Durch den Einsatz von kapazitätsbasierten Energiespeichern lassen sich Stromangebot und -nachfrage besser regulieren, und gleichzeitig können die Preise für Spitzen- und Talstrom in vollem Umfang zur Gewinnsteigerung genutzt werden. Daher ist die kapazitätsbasierte Energiespeicherung, z. B. in Form von Salzschmelzen, zu einem wichtigen Weg für neue Energiesysteme in der Zukunft geworden.
Die Instabilität der Sonnen- und Windenergie und die periodischen Spitzen- und Talschwankungen der Endenergie führen zu einer geringen Nutzungseffizienz der erneuerbaren Energien. Um sich an die Merkmale der sauberen Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien anzupassen, werden unterstützende Energiespeichersysteme benötigt, um das Problem der zeitlichen, räumlichen und intensiven Diskrepanz zwischen Energieangebot und -nachfrage zu lösen.
Das heißt, wenn mehr elektrische Energie vorhanden ist, wird die elektrische Energie im Energiespeichersystem gespeichert. Bei einem Engpass wird das Energiespeichersystem zur Erzeugung von Strom zur Ergänzung des Stromnetzes genutzt.
Unter den bekannten sauberen Energiequellen ist die Solarenergie zweifelsohne die erneuerbare Energiequelle mit den größten Reserven, die auf der Erde erschlossen werden können.
Aufgrund des Missverhältnisses zwischen der jahreszeitlichen Verteilung und dem Energieverbrauch ist die Frage, wie thermische Energie wie Solarenergie im Sommer in einem Wärmespeicher gespeichert und im Winter zum Heizen freigegeben werden kann, um den idealen Zustand der Sommerspeicherung und der Winternutzung zu erreichen, zu einer der wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsrichtungen der Branche geworden.
1. Was ist die Lagerung von Salzschmelzen?
Salzschmelze ist eine Schmelze, die durch das Schmelzen von Salzen entsteht. Es handelt sich um eine ionische Schmelze, die aus Kationen und Anionen besteht. Im Allgemeinen bezieht sich Salzschmelze auf die Schmelze anorganischer Salze, wie die Schmelze von Alkalimetallhalogeniden, Erdalkalimetallen, Nitraten, Sulfaten usw. Im weiteren Sinne umfasst der Begriff Salzschmelze auch Oxidschmelzen und geschmolzene organische Stoffe.
Geschmolzenes Salz ist bei Standardtemperatur und atmosphärischem Druck fest und verwandelt sich in eine Flüssigkeit, sobald die Temperatur einen bestimmten Wert erreicht hat.
Für bestimmte Wärmeübertragungs- und Wärmespeichersituationen können je nach den verfahrenstechnischen Anforderungen verschiedene Arten von Monomeren für geschmolzene Salze ausgewählt werden, oder es können gemischte eutektische Salze mit stabiler Leistung hergestellt werden, indem sie in einem bestimmten Verhältnis gemischt werden, um eine bestimmte Wärmeübertragungs-Wärmespeicheraufgabe zu erfüllen.
Wenn man den Strom aus Wind und Licht sowie "Trogstrom" zur Erwärmung der Salzschmelze nutzt, den Strom in thermische Energie umwandelt und speichert und dann die thermische Energie während des Spitzenstromverbrauchs nutzt, kann dies durch ein Heizsystem ersetzt werden.
Kohle- (oder Erdgas-) Heizkessel sorgen für Wärme. Dies trägt nicht nur zur Stabilität des Stromnetzes und zur Verbesserung der Luftqualität bei, sondern mildert auch die Gasknappheit und senkt die Betriebskosten.
2. Der Wert der Salzschmelzespeicherung
Der Wert der Salzschmelzenspeicherung spiegelt sich hauptsächlich in drei Aspekten wider: Verbesserung der Nutzungsrate und Stabilität der Speicherung erneuerbarer EnergienLösung des Koordinationsproblems zwischen Wind, Sonne, Feuer und anderen Energiequellen;
Realisierung von Netzspitzenreduzierung und Talfüllung, Systemfrequenzregulierung, Lastglättung usw. zur Verbesserung der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Stromnetzes; Bereitstellung sauberer, effizienter und flexibler Wärme- und Dampfversorgungslösungen für Industrie, Landwirtschaft, Baugewerbe und andere Bereiche, Reduzierung von Kohlenstoffemissionen und Kosten.
