熔盐储能不被国家看好

熔盐发电或可实现24小时太阳能发电，谷歌也在研发！

1月17日消息，据Futurism网站报道，除了太阳能和风能之外，全球多家清洁能源公司正在研究用盐来发电——更准确地说是利用熔盐来发电。

作为众多研究熔盐发电技术的公司中的一家，SolarReserve正试图证明，熔盐能像太阳能和风能那样高效地生产出电力。

这种形式的能量的产生机制非常简单：用许多镜子将太阳光汇集到一个高塔里，并在塔内加热熔盐至1000华氏度以上，然后用它们去制造蒸汽，并用蒸汽推动涡轮机产生电力。

熔盐发电的成本还很低。根据Inside Climate News的报道，新月沙丘发电厂所收取的电费是一度电0.06美元（约合0.385人民币）。如果按照国际可再生能源机构（International Renewable Energy Agency）最近发布的一份报告的说法，这一价格还将变得更加便宜。

即便是身为互联网科技巨头的谷歌公司，也已经在计划研发利用熔盐来储存可再生能源的项目了，但谷歌目前还需要对自己的研发出的熔盐聚光太阳能发电系统进行更深入的测试，来验证它是否能被商业化。

在熔盐聚光太阳能发电真正成为一种可24小时利用太阳能发电的技术之前，公共事业官员们和能源政策制定者们还需要理解能源储存的重要性，以及可再生能源能被利用的时间段。

对熔盐堆的集中研究始于美国飞行器反应堆实验[US Aircraft Reactor Experiment, ARE]。ARE是一个2.5MW热功率的核反应堆实验，旨在使核反应堆达到可作为核动力轰炸机引擎的高功率密度。该计划促成了几个实验，其中的三个引擎测试实验统称为热转移反应堆实验：HTRE-1，HTRE-2和HTRE-3。其中一个实验用熔融氟盐NaF-ZrF4-UF4（53-41-6 摩尔百分比）作为燃料，用氧化铍（BeO）作为慢化剂，用液态钠作为二次冷却剂[secondary coolant]，峰值温度为860℃。它在1954年连续运行了1000小时。本实验的金属结构和管道采用了铬镍铁600合金。

在20世纪60年代，橡树岭国家实验室[Oak Ridge National Laboratory, ORNL]在熔盐堆研究中居于领先，他们的大部分工作随着熔盐堆实验[Molten-Salt Reactor Experiment, MSRE]达到顶峰。MSRE是一个7.4MW热功率的试验堆，用以模拟固有安全超热钍增殖堆的中子“堆芯”。它测试了铀和钚的熔盐燃料。被测试的233UF4液态燃料有着将废料降至最少的独特衰变道，废料同位素的半衰期在50年以下。反应堆650℃的炽热温度可以驱动高效热机——例如燃气轮机。为了便于中子测量，庞大而昂贵的钍盐增殖层被略去。

MSRE位于ORNL。MSRE管道、堆芯包壳和结构组件由哈斯特洛镍基合金-N制造，其慢化剂是热解石墨。MSRE于1965年达到临界，并运行了四年。MSRE的燃料是LiF-BeF2-ZrF4-UF4（65-30-5-0.1），石墨堆芯慢化，二次冷却剂是FLiBe（2LiF-BeF2）。MSRE温度达到650℃，运行时间相当于满功率运行1.5年。 橡树岭国家实验室在1970-1976年间的最终研究成果是以下的MSR设计方案：它的燃料为LiF-BeF2-ThF4-UF4（72-16-12-0.4），慢化剂是使用周期为4年的石墨，二次冷却剂为NaF-NaBF4，峰值工作温度为705℃。

熔盐堆可以带来许多潜在的好处：固有安全设计（由被动组件带来的安全性以及很大的负反应温度系数），使用供应充足的钍来增殖铀233燃料，更加清洁：（每百万千瓦小时的）裂变产物废料少10倍，掩埋处置时间缩短100倍（300年对数万年），可以“燃烧掉”一些难处理的放射性废料（传统的固体燃料反应堆的超铀元素）。在小尺寸、2至8MW热功率或1至3MW电功率时依然可行。可以设计成潜艇或飞行器所需要的尺寸。可以在60秒内对负载变化作出反应（与“传统的”固体燃料核电站不同）。 典型的熔盐燃料反应堆[Molten-salt Fueled Reactor, MSFR]曾令许多核工程师激动。首推者是Alvin Weinberg，他取得了轻水反应堆的专利，并在美国橡树岭国家实验室——著名的核研究中心——担任主管。

在这里，两个概念得到了研究：具有高中子密度堆芯、燃烧从钍燃料循环中产生的铀233的“双流”反应堆，和吸收中子、并最终被转换为铀233的钍盐层。在双流方案被研发的时代，这个设计的弱点在于已知设计中复杂的管道工程，以及当时没有合适的管道材料。通常的钢镍合金或是吸收过多的中子，或是极易被腐蚀。石墨被认为过于脆，并且在强烈的中子辐照下会轻微地膨胀。锆对中子来说足够透明，但暴露在热氟盐中极易被腐蚀。

这两个问题随后被橡树岭国家实验室的研究人员解决。管道腐蚀问题通过在哈斯特洛合金-N中添加示踪级的钛而得到解决。

“双流”方案中的钍盐和铀盐通过工程师仔细地设计慢化棒的形状（使堆芯与增殖层的中子密度相似），并调整燃料后处理的化学工艺，便可以在更简单、造价更低廉但仍然有效的“单流”反应堆中共存。

Weinberg研究小组的有功率堆设计方案与前述用以验证“堆芯与增殖层”钍增殖堆中的超高温、高中子密度“堆芯”部分的MSRE类似。 Weinberg及其橡树岭国家实验室同事所提出的优势包括：

