能源與環(huán)境的嚴(yán)峻形勢(shì)迫使能源生產(chǎn)和消費(fèi)發(fā)生變革，加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建清潔低碳高效能源體系，盡可能利用清潔能源，全方位推進(jìn)清潔能源供暖是今后能源發(fā)展的重要方向，清潔、效率、效益、智能是今后能源技術(shù)發(fā)展的主旋律和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力。
中國科學(xué)院電工研究所（以下簡稱中科院電工所）作為我國專門從事電氣科學(xué)研究的特色能源國立科研機(jī)構(gòu)，在可再生能源領(lǐng)域已經(jīng)有60多年的研發(fā)積淀。特別是近十幾年來在國家科技部、中國科學(xué)院和北京市等科技項(xiàng)目和企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目支持下，在清潔能源發(fā)電和清潔供暖技術(shù)方面取得了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破，并成功實(shí)施了具備代表性和一定規(guī)模的試驗(yàn)示范工程項(xiàng)目。近年來，中科院電工所又專門成立太陽能燃料清潔制備研究組，致力于解決清潔燃料制備（制氫）、太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能所涉及的能量轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)關(guān)鍵科學(xué)問題，包括高密度長周期儲(chǔ)能技術(shù)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究、催化劑的制備、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和機(jī)理研究以及基于太陽能熱化學(xué)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成和優(yōu)化控制研究等。
近日，在“漢諾威杯”2019第四屆嚴(yán)寒寒冷地區(qū)太陽能空氣能高效應(yīng)用暨清潔供暖技術(shù)交流會(huì)上，中科院電工所副研究員、碩士生導(dǎo)師常春博士對(duì)太陽能熱化學(xué)制氫與各種儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行了介紹，特將報(bào)告整理如下，以供業(yè)界參考。
1、制氫產(chǎn)業(yè)
氫能是目前已知最綠色潔凈的二次能源，燃燒產(chǎn)物只有水。此外，氫能源還有極高能量密度，高能源轉(zhuǎn)化效率，資源豐富，制備方法多樣，分布廣泛，用途廣泛等突出優(yōu)點(diǎn)。氫能源產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲(chǔ)運(yùn)、加氫、氫能應(yīng)用等環(huán)節(jié)，全產(chǎn)業(yè)鏈及政策體系尚在不同程度的完善進(jìn)程中。目前，工業(yè)每年用氫量超過5500億立方米。
2、制氫效益
制氫現(xiàn)有主要技術(shù)路徑有化石燃料制氫、工業(yè)尾氣制氫、化工原料制氫、電解水制氫等，預(yù)計(jì)國內(nèi)2019年氫氣制備超2000萬噸，2022年產(chǎn)值有望突破5000億元。傳統(tǒng)能源制氫在當(dāng)前國內(nèi)外均占主導(dǎo)，其中煤制氫生產(chǎn)成本最低，約10元/千克。電解水和太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫是極具前景和成本下降空間的可持續(xù)清潔氫能源制備技術(shù)，2018年僅前三季度全國棄風(fēng)棄光（262億度）如果采用電解水制氫，即可獲得52萬噸產(chǎn)量，可超過當(dāng)前全國電解水制氫產(chǎn)量的一半。
圖：國際制氫現(xiàn)狀
圖：國內(nèi)制氫現(xiàn)狀（單位：萬噸）
3、制氫技術(shù)比較
針對(duì)可持續(xù)清潔氫能源制備技術(shù)，美國研究機(jī)構(gòu)對(duì)光伏電解水制氫和太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫未來發(fā)展做了分析，認(rèn)為太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫的成本降低主要驅(qū)動(dòng)力還是反應(yīng)器的成本下降，在政策的驅(qū)動(dòng)下其成本下降速度更快。預(yù)計(jì)到2039年，太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫成本可低于光伏電解水制氫技術(shù)。
