美国正在研究更高温度下的氯盐储热，助力储热型光热发电2030
太阳能热发电是利用大规模镜场收集的太阳能，通过廉价的传储热介质（如熔盐、颗粒等）吸收并储存热量，按电网的需求发电。为实现2030年带有12个小时储热太阳能热发电成本5美分/kWh的目标，3年前，美国能源部（DOE）启动了Gen3 CSP计划，探索不同的技术路径。新型传储热介质是研究重点，主要资助了三种技术方案：一是液体途径（探索使用熔盐作为传热材料，由美国国家可再生能源实验室NREL牵头）；二是颗粒途径（使用砂状颗粒作为传热材料，由桑迪亚国家实验室牵头）；三是使用气体（由Brayton Energy牵头）。
一名员工在内华达州的太阳能热发电设施中对定日镜进行诊断（摄影：Dennis Schroeder，NREL）
2021年3月，美国能源部在三个途径中选择了资助基于颗粒存储的技术进行进一步研究，同时也为NREL创造了在未来两年内，进一步开发液体途径的机会。
Craig Turchi牵头NREL进行热能科学和技术研究，包括能量转移和储存。他说，熔盐是传热和储存材料的理想选择——液体很容易处理，因为它们可以通过管道和热交换器在太阳能热发电系统中流动。但仍有一些难题需要解决，这也是当前NREL研究的重点领域。
Turchi说：“最初，很多研究人员认为熔盐的腐蚀性是最大的问题。”虽然熔盐很容易移动，但它也会腐蚀储罐和管道。“我们实际上基本上解决了这个问题。NREL和合作伙伴在熔盐化学方面做了很多有益的科学研究，我们在实验室中已经解决了如何净化熔盐，如何控制其化学反应，如何使熔盐相对无腐蚀性等问题。”
因此，腐蚀性并不是使用熔盐的最大问题，相反，挑战在于实现高效发电厂所需的极高温度。熔盐的能量密度需要相对较大的的储罐——因此价格昂贵，而且进入储罐的熔盐必须防止其在管道中冻结（虽然熔盐作为液体在高温下热稳定，但这些盐在不太寒冷的400°C下冻结）。
“我们已经进行了测试，以证明哪些储罐材料可以工作，但实际上并没有建造一个储罐来证明它确实有效。”Turchi补充道，“我们的设计是一个钢制储罐，但鉴于目前的储罐是在外部隔热的，我们提议的储罐在内部也要隔热，以保护钢结构。”
图：NREL原型储罐拟建场址
美国能源部授予NREL200万美元，用于建造一个原型储罐，以评估其装满熔盐时的完整性。该储罐目前正在建造中，完成后将在NREL位于科罗拉多州Golden校区上方的平台上运行。
盐不止一种，因此NREL开发Gen3 CSP液体路径的工作还涉及选择和试验新的盐。商业熔盐系统使用硝酸盐；但是，一旦系统达到一定温度，这些就会开始退化。NREL团队希望达到更高的温度，以实现更高效的发电厂的更有效的能量转换，因此他们探索了一种替代方案—— 氯化物熔盐。
据了解，与硝酸盐相比，氯化物熔盐的使用温度超过800℃，使用温度区间宽，成本低，是一类非常有潜力的高温传蓄热材料。但氯化物熔盐的强腐蚀性限制了其应用。
【延伸阅读：从2016年开始，太阳能光热联盟理事单位——中国科学院上海应用物理熔盐化学与工程技术部，通过化学净化结合缓蚀控制技术实现熔盐的腐蚀控制或抑制的工艺，从实验室的小试、中试，到成功制备了用于熔盐高温试验回路的1.8吨级高端氯盐。唐忠锋研究员表示，氯盐制备装置从2019年3月份运行至今，情况良好，计划可以在实际中进一步示范应用推广。（新闻详情：中科院上海应用物理所已成功制备1.8吨高端氯盐）】
此外，NREL研究员Youyang Zhao表示，过去3年来一直在为Gen3液体途径项目研究盐化学。他认为，首先要想方设法降低工业盐的杂质含量。目前正在优化盐的成分，以降低盐的熔点。熔点越低，处理材料的时间就越多。
Youyang Zhao的工作促使他决定设计新的氯化物熔盐原型储罐。“在高层次上，我们正在将基础科学与未来的工程联系起来。我不是在创建组件设计，而是试图找出基础知识，例如化学和材料知识，以提供信息，以便人们可以更好地设计系统。”
Kerry Rippy是NREL无机化学方面的专家，曾多次支持Gen3 CSP液体途径。在实验室中，她的团队探索并展示了去除氯化物熔盐中腐蚀性杂质的电化学方法。现在，他们正在继续与威斯康星大学合作，以证明纯化的氯化物熔盐在流经模仿工业系统的放大原型时的可靠性。
安全壳的成本很高，因此该团队正在研究新材料，以在不同的温度下大量储存盐，一次最多可储存10个小时。Rippy正在帮助开发罐内的电化学传感器，以在实验过程中监测盐的纯度。
Rippy介绍，氯化物熔盐途径值得进一步探索，以受惠太阳能热发电及其他领域。这项研究有多种潜在的途径是有价值的。它可以有利于太阳能燃料合成；也可以实现高温燃料电池，核工业也对这项研究非常感兴趣。
Turchi也认为，核工业正在开发自己的一些“Gen4”反应堆，其中一些使用氯化物熔盐。或许根据储罐的测试结果，可能会降低许多能源行业的储罐成本。
