Aplicación y tendencia de desarrollo del almacenamiento de energía en sales fundidas

Almacenamiento de energía en sales fundidas es un método de almacenamiento de energía con un alto nivel de seguridad. Utiliza sal fundida, como el nitrato, como medio de transferencia de calor, almacena y libera energía mediante ciclos de almacenamiento y liberación de calor de la sal fundida, y realiza una transferencia de energía eficaz.

Las tecnologías y equipos clave del almacenamiento de energía en sales fundidas incluyen sales fundidas, calentadores eléctricos, tanques de almacenamiento e intercambiadores de calor, etc. Se utiliza ampliamente en las tres direcciones siguientes: generación de energía térmica solar, ahorro de picos y acoplamiento de modulación de frecuencia de unidades de energía térmica, y acoplamiento de calefacción de energía verde de nueva energía. Para obtener información relacionada, consulte top 10 empresas de energía térmica.

Para los distintos escenarios de aplicación, el rango de temperatura de uso y el proceso de transferencia de calor de las sales fundidas son bastante diferentes. En este momento, la atención se centra en resolver las necesidades técnicas de las centrales termosolares, y hay una gran escasez de investigación sistemática sobre la modulación de picos y frecuencias de las centrales térmicas acopladas con almacenamiento de energía en sales fundidas, y la calefacción ecológica.

Tecnología clave para el almacenamiento de energía en sales fundidas

La selección actual de almacenamiento de energía en sales fundidas es principalmente la sal fundida resistente a altas temperaturas y la sal de bajo punto de fusión. Las sales fundidas resistentes a altas temperaturas, como la sal solar madura, tienen una temperatura máxima de trabajo de 565 °C, lo que resulta adecuado para la generación de energía térmica solar de alto parámetro o el almacenamiento de calor y los sistemas de ahorro de picos para unidades de energía térmica.

Las sales de bajo punto de fusión suelen ser sales mixtas multicomponentes con un punto de fusión inferior a 240°C, como las sales Hitec utilizadas habitualmente en ingeniería, que pueden reducir el riesgo de solidificación de las sales fundidas y son adecuadas para sistemas con parámetros más bajos. Los tanques de almacenamiento de sales fundidas incluyen principalmente sistemas de tanque único, tanque doble y tanque múltiple. El sistema de almacenamiento de energía de sal fundida de tanque único tiene una estructura sencilla y un coste bajo, y es adecuado para la calefacción civil de pequeñas áreas y otros campos, pero existe el problema de que la eficiencia del almacenamiento de calor disminuye debido a la capa termoclina.

El sistema de doble tanque consta de un tanque frío y otro caliente. La sal fundida caliente y la fría se separan y el calor circula por los dos tanques, lo que evita el problema de la capa termoclina y presenta riesgos técnicos relativamente bajos. Sobre la base de los tanques dobles, el número de tanques de almacenamiento puede aumentarse aún más para formar un sistema multitanque que aumente el almacenamiento de calor. Por ejemplo, el proyecto ESTC de torre de sales fundidas de 50 MW de Hami fue pionero en la configuración del sistema con dos tanques calientes y uno frío, lo que mejoró la fiabilidad y flexibilidad de la unidad.

La clave para hacer realidad el almacenamiento de energía a gran escala en sales fundidas es el desarrollo de calentadores eléctricos de sales fundidas de alto voltaje, baratos y prácticos. En la actualidad, existen tres tipos principales de calentadores eléctricos de sales fundidas: de resistencia, de electrodos y de inducción. Las tecnologías existentes suelen ser calentadores de resistencia de bajo voltaje de 380 V o 690 V, que se utilizan principalmente en escenarios de generación de energía fototérmica.

Si se utiliza para el calentamiento eléctrico de sales fundidas, como el calentamiento de energía verde, existirá el problema de los elevados costes de transformación de la energía debido al desajuste entre la entrada de energía verde de alto voltaje y los calentadores de bajo voltaje. En la actualidad, faltan en el mercado calentadores de sales fundidas de alto voltaje maduros.

Los intercambiadores de calor de sales fundidas tradicionales incluyen intercambiadores de calor de carcasa y tubos e intercambiadores de calor de manguitos y tubos. En la actualidad, los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son la principal forma de intercambiadores de calor de sales fundidas. Muchos investigadores han recomendado correlaciones de transferencia de calor entre el tubo y la carcasa mediante experimentos y cálculos, y han descrito matemáticamente sus características de transferencia de calor.