Als Energiespeicherung für lange Zeit Methode hat die Salzschmelze die folgenden Eigenschaften: Der Umfang der Energiespeicherung ist groß. Der Umfang der Salzschmelze Lagerung ist in der Regel zwischen zehn Megawatt und Hunderte von Megawatt, die eine große Kapazität Lagerung ist.
Die Energiespeicherzeit ist lang, und die Speicherzeit der Salzschmelze kann mehr als 10 Stunden betragen. Die anfänglichen Investitionskosten sind hoch. Die Investitionskosten für die Salzschmelze liegen bei etwa 5 Mio./MWh und sind damit ähnlich hoch wie die Investitionskosten für die Energiespeicherung in Wasserkraftwerken und in Druckluftspeichern. Im Vergleich zur elektrochemischen Energiespeicherung sind die Anfangsinvestitionskosten höher.
Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ist gering, und der Wirkungsgrad der Salzschmelze ist im Allgemeinen niedriger als 60%. Im Vergleich zu elektrochemischen und mechanischen Energiespeichermethoden ist der Umwandlungswirkungsgrad relativ gering.
Im Vergleich zu den derzeit gängigen Lithium-Batterien eEnergiespeichertechnologienDie Vorteile der Salzschmelze liegen in der langen Lebensdauer, den geringen Kosten und der hohen Sicherheit. In einem zukünftigen Szenario, in dem mehrere Energiespeichersysteme nebeneinander existieren, könnte die Salzschmelze eine wichtige Rolle spielen.
3. Vorteile der Salzschmelzenspeicherung
Während des gesamten Betriebstemperaturbereichs bleibt das geschmolzene Salz stets im flüssigen Zustand und absorbiert elektrische Energie, Strahlungsenergie und andere Energie. Wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist als die Temperatur der Salzschmelze, wird die Wärmeenergie freigesetzt, wodurch die Temperaturdifferenzspeicherung von Wärmeenergie während des Heiz- oder Kühlvorgangs realisiert wird.
Aufgrund der breiten Flüssigkeitstemperatur, der großen Temperaturdifferenz bei der Wärmespeicherung, der hohen Wärmespeicherdichte, der guten Wärmeübertragungsleistung, des stabilen Betriebszustands und der niedrigen Kosten eignet er sich für die Wärmespeicherung in großem Maßstab. Ein einziges Gerät kann eine Wärmespeicherkapazität von mehr als 100 MWh erreichen und wird damit zum "schwarzen Pferd" in der Energiespeicherindustrie.
