รายงานการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับระบบถังเก็บเกลือหลอมเหลว

ภาพรวมด้านการออกแบบทางวิศวกรรม วิทยาศาสตร์วัสดุ และการประยุกต์ใช้งานทั่วโลก

ในกระบวนการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงานและการลดการปล่อยคาร์บอนทั่วโลก เทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานระยะยาว (LDES) ถือเป็นวิธีการหลักในการแก้ไขปัญหาความไม่สม่ำเสมอของพลังงานหมุนเวียน ระบบกักเก็บพลังงานความร้อนด้วยเกลือหลอมเหลว (TES) ได้กลายเป็นมาตรฐานสำหรับระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสง (CSP) และระบบพลังงานนิวเคลียร์รุ่นใหม่ เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง อายุการใช้งานยาวนาน ต้นทุนต่ำ และความปลอดภัยที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับระบบแบตเตอรี่พลังงานที่มีอยู่ ในฐานะที่เป็นตัวนำหลักของระบบนี้ การออกแบบและการก่อสร้างถังกักเก็บเกลือหลอมเหลวเกี่ยวข้องกับกลศาสตร์โครงสร้างที่ซับซ้อน และเชื่อมโยงอย่างลึกซึ้งกับวิทยาศาสตร์วัสดุอุณหภูมิสูง จลนศาสตร์การกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้า และพลศาสตร์ของไหลเชิงความร้อน รายงานฉบับนี้จึงนำเสนอการวิเคราะห์อย่างครอบคลุมเกี่ยวกับถังกักเก็บเกลือหลอมเหลวในมิติต่างๆ เช่น พื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์ การออกแบบทางวิศวกรรมโครงสร้าง ความท้าทายทางวิทยาศาสตร์วัสดุ การใช้งานเชิงพาณิชย์ทั่วโลก และวิวัฒนาการทางเทคโนโลยีในอนาคต   

พื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์และหลักการปฏิบัติงาน

หลักการสำคัญของการกักเก็บพลังงานด้วยเกลือหลอมเหลวอยู่ที่การใช้คุณสมบัติการกักเก็บความร้อนสัมผัสของเกลืออนินทรีย์ในสถานะของเหลว ซึ่งแตกต่างจากการกักเก็บความร้อนแฝง (PCM) การกักเก็บความร้อนสัมผัสจะดูดซับและปล่อยพลังงานโดยการเปลี่ยนอุณหภูมิของตัวกลาง ซึ่งเป็นวิธีการที่พัฒนาแล้วและมีต้นทุนต่ำกว่าสำหรับการนำไปใช้ในทางวิศวกรรม¹

การวิเคราะห์เชิงปริมาณทางเทอร์โมไดนามิกของความจุในการจัดเก็บ

ปริมาณความร้อนสะสมทั้งหมด $Q$ ของระบบเกลือหลอมเหลวเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งคำนวณได้ดังนี้:

ในทางวิศวกรรมภาคปฏิบัติ ความหนาแน่นของการเก็บพลังงานของระบบถูกจำกัดร่วมกันโดยความจุความร้อนจำเพาะ Cp ความหนาแน่น ρ และความแตกต่างของอุณหภูมิในการทำงาน △T ยกตัวอย่างเช่น "เกลือพลังงานแสงอาทิตย์" (ไนเตรตไบนารี) ที่ใช้กันทั่วไป ภายใต้ช่วงอุณหภูมิการทำงานปกติที่ 290℃ ถึง 565℃ ความจุความร้อนต่อปริมาตรของมันสามารถสูงถึงประมาณ 200 kWh/m³ ²ความหนาแน่นของพลังงานสูงนี้ทำให้สามารถจัดเก็บพลังงานในปริมาณมากได้ภายในพื้นที่ขนาดเล็ก

คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์เปรียบเทียบของตัวกลางเกลือหลอมเหลว

การเลือกใช้เกลือหลอมเหลวมีผลโดยตรงต่อข้อจำกัดด้านการออกแบบของถังเก็บ ปัจจุบัน เกลือที่ใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลายที่สุดคือส่วนผสมของโซเดียมไนเตรต (NaNO₃) 60%₃ และโพแทสเซียมไนเตรต KNO 40%₃นอกจากนี้ ยังมีการวิจัยและสาธิตการใช้เกลือชนิดพิเศษสำหรับช่วงอุณหภูมิต่างๆ อีกด้วย

