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(guó)科學(xué)院電工研究所(以下簡(jiǎn)稱中科院電工所)作為我國(guó)專門(mén)從事電氣科學(xué)研究的特色能源國(guó)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(lái)在國(guó)家科技部、中國(guó)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(lái)，電工所又專門(mén)成立太陽(yáng)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(yáng)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(wèn)題，包括高密度長(zhǎng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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。

一、清潔能源研究進(jìn)展

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(guò)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(guó)內(nèi)2019年氫氣制備超2000萬(wàn)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(guó)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(yáng)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(guó)棄風(fēng)棄光(262億度)如果采用電解水制氫，即可獲得52萬(wàn)噸產(chǎn)量，可超過(guò)當(dāng)前全國(guó)電解水制氫產(chǎn)量的一半。

圖:國(guó)際制氫現(xiàn)狀

圖:國(guó)內(nèi)制氫現(xiàn)狀(單位:萬(wàn)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(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)光伏電解水制氫和太陽(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制氫未來(lái)發(fā)展做了分析，認(rèn)為太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制氫

1)基本原理

太陽(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制氫是通過(guò)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(yáng)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)較小;兩步法循環(huán)溫度高，工藝簡(jiǎn)單，適宜與聚光太陽(yáng)能結(jié)合。典型的兩步法制氫過(guò)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(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀

(1)太陽(yáng)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(guó)DLR)。尚未大型化，產(chǎn)業(yè)化。

3)太陽(yáng)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(wèn)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(chǎng)耦合傳熱機(jī)理;

(3)系統(tǒng)層面:基于太陽(yáng)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(kāi)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(yáng)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(yáng)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(chǎng)輔助電解水制氫方面也做了探索性研究。

二、清潔供暖

1、技術(shù)路徑與存在問(wèn)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(yáng)能跨季節(jié)供熱、低谷電力蓄熱供熱、各類熱泵供暖等。總的來(lái)說(shuō)，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(yáng)能跨季節(jié)供熱技術(shù)為例，丹麥等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)內(nèi)在適合嚴(yán)寒寒冷地區(qū)供熱的集熱器、低成本規(guī)模化儲(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(kāi)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(wèn)題，當(dāng)前儲(chǔ)熱成本在所有規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)中最低，全球儲(chǔ)熱市場(chǎng)近年來(lái)以18.7%的復(fù)合增長(zhǎng)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guó)內(nèi)外已有的研究均局限于圓柱形水箱的散熱和分層問(wèn)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(kāi)展的工作

近十幾年來(lái)，中科院電工所太陽(yáng)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(kāi)展了研究和示范工作。

此外，針對(duì)規(guī)模化太陽(yáng)能跨季節(jié)供熱技術(shù)，中科院電工所開(kāi)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(guò)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(yáng)能供熱示范系統(tǒng)建成運(yùn)行，在無(wú)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(guó)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(yáng)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(yáng)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(lái)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(lái)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(kāi)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(guò)與國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)合作，中科院電工所在無(wú)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(kāi)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(guò)程來(lái)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(wú)熱損的長(zhǎng)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(kāi)發(fā)前景。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)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(guò)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(wú)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(kāi)展研究工作，旨在通過(guò)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。