操作与维护安全：在海平面压力下，在超高温和强辐照中，熔融氟盐在机械意义上和化学意义上都是稳定的。氟与几乎所有的嬗变产物都以离子形式相结合，使它保持在循环之外。即使是放射性的惰性气体——特别是氙135，一种重要的中子吸收体——也产生于一个可以预知、可收容的位置：燃料最冷最分散的泵碗处。即便在事故中也不会向生物圈扩散。熔融盐在空气或者水中不可燃，并且锕系元素和放射性裂变产物的氟盐通常都不溶于水。

在堆芯区域没有高压蒸汽，只有低压的熔融盐。这意味着熔盐堆的堆芯不会发生蒸汽爆炸，并且不需要轻水堆中最昂贵的元件——堆芯的高压蒸汽容器壳。取而代之的是用金属板材建成的大桶和低压管道（熔融盐管道）。所用的金属材料是哈斯特洛合金-N，一种稀有的抗高温抗腐蚀镍合金，但这种材料的用量大幅度减少，并且薄金属的成型与焊接都不昂贵。

与轻水堆类似，钍增殖反应堆使用低能量的热中子。因此它比起铀-钚燃料循环所需要的，却难于处理的快中子增殖堆安全得多。钍燃料循环集合了反应堆安全性，燃料长期充裕以及无需昂贵的燃料浓缩设施等优点。

比起轻水堆，熔盐燃料反应堆的工作温度——从经过测试的MSRE（前述）及相关方案的650℃，到未经测试方案的950℃——要高很多。因此，熔盐堆可以驱动非常有效的布雷顿循环（燃气轮机）发电机。MSRE已经演示了650℃的运行，这使MSR成为最先进的“第四代反应堆”。高温运行带来的效率将燃料消耗、废弃物排放与辅助设备（主要费用）减少50%以上。

熔盐堆的尺寸可大可小，因此公用事业可以很容易地用收入建设一系列的小反应堆（比如100MW电功率），从而降低利息开支与商业风险。

熔盐燃料堆并不是实验性的。一些设计简单、经过实际检验的熔盐堆已经建成并在650℃工作了相当长的时间。熔盐堆并不需要新的科学知识，在工程学意义上，要研发更新、更大或者模块化的设计方案，所涉及的风险也非常低。

像所有的核电站一样，熔盐燃料堆对生物圈的影响很小。特别地，与化石燃料和可再生能源项目相比，它只占用很少的土地，建设规模相对较小，并且它的废弃物与生物圈相隔离。 在针对增殖优化的时候，钍增殖堆要求现场后处理，从增殖层中移出镤233，使镤233通过β衰变成为铀233，而不是通过中子俘获变成铀234。这有可能允许将核燃料转成核武器材料。

铀233包含示踪级的铀232，在衰变链上，铀232会产生具有强γ放射性的衰变子体铊208。γ辐射对电子学的干扰会提高制造核武器的难度。利用同位素分离将铀232去除更为困难。如果把铀从钍及其它元素中分离出来，它的放射性活度起初较低，却随着钍228（半衰期2年）以及短寿命的钍序列衰变产物的富集而增强。浓缩天然铀是现有更简单的生产核武器的途径。

与水汽接触时，氟盐会自然生成氢氟酸，当反应堆停堆、废弃或被淹没时会释放出氢氟酸雾。 熔盐堆燃料的后处理可以在相邻的小型化工厂中连续进行。橡树岭国家实验室的Weinberg小组发现，一个非常小的后处理设施就可以为一个大型的1GW的发电站服务：所有的盐都要经过后处理，但只需要每十天处理一次。因此，反应堆燃料循环所产生的昂贵、有毒或放射性的产物总量要少于传统的、必须储存乏燃料棒的轻水堆。并且，除燃料和废弃物之外，所有的一切都保持在后处理厂之内。后处理循环如下：

用氟喷淋从盐中除去铀233燃料。且必须在下一步之前完成。

用4米高的熔融铋柱从燃料盐中分离出镤。

在小型存储设施中让铋柱中分离出的镤衰变到铀233。由于镤的半衰期为27天，因此储存10个月即可确保99.9%衰变为铀233燃料。

一个汽相氟盐蒸馏系统对盐进行提取。每种盐的蒸发温度是不同的。轻的载体盐：氟化铍和氟化锂会形成盐块，并分别在1169℃和1676℃蒸发—在真空中该温度会有所降低。氟化钍在约1680℃蒸发—在真空中温度稍低。只有镧系和碱性稀土氟化物，比如氟化锶，因为拥有更高的沸点而残留：这里面包含糟糕的中子毒物。每GW电功率每年所产生的废料大约为800公斤，因此设施非常小。长寿命的超铀盐被作为燃料送回反应堆内。

通过盐蒸馏，熔盐燃料堆可以烧钍，甚至轻水堆核废料的氟盐。

理论上，“双流”反应堆设计方案可以将增殖钍与裂变燃料盐分开。这可以消除以高温蒸馏进行的氟化钍（沸点1680℃）与镧系裂变产物氟盐分离带来的技术挑战，其代价是反应堆结构更为复杂。橡树岭放弃了双流设计方案，原因在于没有适于运行在MSR堆芯的高温、高中子及腐蚀环境的管道材料。 与其它增殖堆燃料循环及后处理相类似，钍燃料循环会在燃烧掉所有的锕系元素后产生乏燃料。这些乏燃料在数百年内都具有放射性，经过30年的衰变后，其主要衰变产物是铯137和锶90等，经数百年的衰变后，主要是锝99等长寿命裂变产物。在目前的核动力工业中，轻水堆的燃料开循环产生的乏燃料中含有大量的钚同位素和次锕系元素。目前减少辐射的途径几乎完全依赖于锕系元素的移除和回收再加工过程。只要其中有少量不被移除，而是作为后处理废料的一部分，便失去了大部分的优势。