ลักษณะนิสัย	ไนเตรตไบนารี (เกลือพลังงานแสงอาทิตย์)	ไนเตรตสามองค์ประกอบ (ที่มี LiNO3)	เกลือไฮเทค	เกลือคลอไรด์ (เป้าหมาย Gen3)
จุดหลอมเหลว ($^{\circ}C$)	≈ 240	≈ 124	≈ 142	≈ 450-500
ขีดจำกัดความเสถียร ($^{\circ}C$)	≈ 565-600	≈ 550	≈ 538	≈ 800+
ความหนืด (ที่ 300°C, cP)	≈ 4-7	≈ 7-8	≈ 3-4	ต่ำ (ที่อุณหภูมิสูง)
ระดับต้นทุน	ต่ำ	สูงมาก (เนื่องจาก Li)	กลาง	กลาง
การประยุกต์ใช้หลัก	เสา/ราง CSP เชิงพาณิชย์	การวิจัย LDES	ราง CSP / ความร้อนอุตสาหกรรม	ระบบซูเปอร์คริติคอลรุ่นใหม่

ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่า แม้ว่าเกลือไตรภาคที่มีลิเธียมเป็นองค์ประกอบจะมีจุดหลอมเหลวต่ำมาก ซึ่งสามารถลดการใช้พลังงานของสารป้องกันการแข็งตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ความจุความร้อนจำเพาะของเกลือเหล่านี้จะลดลงจาก 1.794 J/g · K เหลือ 1.409 J/g · K ในการใช้งานระยะยาว (ประมาณ 15,000 ชั่วโมงขึ้นไป) สาเหตุหลักมาจากการสลายตัวของ LiNO₃ และการเกิดตะกอนจากการทำปฏิกิริยาของลิเธียมออกไซด์กับสิ่งเจือปน³

วิศวกรรมโครงสร้างและการกำหนดค่าระบบ

การออกแบบถังเกลือหลอมเหลวต้องเอาชนะปัญหาการคืบตัวจากความเค้น การขยายตัว/หดตัวจากความร้อน และแรงดันของคอลัมน์ของเหลวที่สูงมากในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงมาก แนวทางปฏิบัติทางวิศวกรรมในปัจจุบันได้พัฒนาไปเป็นหลายรูปแบบ รวมถึงระบบสองถังและระบบเทอร์โมไคลน์แบบถังเดียว

ระบบสองถัง: การวิเคราะห์เสถียรภาพของมาตรฐานเชิงพาณิชย์

ระบบถังคู่เป็นเทคโนโลยีเดียวที่ได้รับการตรวจสอบแล้วในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ โดยประกอบด้วย "ถังเย็น" (รักษาอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 290℃) และ "ถังร้อน" (โดยปกติอยู่ที่ 565℃) ข้อได้เปรียบหลักของการออกแบบนี้อยู่ที่ "การแยกพลังงานและความจุออกจากกันอย่างสมบูรณ์": การเพิ่มระยะเวลาการเก็บรักษาทำได้โดยการเพิ่มขนาดถังและปริมาณเกลือเท่านั้น ไม่จำเป็นต้องเพิ่มกำลังของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน⁴

ในระหว่างรอบการชาร์จ เกลือเย็นจะถูกสูบจากถังเย็น ผ่านตัวรับพลังงานแสงอาทิตย์หรือหม้อไอน้ำที่ใช้ความร้อนเหลือทิ้งเพื่อให้ความร้อน แล้วจึงเก็บไว้ในถังร้อน ส่วนรอบการปล่อยความร้อนจะเป็นไปในทางตรงกันข้าม โดยเกลือร้อนจะไหลผ่านเครื่องกำเนิดไอน้ำเพื่อผลิตไอน้ำยวดยิ่ง ซึ่งจะไปขับเคลื่อนกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ระบบนี้จะรักษาอุณหภูมิขาออกให้คงที่ ซึ่งมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ระบบโครงข่ายและอายุการใช้งานของกังหันไอน้ำ⁵