4、太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫
1）基本原理
太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫是通過聚光系統(tǒng)產(chǎn)生高溫（500℃–2000℃），推動(dòng)熱化學(xué)反應(yīng)分解水或甲烷等制取氫氣等清潔燃料。太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)路徑多樣，大致可分為兩步法和多步法。多步法可降低反應(yīng)對(duì)高溫的要求，但工藝流程復(fù)雜，提高效率和降低成本的潛力都相對(duì)較?。粌刹椒ㄑh(huán)溫度高，工藝簡單，適宜與聚光太陽能結(jié)合。典型的兩步法制氫過程為：
還原步——在隔絕氧氣的高溫環(huán)境中，高價(jià)金屬氧化物受熱被還原為金屬單質(zhì)或低價(jià)金屬氧化物，脫出氧氣。若在還原步引入碳元素，可以降低反應(yīng)發(fā)生溫度，但會(huì)增加產(chǎn)物氫氣的分離難度。
氧化步——通入水蒸氣，金屬單質(zhì)或低價(jià)金屬氧化物被氧化為高價(jià)金屬氧化物，同時(shí)產(chǎn)生氫氣，固體和氣體易分離。
2）太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀
(1) 太陽能→化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率理論約50%。目前達(dá)到6%（瑞士PSI，ETH）；
(2) 世界上最大的熱化學(xué)反應(yīng)器750kW（德國DLR）。尚未大型化，產(chǎn)業(yè)化。
3）太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫目前存在的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題
(1) 材料層面：反應(yīng)物基對(duì)材料化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、穩(wěn)定性；
(2) 器件層面：反應(yīng)器內(nèi)多場耦合傳熱機(jī)理；
(3) 系統(tǒng)層面：基于太陽能熱化學(xué)制燃料的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)建。
4）中科院電工所已經(jīng)開展的研究工作
(1) 材料層面：鈣鈦礦等新型反應(yīng)物材料（制備、結(jié)構(gòu)、表征、化學(xué)反應(yīng)性、穩(wěn)定性）；
(2) 器件層面：高倍聚光光源，10kW太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器樣機(jī)，熱效率≥40%（熱質(zhì)傳遞耦合作用機(jī)理）；
(3) 系統(tǒng)層面：基于太陽能熱化學(xué)循環(huán)制燃料的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)拓?fù)浼皟?yōu)化方法。
此外，中科院電工所在磁場輔助電解水制氫方面也做了探索性研究。
1、技術(shù)路徑與存在問題
目前解決清潔供暖的主要技術(shù)路徑有天然氣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)供能、多能源互補(bǔ)的太陽能跨季節(jié)供熱、低谷電力蓄熱供熱、各類熱泵供暖等?？偟膩碚f，上述技術(shù)在供能模式遴選、系統(tǒng)集成度、系統(tǒng)適宜性、熱源與末端匹配性、儲(chǔ)熱等關(guān)鍵部件基礎(chǔ)研究、系統(tǒng)初投資或經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)調(diào)控等環(huán)節(jié)中的某幾方面尚且存在不足。以多能源互補(bǔ)太陽能跨季節(jié)供熱技術(shù)為例，丹麥等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有因地制宜商業(yè)化運(yùn)行的多個(gè)不同的系統(tǒng)，具有很好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)在適合嚴(yán)寒寒冷地區(qū)供熱的集熱器、低成本規(guī)?；瘍?chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)、多能源互補(bǔ)系統(tǒng)集成優(yōu)化和調(diào)控技術(shù)等方面正處于開發(fā)示范階段。