钍循环与铀钚循环相比，其产生的重锕系元素（heavy actinides）要少的多。这是因为大多钍燃料初始的质量数比较低，因而大质量数产物在产生前就容易因裂变而毁坏。然而，由于快中子的（n，2n）反应会产生镤231（半衰期3 .1万年）。镤231与重锕系元素会破坏正常的燃料闭循环里的中子俘获与裂变过程。尽管如此，如果对熔盐堆进行化学分离，并将镤233从堆芯中提取出来以避免中子俘获，经过不断累积后，将镤233衰变产物铀233放回反应堆，则镤231同时也会被提取出堆芯。 熔盐的腐蚀性是容易控制的。当氟的浓度较高时，铀便成为缓冲剂，使得氟盐从UF3过渡到UF4。可以通过加入少量的金属铍来吸收氟的方法来实现UF3的再生。在MSRE中，熔盐中插入了一个铍金属棒使得UF3处于正确的浓度。

燃料棒的设计无需广泛验证（燃料棒设计的验证通常会花费数年从而阻碍了新的核技术的有效部署）。燃料是熔融的，化学后处理过程去除了反应产物。同时考虑混合燃料，如Li+BeF+ThF。

熔盐燃料反应堆可以具有被动核安全[passive nuclear safety]：测试反应性系数为负的熔盐混合燃料，在过热的情况下能够降低能量的产生。大多熔盐堆容器的底部都有一个能够快速冷却的冷冻塞。如果冷却失败，燃料会排空到下部的存储设备中。

连续后处理简化了许多反应堆设计和运行问题。例如，不存在氙135的中子吸收效应问题。裂变产物的中子吸收持续减轻。超铀元素以及轻水堆中的长寿命“废料”作为燃料被烧掉。

熔盐堆的机械性和中子性比轻水堆简单。堆芯中只有两类物质：燃料盐和慢化剂。因此常态反应下像水沸腾的正反应性空泡系数，化学相互作用等等对熔盐堆影响很小。（事实上，因为水是慢化剂，在热堆中沸腾会产生一个稳定的负反应性空泡系数。）

由于燃料可以用来冷却堆芯，冷却剂以及管道不需要进入高中子通量区。燃料在堆芯外的低中子通量区的热交换器处冷却。这将减少在管道，测试，开发等问题中对中子效应的担忧。

盐的蒸馏过程意味着裂变产物的分离和回收，这使得核电池的成本将变得低廉。氙以及转化的其它稀有气体从泵碗处的熔融燃料中分离出来。超铀元素被放回到燃料中继续燃烧。

对于石墨慢化、水冷、固体燃料的反应堆设计，在冷却剂有空泡的情况下反应性系数会很容易增长（正的冷却剂反应性空泡系数 - 如果反应堆冷却失败，反应将加速），使这样的设计很不安全。不像其它的堆型，单一燃料的MSR中燃料与冷却剂同是混合的熔融盐。所以，如果MSR中出现冷却剂中有空泡的情况，则燃料中也会产生空泡，从而导致核反应的终止。另外，还设计了一个循环外的非临界熔盐存储装置，通过打开反应堆下部的阀门可以很容易在几秒的时间内排空反应堆内的燃料/冷却剂，并利用重力作用将熔盐推入外部专门设置的保存槽中。 然而，熔盐堆存在一些设计上的挑战，问题包括：

在致密的熔盐堆芯中，高中子通量和高温能改变石墨慢化元件的形状，导致其每运行四年就需要更换。清除密闭管道中的石墨是采用单流设计的主要动因。大多数熔盐堆不用石墨作结构材料，而把它安置到容易更换的地方。有一种设计使石墨球浮在盐中，这样不需要关闭反应堆就能对其进行移除和连续检测。

堆芯高中子密度会将锂6迅速转变成氚——氢的一种放射性同位素。在熔盐堆中，氚形成氟化氢（HF），氟化氢是一种腐蚀性强、化学性质活泼的放射性气体。因此，如果熔盐堆设计使用了锂盐，则用锂7同位素以阻止氚的形成。熔盐堆证实从燃料盐中移除锂6阻止了氚的形成。因为锂7至少比锂6重14%，而且在锂同位素中最常见，所以从天然锂中提取出锂6就相对容易和便宜。真空蒸馏锂的效率达到每阶段8%，并且仅需在真空室加热天然锂即可。

一些慢性腐蚀甚至发生在特殊的镍合金中——哈斯特洛合金-N。如果反应堆暴露在氢中（形成HF腐蚀性气体）腐蚀会更快。暴露于管道中的水蒸气导致其吸收大量的腐蚀性氢，因此，熔盐堆中的盐实际上是运行在干燥的惰性气体层（通常是氦气）中的。

当冷却后，燃料盐放射性地产生化学性质活泼的腐蚀性气体——氟。尽管过程缓慢，但是仍需在关闭前移除燃料盐和废料，以避免氟气（非放射性）的产生。遗憾地是，这一点是在实验熔盐堆关闭20多年以后，以一种不令人满意的方式被发现的。

基于氯盐（例如氯化钠作载体盐）的熔盐堆有许多同样的优点。然而，较重的氯核慢化能力较差，导致反应堆成为快堆。理论上浪费了更少的中子，增殖更有效，但安全性也更差。而且需要纯的同位素氯37，以避免中子活化氯35生成长寿命的放射性活化产物氯36。氯36本身没有什么问题，但是会衰变成硫，形成易碎的四氟化硫。SF4是有毒的、腐蚀性气体，降低镍合金性能，遇水生成HF，损害人体粘膜。 由于不需要燃料的制备，因此降低了MSR的成本。但是因为反应堆制造商通常能从燃料制备得到长期利益，所以将其商业化会是一个挑战。由于它使用原始的燃料,基本上只是一个混合的化工产品,这是当前的反应堆供应商不愿意看到的。因为他们能从燃料组件销售中长期受益。然而政府机构可以复制该模式，设计一种许可机制。可供选择的商业模式是有偿维护和熔盐的后处理。