โครงสร้างเทอร์โมไคลน์และการจัดเก็บวัสดุเติม: แนวทางสู่การลดต้นทุน

เพื่อลดค่าใช้จ่ายด้านการลงทุน (CAPEX) ลงประมาณ 35% แวดวงวิชาการและวิศวกรรมกำลังพัฒนาระบบถังเดี่ยว ในระบบถังเดี่ยวนี้ จะใช้ประโยชน์จากการแบ่งชั้นตามธรรมชาติของของเหลว (เกลือร้อนที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าอยู่ด้านบน เกลือเย็นที่มีความหนาแน่นสูงกว่าอยู่ด้านล่าง) ทำให้เกิดชั้นเปลี่ยนผ่านอุณหภูมิที่มีความหนาหลายเมตร_⁶

• เทคโนโลยีสารเติมแต่งของแข็ง: เพื่อลดต้นทุนลงอีก สามารถเติมวัสดุแข็งราคาถูก (เช่น กรวดหรืออิฐเซรามิก) ลงในถังได้ 50%-75% โดยใช้เกลือหลอมเหลวเป็นเพียงของเหลวถ่ายเทความร้อนในรูพรุนเท่านั้น ความท้าทายของการออกแบบนี้อยู่ที่แรงดันด้านข้างเชิงกลของวัสดุแข็งที่กระทำต่อผนังถัง และการรักษาเสถียรภาพของชั้นอุณหภูมิระหว่างรอบการชาร์จ/คายประจุ⁷   
• การออกแบบแผงกั้นลอยน้ำ: อีกหนึ่งวิธีแก้ปัญหาที่ล้ำสมัยคือ การวางแผ่นดิสก์หรือแผ่นกั้นลอยน้ำที่มีความหนาแน่นอยู่ระหว่างความหนาแน่นของเกลือร้อนและเกลือเย็น เพื่อลดการพาความร้อนและการผสมกันของอุณหภูมิลง⁸

การออกแบบฐานรากถังและการจัดการความร้อน

ฐานรากของถังเก็บน้ำต้องรับน้ำหนักได้หลายหมื่นตัน และยังต้องมีระบบจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อป้องกันดินแห้งแตกหรือคอนกรีตเสียหาย ถังเก็บเกลือหลอมเหลวขนาดใหญ่ในปัจจุบัน (ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 40 เมตร และปริมาตรเกลือ 30,000 ตัน) มักใช้ฐานรากแบบหลายชั้นผสม⁹

ชั้นรองพื้น	วัสดุทั่วไป	ฟังก์ชั่นหลัก
การสัมผัสที่ก้นถัง	เส้นใยอลูมินาซิลิเกต / อิฐทนไฟ	ฉนวนกันความร้อน ช่วยลดการถ่ายเทความร้อนไปยังคอนกรีต
ฉนวนรับน้ำหนัก	โฟมแก้ว / คอนกรีตน้ำหนักเบา	ช่วยเสริมโครงสร้างพร้อมทั้งลดการสูญเสียความร้อน
ระบบระบายความร้อน	ระบบระบายอากาศแบบแอคทีฟ / ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ	รักษาอุณหภูมิของคอนกรีตให้อยู่ในช่วง 60-80 องศาเซลเซียส
โครงสร้างรองรับ	ฐานรากเสาเข็ม-แผ่น	ลดการทรุดตัวที่ไม่สม่ำเสมอ; เสริมสร้างการปรับตัวทางธรณีวิทยา

ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า การใช้ฐานรากแบบเสาเข็มและแผ่นพื้นสามารถลดการทรุดตัวตรงกลางของพื้นผิวด้านบนของฐานรากได้ถึง 380.1 มิลลิเมตร เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยของถังขนาดใหญ่ในสภาพทางธรณีวิทยาที่ซับซ้อนได้อย่างมีนัยสำคัญ

วิทยาศาสตร์วัสดุอุณหภูมิสูง: การกัดกร่อน การคืบตัว และการทำนายอายุการใช้งาน

ที่อุณหภูมิใช้งาน 565℃ ขึ้นไป เกลือหลอมเหลวไม่เพียงแต่มีฤทธิ์ออกซิเดชันสูงเท่านั้น แต่คุณสมบัติทางกายภาพของมันยังก่อให้เกิดความท้าทายอย่างมากต่อความแข็งแรงเชิงกลของวัสดุอีกด้วย