2、儲(chǔ)熱主要類型
由于供熱和用熱都存在時(shí)空分布和強(qiáng)度方面都存在不匹配的特點(diǎn)，低成本儲(chǔ)熱技術(shù)是上述清潔供暖系統(tǒng)都需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。熱能傳輸與存儲(chǔ)是幾乎所有能源利用技術(shù)中的關(guān)鍵科學(xué)問題，當(dāng)前儲(chǔ)熱成本在所有規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)中最低，全球儲(chǔ)熱市場近年來以18.7%的復(fù)合增長率迅速發(fā)展。儲(chǔ)熱按技術(shù)原理可以分為顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱三大類型。
1）顯熱儲(chǔ)熱
（1）技術(shù)問題
顯熱儲(chǔ)熱包含固體顯熱儲(chǔ)熱和液體顯熱儲(chǔ)熱兩大類。液體儲(chǔ)熱主要有水、導(dǎo)熱油、熔融鹽等；固體儲(chǔ)熱主要有土壤、砂石、混凝土、金屬、陶瓷等。顯熱儲(chǔ)熱不僅僅局限于材料密度、比熱和儲(chǔ)熱溫度范圍，其共性科學(xué)問題還包括：在材料方面，需要解決材料穩(wěn)定性、腐蝕性、提高導(dǎo)熱系數(shù)等；在設(shè)備方面，需要解決設(shè)備容量、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及設(shè)備內(nèi)部強(qiáng)化換熱問題；系統(tǒng)層面，需要解決儲(chǔ)熱容量與供熱量、用熱量大的匹配優(yōu)化、合理調(diào)度與智能化控制。
（2）研究和示范現(xiàn)狀
國內(nèi)外已有的研究均局限于圓柱形水箱的散熱和分層問題；
丹麥已有跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目，每個(gè)儲(chǔ)熱池結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案均有差異。
（3）難點(diǎn)
邊坡穩(wěn)定性及成本約束下的water-pit形狀；
儲(chǔ)熱效率；
自然對(duì)流抑制；
斜溫層保持；
多參數(shù)非均勻非穩(wěn)態(tài)復(fù)雜邊界條件。
（4）中科院電工所開展的工作
近十幾年來，中科院電工所太陽能熱發(fā)電技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)飽和水、導(dǎo)熱油、熔融鹽、混凝土、陶瓷等顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)開展了研究和示范工作。
此外，針對(duì)規(guī)?；柲芸缂竟?jié)供熱技術(shù)，中科院電工所開展了基于嚴(yán)寒寒冷地區(qū)環(huán)境適應(yīng)的新型低成本集熱方式、大型跨季節(jié)水體儲(chǔ)熱、多能互補(bǔ)集成和智能化控制技術(shù)等方面的研究和示范工作。以跨季節(jié)水體儲(chǔ)熱池為例：
通過實(shí)驗(yàn)與理論研究，獲得了大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱水體內(nèi)溫度分層機(jī)制及自然對(duì)流發(fā)展規(guī)律，為儲(chǔ)熱水體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、溫度分層器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)運(yùn)行控制優(yōu)化提供理論支撐。
2018年10月，中科院電工所研制的一期集熱-儲(chǔ)熱-供熱全系統(tǒng)熱控平臺(tái)——張家口黃帝城小鎮(zhèn)集中型太陽能供熱示范系統(tǒng)建成運(yùn)行，在無外界輔助能源條件下，為張家口市涿鹿縣礬山鎮(zhèn)黃帝城小鎮(zhèn)達(dá)華建國酒店共計(jì)3000㎡-5000㎡的建筑穩(wěn)定持續(xù)供暖，成功將多年研發(fā)的集中型太陽能供熱技術(shù)推向示范應(yīng)用，系統(tǒng)出水溫度達(dá)到90℃要求時(shí)，在冬季的熱效率可達(dá)到50%以上（折算在太陽能采光面積上）。涉及的關(guān)鍵部件完全使用中科院自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品。
2）相變/復(fù)合相變儲(chǔ)熱