慢热中子钍基增殖反应堆也有较低的增殖率。每年只能消耗钍燃料生产出大约109% 铀233。这意味着要获得足够的铀233为一个新的反应堆提供燃料需要8年或更长的时间,这将减慢部署这种类型的核反应堆。最实际的、快速地部署并开启新的钍反应堆的计划必须使用钚，其来源为现有的轻水反应堆核废料或退役的核武器。美国能源部已经有足够的铀233储量去立即开启一些反应堆。这样也能减少社会核废料的较高库存。同时日本还利用质子治癌计划的质子束源开展了一些简单研究——日本富士项目。 综上所述，不论用产生的每千瓦能量的成本——资本成本还是社会成本来衡量，钍基熔盐增殖堆中的一些堆型都能成为人类已知能源中最有效并且最为先进的能源。

钍基燃料循环能通过两方面来抗增殖：

其一，超热钍增殖平均一年生产的燃料仅比它一年所消耗燃料最多多出9%，这是可以验证的。若过度增殖造成堆室的迅速爆炸也会使得功率堆停止运行。

其二，钍基燃料循环中产生的无法被化学分离的钍230（产生过程较为缓慢）会逐渐污染钍232增殖材料。钍230经过反应变成铀232，而铀232在其衰变成铊208的衰变链中具有很强的γ射线辐射性。该辐射性能损伤电子，因而铀233/铀232燃料反应堆会转变成为炸弹的观点是不切实际的。

地壳中钍的含量大约是铀238的三倍，或者说是铀235的400倍，其含量同铅一样丰富。

钍也十分便宜，目前，钍在市场上的售价为30美元/Kg。而21世纪初，铀的价格已经升高到了100美元/Kg，这还不包括燃料浓缩和组件装配所需的费用。 熔盐燃料反应堆与熔盐冷却固态燃料反应堆有很大的区别，它在推荐的第四代核能系统中被称作“熔盐反应堆系统”[Molten Salt Reactor System]，也称为MSCR，MSCR是熔盐转换反应堆设计[Molten Salt Converter Reactor]的首字母缩写。其燃料后处理过程比较困难，且燃料棒需要组装和查验，从而在初始阶段就阻碍了熔盐反应堆工程的部署并长达20年。然而，由于它使用组装燃料，反应堆制造厂商仍然可以通过卖燃料组件获利。

MSCR具有安全和低压高温冷却剂的成本优势，也可以共享液态金属冷却反应堆。显然，熔盐反应堆堆芯没有可导致爆炸的蒸汽，也没有巨大昂贵的钢制压力容器。因为它能在高温下运行，便可以通过使用效率高、重量轻的布雷顿循环汽轮机将热能转换为电能。

目前关于MSCRs的研究大多数都聚焦在小型热交换器上。通过使用更小的热交换器，更少的熔盐，从而达到更加节约成本的目的。

熔盐是高度腐蚀性的，随着温度升高腐蚀性更强。对于MSR主冷却回路来说，需要一种能够承受高温腐蚀和强烈辐照的材料。实验表明哈斯特洛合金-N和类似合金能够适应在高达700℃的高温环境下运行的任务。然而，从目前所获得的对于生产规模反应堆的长期经验看来，其将需要满足更高的运行温度，但是在850℃热化学产氢变成可能，它将产生严重的工程困难。这个温度范围的材料尚未确定，尽管复合碳，钼合金(比如TZM)，碳化合金以及基于金属的耐火材料或ODS合金可能具有可行性。 我们选择熔盐的基准是要使得反应堆更加安全并且实际可行。偏向采用氟盐主要是因为它不像氯盐那样需要代价十分昂贵的同位素分离。在中子的辐照下氟盐不是很容易变得有辐射性，并且它对中子的吸收截面相比氯盐更小，而对中子的慢化效果相对氯盐要更好。尽管许多五氟化物和六氟化物的沸点较低，但是低价态的氟化物沸点很高。氟盐需要足够多的热量才能分解成更为简单的成分，因而氟化物熔盐在远低于它的沸点的温度下是“化学稳定”的。

反应堆熔盐也需要是共熔的，这样能有效降低熔盐的熔点。这也将使得热机效率更高，因为在熔盐再度被加热之前，它能从熔盐中带走更多的热量。

也有一些盐十分好用，值得对它进行同位素分离。使用氯盐可以建造成快增值堆，而在反应堆设计上使用氯盐方面也做了很多工作。但是氯盐中的氯元素必须要提纯为高纯度的氯37，这样能减少四氟化硫的产生（当受辐照后变得有放射性的氯衰变成硫时，便可以产生四氟化硫。）同样，熔盐中的锂元素必须提纯为高纯度的锂7，这样可以减少氚元素的产生（氚元素可以形成氟化氢）。

由于熔融氟盐的强氧化还原作用，能导致熔融氟盐的化学势发生变化，解决该问题可以通过在氟盐里加入铍形成所谓的“FLiBe”熔盐，因为加入铍后能降低电化学势，并且能阻挡腐蚀。但是铍有很强的毒性，因而在设计时必须要十分注意，以防止它泄漏到外面的环境中。许多其他的盐都能导致熔盐通道腐蚀，尤其是在高温下，这时反应堆可以产生高活性的氢。