El intercambiador de calor de carcasa tiene las ventajas de una estructura simple y una alta resistencia a la presión, y también se utiliza en ingeniería. En comparación con los intercambiadores de calor tradicionales mencionados anteriormente, los intercambiadores de calor compactos representados por intercambiadores de calor de placa de circuito impreso tienen una alta eficiencia y pueden soportar condiciones de alta temperatura y alta presión. Tiene grandes ventajas en el acoplamiento de nuevos sistemas de energía, como el almacenamiento de energía en sales fundidas y los nuevos ciclos de energía.

A continuación se comparan y clasifican las principales tecnologías de sales fundidas, así como las diferencias en la selección de sales fundidas, tanques de almacenamiento y calentadores en distintos escenarios de aplicación.

Aplicación del almacenamiento de energía en sales fundidas en el campo de la fototermia

La generación de energía termosolar es la columna vertebral del nuevo sistema eléctrico, que tiene las ventajas de una conexión a la red sin barreras y una gran capacidad de generación y regulación continuas.

Las centrales fototérmicas almacenan la energía solar en forma de calor en sales fundidas y, a continuación, utilizan las sales fundidas para calentar el agua de alimentación y obtener vapor. Las ventajas residen en la gran capacidad de almacenamiento de energía, los bajos requisitos del entorno geográfico y una escala de construcción de más de 10GW. La investigación técnica de la central solar térmica de almacenamiento de energía en sales fundidas se centra en cómo reducir su coste y mejorar su seguridad.

Sistema de almacenamiento de energía térmica con doble depósito de sales fundidas

El sistema de almacenamiento de calor indirecto requiere un dispositivo de intercambio de calor para transferir calor, utilizando aceite de transferencia de calor o vapor como fluido de transferencia de calor, y almacenando el calor en sal fundida. El proceso de intercambio de calor del sistema de almacenamiento de calor indirecto es energía solar-sal fundida-aceite de transferencia de calor-vapor. La energía térmica almacenada en la sal fundida circula a través del aceite térmico y llega al generador de vapor para el intercambio de calor. El sistema de almacenamiento de energía en sales fundidas en el sistema de almacenamiento indirecto de calor existe como un módulo relativamente independiente, que puede utilizarse para transformar centrales eléctricas termosolares ordinarias.

Debido a la falta de estabilidad térmica del aceite de transferencia de calor, la temperatura de trabajo del almacenamiento indirecto de calor se especifica generalmente por debajo de 400°C. El sistema de almacenamiento térmico directo utiliza sal fundida como medio de transferencia y almacenamiento térmicos, y su proceso de intercambio térmico es energía solar-sal fundida-vapor, sin necesidad de circulación de aceite térmico, evitando el mal intercambio térmico, es adecuado para condiciones de trabajo a alta temperatura de 400-500°C, y también puede mejorar la eficiencia de la central eléctrica y la eficiencia del ciclo Rankine.

Ambas formas de acoplamiento fototérmico y de sales fundidas se aplican en ingeniería. En general, el almacenamiento indirecto de calor en sales fundidas puede mantener una alta eficiencia de ciclo, y su coste es inferior al del almacenamiento de energía en vapor. Por ejemplo, la central termosolar de canal Andasol, en España, es la primera central de almacenamiento indirecto de calor en sales fundidas a gran escala, con una capacidad de unos 1.000 MWh y un tiempo de almacenamiento de energía de 7,5 horas.

El almacenamiento térmico directo de sales fundidas simplifica la composición de los equipos de la central y facilita su posterior funcionamiento y mantenimiento. Una central eléctrica típica de almacenamiento térmico directo de sales fundidas es el proyecto Solar two de Estados Unidos. La sal mixta de nitrato utilizada en este proyecto se denomina sal Solar, y el rango de temperatura es de 290~565°C. Desde entonces, la mayoría de las centrales termosolares de torre con sales fundidas han utilizado el método de almacenamiento térmico directo y este rango de temperatura de trabajo, como la central Gemasolar de España y el proyecto de 10 MW de Supcon Delingha en Qinghai.

El desarrollo futuro de la ESTC reside principalmente en el funcionamiento de alto parámetro y el acoplamiento de nuevos ciclos de potencia. La tecnología clave para el funcionamiento de alto parámetro son las sales fundidas resistentes a altas temperaturas. La selección de sales de carbonato y algunas sales de cloruro del sistema mixto MgCl2-KCl-NaCl puede mejorar la eficiencia global del sistema.

