近日，歐洲能源研究聯(lián)盟（EERA）工業(yè)過程能效聯(lián)合研究計劃（JP EEIP）發(fā)布《工業(yè)儲熱：支持向脫碳工業(yè)轉(zhuǎn)型》白皮書，提出了工業(yè)儲熱技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和研發(fā)建議。要點如下：

一、儲熱在工業(yè)中的潛在應(yīng)用

1、工業(yè)過程供熱或制冷

根據(jù)氣候條件，可將工業(yè)太陽能供熱系統(tǒng)與儲熱系統(tǒng)結(jié)合使用。有前景的應(yīng)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(jié)合；②對于中溫?zé)崴凸に囌羝枨螅ㄗ罡?00℃），有多種選擇，包括工業(yè)熱泵與儲熱結(jié)合，太陽能供熱系統(tǒng)與儲熱結(jié)合；③對于工業(yè)冷庫（低于6℃）、制冷系統(tǒng)（如冷風(fēng)機(jī)或空調(diào)），可以向顯熱或相變材料儲熱系統(tǒng)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(yè)余熱利用

有前景的應(yīng)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(yù)熱，以減少能源輸入并提高能源效率，使用的儲熱技術(shù)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(yīng)或烷氧基化），短期儲熱也可以提高利用波動的工業(yè)剩余熱量進(jìn)行區(qū)域供熱的潛力；②長期儲熱，將工業(yè)生產(chǎn)過程中的剩余熱量儲存起來，在冬季為工業(yè)基地提供空間供暖，或輸出到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)，這要求儲熱溫度在70-120℃，或者對存儲的低溫?zé)崃窟M(jìn)行升級，以及為有低溫需求的熱用戶提供熱量。

3、工業(yè)備用儲熱

工業(yè)備用儲熱可作為不間斷的熱能供應(yīng)，以應(yīng)對突發(fā)事件，這需要具備快速響應(yīng)和高可靠性。目前工業(yè)界大多依靠燃?xì)忮仩t作為備用熱源，而儲熱系統(tǒng)能夠提供備用蒸汽，避免使用蒸汽鍋爐。當(dāng)前市場可用產(chǎn)品為蒸汽蓄能器，而相變材料儲熱和熱化學(xué)儲熱方案則是未來發(fā)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(fā)展高溫相變材料儲熱和熱化學(xué)儲熱。

4、工業(yè)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(yè)熱供電需要重點開發(fā)幾種技術(shù)：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(zhuǎn)換為熱量，最高可達(dá)200℃，為了提高性能，可將工業(yè)余熱作為熱泵的熱源；③絕熱壓縮空氣系統(tǒng)，需要配備高溫儲熱（通常使用陶瓷多孔固體）。

二、工業(yè)儲熱技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

1、顯熱儲熱

顯熱儲熱通過升高或降低材料的溫度而實現(xiàn)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(shù)成熟度（TRL）已經(jīng)達(dá)到9級，主要應(yīng)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(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)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(dá)到7級，主要應(yīng)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(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)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(tǒng)重量；②改進(jìn)熱交換過程。

（3）基于含水層等地下儲層的顯熱儲熱TRL達(dá)到7級，主要應(yīng)用于低于90℃的大規(guī)模季節(jié)性儲熱，充熱期間熱量也可以使用。該類技術(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)為：①減少面積需求；②減少對特定地質(zhì)條件的依賴；③減少高溫?zé)釗p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(dá)到7級，主要應(yīng)用于60-80℃溫度范圍內(nèi)數(shù)周至數(shù)月的大規(guī)模儲熱，充熱期間熱量也可以使用。該類技術(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)為：①減少地表空間需求；②提高儲熱效率，改進(jìn)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(jī)鹽和金屬等。該技術(shù)的TRL為4-7級，主要應(yīng)用于小型儲熱裝置，儲熱周期為幾個小時到幾天。該類技術(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)為：①提高傳熱速率；②改進(jìn)相變材料的標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)化工藝；③提高解決方案的通用性；④改進(jìn)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(zhì)（氣體）和固體或液體吸附劑之間的可逆氣固反應(yīng)，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(yōu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)為：①增加可用于200℃以上的商用材料；②利用產(chǎn)生的冷能提高效率；③縮小充/放熱溫度差值。