至今，熔盐选择方面绝大部分的研究都放在“FLiBe”熔盐上，因为锂和铍是合理且有效的慢化剂，并且形成的能共熔的熔盐的熔点要比其他组分的熔盐低。由于铍核在吸收一个中子后能放出两个中子，从而也增强了中子的经济性。对于燃料熔盐，通常是加入1%-2%mol的UF4，也加入钍盐和钚盐。MSFR只运行过一种混合燃料，MSRE使用了已知的三种核燃料。

比较几种材料的中子俘获和慢化效率后，红色是含铍的熔盐，蓝色是含ZrF4的熔盐，绿色是含LiF的熔盐 首先盐必须是非常纯净的，并且有可能在大型熔盐堆中保持洁净。 盐中如果含有水蒸气就会形成有强烈腐蚀性的氢氟酸。其它杂质可能会引起不利的化学反应，极有可能要从系统中清理出去。在以水为慢化剂的传统堆芯中，需要极大的精力去对水进行净化和去离子化，以减小其腐蚀性。

在线后处理的可能性是熔盐堆设计的一个优点。持续的处理会减少裂变产物的存量，控制腐蚀，并通过移除高中子吸收截面的裂变产物（特别是氙）提高中子的经济性。这使得MSR特别适合贫中子钍燃料循环。在一些钍增殖情形中，中间产物镤233将会从堆芯中移除，从而可以衰变产生高纯度的铀233，一种极具吸引力的核弹制造材料。如果留在燃料中，镤可能会吸收太多中子从而导致在石墨慢化剂和热谱下的增殖可能。很多最新的设计都建议使用更大量的钍。这会使少部分镤原子吸收第二个中子，或者通过(n, 2n) 反应(中子不是被吸收而是打出核子中的另一个中子)，产生铀232。因为铀232半衰期比较短并且他的衰变链中含有高γ放射性的物质，这使得该种铀的同位混合体不再具有制造核弹的吸引力。这个优点同时带来的是处理更大量盐而产生的额外费用。另一种设计建议是用重水做高效的慢化剂从而提高中子的经济性（允许更多镤吸收的中子损失）。但是这些设计使得反应堆只能运行在低温低热效率下。必要的熔盐后处理技术只在实验室程度上被阐明了。全尺度的商用反应堆得以应用的前提就是研发一个具有商业竞争力的熔盐清洁系统。

目前，电能存储都是将其转换为其它形式的能量，电→动能、电→化学能等。蓄电池就是将电能转化为化学能存储的。还有这里说到的抽水蓄能，将电能转换为动能与势能。不管哪种方式，其实它的转换效率和存储容量都很低。

发电厂发出多少电，用户就得同时消耗多少电，这个平衡必须满足!即发出电能=消耗电能。如果实际发出的电>实际消耗的电，那么过剩的电能将会转化为热能，造成发电厂的发电机发热甚至爆炸，此时等式变为发出电能=实际消耗电能+发热。

因为发热的本质也是消耗电能，所以等式依旧是发出电能=消耗电能；如果实际发出的电<实际要消耗的电，即发出的电不够用，将会造成电能质量下降，比如灯泡变暗甚至不亮，此时等式变为实际发出的电=实际消耗的电(令灯泡变暗甚至不亮所消耗的电)，本质其实还是发出电能=消耗电能。

扩展资料

人类储存电能的方式

1、压缩空气能量储存

压缩空气能量储存或CAES，就像抽水蓄能电池一样，除了电力生产者在低需求期间使用电力以将环境空气抽入储存容器而不是水中。当需要电力时，允许压缩空气膨胀并用于驱动涡轮发电。

2、熔盐储热

熔盐可以长时间保持热量，因此通常发现在太阳能热电厂中，数十种或数百种定日镜（大镜子）使用阳光的热量来产生能量。在一些植物中，阳光被引导到一个大的中央热塔，其快速加热并在其中沸腾一个工作流体。

在其他工厂，充满液体的管道在抛物面镜前面流动，流体在这些管道中升温。无论哪种方式，可以立即使用热量来驱动蒸汽轮机，或者将其转移到熔融盐，其中热量可以储存数小时。这有助于太阳能工厂延长工作时间，并在晚上提供电力。

3、氧化还原电池

氧化还原液流电池是通过还原 ，氧化反应（因此，氧化还原）充电和放电的巨大电池。它们通常涉及充满电解质的巨型运输容器，其流入公共区域并且经常通过膜相互作用以产生电荷。钒电解质已经变得普遍，尽管锌，氯和盐水溶液也已被尝试和提出。

我国的双碳目标为在2030年前碳达峰，在2060年前实现碳中和，这个目标相对于目前世界上的几大主要经济体而言，是要求最高，时间最紧迫的。

而目前我国的能源结构中，非化石能源占比仅仅为15.9%，清洁能源（包括水电）发电量占比36%，煤炭占比52%。

为助力实现双碳目标，在能源的供给端，提高可再生能源在电力供应和终端消费中的占比，是实现双碳目标最有效的途径。

但以风电、光伏为代表的电源侧可再生能源波动性强，不能持续稳定提供电能，这就引出了下一个亟待解决的问题——储能。

2.1 储能的必要性

近年来，随着光伏组件的成本进一步下探，无补贴下光伏电站已经可以盈利，大量资本涌入光伏产业，从生产到运营，整个光伏行业规模大幅度增长，但同时也带来了一个问题，那就是光伏只能在白天发电，晚上怎么办？风机只能在有风的情况下转动，没风的时候又怎么办？

每日风速波动较大

随着可再生能源（风电光伏）的用电量占比不断提升，风电和光伏的不稳定性带来的不单单是短时的无电可用，其波动性对于电网的冲击会引起配电网潮流变化，影响电能质量（电压、频率、波形），对电网侧和用户侧都有较大的影响。

