近日，歐洲能源研究聯盟（EERA）工業過程能效聯合研究計劃（JP EEIP）發布《工業儲熱：支持向脫碳工業轉型》白皮書，提出了工業儲熱技術現狀、挑戰和研發建議。要點如下：

一、儲熱在工業中的潛在應用

1、工業過程供熱或制冷

根據氣候條件，可將工業太陽能供熱系統與儲熱系統結合使用。有前景的應用包括：①對于高溫工藝熱需求（400℃），可以使用電加熱與多孔固體儲熱相結合；②對于中溫熱水和工藝蒸汽需求（最高200℃），有多種選擇，包括工業熱泵與儲熱結合，太陽能供熱系統與儲熱結合；③對于工業冷庫（低于6℃）、制冷系統（如冷風機或空調），可以向顯熱或相變材料儲熱系統提供低溫能源，以滿足新制冷周期開始時的冷需求高峰，并利用低成本可再生電力。

2、工業余熱利用

有前景的應用包括：①短期儲熱，批量處理過程中的剩余熱量被用于下一批次的預熱，以減少能源輸入并提高能源效率，使用的儲熱技術取決于可用的剩余熱量（例如化工中需要足夠起始溫度的放熱工藝，如聚合反應或烷氧基化），短期儲熱也可以提高利用波動的工業剩余熱量進行區域供熱的潛力；②長期儲熱，將工業生產過程中的剩余熱量儲存起來，在冬季為工業基地提供空間供暖，或輸出到區域供熱網絡，這要求儲熱溫度在70-120℃，或者對存儲的低溫熱量進行升級，以及為有低溫需求的熱用戶提供熱量。

3、工業備用儲熱

工業備用儲熱可作為不間斷的熱能供應，以應對突發事件，這需要具備快速響應和高可靠性。目前工業界大多依靠燃氣鍋爐作為備用熱源，而儲熱系統能夠提供備用蒸汽，避免使用蒸汽鍋爐。當前市場可用產品為蒸汽蓄能器，而相變材料儲熱和熱化學儲熱方案則是未來發展的重點。對于更高溫度的儲熱，可使用多孔固體儲熱，未來可發展高溫相變材料儲熱和熱化學儲熱。

4、工業熱供電

除了電池之外，儲熱可以提供低成本的解決方案，以滿足未來對高功率、高容量和長時間儲能的需求，工業熱供電需要重點開發幾種技術：①高溫卡諾電池，利用電加熱在多孔固體中存儲熱量至800℃；②中溫卡諾電池，使用熱泵將電力轉換為熱量，最高可達200℃，為了提高性能，可將工業余熱作為熱泵的熱源；③絕熱壓縮空氣系統，需要配備高溫儲熱（通常使用陶瓷多孔固體）。

二、工業儲熱技術現狀及挑戰

1、顯熱儲熱

顯熱儲熱通過升高或降低材料的溫度而實現熱量的存儲或釋放，典型儲熱材料包括水、熱油、巖石、砂巖、粘土、磚、鋼、混凝土和熔鹽等。

（1）基于液體的顯熱儲熱技術成熟度（TRL）已經達到9級，主要應用于成本低且空間不受限的情況，儲熱周期為幾個小時到幾天。該類技術面臨的主要技術挑戰為：①增加體積能量密度，從而減少空間需求；②降低溫度、壓力和減緩熔融鹽腐蝕；③減少因缺乏緊湊性而造成的熱損失。

（2）基于固體的顯熱儲熱TRL達到7級，主要應用于成本低且空間不受限的情況，儲熱周期為幾個小時到幾天。該類技術面臨的主要技術挑戰為：①減少重量，增加體積能量密度，從而減少空間需求和系統重量；②改進熱交換過程。

（3）基于含水層等地下儲層的顯熱儲熱TRL達到7級，主要應用于低于90℃的大規模季節性儲熱，充熱期間熱量也可以使用。該類技術面臨的主要技術挑戰為：①減少面積需求；②減少對特定地質條件的依賴；③減少高溫熱損失；④減少啟動時間；⑤增加溫度范圍。

（4）基于礦井的顯熱儲熱TRL達到7級，主要應用于60-80℃溫度范圍內數周至數月的大規模儲熱，充熱期間熱量也可以使用。該類技術面臨的主要技術挑戰為：①減少地表空間需求；②提高儲熱效率，改進儲熱溫度水平和分層特性的影響。