El nuevo ciclo de potencia de acoplamiento fototérmico implica principalmente sales fundidas de alto parámetro e intercambiador de calor de almacenamiento de energía de sales fundidas. Tomando como ejemplo el sistema de generación de energía fototérmica de ciclo Brayton S-CO2, entre ellos, la temperatura máxima de trabajo puede alcanzar los 800°C, y la diferencia de temperatura entre la sal fundida del tanque caliente y el frío alcanzará los 100~120°C, lo que dificulta el almacenamiento de energía y requiere el uso de un rendimiento estable, un amplio rango de temperaturas y una sal fundida de alto parámetro.

El sistema tiene altos parámetros, alta eficiencia y componentes compactos, y el intercambiador de calor sal fundida-dióxido de carbono implicado debe soportar duras condiciones de trabajo. En el campo del intercambio de calor sal fundida-dióxido de carbono, se pueden seleccionar intercambiadores de calor compactos como los intercambiadores de calor de placa de circuito impreso, que tienen una alta eficiencia de intercambio de calor y pueden soportar condiciones de alta temperatura y alta presión de hasta 30MPa.

Se han estudiado intercambiadores de calor de placa de circuito impreso para el almacenamiento de energía en sales fundidas y la circulación de dióxido de carbono. He Yaling y otros diseñaron y fabricaron un intercambiador de calor de placa de circuito impreso con aletas en forma de ala, que utiliza aletas con mejor rendimiento de transferencia de calor para reforzar el canal de transferencia de calor en el sistema de sales fundidas con baja presión de trabajo.
Zhang Huzhong y otros construyeron una plataforma de prueba de intercambiador de calor de CO2 supercrítico con una presión y temperatura máximas de 32MPa y 600°C, respectivamente, y profundizaron en las características de flujo y transferencia de calor del CO2 supercrítico en un intercambiador de calor de circuito impreso. En la generación de energía solar térmica, el tipo torre absorbe la energía solar concentrada a través de la torre de absorción de calor, y transfiere el calor al depósito de calor; el tipo canal recoge la energía solar a través del tubo colector de calor;

El coste de la generación de energía solar térmica lineal Fresnel es bajo, y tiene buenas perspectivas de comercialización en el oeste de China; El uso de CO2 supercrítico en sistemas fototérmicos tiene las ventajas de la alta eficiencia del ciclo y la estructura compacta. Los calentadores de energía solar térmica suelen ser del tipo de resistencia de bajo voltaje, que puede satisfacer la demanda a un coste menor. Además del calentador, las diferencias en las tecnologías de almacenamiento de energía en sales fundidas implicadas en las distintas rutas técnicas se pueden encontrar en la siguiente tabla.

Aplicación del almacenamiento de energía en sales fundidas a la regulación de picos de potencia térmica

El uso del almacenamiento de energía en unidades de energía térmica puede lograr la eliminación de picos y el llenado de valles. En la actualidad, las aplicaciones de ingeniería pueden realizarse con el almacenamiento de energía térmica en sales fundidas de alta temperatura acoplado a la tecnología de regulación de picos de las centrales térmicas. La ventaja del sistema de acoplamiento de sales fundidas y centrales térmicas es que puede mejorar en gran medida la capacidad de la unidad para profundizar en la regulación de picos y proporcionar vapor a alta temperatura.

Existen varias formas de acoplamiento sal fundida-energía térmica, como la extracción de parte del vapor principal y el vapor recalentado en el módulo de almacenamiento de energía de sal fundida para realizar el almacenamiento térmico de vapor; el calentamiento eléctrico de la sal fundida calentada por la electricidad de salida del generador; el almacenamiento térmico de gases de combustión mediante el intercambiador de calor gas de combustión-sal fundida y el calentamiento híbrido combinado con las formas de acoplamiento anteriores. Con el fin de mejorar la eficiencia del intercambio de calor sal fundida-vapor y aumentar el tiempo de almacenamiento de energía, el campo de la regulación del pico de potencia térmica implica principalmente la selección de sal fundida con altos parámetros y amplio rango de temperatura y el sistema de sal fundida de doble tanque seguro y estable.

Almacenamiento térmico de vapor

Recalentamiento del vapor que calienta la sal fundida

Mientras la unidad de energía térmica funciona normalmente, el vapor principal de alta presión y el vapor de recalentamiento se extraen para calentar la sal fundida, el sistema de acoplamiento puede mejorar el rendimiento del pico de ahorro y la eficiencia del ciclo de todo el proceso, y es principalmente adecuado para el almacenamiento de calor de vapor a un nivel de 500~600 °C en una unidad de recalentamiento primaria subcrítica.

Luo Haihua et al. demostraron mediante cálculos la viabilidad de la solución de recalentar vapor para calentar sal fundida. Esta solución utiliza el calor almacenado en la sal fundida para calentar el agua de alimentación y el vapor industrial de salida, lo que puede realizar el desacoplamiento termoeléctrico de las centrales térmicas y la regulación de los picos de calor.