在10年前，各地电网尚未像现在这般强大时，对于风电、光伏之类的垃圾电，电网公司向来是拒绝的，这也是为何在用电量较少的省份，弃风弃光限电的情况很多。

而将短时超发（用不完）的电储存起来，在没电的时候（晚上或者无风的时候）将这部分电能持续输出上网，就可以避免出现上述情况。

2.2 储能如何盈利

储能以前一直是政治任务，因为挣不了钱啊，但目前技术已经达到了将要盈利的瓶颈，国家就开始往储能行业里加火了。

随后没过几天，又出台了提高分时电价的政策：

文件的主旨就是继续拉开平峰和高峰时期的电价，条件具备区域，分时电价差距可达到4倍。 这两份文件一明一暗，都是在鼓励发展储能行业，在技术变革的前夕，政策层层加码，相信储能行业实现全面盈利只是时间问题。

目前大型电站并网侧的储能电站，在财务测算上，已经能实现盈利，只是以目前峰谷电的差价，盈利能力大概和存定期差不多。

2.3 电网侧储能

电网侧储能的主要作用就是调峰调频，保证用户用电质量，而最常见的用来调峰调频的手段就是抽水蓄能电站。

8月6日，国家能源局综合司印发关于征求对《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)的函，提出到2035年我国抽水蓄能装机规模将增加到3亿千瓦，相对2020年将增长10倍，远超市场预期。此前业内预期2030年我国抽水蓄能总装机达到1.13亿千瓦，到2060年底总装机达到1.8亿千瓦。这意味着，到2030年投产总规划就将远远超过此前2060年的目标。抽水蓄能迎发展窗口期。

大规模的抽水蓄能电站投运，将大大增强现有电网的调峰能力，增加电网对可再生能源的消纳能力，最终提高我国电网用电中的清洁能源占比。

抽水蓄能是当前最成熟、装机最多的主流储能技术，在各种储能技术中度电成本最低，如上图所示，抽水蓄能电站由2个高度不同的水库组成，连接上下两个水库的是输水系统和发电机组。

在电网负荷低谷时段，电站利用廉价的谷电，将下水库里的水抽到上水库中储存起来，也就是将电能转化为重力势能。而等到电网负荷的高峰时段，电站再放出上水库的蓄水发电，这样就能以高价卖电。

抽水蓄能电站的缺点也显而易见，受地形影响较大，在地形复杂的情况下，建设成本会大幅上升，工期大约持续5-8年，而且电站建成后，由于长距离的管道输送和多个水轮机配合，机械能量损失较高，能量储存效率约70%。

目前国内做抽水蓄能电站的主要是各大地方电网公司，电站建设过程中所需的设计、施工或者总包方，几乎由一家央企垄断——中国电建。

中国电建公司囊括了中国几乎所有的头部水电系设计院，其中最为著名的是位于杭州的华东勘测设计研究院，其一年的营收就在百亿往上，超过了大部分上市公司。

其抽水蓄能市场占有率在国内达到了80%，全球达到了50%，可以说是当之无愧的 中国水电建设 第一股。

抽水蓄能电站的主设备为水轮机，在这方面，传统的汽轮机厂都有较为实力沉淀，比如东方电气和哈尔滨电气，但水轮机作为成熟的发电设备，技术已经较为成熟，在价格上少有溢价。

2.3 电源侧储能

2.3.1 其他储能形式

抽水蓄能电站属于机械储能的一种，其他较为成熟的机械储能方式还有：飞轮储能、压缩空气储能等等。

而根据储能介质不同，储能还可以分为电化学储能、化学储能、热储能及电磁储能等，但截至目前，机械储能依旧是其中最成熟，成本最低的储能方式。

电化学储能 的应用目前最为广泛也最有前景，新能源车产业链的核心部件，动力电池就是电化学储能应用的一种，按照介质不同，可分为锂离子电池、铅酸电池、钠离子电池等。

化学储能 概念简单，但操作过程异常复杂。顾名思义就是将电能转换为化学能储存起来，最常见的就是电解水制氢。

热储能 ，典型的应用就是光热电站，将阳光聚集后，把作为介质的熔盐融化，吸收大量热量，熔盐再继续加热水，形成水蒸气，推动汽轮机发电。太阳下山后，电站可以继续利用融化的熔盐所储存的热量来发电， 光热电站是为数不多的可以稳定供能的新能源电站。

某50MW光热电站效果图

电磁储能 ，主要有超导储能、电容储能、超级电容器储能等，其储能效率高，但距离实际应用还相当遥远。

目前电源侧的储能主要以电化学储能和化学储能为主，分别对应了并网型电站和分布式电站两种电站形式。

2.3.2 电化学储能

目前各地新上的集中式（并网型）新能源电站都要求适配储能，这部分储能主要是为在新能源电站波动较大时储能使用，由于集中式电站的上网电价均是固定的，其不存在利用峰谷电价差价盈利的情况，主要是增加电站上网电量，提高电站营收。

同时，在电网侧，也有大量的储能电站上马，其作用和抽水蓄能相同，调峰调频，其盈利模式就是对电能的低买高卖。

图片摘自某券商研报

这部分储能主要以电化学储能为主，而电化学储能中较为有前景的是：锂离子电池和钠离子电池。

以锂离子电池为代表，简单讲一下电化学储能的优劣：

1、成本下降迅速

在政策利好的推动下，这几年锂电的度电成本下降飞快，目前已经有成熟的锂电储能电站应用，在特定电价条件下，储能电站的内部收益率（IRR）可以达到8%，已经够着了大部分国企央企投项目的最低标准。