Generell lassen sich die Vorteile der Salzschmelze-Wärmespeicherung vor allem in den folgenden Punkten zusammenfassen:
- Die Wärmespeicherleistung ist groß und kann Hunderte von Megawatt an Energiespeicherung erreichen. So erreicht beispielsweise die Energiespeicherung des grünen Hochtemperatur-Schmelzsalzspeicherkraftwerks in Jinchang City, Provinz Gansu, eine Leistung von 600 MW/3600 MWh;
- Die Wärmespeicherzeit ist lang und kann an einem einzigen Tag eine Wärmespeicherkapazität von mehr als 10 Stunden erreichen. Die Wärmespeicherzeit des 100-MW-Solarkraftwerks Dunhuang mit Schmelzsalzturm kann 11 Stunden erreichen, was weit über dem derzeit geforderten Verteilungs- und Speicherverhältnis von 2-4 Stunden liegt;
- Die Wärmespeicherparameter sind hoch, die Wärmespeichertemperatur der Salzschmelze kann 595°C oder mehr erreichen, die exothermen Dampfparameter können unterkritische Parameter erreichen und die Dampfturbine zur Stromerzeugung antreiben;
- Die thermische Energiespeicherung Geschwindigkeit ist schnell und kann den Anpassungsbedarf bei großen Lastschwankungen erfüllen;
- Der Wirkungsgrad der Wärmespeicherung ist hoch und liegt nahe am Gesamtwirkungsgrad von Pumpspeicherkraftwerken, und der Energieverbrauch ist gering;
- Lange Lebensdauer, die Lebensdauer des Salzschmelzen-Wärmespeichersystems kann mehr als 30 Jahre erreichen;
- Das System ist flexibel einsetzbar und modular aufgebaut. Das Wärmespeicher-Leistungsmodul und das Kapazitätsmodul sind unabhängig voneinander. Der Prozess der Wärmespeicherung und der Prozess der Wärmeerzeugung sind voneinander unabhängig. Der Betrieb ist flexibel, und die Wärmespeicherlösung kann je nach Bedarf angepasst werden;
- Der Betrieb ist sicher und zuverlässig. Die Wärmespeicherung mit binärem Nitrat ist eine sicherere Methode der Wärmespeicherung. Seit SOLAR ONE in den Vereinigten Staaten im April 1982 gab es bei den weltweit 6,69 Millionen Kilowatt solarthermischer Stromerzeugungsanlagen keine Sicherheitsunfälle wie z. B. Explosionen von Lithiumbatterien. Es handelt sich um eine äußerst sichere Energiespeichermethode;
- Umweltfreundlich und sicher, es werden keine Schadstoffemissionen erzeugt.
4 Anwendungen und Fälle der Salzschmelze
Geschmolzenes Salz speichert Energie durch Speicherung von Wärme. Wenn elektrische Energie gespeichert werden soll, muss der gesamte Prozess die Umwandlung "elektrische Energie - thermische Energie - elektrische Energie" durchlaufen, was sehr ineffizient ist;
Wenn es sich bei der zu speichernden Energie um thermische Energie handelt, kann die Temperaturdifferenz während des Heiz- und Kühlvorgangs zur Speicherung thermischer Energie genutzt werden. Der gesamte Prozess ist die Umwandlung von "thermischer Energie in elektrische Energie".
Wenn Strom benötigt wird, kann das geschmolzene Salz im Hochtemperaturtank abgepumpt werden und durch Wärmeaustausch mit Wasser Dampf erzeugen. Dieser treibt die Dampfturbine an, die mit geringem Verlust und hohem Wirkungsgrad Strom erzeugt.
Salzschmelzespeicher können in Szenarien eingesetzt werden, in denen thermische Energie zur Stromerzeugung genutzt wird, z. B. bei der photothermischen Stromerzeugung, der Renovierung von Wärmekraftwerken usw., oder in Szenarien, in denen der Endenergiebedarf eher aus thermischer als aus elektrischer Energie besteht, wie z. B. beim sauberen Heizen.
- Anwendungen in photothermischen Stromerzeugungssystemen:
CSP-Kraftwerke verwenden in der Regel ein Doppeltanksystem aus Heißsalztanks und Kaltsalztanks zur Speicherung der Salzschmelze. Das geschmolzene Salz im kalten Salzspeicher wird über die Salzschmelzepumpe zum Solarkollektor transportiert. Dort nimmt es Wärmeenergie auf und erwärmt sich, bevor es in den Speicher für die heiße Salzschmelze gelangt.
Anschließend fließt die Hochtemperatur-Salzschmelze in den Salzschmelzen-Dampferzeuger, um überhitzten Dampf für den Dampfantrieb zu erzeugen. Die Turbinen laufen, um Strom zu erzeugen, während die Temperatur der Salzschmelze sinkt und in den kalten Salzschmelzen-Lagertank zurückfließt.
Salzschmelze integriert Wärmespeicher und Wärmeträger in einem und vereinfacht so den Aufbau des Kraftwerkssystems.
