Application du stockage de l'énergie à base de sels fondus et tendances de développement

Stockage d'énergie par sels fondus est une méthode de stockage de l'énergie présentant un niveau de sécurité élevé. Il utilise du sel fondu, tel que le nitrate, comme moyen de transfert de chaleur, stocke et libère de l'énergie par le biais de cycles de stockage et de libération de chaleur du sel fondu, et réalise un transfert d'énergie efficace.

Les technologies et équipements clés du stockage d'énergie par sels fondus comprennent les sels fondus, les réchauffeurs électriques, les réservoirs de stockage et les échangeurs de chaleur, etc. Il est largement utilisé dans les trois directions suivantes : la production d'énergie solaire thermique, l'écrêtement des pointes et le couplage de modulation de fréquence des unités de production d'énergie thermique, et le couplage du chauffage de l'énergie verte des nouvelles énergies. Pour plus d'informations, veuillez consulter le top 10 compagnies d'électricité thermique.

Selon les scénarios d'application, la plage de température d'utilisation et le processus de transfert de chaleur des sels fondus sont très différents. À ce stade, l'accent est mis sur la résolution des besoins techniques des centrales thermiques solaires, et il y a une grave pénurie de recherche systématique sur la modulation de crête et de fréquence des unités thermiques couplées à un stockage d'énergie par sels fondus, et sur le chauffage électrique vert.

Technologie clé du stockage de l'énergie par sels fondus

La sélection actuelle de sels fondus pour le stockage de l'énergie est principalement constituée de sels fondus résistants aux températures élevées et de sels à bas point de fusion. Le sel fondu résistant aux températures élevées, tel que le sel solaire mature, a une température de fonctionnement maximale de 565°C, qui convient à la production d'énergie solaire thermique à paramètres élevés ou au stockage de la chaleur et aux systèmes d'écrêtement des pointes pour les unités de production d'énergie thermique.

Les sels à bas point de fusion sont généralement des sels mixtes à plusieurs composants dont le point de fusion est inférieur à 240°C, tels que les sels Hitec couramment utilisés dans l'ingénierie, qui peuvent réduire le risque de solidification des sels fondus et conviennent aux systèmes dont les paramètres sont plus faibles. Les réservoirs de stockage de sels fondus comprennent principalement des systèmes à réservoir unique, à double réservoir et à plusieurs réservoirs. Le système de stockage d'énergie à sel fondu à réservoir unique a une structure simple et un faible coût, et convient au chauffage civil de petites zones et à d'autres domaines, mais l'efficacité du stockage de chaleur diminue en raison de la couche thermocline.

Le système à double réservoir se compose d'un réservoir froid et d'un réservoir chaud. Le sel fondu chaud et le sel fondu froid sont séparés et la chaleur circule dans les deux réservoirs, ce qui évite le problème de la couche thermocline et présente des risques techniques relativement faibles. Sur la base des réservoirs doubles, le nombre de réservoirs de stockage peut être augmenté pour former un système à réservoirs multiples afin d'accroître le stockage de la chaleur. Par exemple, le projet de tour à sel fondu CSP de 50 MW à Hami a été le premier à utiliser la configuration de deux réservoirs chauds et d'un réservoir froid, ce qui a amélioré la fiabilité et la flexibilité de l'unité.

La clé du stockage à grande échelle de l'énergie des sels fondus réside dans la mise au point de réchauffeurs électriques à sels fondus à haute tension, peu coûteux et pratiques. À l'heure actuelle, il existe trois formes principales de réchauffeurs électriques de sels fondus : le type à résistance, le type à électrode et le type à induction. Les technologies existantes sont généralement des réchauffeurs à résistance basse tension de 380 V ou 690 V, qui sont principalement utilisés dans les scénarios de production d'énergie photothermique.

S'il est utilisé pour le chauffage électrique de sels fondus, comme le chauffage par énergie verte, il y aura un problème de coûts élevés de transformation de l'énergie en raison de l'inadéquation entre l'alimentation en énergie verte à haute tension et les réchauffeurs à basse tension. À l'heure actuelle, il n'existe pas sur le marché de réchauffeurs de sels fondus à haute tension ayant fait leurs preuves.

Les échangeurs de chaleur à sels fondus traditionnels comprennent les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes et les échangeurs de chaleur à manchons et à tubes. Les échangeurs de chaleur à calandre sont actuellement la principale forme d'échangeurs de chaleur à sels fondus. De nombreux chercheurs ont recommandé des corrélations de transfert de chaleur côté tube et côté calandre par le biais d'expériences et de calculs, et ont décrit leurs caractéristiques de transfert de chaleur de manière mathématique.