4、熱化學(xué)儲熱

熱化學(xué)儲熱也基于可逆氣固反應(yīng)，與吸附儲熱類似，因而也具有熱損失小的優(yōu)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(qū)別在于氣體直接被固體晶格吸收，從而改變了晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度低于200℃時，將固體無機(jī)鹽和氣體用于熱化學(xué)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(nèi)，利用氫氧化物形成（如氧化鈣/氫氧化鈣）和碳酸化反應(yīng)（如氧化鈣/碳酸鈣）儲熱；在800-1800℃溫度范圍內(nèi)，可使用氧化反應(yīng)儲熱，例如過氧化鋇/氧化鋇或鐵/四氧化三鐵。熱化學(xué)儲熱的TRL為4-6級，主要應(yīng)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(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)為：①提高材料的耐久性和穩(wěn)定性；②消除成團(tuán)/結(jié)塊問題；③縮小充/放熱溫度差。

三、新興儲熱技術(shù)解決方案

1、固體顯熱儲熱

固體顯熱儲熱系統(tǒng)為存儲高溫?zé)崽峁┝艘环N可靠和安全的方法，近期新興技術(shù)包括混凝土儲熱和填充床儲熱。挪威EnergyNest公司開發(fā)并示范了一種基于高導(dǎo)電混凝土的模塊化儲熱系統(tǒng)，稱為Heatcrete?，該技術(shù)最近應(yīng)用于挪威一家化工廠的蒸汽管網(wǎng)，未來將應(yīng)用在奧地利Senftenbacher公司的磚廠和荷蘭Sloecentrale聯(lián)合循環(huán)發(fā)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(tǒng)，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(jìn)行余熱回收。

2、相變材料儲熱

相變材料儲熱的新發(fā)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(jìn)相變材料儲熱性能開展了大量研究，如通過添加導(dǎo)電填料增強(qiáng)導(dǎo)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(tǒng)。此外，正在開發(fā)新型耐高溫封裝材料，以提高高溫相變儲熱材料的應(yīng)用前景。

3、熱化學(xué)和吸附儲熱

熱化學(xué)和吸附儲熱技術(shù)正開發(fā)具有高能量密度和穩(wěn)定性的復(fù)合材料。研發(fā)部門正在探究在多孔基質(zhì)中加入鹽的復(fù)合材料及其制備技術(shù)，旨在提高儲能密度，增強(qiáng)吸附/反應(yīng)的穩(wěn)定性，同時延長壽命。此外，還開發(fā)了涂層技術(shù)，以防止熱化學(xué)材料結(jié)塊或粉碎。瑞典能源公司SaltX Technology已經(jīng)證實了該方案的可行性，該公司開發(fā)了一種納米涂層鹽，用于名為EnerStore的熱化學(xué)儲熱系統(tǒng)，實現(xiàn)了以低成本材料完成多次充/放熱循環(huán)，該系統(tǒng)基于氧化鈣與水/蒸汽之間的熱化學(xué)反應(yīng)，已經(jīng)在柏林的Vattenfall熱電聯(lián)產(chǎn)工廠進(jìn)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(jìn)仿真

仿真模型的開發(fā)可以有效地支持儲熱系統(tǒng)在綜合工業(yè)能源系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以快速地設(shè)計儲熱系統(tǒng)，對創(chuàng)新配置進(jìn)行靈敏度分析。例如，潛熱儲熱領(lǐng)域新開發(fā)出一種基于仿真的系統(tǒng)設(shè)計性能評估。尤其是對于工業(yè)熱化學(xué)儲熱系統(tǒng)，反應(yīng)器和工藝設(shè)計中的熱化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)可以通過先進(jìn)的非參數(shù)模型來預(yù)測。通過將原來的吸附單元改變?yōu)榛旌衔?壓縮冷卻器的一部分，可以提升整個系統(tǒng)的效率。該方案通過將熱能和電能結(jié)合，增加了對可再生能源的利用，特別是用于低溫儲熱應(yīng)用，如食品加工。