El acoplamiento termoeléctrico de sales fundidas también puede tener múltiples puntos de extracción de vapor. Tomando como ejemplo una unidad de 600MW, Fan Qingwei propuso un sistema de almacenamiento térmico de múltiples depósitos y múltiples intercambiadores de calor. El vapor de recalentamiento se introduce en dos calentadores respectivamente, y la eficiencia exergética del calentador de la sección hidrofóbica es la más alta.

Recalentamiento y calentamiento por vapor sobrecalentado de sal fundida

La ruta técnica de extracción simultánea de recalentamiento, vapor sobrecalentado e intercambio de calor de almacenamiento de energía en sales fundidas puede aprovechar al máximo el vapor de alta temperatura generado por la caldera, y la temperatura del vapor principal aplicable es de 500-600°C. Wang Hui et al. diseñaron el proceso de almacenamiento de energía en sales fundidas supercrítico de 100 megavatios para centrales térmicas. El proceso específico se muestra en la Figura 2.

Entre ellos, la sal fundida en el tanque frío se divide en dos caminos después del precalentamiento, y entra en el calentador de sobrecalentamiento y el calentador de recalentamiento, respectivamente, y los dos caminos se mezclan y luego entra en el tanque de sal caliente para realizar el almacenamiento de calor que fluye del circuito de sal fundida. Cada módulo de proceso de este esquema es un ciclo cerrado, y el fluido de trabajo de alta temperatura de la caldera y la turbina de vapor no se reduce ni se desperdicia en todo el proceso, lo que puede mejorar en gran medida la capacidad de ahorro de picos profundos y la flexibilidad del sistema.

Sal fundida calentada por vapor en sección de alto enfriamiento

La extracción de vapor de recalentamiento para calentar la sal fundida puede hacer que la temperatura de recalentamiento supere el límite, y los problemas anteriores pueden evitarse utilizando una unidad de recalentamiento doble con recirculación de gases de combustión. Esta vía técnica es adecuada para la unidad de recalentamiento doble con una temperatura del vapor principal de 600-620°C. En la unidad mencionada, el vapor de la sección de alto recalentamiento se extrae para calentar la sal fundida, y la energía térmica almacenada puede utilizarse para calentar el agua de alimentación, suministrar calor o suministrar vapor industrial, mejorando la flexibilidad de la unidad.

Tomando como objeto de investigación una unidad ultra-supercrítica de doble recalentamiento de 660MW, Zhang Shigang propuso extraer simultáneamente vapor a alta temperatura de las secciones primaria y secundaria de alto enfriamiento para el almacenamiento de energía en sales fundidas. Pang Liping simuló las características de respuesta a la carga de la caldera y la turbina de vapor de la unidad de doble recalentamiento, y los resultados mostraron que el vapor de la sección de alto enfriamiento se utiliza para el almacenamiento de calor en sales fundidas, lo que puede mejorar la tasa de respuesta de la unidad de doble recalentamiento a la carga de la red.

Tecnología de almacenamiento térmico directo de vapor DSG

Para el almacenamiento térmico de vapor de las unidades ultrasupercríticas de más de 620 °C, se requiere una tecnología de almacenamiento térmico de vapor directo (Direct steam generation, DSG). La central DSG sólo produce vapor saturado, por lo que no puede adoptar el modo de funcionamiento convencional de conmutación de tanque frío y caliente de sales fundidas, y carece de un sistema de almacenamiento de calor a gran escala adecuado a largo plazo. Para resolver el cuello de botella de la tecnología DSG, se puede utilizar la tecnología de sales fundidas de alto parámetro y el sistema de sales fundidas multitanque para formar el dispositivo de almacenamiento de energía de la DSG.

Por ejemplo, Seitz et al. acoplaron tres tanques de almacenamiento de energía en sales fundidas en el sistema DSG, tanques frío, caliente e intermedio, para almacenar indirectamente el calor de evaporación del agua de alimentación para precalentamiento y recalentamiento. El proyecto disor utiliza sal fundida de nitrato sódico con un punto de fusión de 306°C como medio para intercambiar directamente calor con el vapor de agua. En estos casos especiales se trata de sales fundidas de alto parámetro, que tienen elevados requisitos de estabilidad térmica de las sales fundidas.