L'échangeur de chaleur à carter présente les avantages d'une structure simple et d'une résistance élevée à la pression, et est également utilisé dans l'ingénierie. Par rapport aux échangeurs de chaleur traditionnels mentionnés ci-dessus, les échangeurs de chaleur compacts représentés par les échangeurs de chaleur à carte de circuit imprimé ont un rendement élevé et peuvent résister à des conditions de température et de pression élevées. Ils présentent de grands avantages dans le couplage de nouveaux systèmes d'énergie tels que le stockage d'énergie par sels fondus et les nouveaux cycles d'énergie.

La comparaison et la classification des principales technologies des sels fondus sont présentées ci-dessous, ainsi que les différences dans le choix des sels fondus, des réservoirs de stockage et des réchauffeurs dans les différents scénarios d'application.

Application du stockage d'énergie par sels fondus dans le domaine de la photothermie

La production d'énergie solaire thermique est l'épine dorsale du nouveau système électrique, qui présente les avantages d'une connexion au réseau sans obstacle et d'une forte capacité de production et de régulation d'énergie en continu.

Les centrales photothermiques stockent l'énergie solaire sous forme de chaleur dans des sels fondus, puis utilisent ces sels fondus pour chauffer l'eau d'alimentation afin d'obtenir de la vapeur. Les avantages résident dans la grande capacité de stockage de l'énergie, les faibles exigences en matière d'environnement géographique et une échelle de construction de plus de 10 GW. La recherche technique sur la centrale de stockage d'énergie solaire-thermique à sels fondus se concentre sur la réduction de son coût et l'amélioration de sa sécurité.

Système de stockage d'énergie par sels fondus à double réservoir

Le système de stockage indirect de la chaleur nécessite un dispositif d'échange de chaleur pour transférer la chaleur, en utilisant de l'huile de transfert de chaleur ou de la vapeur comme fluide de transfert de chaleur, et en stockant la chaleur dans du sel fondu. Le processus d'échange de chaleur du système de stockage indirect de la chaleur est le suivant : énergie solaire - sel fondu - huile caloporteuse - vapeur. L'énergie thermique stockée dans le sel fondu circule dans l'huile de transfert de chaleur et atteint le générateur de vapeur pour l'échange de chaleur. Le système de stockage d'énergie par sels fondus du système de stockage indirect de la chaleur est un module relativement indépendant, qui peut être utilisé pour transformer les centrales thermiques solaires ordinaires.

En raison du manque de stabilité thermique de l'huile de transfert de chaleur, la température de fonctionnement du stockage indirect de la chaleur est généralement inférieure à 400°C. Le système de stockage direct de la chaleur utilise des sels fondus comme moyen de transfert et de stockage de la chaleur, et son processus d'échange de chaleur est énergie solaire-sels fondus-vapeur, sans qu'il soit nécessaire de faire circuler l'huile de transfert de chaleur, ce qui évite un mauvais échange de chaleur. Il convient aux conditions de travail à haute température de 400-500°C, et peut également améliorer l'efficacité de la centrale électrique et l'efficacité du cycle de Rankine.

Les deux formes de couplage photothermique et à sels fondus sont appliquées en ingénierie. Le stockage indirect de la chaleur dans les sels fondus peut généralement maintenir une efficacité élevée du cycle, et le coût est inférieur à celui du stockage de l'énergie par la vapeur. Par exemple, la centrale solaire thermique à auge d'Andasol en Espagne est la première centrale électrique à grande échelle à stockage indirect de chaleur par sels fondus, avec une capacité d'environ 1 000 MWh et une durée de stockage de l'énergie de 7,5 heures.

Le stockage direct de la chaleur des sels fondus simplifie la composition de l'équipement de la centrale et facilite l'exploitation et la maintenance ultérieures. Le projet Solar two, aux États-Unis, est un exemple typique de centrale électrique à stockage thermique direct de sels fondus. Le sel mélangé à du nitrate utilisé dans ce projet est appelé sel solaire, et la plage de température est comprise entre 290 et 565°C. Depuis lors, la plupart des centrales solaires thermiques à sel fondu de type tour ont utilisé la méthode de stockage direct de la chaleur et cette plage de température de fonctionnement, comme la centrale électrique Gemasolar en Espagne et le projet de 10 MW de Supcon Delingha dans le Qinghai.

Le développement futur du CSP repose principalement sur un fonctionnement à haut paramètre et sur le couplage de nouveaux cycles de production d'énergie. La technologie clé impliquée dans le fonctionnement à haut paramètre est le sel fondu résistant aux températures élevées. La sélection du carbonate et de certains sels de chlorure du système mixte MgCl2-KCl-NaCl peut améliorer l'efficacité globale du système.