การวิเคราะห์คุณสมบัติของวัสดุตัวเลือกหลัก

การเลือกใช้วัสดุต้องคำนึงถึงความสมดุลระหว่างความแข็งแรงต่อการคืบตัวที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อน และความคุ้มค่า สำหรับถังที่อุณหภูมิต่ำ (< 400℃) เหล็กกล้าคาร์บอน (เช่น ASTM A516 Gr70) สามารถใช้งานได้นานถึง 30 ปี โดยมีค่าเผื่อการกัดกร่อนที่เหมาะสม (ประมาณ 0.078 มม./ปี) อย่างไรก็ตาม ถังที่อุณหภูมิสูงต้องใช้เหล็กกล้าไร้สนิมประสิทธิภาพสูงหรือโลหะผสมนิกเกล¹⁰

• เหล็กกล้าไร้สนิม AISI 347H: ปัจจุบัน เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุหลักที่ใช้ในถังความร้อน เนื่องจากมีคุณสมบัติแข็งแรงทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดี อย่างไรก็ตาม มันไวต่อ "การแตกร้าวจากการคลายความเค้น" (Stress Relaxation Cracking: SRC) ซึ่งอาจนำไปสู่การแตกร้าวในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนจากการเชื่อมได้ง่าย¹¹
• AISI 316L และ 321H: เหล็กกล้าทางเลือกทั่วไปที่แม้จะมีกำลังความแข็งแรงต่ำกว่า 347H เล็กน้อย แต่ก็มีความยืดหยุ่นและเสถียรภาพต่อการกัดกร่อนที่ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีเกลือบางชนิด
• โลหะผสมที่มีส่วนประกอบของนิกเกล (อินโคเนล 625 / ฮาสเทลลอย เอ็น): ตัวเลือกเดียวสำหรับระบบเกลือคลอไรด์ (> 700℃) แม้ว่าประสิทธิภาพจะยอดเยี่ยม แต่ต้นทุนที่สูงมาก (เกิน 20 เหรียญต่อกิโลกรัม) ทำให้การใช้งานในถังเก็บขนาดใหญ่มีข้อจำกัดอย่างมาก¹²

การวิเคราะห์จลนศาสตร์การกัดกร่อนและกลไกระดับจุลภาค

การกัดกร่อนจากเกลือหลอมเหลวเป็นกระบวนการทางกายภาพและเคมีที่ซับซ้อน ซึ่งได้รับอิทธิพลจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ปริมาณออกซิเจน และความบริสุทธิ์ของเกลือ

1. การกัดกร่อนจากไฟฟ้าสถิตและการเติบโตของชั้นออกไซด์: ในเกลือหลอมเหลวที่อยู่นิ่ง พื้นผิวเหล็กจะเกิดชั้นออกไซด์ของเหล็ก (Fe) ที่ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกัน₂O₃) หรือโครงสร้างสปิเนล (Fe₃O₄) ชั้นต่างๆ อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องในระยะยาวจะทำให้ชั้นเหล่านี้หลุดลอกออก เผยให้เห็นพื้นผิวโลหะใหม่ และนำไปสู่การกัดกร่อนอย่างต่อเนื่อง
2. ผลกระทบจากสิ่งเจือปน: ไอออนคลอไรด์ (Cl)^-) สิ่งเจือปนเป็นสาเหตุหลักที่เร่งการกัดกร่อน เนื่องจากสามารถแทรกซึมเข้าไปในชั้นออกไซด์ทำให้เกิดการกัดกร่อนเป็นหลุม นอกจากนี้ สิ่งเจือปนเกลือแมกนีเซียมยังสามารถสลายตัวเมื่อได้รับความร้อนและผลิต NO ได้₂ ก๊าซดังกล่าวเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและเพิ่มฤทธิ์กัดกร่อนของเกลือ
3. การกัดกร่อนด้วยไฟฟ้าเคมี: เกลือหลอมเหลวทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้ากัลวานิกที่จุดเชื่อมต่อของโลหะต่างชนิดกัน หรือในบริเวณที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิ ส่งผลให้เกิดการสูญเสียธาตุโลหะเฉพาะจุดอย่างรวดเร็ว