2、 几乎不受场地条件约束

化学储能需要较大的场地和较高的安全生产标准，而锂电储能因为能量密度相对较低，体积也较小，对场地要求较低，适合在工业园区、充电站、高端仪器设备等场所应用。

3、成本下降恐怕进入瓶颈

锂矿资源有限，可以预见，按照目前的速度发展，不远的将来，锂电将会由于上游材料价格的上涨，而进入瓶颈，锂电的度电成本不可能保持目前的趋势下降。

4、能量密度提升陷入瓶颈

虽然锂电的能量密度在过去的几年已经得到了大幅度提升，但相较于人类对能源的利用量来说，依旧太小，而锂电能量密度提升的速度并不像半导体那样成指数式增长，而是缓慢得正比例提高，锂电能量密度的提升可能跟不上人类对储能容量的需求。

钠离子电池相较于锂离子电池的优势在于成本低，且钠的储量远大于锂（已探明储量约是锂的420倍），未来有大规模应用的可能，但钠离子电池目前的可重复充放电使用的次数仍然偏低，能量密度较小，还不具备经济性。

而锂电池的优势在于，随着新能源车的普及未来电动车所装备的动力电池退役后，可以继续用作储能电池使用。

在电化学储能领域，宁德时代是当之无愧的绝对龙头，其不但在近期发布了钠离子电池，且中报显示宁德时代的储能业务相比2020年，增长超过了7倍。

从宁德时代的身上，我们足以预见，未来的电化学储能市场将极为广阔。

2.3.3 化学储能

化学储能主要以制氢储能为主，对于氢储能，比较直接的盈利模式是由化工企业投资新建分布式光伏电站，利用光伏制氢，而氢气正好是大部分化工企业的制造原材料，比如氢制乙烯。

在光照条件不错又富含水资源的区域，化工企业很容易降低制造成本，从而盈利。

此外，还有海上风电制氢应用于沿海化工厂生产的，电解水制氢制甲醇作为燃料电池燃料的，盈利能力完全取决于自然条件（风/光资源以及运输管道长度）。

关于氢能产业链的分析由于篇幅不再展开，感兴趣的可以看往期文章，在未来新能源+氢储能的分布式电站建设，一定是一个重要的发展方向：

未来尚远——氢能源产业链简析

2.4 用户侧储能

用户侧储能目前以电化学储能为主，随着应用端电动车的普及，用户侧储能的需求缺口会越来越大。

做个简单的计算题：现在很多人都用上了电动车，一台电动车如果使用快充，大概1小时就能达到其电量的75%，而充电桩的功率大约为100-200kw，也就是1小时100度到200度电，在电动车尚没有全面普及前，这点小功率对于电网洒洒水而已。

但要是当一个几十万（百万）人口的十八线小县城全面普及电动车后，几千（万）辆车同时充电的场面，瞬时功率会达到一个恐怖的数值，大部分县一级的电网都承受不住如此高功率的冲击。

因此一些分布式的充电桩运营公司就应运而生，比如宁德时代投资的主打储充检一体化运营的快卜 科技 。

将光伏、电化学储能、充电桩结合在一起，不但可以大幅度降低充电站的运营成本（不需要向电网买电），还可以缩短充电站的建设审批时间（不需要获得电网配电许可），不过新增的光伏组件和电化学储能设备也会大幅度增加充电站的建设成本。

其他用户侧的应用，比如大型设备UPS，工业园区储能电站等，还有很多，就不一一举例了。

储能形式多样，这里主要分析最具前景的电化学储能产业链。

3.1 电化学储能系统原理

其中PCS：储能变流器，连接电池系统与电网，实现直流和交流电的双向转换。

BMS：电池管理系统，用于电池的充放电管理。

BS：电池组，核心部件，主要成本就在电池上。

EMS：能量管理系统。

电化学储能系统的成本如上图所示，其中EPC指的电化学储能电站建造的总承包费用占成本的比重，可以看到整个系统中电池成本占据了一半以上，其次是PCS储能变流器，而这两项也是储能系统中技术含量最高，壁垒最厚的版块。

3.2 各板块龙头

储能电池代表企业：宁德时代 、 派能 科技 、 比亚迪 、 亿纬锂能 。

宁德时代：无可争议的绝对龙头，中报显示储能业务同比增长7倍以上，在电池领域拥有绝对的话语权。

亿纬锂能：在5G和风光电站储能方面发展迅速，但依旧属于二线电池厂中的第一位。

比亚迪：全产业链覆盖，技术沉淀深厚，海外市场亮眼，但主业是整车，储能业务弹性可能一般。

派能 科技 ：储能业务纯正，专注用户侧储能，目前业绩释放一般。

PCS（储能逆变器）：阳光电源、固德威、锦浪 科技

阳光电源：储能逆变器和储能系统双龙头，在全球逆变器市场都处于龙头地位。

固德威：和派能 科技 类似，专注于用户侧储能逆变器市场。

锦浪 科技 ：逆变器领域的新秀，发展没几年就从阳光电源手下抢来不少国内市场，后市可期。

系统集成：盛弘股份。

EPC：永福股份，垃圾，就是个破设计院，要不是宁德时代入股，就是个渣渣。

今天文章写得有点长，产业链部分简单了些，储能截止目前是在政策扶持下，刚刚能够实现国企投资需求的水平（大概就比定期强一点的收益率），离全面爆发尚远。

如果要投资储能领域，最先爆发的必然是价值量最高的电池和逆变器，至于其他，尽量别碰。

对比其他新能源发电站来讲，熔盐塔式光热发电站看上去不但现代感满满的，也是极为壮观，它的主体工程便是由一座高楼和很多围绕高楼的镜子所构成，而那样的工程建筑，中国也有一个，并且早在2018年就早已峻工了。