Le nouveau cycle de production d'énergie du couplage photothermique implique principalement un échangeur de chaleur à sels fondus et à stockage d'énergie à sels fondus à paramètres élevés. Si l'on prend l'exemple du système de production d'énergie photothermique à cycle de Brayton S-CO2, la température maximale de fonctionnement peut atteindre 800°C, et la différence de température entre le sel fondu du réservoir chaud et celui du réservoir froid peut atteindre 100~120°C, ce qui rend le stockage de l'énergie plus difficile et nécessite l'utilisation de performances stables, d'une large plage de température et d'un sel fondu à paramètres élevés.

Le système présente des paramètres élevés, une grande efficacité et des composants compacts, et l'échangeur de chaleur sel fondu-dioxyde de carbone utilisé doit résister à des conditions de travail difficiles. Dans le domaine de l'échange de chaleur entre sel fondu et dioxyde de carbone, il est possible de choisir des échangeurs de chaleur compacts, tels que des échangeurs de chaleur à circuit imprimé, qui ont une grande efficacité d'échange de chaleur et peuvent résister à des températures élevées et à des pressions allant jusqu'à 30MPa.

Des échangeurs de chaleur à circuit imprimé ont été étudiés pour le stockage de l'énergie des sels fondus et la circulation du dioxyde de carbone. He Yaling et d'autres ont conçu et fabriqué un échangeur de chaleur à circuit imprimé à ailettes en forme d'ailes, qui utilise des ailettes ayant de meilleures performances de transfert de chaleur pour renforcer le canal de transfert de chaleur dans le système à sel fondu à faible pression de travail.
Zhang Huzhong et d'autres ont construit une plate-forme d'essai d'échangeur de chaleur de CO2 supercritique avec une pression et une température maximales de 32MPa et 600°C, respectivement, et ont étudié en profondeur les caractéristiques d'écoulement et de transfert de chaleur du CO2 supercritique dans un échangeur de chaleur à carte de circuit imprimé. Dans la production d'énergie solaire thermique, le type de tour absorbe l'énergie solaire concentrée par le biais de la tour d'absorption de chaleur et transfère la chaleur au réservoir de chaleur ; le type d'auge collecte l'énergie solaire par le biais du tube collecteur de chaleur ;

Le coût de la production d'énergie solaire thermique linéaire de Fresnel est faible et les perspectives de commercialisation sont bonnes dans l'ouest de la Chine ; l'utilisation de CO2 supercritique dans les systèmes photothermiques présente les avantages d'une efficacité de cycle élevée et d'une structure compacte. Les réchauffeurs d'énergie solaire thermique sont généralement des résistances à basse tension, qui peuvent répondre à la demande à moindre coût. Outre le dispositif de chauffage, les différences entre les technologies de stockage de l'énergie par sels fondus utilisées dans les différents itinéraires techniques sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

Application du stockage d'énergie par sels fondus à la régulation des pics de production d'énergie thermique

L'utilisation du stockage de l'énergie dans les centrales thermiques permet d'écrêter les pointes et de combler les vallées. À l'heure actuelle, les applications techniques peuvent être réalisées grâce à un système de stockage d'énergie par sels fondus à haute température couplé à la technologie de régulation des pointes des unités de production d'énergie thermique. L'avantage du système de couplage sel fondu-énergie thermique est qu'il peut améliorer considérablement la capacité de l'unité à réguler les pointes et à fournir de la vapeur à haute température.

Il existe différentes formes de couplage entre sels fondus et énergie thermique, telles que l'extraction d'une partie de la vapeur principale et de la vapeur réchauffée dans le module de stockage d'énergie à sels fondus pour réaliser le stockage de la chaleur de la vapeur ; le chauffage électrique des sels fondus chauffés par l'électricité produite par le générateur ; le stockage de la chaleur des gaz de combustion par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur gaz de combustion-sels fondus et le chauffage hybride combiné aux formes de couplage susmentionnées. Afin d'améliorer l'efficacité de l'échange thermique entre les sels fondus et la vapeur et d'augmenter la durée de stockage de l'énergie, le domaine de la régulation des pics d'énergie thermique implique principalement la sélection de sels fondus avec des paramètres élevés et une large gamme de températures, ainsi qu'un système de sels fondus à deux réservoirs, sûr et stable.

Stockage de la chaleur de la vapeur

Réchauffer la vapeur chauffant le sel fondu

Lorsque l'unité de production d'énergie thermique fonctionne normalement, la vapeur principale à haute pression et la vapeur de réchauffage sont extraites pour chauffer le sel fondu. Le système de couplage peut améliorer les performances d'écrêtement des pointes et l'efficacité du cycle de l'ensemble du processus, et convient principalement au stockage de la chaleur de la vapeur à un niveau de 500~600 °C dans une unité de réchauffage primaire sous-critique.