วิศวกรรมระบบเสริมและส่วนประกอบหลัก

ถังเกลือหลอมเหลวไม่ได้ตั้งอยู่อย่างโดดเดี่ยว การทำงานอย่างมีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับปั๊ม วาล์ว และระบบตรวจสอบที่แม่นยำ

ข้อจำกัดด้านการออกแบบของปั๊มเกลือหลอมเหลว

ปั๊มแรงเหวี่ยงแนวตั้งเป็นมาตรฐานสำหรับถังเกลือหลอมเหลว เนื่องจากข้อจำกัดด้านอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเพลาและการควบคุมการสั่นสะเทือนที่อุณหภูมิสูง ความลึกของถังเกลือหลอมเหลวจึงมักจำกัดอยู่ที่ 14 เมตร เนื่องจากเพลาที่ยาวกว่านั้นมีแนวโน้มที่จะเกิดการเสียรูปเนื่องจากความร้อนและการเสียสมดุลแบบไดนามิกที่อุณหภูมิ 565℃ นอกจากนี้ ระบบซีลของปั๊มต้องทนต่อละอองเกลือและการสึกหรอจากผลึกเกลือที่อาจเกิดขึ้นได้   

ความท้าทายทางเทคนิคของวาล์วเกลือหลอมเหลวอุณหภูมิสูง

การทำให้วาล์วปราศจากการรั่วไหลโดยสิ้นเชิงที่อุณหภูมิสูงมากนั้นเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญ วาล์วที่ใช้เกลือหลอมเหลวต้องคำนึงถึงประเด็นสำคัญต่อไปนี้:

• การออกแบบป้องกันการแข็งตัว: โดยปกติแล้ว วาล์วจะถูกรวมเข้ากับระบบทำความร้อนด้วยไฟฟ้า เพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิภายในยังคงสูงกว่าจุดแข็งตัวของเกลือ (เช่น 240℃) เพื่อป้องกันไม่ให้ก้านวาล์ว "แข็งตัว"   
• การปิดผนึกกล่องบรรจุ: ซีลกราไฟต์แบบดั้งเดิมจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงกว่า 500℃ การออกแบบสมัยใหม่มักใช้ฝาครอบแบบยาวเพื่อย้ายซีลให้ห่างจากแหล่งความร้อน และผสมผสานกับวัสดุคอมโพสิต เช่น เส้นใย PBI   
• การลดผลกระทบจากความเครียดทางความร้อน: ตัววาล์วต้องผ่านการวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (FEA) เพื่อให้แน่ใจว่าการบิดเบี้ยวของที่นั่งวาล์วจะไม่เกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้นและหยุดการทำงานเนื่องจากความร้อนบ่อยครั้ง   

บทเรียนจากโครงการเชิงพาณิชย์และการวิเคราะห์ความล้มเหลว: กรณีศึกษาโครงการเครสเซนต์ดูนส์

โครงการ Crescent Dunes (110 เมกะวัตต์) ในรัฐเนวาดา สหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบ CSP ชนิดหอคอยขนาดใหญ่เชิงพาณิชย์แห่งแรกของโลกที่ใช้ระบบกักเก็บพลังงานด้วยเกลือหลอมเหลว ได้ให้บทเรียนอันล้ำค่าแก่อุตสาหกรรมนี้

การวิเคราะห์หาสาเหตุหลักของการรั่วไหลที่พื้นถัง

นับตั้งแต่เริ่มดำเนินการในปี 2015 โครงการนี้ประสบปัญหาการรั่วไหลของถังเกลือร้อนครั้งใหญ่ถึงสี่ครั้ง ส่งผลให้ต้องปิดทำการเป็นเวลานานและในที่สุดก็ล้มละลาย   