Als unterstützender Energiespeicher für die photothermische Stromerzeugung kann das thermische Salzschmelzespeichersystem die Nutzungsrate der Solarenergie verbessern, Leistungsschwankungen reduzieren und eine stabile Leistung des Stromnetzes fördern.
Für die photothermische Stromerzeugung wird häufig binäres geschmolzenes Salz verwendet. Die übliche binäre Salzschmelze ist eine Mischung aus 60% Natriumnitrat und 40% Kaliumnitrat.
- Bereitstellung von Wärmeenergie für die industrielle Produktion
Das Schmelzsalz-Wärmespeichersystem hat einen hohen Wirkungsgrad bei der Nutzung thermischer Energie, kann die Rückgewinnung und Nutzung von Abwärme und Abgasen realisieren und bietet stabile und kontinuierliche hochwertige Wärmequellen wie Dampf und Heißluft für die Lebensmittelverarbeitung, Textilindustrie und andere Unternehmen in Industrieparks.
- Energiespeicherung in Kraftwerken
Durch die Installation von Schmelzsalz-Wärmespeichern in einem Wärmekraftwerk kann dieses in ein Energiespeicherkraftwerk zur Spitzenlastabdeckung umgewandelt werden, das flexibel Strom erzeugen kann. Die gespeicherte Wärme kann in Dampf umgewandelt werden, um die Verbraucher mit Wärme zu versorgen, was den wirtschaftlichen Nutzen des Kraftwerks erhöht.
5. Aussichten für die Speicherung von Salzschmelzen
Die Salzschmelze ist das drittgrößte Energiespeichermodell der Welt, und der Markt befindet sich derzeit im Aufwärtstrend. Bis Ende 2022 beträgt die weltweit installierte Gesamtkapazität 6,1 GW, was etwa 1,6% der gesamten installierten Energiespeicherkapazität entspricht.
Spanien, die Vereinigten Staaten und China sind die drei wichtigsten Länder auf dem Markt für Salzschmelzespeicher. Spanien und die Vereinigten Staaten haben eine gewisse Marktgröße erreicht, und auch der chinesische Markt hat eine erhebliche Wachstumsdynamik gezeigt.
Die in China installierte Kapazität für die Speicherung von Salzschmelzen wird im Jahr 2022 0,52 GW betragen. Langfristig wird erwartet, dass die installierte Kapazität der Salzschmelze in China bis 2030 16 GW übersteigen wird, mit einer Gesamtinvestition von mehr als 200 Mrd. Yuan.
Zu den Anwendungsszenarien der Salzschmelze gehören die solarthermische Stromerzeugung, die Umwandlung von Wärmeenergie in flexible Energie, der Ausgleich von Netzspitzen und das Auffüllen von Tälern, die Beheizung von Tälern, die Rückgewinnung von Abwärme, die Speicherung von Energie aus stillgelegten Anlagen usw.
Darunter sind die photothermische Stromerzeugung und die Flexibilisierung von Wärmekraftwerken Anwendungsbereiche, die einen Schwerpunkt bilden müssen.
Geschmolzenes Salz hat sich aufgrund seiner einzigartigen Vorteile bei der Energiespeicherung schnell zu einem neuen Star bei der Entwicklung neuer Energien entwickelt.
Salzschmelzespeicher können sich an der Flexibilitätsumwandlung von Wärmekraftwerken beteiligen, Talstrom zur Beheizung von Salzschmelzespeichern für die industrielle Dampfversorgung nutzen, Talstrom zur Beheizung von Salzschmelzespeichern für die Zentralheizung nutzen ("Kohle zu Strom"), stillgelegte Windkraft und stillgelegte Fotostromerzeugung zur Beheizung von Schmelzen nutzen. Beheizung von Salzwärmespeichern, Nutzung von industrieller Abwärme usw.
Die thermische Speicherung von Salzschmelzen kann auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt werden, wie z. B. in der Meerwasserentsalzung, der Schwerölförderung, der Verlagerung von Stromnetzspitzen und der Auffüllung von Stromtälern, der dezentralen Energieversorgung usw., und verfügt über breite Entwicklungsperspektiven.
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