Luo Haihua et al. ont prouvé par le calcul la faisabilité de la solution consistant à réchauffer la vapeur pour chauffer le sel fondu. Cette solution utilise la chaleur stockée dans le sel fondu pour chauffer l'eau d'alimentation et produire de la vapeur industrielle, ce qui permet de réaliser le découplage thermoélectrique des centrales thermiques et la régulation des pics de chaleur.

Le couplage sel fondu-thermique peut également comporter plusieurs points d'extraction de vapeur. Prenant l'exemple d'une unité de 600 MW, Fan Qingwei a proposé un système de stockage de chaleur à plusieurs réservoirs et plusieurs échangeurs de chaleur. La vapeur de réchauffage est introduite dans deux réchauffeurs respectivement, et l'efficacité énergétique du réchauffeur dans la section hydrophobe est la plus élevée.

Réchauffage et vapeur surchauffée chauffant du sel fondu

L'itinéraire technique consistant à extraire simultanément le réchauffage, la vapeur surchauffée et l'échange de chaleur du stockage d'énergie par sels fondus permet d'utiliser pleinement la vapeur à haute température générée par la chaudière, et la température de la vapeur principale applicable est de 500-600°C. Wang Hui et al. ont conçu un processus de stockage d'énergie supercritique à sels fondus de 100 mégawatts pour les centrales thermiques. Le processus spécifique est illustré à la figure 2.

Parmi eux, le sel fondu dans le réservoir froid est divisé en deux voies après le préchauffage, et entre respectivement dans le réchauffeur de surchauffe et le réchauffeur de réchauffe, et les deux voies sont mélangées et entrent ensuite dans le réservoir de sel chaud pour réaliser le stockage de la chaleur en circulation du circuit de sel fondu. Chaque module de traitement de ce système est un cycle fermé, et le fluide de travail à haute température de la chaudière et de la turbine à vapeur n'est pas réduit ou gaspillé dans l'ensemble du processus, ce qui peut grandement améliorer la capacité d'écrêtement des pointes profondes et la flexibilité du système.

Sel fondu chauffé par de la vapeur dans une section de refroidissement élevé

L'extraction de la vapeur de réchauffage pour chauffer le sel fondu peut entraîner un dépassement de la température de réchauffage. Les problèmes susmentionnés peuvent être évités en utilisant une unité de réchauffage double avec recirculation des gaz de combustion. Cet itinéraire technique convient à l'unité de réchauffage double dont la température de la vapeur principale est comprise entre 600 et 620 °C. Dans l'unité susmentionnée, la vapeur de la section de refroidissement élevée est extraite pour chauffer le sel fondu, et l'énergie thermique stockée peut être utilisée pour chauffer l'eau d'alimentation, fournir de la chaleur ou de la vapeur industrielle, ce qui améliore la flexibilité de l'unité.

En prenant comme objet de recherche une unité de double réchauffage ultra-supercritique de 660 MW, Zhang Shigang a proposé d'extraire simultanément de la vapeur à haute température des sections de refroidissement primaire et secondaire pour le stockage de l'énergie dans des sels fondus. Pang Liping a simulé les caractéristiques de réponse à la charge de la chaudière et de la turbine à vapeur de l'unité de double réchauffage, et les résultats ont montré que la vapeur de la section de haut refroidissement est utilisée pour le stockage de la chaleur dans des sels fondus, ce qui peut améliorer le taux de réponse de l'unité de double réchauffage à la charge du réseau.

Technologie de stockage de chaleur à vapeur directe DSG

Pour le stockage de la chaleur de la vapeur des unités ultra-supercritiques de plus de 620 °C, la technologie de stockage direct de la chaleur de la vapeur (génération directe de vapeur, DSG) est nécessaire. La centrale électrique DSG ne produit que de la vapeur saturée, et le mode de fonctionnement conventionnel de commutation entre le réservoir froid et le réservoir chaud à sel fondu ne peut pas être adopté, et il n'existe pas de système de stockage de chaleur à grande échelle approprié à long terme. Afin de résoudre le goulot d'étranglement de la technologie DSG, la technologie des sels fondus à paramètres élevés et le système de sels fondus à réservoirs multiples peuvent être utilisés pour former le dispositif de stockage d'énergie de la DSG.

Par exemple, Seitz et al. ont couplé trois réservoirs de stockage d'énergie de sels fondus dans le système DSG, les réservoirs froid, chaud et intermédiaire, pour stocker indirectement la chaleur d'évaporation de l'eau d'alimentation pour le préchauffage et le surchauffage. Le projet disor utilise du sel fondu de nitrate de sodium, dont le point de fusion est de 306°C, pour échanger directement de la chaleur avec la vapeur d'eau. Ces cas particuliers impliquent des sels fondus à paramètres élevés, dont les exigences en matière de stabilité thermique sont élevées.