中国的这座熔盐塔式光热发电站基本建设于敦煌戈壁滩，是亚洲第一个熔盐塔式光热发电站，尽管从设计方案输出功率上而言，要比迪拜的大家小得多，仅有100万千瓦，但仍能够达到超出8万家家中的用电量要求，并且就外型来讲，一样充满了科技之美，毫无疑问是青藏高原上的一景。这座光热发电站的主体工程由一座260米多的集热塔和12000枚镜子构成，那麼这一设备到底是怎样运用镜子来开展发电厂的呢？

熔盐塔式光热发电站的基本原理实际上 非常好表述，便是把太阳能转换为热量并保存起来，用于发电量。

乍一看，它与传统的的太阳能太阳能发电好像相仿，但事实上区别非常大，优点也非常大。熔盐塔式光热发电站所运用的镜子并没有寻常的镜子，它有一个专用型的名字，称为“定日镜”，定日镜是球面的，它能够追随光的运动来开展旋转，并把照射镜子上的光精确地反射面到上面的集热塔以上。

那麼集热塔是怎样把发热量储存起来的呢？这就需要说集热塔当中的熔盐物质了，这一熔盐并并不是溶岩，但却又类似溶岩，它的关键构成成份便是硝酸钾和亚硝酸钠，这种酸盐物质形状十分平稳，在290度至565度中间都能够维持可移动的熔融状态。为了更好地将高温熔盐物质和超低温熔盐物质差别起来，在集热塔的两边各自配置了一个超低温罐和一个高温罐。

超低温罐当中储存着温度为290度的溶岩物质，当定日镜将光发送到集热塔之后，超低温罐会将290度的熔盐物质送至集热塔中，这种熔盐物质在消化吸收发热量的环节中慢慢提温，当水温贴近565度时，缩小泵会将他们抽中高温罐内开展存储。

在提前准备发电量时，高温罐里的熔盐物质会被送至蒸汽室当中，随后就逐渐烧开水了，水消化吸收发热量造成蒸气，蒸气促进汽轮发电机运行，电就造成了。熔盐物质将热量传递给了水，本身的温度又降低到贴近290度，因此他们被收回低温泵，再度进到集热塔搜集发热量。这就是熔盐塔式光热发电站的基本概念，懂了它的基本原理，也就看得出了它与传统的的太阳能太阳能发电中间的差别，这一差别便是光热发电站解决了动能的存放难题。

因为熔盐塔式光热发电站能够根据熔盐物质将发热量储存起来，因此它的电力工程输出十分平稳，又不受限于白天黑夜更替和天气变化，能够替代传统式发电方式，而太阳能太阳能发电则彻底是粗放经营，并且只有即采即用，因此只有做为一种填补电力工程。

那麼为何太阳能太阳能发电不能够开展电力工程储存呢？而且成本费太高了，假如要给一座太阳能发电太阳能发电站配置相对应的电力工程储存设备，工程造价最少要提升10倍。是否有一些惊讶？但这一点也不浮夸。由于要将太阳能发电太阳能发电站所产出率的电力工程储存起来就务必要应用电瓶，而与太阳能发电太阳能板相对性应的锂电的成本大概是太阳能板的2倍，但难题是锂离子电池的使用期限远不可以和太阳能板对比。如今生产制造的太阳能的使用寿命都是25年之上，而锂电可以坚持不懈5年早已是极限了。

锂电的工程造价本便是太阳能板的2倍，并且在太阳能发电太阳能板应用限期还需要开展5次拆换，那样计算下来，工程造价一下就增强了10倍，而这也是十分传统的可能。

对比传统式的太阳能发电太阳能发电站来讲，熔盐塔式光热发电站的优点是一目了然的，它运用熔盐物质将发热量储存起来，什么时候收到用电量命令，什么时候发电量，因此它不但好于太阳能光伏电站，乃至比地热发电，水可发电量都需要更为出色，那麼这般出色的新能源技术，为什么没有规模性普及化呢？因为较之传统式的发电方式来讲，熔盐塔式光热发电站的修建成本费或是相对性较高的，这阻拦了它短时间的快速普及化，但将来伴随着科学研究的不断发展及其工艺的持续创新，修建成本费也会相对降低，因此熔盐塔式光热发电方法很有变成 将来流行发电方式的发展潜力。

（2）由两地的气候资料图可看出，里斯本夏季的最高温度不超过25℃，低于巴伦西亚．主要是由于里斯本位于北大西洋东岸，沿岸有寒流经过，降温减湿．

（3）伊比利亚半岛半岛地中海沿岸反季节蔬菜生产的有利区位因素：①纬度低，秋、冬季节气温高，热量充足；②河流多，灌溉便利；③距欧洲西部距离近，市场广；④交通便利．

（4）从材料二中可看出，少年儿童比重降低，说明出生率低，甚至呈现负增长；而老年人口的比重持续上升，且比重较大，说明该地出现严重的老龄化问题，故应采取鼓励生育、推迟退休、接纳海外移民和外籍劳工、完善社会保障制度等措施．

（5）吉马太阳能发电站建立的优势区位条件：①该地位于西班牙南部，有着充足的光照；②地面平坦，非常适合建设太阳能发电厂；③拥有先进的科学技术；④面向经济发达的欧盟国家，市场广阔；⑤西班牙政府的大力扶持．

故答案为：

（1）亚热带常绿硬叶林带   里斯本

（2）低   沿岸寒流（加纳利寒流或寒流）

（3）①纬度低，秋、冬季节气温高，热量充足；②河流多，灌溉便利；③距欧洲西部距离近，市场广；④交通便利．

（4）人口老龄化     ①鼓励生育；②推迟退休；③接纳海外移民和外籍劳工；④完善社会保障制度

（5）①该地位于西班牙南部，有着充足的光照；②地面平坦，非常适合建设太阳能发电厂；③拥有先进的科学技术；④面向经济发达的欧盟国家，市场广阔；⑤西班牙政府的大力扶持．