1. พื้นแท็งก์โก่งงอ: เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ของถังความร้อนและความแตกต่างของอุณหภูมิในการทำงานที่มาก ทำให้แผ่นพื้นเหล็กเกิดความเค้นอัดมหาศาลเมื่อการขยายตัวทางความร้อนถูกจำกัด ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การโก่งตัวและการเสียรูปขึ้นด้านบน   
2. ปฏิสัมพันธ์ของความเค้นตกค้างจากการเชื่อม: การวิเคราะห์สาเหตุความล้มเหลวโดย NREL ชี้ให้เห็นว่า ความเค้นตกค้างเริ่มต้นที่เกิดขึ้นระหว่างการเชื่อมภาคสนามเป็น "ร่องรอย" ของความล้มเหลว ระหว่างการใช้งาน ความเค้นเหล่านี้รวมกับความเค้นจากวัฏจักรความร้อนทำให้ความเค้นเกินขีดจำกัดความแข็งแรงของเหล็กกล้าไร้สนิม 347H ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวจากความล้า   
3. การผสมไม่เพียงพอ: หากเกลือร้อนที่ไหลเข้ามาไม่ผสมกับเกลือที่มีอยู่เดิมอย่างทั่วถึง อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วที่พื้นถัง ภาระความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอนี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการแตกร้าว   

เพื่อเป็นการแก้ไขปัญหา โรงงานจึงต้องลดอุณหภูมิการทำงานจากที่ออกแบบไว้ที่ 565℃ ลงเหลือประมาณ 450−480℃ ซึ่งส่งผลให้กำลังการผลิตลดลงประมาณ 45% ทำให้ความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของโครงการลดลงอย่างมาก   

ภาพรวมตลาดการจัดเก็บเกลือหลอมเหลวทั่วโลก: การ崛起ของจีน

ในระดับโลก จีนกลายเป็นตลาดที่มีความเคลื่อนไหวมากที่สุดสำหรับเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานด้วยเกลือหลอมเหลว โดยมีขนาดโครงการและความเร็วในการพัฒนาเทคโนโลยีที่นำหน้าประเทศอื่นๆ ทั่วโลก

ภาพรวมตลาด CSP และ LDES ของจีน

ภายในสิ้นปี 2025 จีนได้สร้างระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมศูนย์ (CSP) จำนวน 27 ระบบ โดยมีกำลังการผลิตติดตั้งรวม 1,738.2 เมกะวัตต์ ซึ่งเพิ่มขึ้น 107% เมื่อเทียบกับปี 2024   

บริษัท/โครงการ	เส้นทางเทคโนโลยี	ขนาด / ระยะเวลาการเก็บรักษา	สถานะ
โคซิน โซลาร์	หอคอยเกลือหลอมเหลว	350 เมกะวัตต์ (โกลมุด)	หน่วยเดียวที่ใหญ่ที่สุดในโลก กำลังอยู่ระหว่างการก่อสร้าง
โชวหางไฮเทค	หอคอยเกลือหลอมเหลว	100 MW (ตุนหวง)	ในการปฏิบัติงาน ได้ทำลายสถิติหลายรายการ
CHN Energy (Anhui Suzhou)	การจัดเก็บถ่านหินและเกลือหลอมเหลว	1,000 เมกะวัตต์	โครงการเพิ่มความยืดหยุ่นของโรงไฟฟ้าถ่านหินที่ใหญ่ที่สุดในประเทศ
CSSC พลังงานใหม่	อ่างเกลือหลอมเหลว	100 เมกะวัตต์ (อูราด มิดเดิล แบนเนอร์)	ผลิตพลังงานได้ 301 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงในปี 2025

ความเป็นผู้นำของจีนสะท้อนให้เห็นไม่เพียงแต่ในด้านศักยภาพเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแนวคิดเชิงนวัตกรรม เช่น “ถ่านหิน + การจัดเก็บ” ด้วยการเพิ่มถังเก็บเกลือหลอมเหลวเข้าไปในโรงไฟฟ้าถ่านหินที่มีอยู่เดิม จะสามารถแยกส่วนการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนเป็นไฟฟ้าได้ ทำให้หน่วยผลิตไฟฟ้าจากถ่านหินมีกำลังการผลิตสูงสุดในช่วงพีคที่ระดับ 100 เมกะวัตต์ และช่วยให้สามารถใช้พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ได้ประมาณ 128 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงต่อปี   