Différentes situations de chauffage de sel fondu par la vapeur

Dans le domaine du stockage de la chaleur de la vapeur principale et du stockage de la chaleur de la vapeur de réchauffage, il existe des différences dans la sélection du sel fondu. Le paramètre de pression de la vapeur de réchauffage est relativement faible, généralement environ 4MPa, ce qui correspond à une température de vapeur saturée d'environ 251°C. La figure montre le stockage de la chaleur de la vapeur principale à haute température et de la vapeur de réchauffage dans des sels fondus ayant différents points de fusion.

a) Vapeur de réchauffage pour chauffer le sel fondu b) Vapeur principale pour chauffer le sel fondu
Stockage thermique à sel fondu de la vapeur principale et de la vapeur de réchauffage

Si le point de fusion est abaissé et que l'on choisit un sel fondu dont le point de fusion est d'environ 100°C, la limite supérieure de la température d'utilisation peut être portée à 450°C. Cependant, la recherche sur l'application de ce type de sel fondu n'est pas suffisante et il est rarement utilisé dans la pratique technique. Si l'on utilise du sel solaire conventionnel, sa température de fonctionnement est comprise entre 260 et 565°C. À cette époque, la température minimale de fonctionnement du sel fondu est proche de la ligne de vapeur saturée, et l'espace chauffé par la vapeur réchauffée est petit, de sorte qu'il n'est pas adapté à ce scénario.

En résumé, dans le cas du stockage de la chaleur de la vapeur de réchauffage, il convient d'utiliser du sel fondu dont le point de fusion est plus bas, et sa température maximale d'utilisation ne doit pas être trop élevée. En revanche, les paramètres de la vapeur principale sont relativement élevés. Si l'on prend l'exemple d'une vapeur principale de 14MPa, la température correspondante de la vapeur saturée est d'environ 335°C, comme le montre la figure 3b) point b, la position de son point de pincement est relativement plus élevée, et la restriction sur le chauffage par sels fondus est relativement faible.

La figure 3b) décrit la situation dans laquelle la vapeur principale du même paramètre chauffe du sel fondu avec des paramètres différents. À l'heure actuelle, la plage de température de travail commune du sel fondu à bas point de fusion est de 140°C~450°C, et la température maximale peut encore être élargie. La température de travail du sel solaire est d'environ 260°C~565°C. Avec ce paramètre de vapeur, il ne peut être chauffé qu'à environ 420°C. Si le point de fusion est abaissé, le sel fondu peut même être chauffé à plus de 530°C.

On peut constater que pour le stockage de la chaleur de la vapeur principale et la fourniture de chaleur, le sel fondu conventionnel peut être utilisé. Toutefois, pour le stockage d'énergie par sels fondus, où la vapeur est générée après le stockage principal de la chaleur de la vapeur, il convient d'utiliser des sels fondus à large plage de température, avec un point de fusion bas mais une température maximale élevée.

Chauffage électrique du sel fondu à la sortie du générateur

L'itinéraire technique du chauffage électrique du sel fondu à la sortie du générateur consiste à utiliser le chauffage électrique à haute tension du sel fondu à la sortie du générateur de la centrale électrique et à restituer l'énergie thermique stockée sous forme d'énergie électrique d'écrêtement des pointes, c'est-à-dire la conversion "électricité-chaleur-électricité".

L'énergie thermique stockée peut également être utilisée pour produire de la chaleur, c'est-à-dire la conversion "électricité-chaleur-chaleur". Le stockage d'énergie par sels fondus pour le chauffage électrique est facile à démarrer et à arrêter, ce qui peut améliorer le taux d'utilisation des équipements existants de stockage de chaleur et de production d'énergie, réduire le taux de réduction de l'énergie éolienne et lumineuse et améliorer l'efficacité des centrales électriques.

Par rapport à la production d'énergie photothermique et au stockage d'énergie électrochimique, le chauffage électrique du sel fondu peut être réalisé en ajoutant un dispositif de chauffage électrique du sel fondu à la sortie du générateur de la centrale électrique, et l'espace de réduction des coûts est important. Par rapport aux batteries de stockage telles que les batteries au lithium, son avantage est qu'il a la fonction de transformation flexible de l'énergie thermique et répond aux besoins de régulation flexible des pics et de régulation de la fréquence.

Dans le cas du chauffage électrique des sels fondus, l'énergie électrique provient directement de la sortie du générateur, et l'échelle de puissance est importante. L'utilisation de réchauffeurs de sels fondus traditionnels à résistance à basse tension ne peut pas répondre à la demande. Par conséquent, des systèmes de chauffage à haute tension, tels que des réchauffeurs résistifs, à induction et à électrodes à haute tension, sont nécessaires. Le niveau de tension du réchauffeur de sels fondus à haute tension peut atteindre 6 à 10 kV, ce qui permet d'éviter le problème de la perte élevée de la ligne de transmission dans le schéma de chauffage par résistance à basse tension, et le coût est faible.