Diferentes situaciones de calentamiento por vapor de sal fundida

En el campo del almacenamiento térmico de vapor principal y de vapor de recalentamiento, existen diferencias en la selección de la sal fundida. El parámetro de presión del vapor de recalentamiento es relativamente bajo, generalmente de unos 4 MPa, lo que corresponde a una temperatura del vapor saturado de unos 251 °C. La figura muestra el almacenamiento térmico de vapor principal de alta temperatura y vapor de recalentamiento en sales fundidas con diferentes puntos de fusión.

a)Vapor de recalentamiento para calentar la sal fundida b)Vapor principal que calienta la sal fundida
Almacenamiento térmico de sales fundidas para vapor principal y vapor de recalentamiento

Si se reduce el punto de fusión y se selecciona la sal fundida con un punto de fusión de unos 100°C, el límite superior de la temperatura de uso puede elevarse a 450°C. Sin embargo, la investigación de aplicaciones de este tipo de sal fundida no es suficiente, y rara vez se utiliza en la práctica de la ingeniería. Si se utiliza sal solar convencional, su temperatura de funcionamiento es de 260~565°C. En este momento, la temperatura mínima de funcionamiento de la sal fundida está cerca de la línea de vapor saturado, y el espacio calentado por el vapor recalentado es pequeño, por lo que no es adecuada para este escenario.

En resumen, en el caso del almacenamiento térmico de vapor de recalentamiento, debe utilizarse sal fundida con un punto de fusión más bajo, y su temperatura máxima de uso no necesita fijarse demasiado alta. Por el contrario, los parámetros del vapor principal son relativamente altos. Tomando como ejemplo el vapor principal de 14MPa, la temperatura del vapor saturado correspondiente es de unos 335°C, como se muestra en la figura 3b) punto b, su posición de punto de pellizco es relativamente más alta, y la restricción de calentamiento de la sal fundida es relativamente pequeña .

La Fig. 3b) describe la situación en la que el vapor principal del mismo parámetro calienta sal fundida con diferentes parámetros. En este momento, el rango de temperatura de trabajo común de la sal fundida de bajo punto de fusión es de 140°C~450°C, y la temperatura máxima puede ampliarse aún más. La temperatura de trabajo de la sal solar es de unos 260°C~565°C. Con este parámetro de vapor, sólo puede calentarse hasta unos 420°C. Si se reduce el punto de fusión, la sal fundida puede calentarse incluso por encima de 530°C.

Se puede observar que para la escena de almacenamiento de calor de vapor principal y suministro de calor, se pueden aplicar sales fundidas convencionales. Sin embargo, para la escena de almacenamiento de energía de sales fundidas en la que se genera vapor después del almacenamiento de calor de vapor principal, es adecuado para sal fundida de amplio rango de temperatura con bajo punto de fusión pero alta temperatura máxima.

Calentamiento eléctrico de la sal fundida a la salida del generador

La ruta técnica de la sal fundida de calentamiento eléctrico en la salida del generador es utilizar la sal fundida de calentamiento eléctrico de alto voltaje en la salida del generador de la central eléctrica, y la salida de la energía térmica almacenada como energía eléctrica de ahorro de picos, es decir, la conversión "electricidad-calor-electricidad".

La energía térmica almacenada también puede utilizarse para generar calor, es decir, la conversión "electricidad-calor-calor". El almacenamiento de energía eléctrica en sales fundidas es fácil de arrancar y parar, lo que puede mejorar la tasa de utilización de los equipos existentes de almacenamiento de calor y generación de energía, reducir la tasa de interrupción de la energía eólica y luminosa y mejorar la eficiencia de las centrales eléctricas.

En comparación con la generación de energía fototérmica y el almacenamiento de energía electroquímica, el calentamiento eléctrico de sales fundidas puede realizarse añadiendo un dispositivo de calentamiento eléctrico de sales fundidas a la salida del generador de la central eléctrica, y el espacio de reducción de costes es grande; En comparación con las baterías de almacenamiento como las baterías de litio, su ventaja es que tiene la función de transformación flexible de la energía térmica y satisface las necesidades de regulación flexible de picos y regulación de frecuencia.

En el escenario del calentamiento eléctrico de sales fundidas, la energía eléctrica procede directamente de la salida del generador, y la escala de potencia es grande. El uso de calentadores de sales fundidas tradicionales de resistencia de bajo voltaje no puede satisfacer la demanda. Por lo tanto, se requieren sistemas de calentamiento de alto voltaje, como calentadores resistivos, de inducción y de electrodos de alto voltaje. El nivel de tensión del calentador de sales fundidas de alta tensión puede alcanzar los 6-10kV, lo que puede evitar el problema de la alta pérdida de la línea de transmisión en el esquema de calentamiento por resistencia de baja tensión, y el coste es bajo.