กระบวนการกำหนดมาตรฐาน: จาก API สู่ ASME TES-1

เนื่องจากข้อจำกัดของมาตรฐานแบบดั้งเดิม ทำให้ภาคการจัดเก็บด้วยเกลือหลอมเหลวกำลังเข้าสู่ยุคของมาตรฐานเฉพาะทาง การประกาศใช้มาตรฐานใหม่นี้ ASME TES-1 (2020/2023) มาตรฐานความปลอดภัยสำหรับระบบกักเก็บพลังงานความร้อน: เกลือหลอมเหลว มาตรฐานนี้แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของอุตสาหกรรมจากวิธีการเชิงประจักษ์ไปสู่การออกแบบที่ขับเคลื่อนด้วยมาตรฐาน มาตรฐานนี้ระบุข้อกำหนดตลอดวงจรชีวิตทั้งหมด ตั้งแต่การออกแบบ การผลิต การติดตั้ง ไปจนถึงการรื้อถอน ครอบคลุมทุกแง่มุมทางเทคนิคของถัง ปั๊ม วาล์ว และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน บริษัทจีนอย่างเช่น Cosin Solar กำลังเป็นผู้นำในการเตรียมมาตรฐานระดับชาติหลายฉบับสำหรับระบบกักเก็บความร้อนด้วยเกลือหลอมเหลว ซึ่งเป็นการเสริมสร้างรากฐานทางเทคนิคของอุตสาหกรรมให้แข็งแกร่งยิ่งขึ้น   

การใช้งานที่หลากหลายและแนวโน้มในอนาคต

การประยุกต์ใช้ถังเก็บความร้อนด้วยเกลือหลอมเหลวกำลังขยายตัวจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมศูนย์ (CSP) ไปสู่พลังงานนิวเคลียร์ การทำความร้อนในภาคอุตสาหกรรม และการผลิตไฮโดรเจน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบหลอมเหลว (MSR): อนาคตของพลังงานนิวเคลียร์

ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ MSR เกลือหลอมเหลวไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เป็นสารหล่อเย็นเท่านั้น แต่บ่อยครั้งยังทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายสำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์อีกด้วย

• ข้อดีด้านความปลอดภัย: เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ MSR ทำงานที่ความดันบรรยากาศ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงจากการระเบิดที่เกี่ยวข้องกับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาความดันสูง เกลือเชื้อเพลิงจะขยายตัวตามธรรมชาติเมื่อได้รับความร้อนสูงเกินไป ทำให้เกิดผลป้อนกลับเชิงลบที่ช่วยชะลอการเกิดปฏิกิริยา   
• การจัดการของเสีย: เชื้อเพลิงเหลวช่วยให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ทางออนไลน์ โดยเปลี่ยนแอคติไนด์ที่มีอายุยืนยาวให้เป็นเชื้อเพลิง และลดระยะเวลาครึ่งชีวิตของกากกัมมันตรังสีลงอย่างมาก (จากหลายหมื่นปีเหลือประมาณ 300 ปี)   

การบูรณาการความร้อนและไฮโดรเจนในกระบวนการอุตสาหกรรม

ถังเกลือหลอมเหลวสามารถทำหน้าที่เป็น "แบตเตอรี่ความร้อน" ซึ่งให้ความร้อนในอุณหภูมิสูงที่เสถียรสำหรับกระบวนการในอุตสาหกรรมหนักที่ยากต่อการควบคุมมลพิษ เช่น อุตสาหกรรมเหล็ก เซรามิก และกระบวนการทางเคมี   

• ไฮโดรเจนสีเขียว: การใช้ความร้อนอุณหภูมิสูงที่สะสมอยู่ในเกลือหลอมเหลวสามารถขับเคลื่อนกระบวนการแยกด้วยไฟฟ้าด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง (SOEC) หรือวัฏจักรทางเคมีเชิงความร้อนเพื่อผลิตไฮโดรเจน โดยมีประสิทธิภาพสูงกว่าการแยกด้วยไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำมาก   
• การกู้คืนความร้อนเหลือทิ้ง: ความร้อนเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมสามารถเก็บไว้ในถังเกลือหลอมเหลวและแปลงเป็นไฟฟ้าหรือไอน้ำสำหรับอุตสาหกรรมในช่วงที่มีความต้องการสูงสุด ทำให้เกิดการใช้พลังงานแบบต่อเนื่องอย่างมีประสิทธิภาพ   