Le stockage thermique électrique à sel fondu "électrique-thermique-électrique" est un type de stockage d'énergie thermique électrique, c'est-à-dire la technologie de la "batterie de Carnot". Un système à sel fondu à double réservoir peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité par la circulation de réservoirs chauds et froids. Dans le cas de la conversion "électrique-thermique-thermique", le stockage thermique électrique au sel fondu présente des similitudes avec le stockage thermique solide et peut être combiné.

La communauté de construction urbaine du district de Chongli, dans la ville de Zhangjiakou, utilise des chaudières électriques à accumulation de chaleur solide. L'électricité verte entre dans la chaudière électrique de 110kV pour chauffer les briques de magnésie à 500-550°C. L'énergie thermique stockée est ensuite transférée à l'eau chaude par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur, et l'eau chaude entre dans le système de chauffage central.

Stockage de la chaleur des gaz de combustion

Les gaz de combustion à haute température des grandes centrales thermiques peuvent atteindre 700-800°C. Si la chaleur peut être stockée dans du sel fondu pour former une source de chaleur stable, il est possible de réaliser un chauffage durable avec des paramètres plus élevés ou de fournir de l'eau chaude civile, et en même temps de faire en sorte que la chaudière s'adapte aux besoins de chauffage avec des changements importants de la charge thermique, et d'améliorer la capacité d'écrêtement des pointes de l'unité.

Le stockage de la chaleur des gaz de combustion à base de sels fondus implique des sels fondus à paramètres élevés et un échangeur de chaleur spécial gaz de combustion-sels fondus. À l'heure actuelle, il existe de nombreux modèles d'équipements de stockage et d'échange de chaleur pour les gaz de combustion à haute température et les sels fondus, tels que le guidage des gaz de combustion à travers la tige chauffante, un canal d'échange de chaleur spécial pour le stockage de chaleur des gaz de combustion à haute température et des sels fondus, et un panneau de chauffage à refroidissement automatique qui utilise des gaz de combustion à haute température pour chauffer des sels fondus, etc.

Son avantage est que la différence de température de transfert de chaleur est importante et que le grade de chaleur est élevé. L'échangeur de chaleur gaz de combustion-sels fondus peut également collecter la chaleur résiduelle à haute température générée par le processus de fabrication de l'acier. Il est composé de plusieurs faisceaux de tubes métalliques parallèles et est placé dans la chambre de combustion.

La chaleur résiduelle des gaz de combustion est collectée par l'échangeur de chaleur gaz de combustion-sels fondus, qui peut être réutilisé par le système à double réservoir de sels fondus. Le cycle d'utilisation du stockage de chaleur dans le double réservoir de sels fondus pour réaliser la production d'énergie comprend : le sel fondu à basse température pénètre dans le faisceau de tubes de l'échangeur de chaleur à partir de la sortie des gaz de combustion et échange de la chaleur avec les gaz de combustion pour devenir un sel fondu à haute température ;

L'eau d'alimentation est chauffée à travers le surchauffeur, l'évaporateur et le préchauffeur dans l'ordre, et la vapeur surchauffée est produite pour entraîner la turbine à vapeur afin de générer de l'électricité, et le sel fondu à basse température après l'échange de chaleur retourne dans le réservoir de stockage.

L'échangeur de chaleur à sels fondus pour gaz de combustion à haute température existant a une faible plage de température applicable et ne peut pas utiliser la chaleur résiduelle des gaz de combustion à faible concentration ; il doit donc encore être amélioré en termes de sécurité et de capacité de stockage et de transfert de chaleur. Le tableau montre la sélection de la technologie de stockage de l'énergie par sels fondus dans les scénarios de la vapeur, du stockage de la chaleur électrique et du stockage de la chaleur des gaz de combustion.

Technologies de stockage de l'énergie par sels fondus applicables à différents itinéraires techniques dans le domaine de l'énergie thermique

Application du stockage d'énergie par sels fondus au chauffage électrique vert

La production d'électricité à partir de nouvelles énergies est appelée énergie verte. Le chauffage à l'énergie verte est un nouveau mode de consommation d'énergie. Grâce au transfert de chaleur entre l'électricité, le sel fondu et l'eau d'alimentation, il est utilisé pour le chauffage domestique. Généralement, un système à sel fondu à double réservoir est utilisé pour réaliser le chauffage à l'électricité verte, et son principe est illustré dans la figure.

Le sel fondu est chauffé et stocké dans un réservoir de sel fondu à haute température en utilisant de l'électricité verte ou en heures creuses, et le sel fondu à haute température est extrait du réservoir pendant la journée, et l'eau d'alimentation est chauffée à travers un échangeur de chaleur à sel fondu pour répondre à différents besoins.