El almacenamiento térmico eléctrico "eléctrico-térmico-eléctrico" de sales fundidas es un tipo de almacenamiento de energía térmica eléctrica, es decir, una tecnología de "batería Carnot". Un sistema de doble tanque de sales fundidas puede utilizarse para generar calor y generar electricidad mediante la circulación de tanques calientes y fríos. En el caso de la conversión "eléctrico-térmico-térmica", el almacenamiento térmico eléctrico de sales fundidas tiene similitudes con el almacenamiento térmico sólido y puede combinarse.

La comunidad de construcción urbana del distrito de Chongli, en la ciudad de Zhangjiakou, utiliza calderas eléctricas de almacenamiento de calor sólido. La electricidad verde entra en la caldera eléctrica de 110kV para calentar los ladrillos de magnesia hasta 500-550°C. A continuación, la energía térmica almacenada se transfiere al agua caliente a través del intercambiador de calor, y el agua caliente entra en el sistema de calefacción central.

Almacenamiento térmico de gases de combustión

Los gases de combustión a alta temperatura de las grandes centrales térmicas pueden alcanzar los 700-800°C. Si el calor se puede almacenar en sales fundidas para formar una fuente de calor estable, se puede realizar una calefacción sostenible con parámetros más altos o suministrar agua caliente civil, y al mismo tiempo hacer que la caldera se adapte a las necesidades de calefacción con grandes cambios en la carga térmica, y mejorar la capacidad de ahorro de picos de la unidad.

El almacenamiento térmico de gases de combustión con sales fundidas requiere sales fundidas de alto parámetro y un intercambiador de calor especial de gases de combustión y sales fundidas. En la actualidad, existen muchos diseños de equipos de almacenamiento e intercambio de calor de gases de combustión a alta temperatura y sales fundidas, como el guiado de los gases de combustión a través de la varilla de calentamiento, un canal de intercambio de calor especial para el almacenamiento de calor de sales fundidas de gases de combustión a alta temperatura y un panel calefactor autorrefrigerante que utiliza gases de combustión a alta temperatura para calentar sales fundidas, etc.

Su ventaja es que la diferencia de temperatura de transferencia de calor es grande y el grado térmico es alto. El intercambiador de calor de gases de combustión y sales fundidas también puede recoger el calor residual de alta temperatura generado en el proceso de fabricación del acero. Se compone de múltiples haces de tubos metálicos paralelos y se dispone en la cámara de humos.

El calor residual de los gases de combustión se recoge a través del intercambiador de calor de gases de combustión-sal fundida, que puede reutilizarse a través del sistema de doble tanque de sal fundida. El ciclo de uso del almacenamiento de calor en el doble tanque de sales fundidas para generar energía incluye: la sal fundida a baja temperatura entra en el haz de tubos del intercambiador de calor desde la salida de los gases de combustión e intercambia calor con los gases de combustión para convertirse en sal fundida a alta temperatura;

El agua de alimentación se calienta a través del sobrecalentador, el evaporador y el precalentador en secuencia, y el vapor sobrecalentado se emite para accionar la turbina de vapor para generar electricidad, y la sal fundida a baja temperatura después del intercambio de calor vuelve al tanque de almacenamiento.

El intercambiador de calor de sales fundidas para gases de combustión de alta temperatura existente tiene un rango de temperatura aplicable reducido y no puede utilizar el calor residual de los gases de combustión de baja concentración, por lo que aún debe mejorarse en términos de seguridad y capacidad de almacenamiento y transferencia de calor. La tabla muestra la selección de la tecnología de almacenamiento de energía con sales fundidas en los escenarios de vapor, almacenamiento de calor eléctrico y almacenamiento de calor de gases de combustión.

Tecnologías de almacenamiento de energía en sales fundidas aplicables a diferentes rutas técnicas en el campo de la energía térmica

Aplicación del almacenamiento de energía en sales fundidas a la calefacción eléctrica ecológica

La generación de energía nueva se llama energía verde. La calefacción de energía verde es una nueva forma de consumo de nueva energía. Mediante la transferencia de calor de electricidad-sal fundida-agua de alimentación, se utiliza para la calefacción doméstica. Generalmente, se utiliza un sistema de doble tanque de sales fundidas para realizar la calefacción de electricidad verde, y su principio se muestra en la figura.

La sal fundida se calienta y se almacena en un depósito de sal fundida de alta temperatura utilizando electricidad verde o fuera de horas punta, y la sal fundida de alta temperatura se extrae del depósito durante el día, y el agua de alimentación se calienta a través de un intercambiador de calor de sal fundida para satisfacer diversas necesidades.