2、潛熱儲熱

潛熱儲熱利用儲存材料的相變，典型相變材料包括冰、石蠟、脂肪酸、糖醇、鹽水合物、無機鹽和金屬等。該技術的TRL為4-7級，主要應用于小型儲熱裝置，儲熱周期為幾個小時到幾天。該類技術面臨的主要技術挑戰為：①提高傳熱速率；②改進相變材料的標準化和商業化工藝；③提高解決方案的通用性；④改進相變材料耐用性；⑤提高儲熱材料純度。

3、吸附儲熱

吸附儲熱基于吸附質（氣體）和固體或液體吸附劑之間的可逆氣固反應，通常溫度低于200℃。這種可逆吸附/脫附過程中涉及的吸附熱通常大于顯熱和潛熱儲熱，其優點是能夠以最小的熱損失長期存儲熱量。典型固體吸附劑包括多孔結構材料，例如沸石、硅膠和活性氧化鋁，可以吸附/解吸氣體（如水或氨蒸氣）；典型液體吸附劑為濃鹽溶液，例如氯化鋰、溴化鋰和氫氧化鈉的水溶液。吸附儲熱的TRL為6-8級，主要應用于空間受限情況下，儲熱周期為幾個小時到幾個月。該類技術面臨的主要技術挑戰為：①增加可用于200℃以上的商用材料；②利用產生的冷能提高效率；③縮小充/放熱溫度差值。

4、熱化學儲熱

熱化學儲熱也基于可逆氣固反應，與吸附儲熱類似，因而也具有熱損失小的優點，但具有更高的儲熱密度和更低的成本。其與吸附儲熱的主要區別在于氣體直接被固體晶格吸收，從而改變了晶體結構。當溫度低于200℃時，將固體無機鹽和氣體用于熱化學儲熱，如氯化鈣和水蒸氣，或氯化鍶和氨蒸氣；250-600℃溫度范圍內，利用氫氧化物形成（如氧化鈣/氫氧化鈣）和碳酸化反應（如氧化鈣/碳酸鈣）儲熱；在800-1800℃溫度范圍內，可使用氧化反應儲熱，例如過氧化鋇/氧化鋇或鐵/四氧化三鐵。熱化學儲熱的TRL為4-6級，主要應用于空間受限情況下，儲熱周期為幾個小時到幾個月。該類技術面臨的主要技術挑戰為：①提高材料的耐久性和穩定性；②消除成團/結塊問題；③縮小充/放熱溫度差。

三、新興儲熱技術解決方案

1、固體顯熱儲熱

固體顯熱儲熱系統為存儲高溫熱提供了一種可靠和安全的方法，近期新興技術包括混凝土儲熱和填充床儲熱。挪威EnergyNest公司開發并示范了一種基于高導電混凝土的模塊化儲熱系統，稱為Heatcrete?，該技術最近應用于挪威一家化工廠的蒸汽管網，未來將應用在奧地利Senftenbacher公司的磚廠和荷蘭Sloecentrale聯合循環發電廠。西門子歌美颯的卡諾電池試驗工廠中，使用了740℃的玄武巖填充床儲熱系統，其儲熱容量為130兆瓦時；安賽樂米塔爾在西班牙的鋼鐵回收廠也使用填充床儲熱進行余熱回收。

2、相變材料儲熱

相變材料儲熱的新發展是高溫相變儲熱材料，其熔化溫度超過100℃，如硝酸鹽共晶、二羧酸、糖醇甚至金屬材料。近年來對改進相變材料儲熱性能開展了大量研究，如通過添加導電填料增強導熱性能，從而提高充/放熱速率。通過減少傳熱表面積（例如金屬翅片），可建造更緊湊和低成本的儲熱系統。此外，正在開發新型耐高溫封裝材料，以提高高溫相變儲熱材料的應用前景。

3、熱化學和吸附儲熱

熱化學和吸附儲熱技術正開發具有高能量密度和穩定性的復合材料。研發部門正在探究在多孔基質中加入鹽的復合材料及其制備技術，旨在提高儲能密度，增強吸附/反應的穩定性，同時延長壽命。此外，還開發了涂層技術，以防止熱化學材料結塊或粉碎。瑞典能源公司SaltX Technology已經證實了該方案的可行性，該公司開發了一種納米涂層鹽，用于名為EnerStore的熱化學儲熱系統，實現了以低成本材料完成多次充/放熱循環，該系統基于氧化鈣與水/蒸汽之間的熱化學反應，已經在柏林的Vattenfall熱電聯產工廠進行了電制熱（Power-To-Heat）的試點示范，自2019年3月起投入使用。其儲熱容量為10兆瓦時，電制熱總效率為72%-85%，理論最大值為92%，可以高精度地控制放熱速率和水平。