Par exemple, la fourniture d'eau chaude à 90°C pour réaliser le chauffage résidentiel conventionnel, la fourniture de vapeur industrielle à moyenne-basse température à 180-360°C et la fourniture de vapeur à haute température à plus de 500°C. Après l'échange de chaleur, le sel fondu refroidi s'écoule dans le réservoir de sel fondu à basse température pour compléter le cycle.

Principe du système de chauffage à accumulation d'énergie par sels fondus

Le chauffage à l'électricité verte est une méthode de chauffage efficace et propre, et des projets pilotes ont été menés dans différents endroits. Le projet de démonstration de chauffage écologique à sel fondu de Hebei Xinji utilise du sel à bas point de fusion comme moyen de transfert et de stockage de la chaleur, et utilise l'électricité à faible pointe du réseau électrique pendant 10 heures pour chauffer le sel fondu afin de fournir de l'eau chaude civile, et le temps de stockage de la chaleur est de 16 heures.

Le Centre de chauffage thermique au gaz de Pékin convertit l'électricité verte des basses vallées la nuit en énergie thermique et la stocke dans du sel fondu à 180-390°C. Pendant la journée, il utilise le stockage d'énergie dans des sels fondus pour chauffer le quartier de la gare de Beijing West et fournit en même temps de la vapeur industrielle stable à moyenne et basse température au monde extérieur.

Par rapport au chauffage au gaz, le coût d'exploitation du chauffage électrique vert est plus faible ; par rapport à la technologie de chauffage par pompe à chaleur, son investissement initial est plus faible ; par rapport au chauffage électrique à accumulation de chaleur dans l'eau, son avantage réside dans son faible encombrement et sa forte densité de stockage de l'énergie. Certaines unités de chauffage électrique vert peuvent simultanément fournir de l'eau chaude civile à moins de 100°C et divers types de vapeur industrielle, avec un rendement thermique élevé, ce qui ouvre une nouvelle voie à la transformation des unités de production d'énergie thermique.

Les technologies clés impliquées dans la fourniture de chaleur électrique verte sont un système à double réservoir sûr et stable, un échangeur de chaleur à haut rendement et un réchauffeur électrique à sel fondu à haute tension. Les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire élastique à serpentin flottant sont souvent utilisés dans les systèmes civils ordinaires de fourniture d'eau chaude, mais dans le cas de l'échange de chaleur sel fondu-eau, il est nécessaire de modifier et d'optimiser les échangeurs de chaleur à sels fondus à calandre et à tube.

Étant donné que les réchauffeurs de sels fondus directement connectés au réseau électrique permettent d'économiser les coûts de transformation de l'électricité, des réchauffeurs de sels fondus haute tension matures et fiables sont également nécessaires pour le chauffage de l'électricité verte, tels que divers types de réchauffeurs à résistance haute tension, de réchauffeurs à électrodes et de réchauffeurs à induction électromagnétique.

Pour certaines unités qui ne fournissent que de l'eau chaude civile ou de la vapeur industrielle à moyenne et basse température, il est également possible d'utiliser directement un four de chauffage à sels fondus de type électrode 380V ou de type résistance. Le tableau ci-dessous résume les principales technologies applicables aux différents itinéraires techniques du chauffage à l'électricité verte.

La technologie de stockage d'énergie par sels fondus applicable à l'itinéraire de la technologie de chauffage de l'électricité verte

Dans le scénario de chauffage à l'électricité verte, le sel fondu est utilisé pour chauffer la vapeur ou l'eau surfondue, et le sel fondu à faible paramètre ou à paramètre élevé doit être sélectionné en fonction des différentes situations. Le transfert de chaleur de la vapeur de sel fondu dans le cadre du chauffage à l'électricité verte est illustré dans la figure.

La figure a) montre que l'augmentation de la température de la vapeur est limitée par le point de pincement a. Pour produire de la vapeur industrielle à haute température dépassant 500°C, il est nécessaire d'augmenter la température de stockage de la chaleur du sel fondu à environ 600°C et d'utiliser du sel fondu à haut paramètre pour échanger de la chaleur avec la vapeur.

Pour la fourniture de vapeur industrielle à moyenne et basse température, l'utilisation de sels fondus au nitrate dont le point de fusion est plus bas peut répondre à la demande (figure b). Le processus de chauffage de la vapeur par le sel fondu est limité par la température du point de pincement b, et finalement, dans la plage de travail du sel fondu à faible paramètre de 150-450 °C, il est possible de fournir de la vapeur à 1,2 MPa et 370 °C.

a)Vapeur de chauffage à sel fondu à paramètre élevé b)Vapeur de chauffage à sel fondu à paramètre faible
Échange de chaleur à vapeur avec des sels fondus pour le chauffage de l'électricité verte

Conclusion

1) À l'heure actuelle, il existe diverses technologies liées au stockage de l'énergie dans les sels fondus, mais toutes les technologies clés font défaut, ce qui limite l'application et le développement du stockage de l'énergie dans les sels fondus dans les nouveaux systèmes électriques. Actuellement, dans le domaine des sels fondus mixtes multicomposants, les sels à bas point de fusion sont principalement des systèmes de nitrate et de nitrite de lithium, de calcium, de potassium et d'autres éléments, tels que le sel de Hitec.