Por ejemplo, el suministro de agua caliente a 90°C para realizar la calefacción residencial convencional, el suministro de vapor industrial a media-baja temperatura a 180-360°C y el suministro de vapor a alta temperatura por encima de 500°C. Tras el intercambio de calor, la sal fundida enfriada fluye hacia el depósito de sal fundida de baja temperatura para completar el ciclo.

Principio del sistema de calefacción por acumulación de energía en sales fundidas

La calefacción ecológica por electricidad es un método de calefacción eficiente y limpio, y se han llevado a cabo proyectos piloto en varios lugares. El Proyecto de Demostración de Calefacción Ecológica con Almacenamiento Térmico de Sal Fundida de Hebei Xinji utiliza sal de bajo punto de fusión como medio de transferencia de calor y de trabajo de almacenamiento térmico, y utiliza electricidad de 10 horas de pico bajo procedente de la red eléctrica para calentar sal fundida y suministrar agua caliente civil, y el tiempo de almacenamiento térmico es de 16 horas.

El Centro de Calefacción Térmica por Gas de Pekín convierte por la noche la electricidad verde de valle bajo en energía térmica y la almacena en sales fundidas a 180-390°C. Durante el día, utiliza el almacenamiento de energía en sales fundidas para calentar la zona de la Estación de Ferrocarril Oeste de Pekín y, al mismo tiempo, suministra vapor industrial estable de media y baja temperatura al exterior.

En comparación con la calefacción de gas, el coste de funcionamiento de la calefacción eléctrica ecológica es menor; en comparación con la tecnología de calefacción de bomba de calor, su inversión inicial es menor; en comparación con la calefacción eléctrica de almacenamiento térmico de agua, su ventaja reside en el pequeño espacio que ocupa y en la alta densidad de almacenamiento de energía. Algunas unidades de calefacción eléctrica verde pueden suministrar simultáneamente agua caliente civil por debajo de 100°C y varios tipos de vapor industrial, con una alta eficiencia térmica, proporcionando una nueva dirección para la transformación de las unidades de energía térmica.

Las tecnologías clave que intervienen en el suministro de calor eléctrico ecológico son el sistema de doble depósito seguro y estable, el intercambiador de calor de alta eficiencia y el calentador eléctrico de sales fundidas de alto voltaje. Los intercambiadores de calor de haz de tubos elásticos de bobina flotante se suelen utilizar en los sistemas civiles ordinarios de suministro de agua caliente, pero en el caso del intercambio de calor de agua con sales fundidas, es necesario modificar y optimizar los intercambiadores de calor de carcasa y tubos de sales fundidas.

Dado que los calentadores de sales fundidas conectados directamente a la red eléctrica pueden ahorrar costes de transformación de la electricidad, también se necesitan calentadores de sales fundidas de alta tensión maduros y fiables para el calentamiento ecológico de la electricidad, como diversos tipos de calentadores de resistencia de alta tensión, calentadores de electrodos y calentadores de inducción electromagnética.

Para algunas unidades que sólo suministran agua caliente civil o vapor industrial de media y baja temperatura, también se puede utilizar directamente el horno de calentamiento de sales fundidas de tipo electrodo de 380 V o de tipo resistencia. Para resumir las tecnologías clave aplicables a las distintas rutas técnicas de calentamiento de electricidad verde, véase la tabla siguiente.

La tecnología de almacenamiento de energía en sales fundidas aplicable a la ruta de la tecnología verde de calefacción eléctrica

En el escenario de calefacción eléctrica ecológica, las sales fundidas se utilizan para calentar vapor o agua sobreenfriada, y deben seleccionarse sales fundidas de bajo o alto parámetro en función de las distintas situaciones. En la figura se muestra la transferencia de calor del vapor de sales fundidas en la calefacción eléctrica ecológica.

Se puede observar en la figura a) que el aumento de temperatura del vapor está limitado por el punto de pinzamiento a, para producir vapor industrial de alta temperatura superior a 500°C, es necesario aumentar la temperatura de almacenamiento de calor de la sal fundida a unos 600°C, y utilizar sal fundida de alto parámetro para intercambiar calor con el vapor.

