欧洲能源研究联盟发布工业储热技术研发白皮书

近日，欧洲能源研究联盟（EERA）工业过程能效联合研究计划（JP EEIP）发布《工业储热：支持向脱碳工业转型》白皮书，提出了工业储热技术现状、挑战和研发建议。要点如下：

一、储热在工业中的潜在应用

1、工业过程供热或制冷

根据气候条件，可将工业太阳能供热系统与储热系统结合使用。有前景的应用包括：①对于高温工艺热需求（400℃），可以使用电加热与多孔固体储热相结合；②对于中温热水和工艺蒸汽需求（最高200℃），有多种选择，包括工业热泵与储热结合，太阳能供热系统与储热结合；③对于工业冷库（低于6℃）、制冷系统（如冷风机或空调），可以向显热或相变材料储热系统提供低温能源，以满足新制冷周期开始时的冷需求高峰，并利用低成本可再生电力。

2、工业余热利用

有前景的应用包括：①短期储热，批量处理过程中的剩余热量被用于下一批次的预热，以减少能源输入并提高能源效率，使用的储热技术取决于可用的剩余热量（例如化工中需要足够起始温度的放热工艺，如聚合反应或烷氧基化），短期储热也可以提高利用波动的工业剩余热量进行区域供热的潜力；②长期储热，将工业生产过程中的剩余热量储存起来，在冬季为工业基地提供空间供暖，或输出到区域供热网络，这要求储热温度在70-120℃，或者对存储的低温热量进行升级，以及为有低温需求的热用户提供热量。

3、工业备用储热

工业备用储热可作为不间断的热能供应，以应对突发事件，这需要具备快速响应和高可靠性。目前工业界大多依靠燃气锅炉作为备用热源，而储热系统能够提供备用蒸汽，避免使用蒸汽锅炉。当前市场可用产品为蒸汽蓄能器，而相变材料储热和热化学储热方案则是未来发展的重点。对于更高温度的储热，可使用多孔固体储热，未来可发展高温相变材料储热和热化学储热。

4、工业热供电

除了电池之外，储热可以提供低成本的解决方案，以满足未来对高功率、高容量和长时间储能的需求，工业热供电需要重点开发几种技术：①高温卡诺电池，利用电加热在多孔固体中存储热量至800℃；②中温卡诺电池，使用热泵将电力转换为热量，最高可达200℃，为了提高性能，可将工业余热作为热泵的热源；③绝热压缩空气系统，需要配备高温储热（通常使用陶瓷多孔固体）。

二、工业储热技术现状及挑战

1、显热储热

显热储热通过升高或降低材料的温度而实现热量的存储或释放，典型储热材料包括水、热油、岩石、砂岩、粘土、砖、钢、混凝土和熔盐等。

（1）基于液体的显热储热技术成熟度（TRL）已经达到9级，主要应用于成本低且空间不受限的情况，储热周期为几个小时到几天。该类技术面临的主要技术挑战为：①增加体积能量密度，从而减少空间需求；②降低温度、压力和减缓熔融盐腐蚀；③减少因缺乏紧凑性而造成的热损失。

（2）基于固体的显热储热TRL达到7级，主要应用于成本低且空间不受限的情况，储热周期为几个小时到几天。该类技术面临的主要技术挑战为：①减少重量，增加体积能量密度，从而减少空间需求和系统重量；②改进热交换过程。

（3）基于含水层等地下储层的显热储热TRL达到7级，主要应用于低于90℃的大规模季节性储热，充热期间热量也可以使用。该类技术面临的主要技术挑战为：①减少面积需求；②减少对特定地质条件的依赖；③减少高温热损失；④减少启动时间；⑤增加温度范围。

（4）基于矿井的显热储热TRL达到7级，主要应用于60-80℃温度范围内数周至数月的大规模储热，充热期间热量也可以使用。该类技术面临的主要技术挑战为：①减少地表空间需求；②提高储热效率，改进储热温度水平和分层特性的影响。

2、潜热储热

潜热储热利用储存材料的相变，典型相变材料包括冰、石蜡、脂肪酸、糖醇、盐水合物、无机盐和金属等。该技术的TRL为4-7级，主要应用于小型储热装置，储热周期为几个小时到几天。该类技术面临的主要技术挑战为：①提高传热速率；②改进相变材料的标准化和商业化工艺；③提高解决方案的通用性；④改进相变材料耐用性；⑤提高储热材料纯度。

3、吸附储热

吸附储热基于吸附质（气体）和固体或液体吸附剂之间的可逆气固反应，通常温度低于200℃。这种可逆吸附/脱附过程中涉及的吸附热通常大于显热和潜热储热，其优点是能够以最小的热损失长期存储热量。典型固体吸附剂包括多孔结构材料，例如沸石、硅胶和活性氧化铝，可以吸附/解吸气体（如水或氨蒸气）；典型液体吸附剂为浓盐溶液，例如氯化锂、溴化锂和氢氧化钠的水溶液。吸附储热的TRL为6-8级，主要应用于空间受限情况下，储热周期为几个小时到几个月。该类技术面临的主要技术挑战为：①增加可用于200℃以上的商用材料；②利用产生的冷能提高效率；③缩小充/放热温度差值。