La corrosivité des sels de chlorure et la décomposition facile des carbonates dans les sels à haute température doivent encore faire l'objet de recherches afin de fournir au marché davantage de matériaux à base de sel fondu. En outre, les recherches sur le préchauffage et les conditions de travail variables des réservoirs de stockage de sels fondus sont insuffisantes, et il n'existe pas de normes et de spécifications de fabrication complètes pour les réservoirs de stockage de sels fondus à haute température à grande échelle.

Le marché manque d'appareils de chauffage électrique à sel fondu de qualité haute tension. Bien que certains réchauffeurs à induction électromagnétique puissent être connectés à la haute tension, leur coût est élevé et leur application n'est pas universelle. À l'heure actuelle, les échangeurs de chaleur traditionnels à calandre largement utilisés ne prennent pas en compte le sel fondu comme fluide de travail, et il y a un manque de recherche expérimentale sur l'optimisation de la configuration des échangeurs de chaleur à sel fondu.

2) La percée technologique du système de stockage d'énergie par sels fondus peut améliorer l'efficacité et réduire les coûts, et constitue également la clé de l'amélioration de la compétitivité des centrales thermiques solaires. Actuellement, dans le domaine de la photothermie, la Chine dispose déjà des bases nécessaires pour soutenir le développement à grande échelle de la production d'énergie photothermique. La maîtrise des coûts de la production d'énergie solaire thermique passe principalement par l'amélioration de l'efficacité du système et la réduction des coûts d'équipement.

Il y a deux façons principales d'améliorer l'efficacité du système :

(1) Production d'énergie solaire thermique à paramètres élevés, avec une plage de température et une capacité de stockage de la chaleur plus importantes, et un rendement du cycle plus élevé ;

(2) Un nouveau type de cycle énergétique couplé à la lumière et à la chaleur, tel qu'un système de stockage d'énergie à sels fondus couplé à un système de production d'électricité à partir de la lumière et de la chaleur du S-CO2, des échangeurs de chaleur à circuit imprimé résistants aux hautes températures et aux hautes pressions sont nécessaires, et la température du système de stockage de la chaleur doit dépasser 700°C. Cependant, il n'existe pas de sel fondu commercial mature capable de répondre à la demande, et il y a un goulot d'étranglement technique.

La réduction des coûts devrait commencer par la technologie clé du stockage de l'énergie par sels fondus, comme la sélection des sels fondus pour les centrales thermiques solaires de la prochaine génération, qui devraient répondre aux exigences d'un point de fusion bas, d'une résistance aux températures élevées et d'un faible coût en même temps. Toutefois, en ce qui concerne la sélection des différents sels fondus, réservoirs de stockage, réchauffeurs, etc., il est nécessaire d'affiner les normes industrielles, de mettre en place un système d'évaluation normalisé et de promouvoir la mise en place d'une assistance technique.

3) La combinaison d'une centrale thermique et d'un système de stockage d'énergie à base de sels fondus est un moyen efficace d'accroître la flexibilité de l'unité et d'améliorer l'efficacité du cycle de l'ensemble du processus. Cependant, à l'heure actuelle, il existe peu d'études sur les conditions de fonctionnement du couplage des centrales thermiques et du stockage de l'énergie dans les sels fondus, et la garantie de sécurité du système à double réservoir doit encore faire l'objet de recherches pratiques supplémentaires.

Les recherches actuelles sur le système de production d'électricité couplé aux sels fondus et à l'énergie thermique sont principalement axées sur les unités dont la température de la vapeur principale est inférieure à 620°C, et il n'existe pas encore de solutions éprouvées pour le stockage thermique de la vapeur de sels fondus dont la température de la vapeur principale est supérieure à 620°C pour les unités ultra-supercritiques.

À l'heure actuelle, la faisabilité de l'extraction de la vapeur réchauffée ou surchauffée pour chauffer le sel fondu a été confirmée, mais la norme relative au volume spécifique d'extraction de la vapeur n'est pas encore claire, et l'impact négatif sur l'ensemble du système de production d'énergie thermique doit également faire l'objet de recherches comparatives plus approfondies.

Pour en savoir plus sur le stockage de l'énergie, veuillez vous référer au stockage de l'énergie par gravité, stockage d'énergie électrochimiqueet les articles connexes suivants.