4、先進仿真

仿真模型的開發可以有效地支持儲熱系統在綜合工業能源系統中的應用，可以快速地設計儲熱系統，對創新配置進行靈敏度分析。例如，潛熱儲熱領域新開發出一種基于仿真的系統設計性能評估。尤其是對于工業熱化學儲熱系統，反應器和工藝設計中的熱化學反應動力學可以通過先進的非參數模型來預測。通過將原來的吸附單元改變為混合吸附/壓縮冷卻器的一部分，可以提升整個系統的效率。該方案通過將熱能和電能結合，增加了對可再生能源的利用，特別是用于低溫儲熱應用，如食品加工。

四、工業儲熱系統集成

1、電制熱發電（Power-to-Heat-to-Power）

工業生產電氣化已成為研究和應用的重點，但電能代替工業過程燃料將出現與波動性電力供應和電網容量相關的問題，需要儲能系統加以解決。到目前為止，還缺乏不受限于地理位置且經濟高效的儲能系統，電力轉化為其他載體發電（Power-to-X-to-Power，PXP）被認為是有前途的解決方案，其將電能轉換為其他形式的能量載體并儲存，在需要時重新轉換為電能。電制熱發電（Power-to-Heat-to-Power）是PXP的一個低成本選擇，也稱為卡諾電池解決方案，西門子歌美颯已經做出了成功示范，其位于漢堡的卡諾電池儲熱電站于2019年夏季投入運營，使用了玄武巖填充床儲熱，通過電加熱器和鼓風機充入空氣。該系統利用蒸汽朗肯循環將存儲的熱量轉換為電能，其電-熱-電效率為45%，最高發電功率為1.5兆瓦。

2、改造現有發電廠

集成儲熱系統也有助于改造現有的化石燃料發電廠，尤其是在CO2減排目標下一部分面臨關閉的燃煤電廠。如德國I-Tess項目將現有燃煤電廠的剩余電力轉換為熱量，在電力緊缺時使用電廠的蒸汽循環進行熱能轉換。德國Store To Power項目正在開發儲熱發電試點工廠，將現有燃煤電廠與高溫儲熱相結合，包括電加熱和蒸汽發生器，可輸送燃煤電廠蒸汽循環中約10%的蒸汽。西門子歌美颯是致力于燃煤電廠改造的領先企業之一，通過整合儲熱系統，以波動性可再生能源電力為輸入，提供電力、熱量或蒸汽，其已經進行了30兆瓦玄武巖儲熱系統示范。

五、技術行動建議

為了促進工業儲熱的大規模采用，需立即采取技術行動，尤其是針對預商業化階段（P階段）和商業化階段（C階段）開展行動，建議：

（1）開展工業儲熱研發項目（P階段），重點關注前文所述技術挑戰。

（2）進行儲熱及其工業應用的技術經濟性研究（P階段），包括：①在可再生能源電力-熱/冷-發電中應用儲熱技術，如卡諾電池；②在可再生能源電力供熱/制冷中使用儲熱技術，使波動性電力供應與工業熱需求相匹配；③利用地熱能和太陽能來滿足熱需求；④工業余熱的回收、存儲和利用；⑤儲熱在工業制冷和冷鏈中的應用；⑥將儲熱作為其他供熱技術故障時的可靠備用系統。

（3）確定并共享儲熱比其他儲能形式（電池或氫能）更具經濟、環境、操作優勢的應用（P階段）。

（4）開發和運營儲熱示范項目，并提供開放獲取結果和數據（P階段）。

（5）通過出版物、演講和其他形式的媒體參與，積極向行業、決策者和其他利益相關方分享最佳實踐，傳播知識和數據（P階段）。

（6）開發具有統一關鍵績效指標的可訪問儲熱材料數據庫（C階段）。

（7）與監管機構、專業機構和行業合作，開發標準化儲熱系統（C階段）。

（賈啟慧 岳芳）