四、工業(yè)儲熱系統(tǒng)集成

1、電制熱發(fā)電（Power-to-Heat-to-Power）

工業(yè)生產(chǎn)電氣化已成為研究和應(yīng)用的重點，但電能代替工業(yè)過程燃料將出現(xiàn)與波動性電力供應(yīng)和電網(wǎng)容量相關(guān)的問題，需要儲能系統(tǒng)加以解決。到目前為止，還缺乏不受限于地理位置且經(jīng)濟(jì)高效的儲能系統(tǒng)，電力轉(zhuǎn)化為其他載體發(fā)電（Power-to-X-to-Power，PXP）被認(rèn)為是有前途的解決方案，其將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量載體并儲存，在需要時重新轉(zhuǎn)換為電能。電制熱發(fā)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(jīng)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(fēng)機(jī)充入空氣。該系統(tǒng)利用蒸汽朗肯循環(huán)將存儲的熱量轉(zhuǎn)換為電能，其電-熱-電效率為45%，最高發(fā)電功率為1.5兆瓦。

2、改造現(xiàn)有發(fā)電廠

集成儲熱系統(tǒng)也有助于改造現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電廠，尤其是在CO2減排目標(biāo)下一部分面臨關(guān)閉的燃煤電廠。如德國I-Tess項目將現(xiàn)有燃煤電廠的剩余電力轉(zhuǎn)換為熱量，在電力緊缺時使用電廠的蒸汽循環(huán)進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換。德國Store To Power項目正在開發(fā)儲熱發(fā)電試點工廠，將現(xiàn)有燃煤電廠與高溫儲熱相結(jié)合，包括電加熱和蒸汽發(fā)生器，可輸送燃煤電廠蒸汽循環(huán)中約10%的蒸汽。西門子歌美颯是致力于燃煤電廠改造的領(lǐng)先企業(yè)之一，通過整合儲熱系統(tǒng)，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(jīng)進(jìn)行了30兆瓦玄武巖儲熱系統(tǒng)示范。

五、技術(shù)行動建議

為了促進(jìn)工業(yè)儲熱的大規(guī)模采用，需立即采取技術(shù)行動，尤其是針對預(yù)商業(yè)化階段（P階段）和商業(yè)化階段（C階段）開展行動，建議：

（1）開展工業(yè)儲熱研發(fā)項目（P階段），重點關(guān)注前文所述技術(shù)挑戰(zhàn)。

（2）進(jìn)行儲熱及其工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究（P階段），包括：①在可再生能源電力-熱/冷-發(fā)電中應(yīng)用儲熱技術(shù)，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(shù)，使波動性電力供應(yīng)與工業(yè)熱需求相匹配；③利用地?zé)崮芎吞柲軄頋M足熱需求；④工業(yè)余熱的回收、存儲和利用；⑤儲熱在工業(yè)制冷和冷鏈中的應(yīng)用；⑥將儲熱作為其他供熱技術(shù)故障時的可靠備用系統(tǒng)。

（3）確定并共享儲熱比其他儲能形式（電池或氫能）更具經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、操作優(yōu)勢的應(yīng)用（P階段）。

（4）開發(fā)和運營儲熱示范項目，并提供開放獲取結(jié)果和數(shù)據(jù)（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(yè)、決策者和其他利益相關(guān)方分享最佳實踐，傳播知識和數(shù)據(jù)（P階段）。

（6）開發(fā)具有統(tǒng)一關(guān)鍵績效指標(biāo)的可訪問儲熱材料數(shù)據(jù)庫（C階段）。

（7）與監(jiān)管機(jī)構(gòu)、專業(yè)機(jī)構(gòu)和行業(yè)合作，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化儲熱系統(tǒng)（C階段）。

（賈啟慧 岳芳）