаксации напряжений (SRC): Такие материалы, как нержавеющая сталь AISI 347H, широко используемые в горячих ваннах, очень подвержены образованию остаточных напряжений в зонах термического воздействия сварных швов во время термических циклов.
Температурные градиенты: Недостаточное перемешивание поступающей горячей соли с имеющимся запасом соли может создавать сильные локальные температурные градиенты, которые значительно превышают предел текучести материала.
3. Как инженеры выбирают материалы для различных типов резервуаров?
Выбор материала строго определяется рабочей температурой и, как следствие, скоростью коррозии:
Холодильные резервуары (< 400℃): В качестве стандарта используется недорогая углеродистая сталь (например, ASTM A516 Gr70), поскольку скорость коррозии при таких температурах является контролируемой.
Горячие резервуары (примерно 565) ℃),): Аустенитные нержавеющие стали, в частности AISI 347H, 316L или 321H, необходимы благодаря их превосходной прочности на ползучесть при высоких температурах и устойчивости к окислению расплавленными нитратами.
Системы Gen3 (> 700) ℃),): Только высоконикелевые сплавы (такие как инконель 625 или хастеллой N) могут выдерживать воздействие высококоррозионных хлоридных солей при таких температурах, хотя их высокая стоимость (приблизительно 20 долларов за кг) остается препятствием.
4. Каковы основные отраслевые стандарты проектирования резервуаров для расплавленной соли?
Исторически сложилось так, что резервуары проектировались с использованием общих стандартов для нефтяной промышленности или сосудов под давлением, таких как API 650 или ASME Section II, которые оказались недостаточно эффективными для работы в условиях экстремальных температурных циклов. Для решения этой проблемы... ASME выпустила стандарт TES-1. (Стандарт безопасности для систем аккумулирования тепловой энергии: расплавленная соль), последнее издание которого опубликовано в 2023 году. Этот специализированный стандарт содержит всеобъемлющие требования ко всему жизненному циклу оборудования, включая проектирование, изготовление, испытания и вывод из эксплуатации.
5. Какие еще области применения существуют для резервуаров с расплавленной солью, помимо использования солнечной энергии?
Хранение энергии в расплавленных солях все чаще применяется для диверсификации энергетического рынка:
Переоборудование тепловых электростанций на угольных электростанциях: Интеграция резервуаров с расплавленной солью в существующие угольные электростанции позволяет энергетическим компаниям разделить производство тепла и выработку электроэнергии. Например, демонстрационный проект электростанции CHN Energy в Сучжоу предусматривает хранение 1,000 МВт·ч энергии для повышения гибкости в сглаживании пиковых нагрузок в энергосистеме.
Реакторы на расплавленных солях (РСС): В атомной энергетике следующего поколения расплавленные соли выступают одновременно в качестве охлаждающих жидкостей и растворителей топлива. Эти системы работают при атмосферном давлении и имеют пассивные средства безопасности, такие как «заслонки от замерзания», которые сливают соль в защитную оболочку в случае перегрева.
Технологическое тепло для промышленных процессов: Эти резервуары служат в качестве «тепловых батарей», обеспечивая высококачественное тепло (600℃) для трудно поддающихся декарбонизации отраслей, таких как производство стали, химическая промышленность и производство водорода с помощью высокотемпературного электролиза.