Cuando se suministra vapor industrial a media y baja temperatura, el uso de sal fundida de nitrato con un punto de fusión más bajo puede satisfacer la demanda (figura b). El proceso de calentamiento de vapor con sales fundidas está limitado por la temperatura del punto de pellizco b y, finalmente, en el intervalo de trabajo con sales fundidas de bajo parámetro de 150-450 °C, se puede suministrar vapor a 1,2 MPa y 370 °C.

a)Vapor de calentamiento de sales fundidas de alto parámetro b)Vapor de calentamiento de sales fundidas de bajo parámetro
Intercambio de calor por vapor de sales fundidas en la calefacción eléctrica ecológica

Conclusión

1) En la actualidad, existen varias tecnologías relacionadas con el almacenamiento de energía en sales fundidas, pero faltan todas las tecnologías clave, lo que limita la aplicación y el desarrollo del almacenamiento de energía en sales fundidas en los nuevos sistemas de energía. En la actualidad, en el campo de las sales fundidas mixtas multicomponente, las sales de bajo punto de fusión son principalmente sistemas de nitrato y nitrito de litio, calcio, potasio y otros elementos, como la sal Hitec.

La corrosividad de las sales de cloruro y la fácil descomposición de los carbonatos en las sales de alta temperatura aún deben investigarse para ofrecer al mercado más materiales comerciales de sales fundidas. Además, no se ha investigado lo suficiente sobre el precalentamiento y las condiciones variables de trabajo de los tanques de almacenamiento de sales fundidas, y faltan normas y especificaciones de fabricación completas para los tanques de almacenamiento de sales fundidas de alta temperatura a gran escala.

El mercado carece de calefactores eléctricos de sales fundidas de alta tensión maduros. Aunque algunos calentadores de inducción electromagnética pueden conectarse a alta tensión, su coste es elevado y su aplicación no es universal. En la actualidad, los intercambiadores de calor de carcasa y tubos tradicionales ampliamente utilizados no tienen en cuenta las sales fundidas como fluido de trabajo, y faltan investigaciones experimentales sobre la optimización de la configuración de los intercambiadores de calor de sales fundidas.

2) El avance tecnológico del sistema de almacenamiento de energía en sales fundidas puede mejorar la eficiencia y reducir los costes, y es también la clave para aumentar la competitividad de las centrales termosolares. En la actualidad, en el campo de la fototermia, China ya cuenta con las bases para apoyar el desarrollo a gran escala de la generación de energía fototérmica. El control de costes de la generación de energía solar térmica se consigue principalmente mejorando la eficiencia del sistema y reduciendo los costes de los equipos.

Hay dos formas principales de mejorar la eficiencia del sistema:

(1) Generación de energía solar térmica de alto parámetro, con un mayor rango de temperatura y capacidad de almacenamiento de calor, y mayor eficiencia del ciclo;

(2) Un nuevo tipo de ciclo de energía acoplado con luz y calor, como un almacenamiento de energía de sales fundidas acoplado con un sistema de generación de energía de luz y calor S-CO2, se requieren intercambiadores de calor de circuitos impresos resistentes a altas temperaturas y altas presiones, y la temperatura del sistema de almacenamiento de calor debe superar los 700°C. Sin embargo, no hay ninguna sal fundida comercial madura que pueda satisfacer la demanda, y existe un cuello de botella técnico.

La reducción de costes debe empezar por la tecnología clave de almacenamiento de energía en sales fundidas, como la selección de sales fundidas para las centrales termosolares de nueva generación, que se espera que cumplan los requisitos de bajo punto de fusión, resistencia a altas temperaturas y bajo coste al mismo tiempo. Sin embargo, en lo que respecta a la selección de diferentes sales fundidas, tanques de almacenamiento, calentadores, etc., es necesario seguir perfeccionando las normas industriales, formar un sistema de evaluación estandarizado y promover la realización de la asistencia técnica.

3) La combinación de unidad de energía térmica y almacenamiento de energía en sales fundidas es una forma eficaz de aumentar la flexibilidad de la unidad y mejorar la eficiencia del ciclo de todo el proceso. Sin embargo, en la actualidad hay pocos estudios sobre las condiciones de funcionamiento del acoplamiento de unidades de energía térmica y almacenamiento de energía en sales fundidas, y la garantía de seguridad del sistema de doble tanque sigue necesitando más investigación práctica.

El ámbito de investigación actual del sistema de generación de energía acoplado de sales fundidas y energía térmica se dirige principalmente a unidades con una temperatura del vapor principal inferior a 620°C, y aún faltan soluciones maduras para el almacenamiento térmico de vapor de sales fundidas con una temperatura del vapor principal superior a 620°C para unidades ultrasupercríticas.

En la actualidad, se ha confirmado la viabilidad de extraer vapor recalentado o sobrecalentado para calentar sales fundidas, pero la norma para el volumen específico de extracción de vapor aún no está clara, y el impacto negativo en el sistema general de energía térmica también necesita más investigación comparativa.

Para saber más sobre el almacenamiento de energía, consulte Almacenamiento de energía por gravedad, almacenamiento electroquímico de energíay los siguientes artículos relacionados.