แนวโน้มวิวัฒนาการทางเทคโนโลยี

ในทศวรรษหน้า การพัฒนาถังเก็บเกลือหลอมเหลวจะมุ่งเน้นไปในสามทิศทางหลัก:

1. ความท้าทายของเทคโนโลยีอุณหภูมิสูงพิเศษ (รุ่นที่ 3): ระบบเกลือคลอไรด์จะทำให้อุณหภูมิในการทำงานสูงกว่า 700℃ ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงการออกแบบถังอย่างสิ้นเชิง จากโครงสร้าง "โลหะรับน้ำหนัก" ไปเป็นโครงสร้าง "ฉนวนเซรามิกภายใน + โครงโลหะภายนอก"   
2. แบบจำลองดิจิทัลและการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์: ใช้เทคโนโลยีการตรวจจับด้วย Fiber Bragg Grating (FBG) และ Digital Image Correlation (DIC) เพื่อตรวจสอบความเครียดของถังแบบเรียลไทม์ พร้อมทั้งสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์เพื่อระบุรอยแตกร้าวจากความล้าได้ตั้งแต่เนิ่นๆ   
3. สารเคลือบและวิธีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวแบบใหม่: การพัฒนาสารเคลือบเซรามิกที่ทนต่อการกัดกร่อนหรือวัสดุบุผิวคอมโพสิตหลายชั้นบนพื้นผิวเหล็กราคาประหยัดนั้น มีแนวโน้มที่จะช่วยยืดอายุการใช้งานได้ถึง 30 ปี พร้อมทั้งลดต้นทุนวัสดุได้อย่างมาก   

โดยสรุปแล้ว ถังเก็บความร้อนด้วยเกลือหลอมเหลวไม่เพียงแต่เป็นเทคโนโลยีทางวิศวกรรมที่พัฒนาเต็มที่แล้วเท่านั้น แต่ยังเป็นขอบเขตการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่พัฒนาอย่างต่อเนื่องอีกด้วย ด้วยความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์และการพัฒนามาตรฐานให้สมบูรณ์แบบ มันจะทำหน้าที่เป็นส่วนสำคัญที่ขาดไม่ได้ในการสร้างระบบพลังงานที่ยืดหยุ่นและปล่อยคาร์บอนต่ำทั่วโลก   

อ้างอิง

1. การเก็บพลังงานความร้อน – วิกิพีเดีย
2. การกักเก็บเกลือหลอมเหลวเพื่อการผลิตพลังงาน
3. การประเมินผลระยะยาวของส่วนผสมเกลือหลอมเหลวสามองค์ประกอบในระบบกักเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์: ผลกระทบต่อคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์และการกัดกร่อน – PubMed
4. ถังหลอมเหลวเกลือสำหรับกักเก็บพลังงานความร้อน: แง่มุมที่ควรพิจารณาในระหว่างการออกแบบ – MDPI
5. https://rpow.es/energy-storage-solutions/molten-salt-energy-storage/
6. เสถียรภาพทางความร้อนของเกลือไนไตรต์/ไนเตรตหลอมเหลวสำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ในบรรยากาศที่แตกต่างกัน | ขอรับไฟล์ PDF – ResearchGate
7. ภาพรวมและข้อมูลเชิงลึกเฉพาะเกี่ยวกับเกลือไนเตรตสำหรับการจัดเก็บความร้อนสัมผัสและความร้อนแฝง – PMC – PubMed Central
8. การกักเก็บพลังงานความร้อนในเกลือหลอมเหลว: ภาพรวมของแนวคิดใหม่และสิ่งอำนวยความสะดวกในการทดสอบของ DLR (TESIS)
9. แผนผังโครงสร้างของถังเกลือหลอมเหลว | ดาวน์โหลดแผนภาพทางวิทยาศาสตร์
10. การออกแบบระบบกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยเกลือหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 565 °C การกัดกร่อน และฉนวนกันความร้อน – สำนักพิมพ์เดวิด
11. การวิเคราะห์ความล้มเหลวของถังเก็บพลังงานความร้อนด้วยเกลือหลอมเหลวสำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสงที่ใช้งานอยู่
12. การศึกษาการประยุกต์ใช้ของวาล์วสื่อกัดกร่อนอุณหภูมิสูงในตลาดต่างประเทศ