相變儲(chǔ)熱是近年來儲(chǔ)熱技術(shù)中的研究熱點(diǎn)，主要利用相變材料的潛熱來實(shí)現(xiàn)熱量存儲(chǔ)。相變材料儲(chǔ)熱密度可以達(dá)到顯熱儲(chǔ)熱的2倍，儲(chǔ)熱設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊，充放熱溫度接近等溫，系統(tǒng)調(diào)控難度小。目前主要開展的是鹽類和金屬合金類的相變體系研究與應(yīng)用。復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料可以改善單純相變儲(chǔ)熱材料在結(jié)構(gòu)成型差、高溫腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)低等難題，是相變儲(chǔ)熱技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)。
通過與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)合作，電工所在無機(jī)鹽與納米顆粒、金屬、多孔陶瓷等復(fù)合材料儲(chǔ)熱技術(shù)方面開展了理論、實(shí)驗(yàn)和示范研究工作，技術(shù)可推廣應(yīng)用到低谷電力蓄熱供暖領(lǐng)域。
3）熱化學(xué)儲(chǔ)熱
熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)是利用可逆化學(xué)反應(yīng)中的吸熱和放熱過程來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，利用分解產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)熱能與化學(xué)能到存儲(chǔ)。只要將儲(chǔ)能物質(zhì)妥善保存，熱化學(xué)儲(chǔ)熱可以實(shí)現(xiàn)無熱損的長周期大規(guī)模儲(chǔ)熱，其儲(chǔ)能密度可以達(dá)到相變儲(chǔ)熱和顯熱儲(chǔ)熱的5倍到10倍，極具開發(fā)前景。
目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了7大體系、上百種熱化學(xué)反應(yīng)的研究，均處于試驗(yàn)研究的不同階段。其中有些反應(yīng)體系也可以利用到制氫、儲(chǔ)氫與二氧化碳捕捉或封存等領(lǐng)域。熱化學(xué)儲(chǔ)熱涉及多學(xué)科交叉，主要有：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，例如反應(yīng)種類的選擇、反應(yīng)物的改性、副反應(yīng)的抑制、反應(yīng)溫度、反應(yīng)速率以及催化劑的研制等；化工機(jī)械：反應(yīng)器設(shè)計(jì)、反應(yīng)過程中的熱質(zhì)傳遞等；工程熱物理：流動(dòng)與傳熱強(qiáng)化、系統(tǒng)熱力學(xué)分析；材料科學(xué)：腐蝕性、相容性、摻雜改性材料制備表征等；系統(tǒng)控制：系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控、經(jīng)濟(jì)模型等。基于氫氧化鈣儲(chǔ)能密度大，安全無毒，價(jià)格低廉，反應(yīng)壓力低，反應(yīng)溫度適中的優(yōu)點(diǎn)，電工所已經(jīng)在氫氧化物體系開展研究工作，旨在通過材料改性、反應(yīng)器內(nèi)部熱質(zhì)傳遞優(yōu)化和系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決該技術(shù)中現(xiàn)有的燒結(jié)、腐蝕和循環(huán)壽命方面難題。
應(yīng)對(duì)我國清潔能源發(fā)展和清潔供暖需求，以資源適宜、綠色宜居、節(jié)本增效、多能互補(bǔ)、原位消納為目標(biāo)，合理制定政策規(guī)劃和細(xì)化實(shí)施細(xì)則，從源、網(wǎng)、儲(chǔ)、輸、荷、控層面系統(tǒng)著眼和入手，研究低成本清潔能源生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)，研發(fā)資源和環(huán)境適宜性好、低成本清潔供暖關(guān)鍵技術(shù)與裝備，完善系統(tǒng)集成優(yōu)化與智能化運(yùn)行調(diào)控技術(shù)及評(píng)價(jià)體系，這是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要在政-產(chǎn)-學(xué)-研-用幾方面充分交流合作并取得深入進(jìn)展的前提下，逐步健康科學(xué)的發(fā)展，這一進(jìn)程將為我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科研領(lǐng)域帶來新一輪巨大繁榮。
編輯：董清風(fēng)