4、热化学储热

热化学储热也基于可逆气固反应，与吸附储热类似，因而也具有热损失小的优点，但具有更高的储热密度和更低的成本。其与吸附储热的主要区别在于气体直接被固体晶格吸收，从而改变了晶体结构。当温度低于200℃时，将固体无机盐和气体用于热化学储热，如氯化钙和水蒸气，或氯化锶和氨蒸气；250-600℃温度范围内，利用氢氧化物形成（如氧化钙/氢氧化钙）和碳酸化反应（如氧化钙/碳酸钙）储热；在800-1800℃温度范围内，可使用氧化反应储热，例如过氧化钡/氧化钡或铁/四氧化三铁。热化学储热的TRL为4-6级，主要应用于空间受限情况下，储热周期为几个小时到几个月。该类技术面临的主要技术挑战为：①提高材料的耐久性和稳定性；②消除成团/结块问题；③缩小充/放热温度差。

三、新兴储热技术解决方案

1、固体显热储热

固体显热储热系统为存储高温热提供了一种可靠和安全的方法，近期新兴技术包括混凝土储热和填充床储热。挪威EnergyNest公司开发并示范了一种基于高导电混凝土的模块化储热系统，称为Heatcrete®，该技术最近应用于挪威一家化工厂的蒸汽管网，未来将应用在奥地利Senftenbacher公司的砖厂和荷兰Sloecentrale联合循环发电厂。西门子歌美飒的卡诺电池试验工厂中，使用了740℃的玄武岩填充床储热系统，其储热容量为130兆瓦时；安赛乐米塔尔在西班牙的钢铁回收厂也使用填充床储热进行余热回收。

2、相变材料储热

相变材料储热的新发展是高温相变储热材料，其熔化温度超过100℃，如硝酸盐共晶、二羧酸、糖醇甚至金属材料。近年来对改进相变材料储热性能开展了大量研究，如通过添加导电填料增强导热性能，从而提高充/放热速率。通过减少传热表面积（例如金属翅片），可建造更紧凑和低成本的储热系统。此外，正在开发新型耐高温封装材料，以提高高温相变储热材料的应用前景。

3、热化学和吸附储热

热化学和吸附储热技术正开发具有高能量密度和稳定性的复合材料。研发部门正在探究在多孔基质中加入盐的复合材料及其制备技术，旨在提高储能密度，增强吸附/反应的稳定性，同时延长寿命。此外，还开发了涂层技术，以防止热化学材料结块或粉碎。瑞典能源公司SaltX Technology已经证实了该方案的可行性，该公司开发了一种纳米涂层盐，用于名为EnerStore的热化学储热系统，实现了以低成本材料完成多次充/放热循环，该系统基于氧化钙与水/蒸汽之间的热化学反应，已经在柏林的Vattenfall热电联产工厂进行了电制热（Power-To-Heat）的试点示范，自2019年3月起投入使用。其储热容量为10兆瓦时，电制热总效率为72%-85%，理论最大值为92%，可以高精度地控制放热速率和水平。

4、先进仿真

仿真模型的开发可以有效地支持储热系统在综合工业能源系统中的应用，可以快速地设计储热系统，对创新配置进行灵敏度分析。例如，潜热储热领域新开发出一种基于仿真的系统设计性能评估。尤其是对于工业热化学储热系统，反应器和工艺设计中的热化学反应动力学可以通过先进的非参数模型来预测。通过将原来的吸附单元改变为混合吸附/压缩冷却器的一部分，可以提升整个系统的效率。该方案通过将热能和电能结合，增加了对可再生能源的利用，特别是用于低温储热应用，如食品加工。

四、工业储热系统集成

1、电制热发电（Power-to-Heat-to-Power）

工业生产电气化已成为研究和应用的重点，但电能代替工业过程燃料将出现与波动性电力供应和电网容量相关的问题，需要储能系统加以解决。到目前为止，还缺乏不受限于地理位置且经济高效的储能系统，电力转化为其他载体发电（Power-to-X-to-Power，PXP）被认为是有前途的解决方案，其将电能转换为其他形式的能量载体并储存，在需要时重新转换为电能。电制热发电（Power-to-Heat-to-Power）是PXP的一个低成本选择，也称为卡诺电池解决方案，西门子歌美飒已经做出了成功示范，其位于汉堡的卡诺电池储热电站于2019年夏季投入运营，使用了玄武岩填充床储热，通过电加热器和鼓风机充入空气。该系统利用蒸汽朗肯循环将存储的热量转换为电能，其电-热-电效率为45%，最高发电功率为1.5兆瓦。

2、改造现有发电厂

集成储热系统也有助于改造现有的化石燃料发电厂，尤其是在CO2减排目标下一部分面临关闭的燃煤电厂。如德国I-Tess项目将现有燃煤电厂的剩余电力转换为热量，在电力紧缺时使用电厂的蒸汽循环进行热能转换。德国Store To Power项目正在开发储热发电试点工厂，将现有燃煤电厂与高温储热相结合，包括电加热和蒸汽发生器，可输送燃煤电厂蒸汽循环中约10%的蒸汽。西门子歌美飒是致力于燃煤电厂改造的领先企业之一，通过整合储热系统，以波动性可再生能源电力为输入，提供电力、热量或蒸汽，其已经进行了30兆瓦玄武岩储热系统示范。

五、技术行动建议

为了促进工业储热的大规模采用，需立即采取技术行动，尤其是针对预商业化阶段（P阶段）和商业化阶段（C阶段）开展行动，建议：

（1）开展工业储热研发项目（P阶段），重点关注前文所述技术挑战。

（2）进行储热及其工业应用的技术经济性研究（P阶段），包括：①在可再生能源电力-热/冷-发电中应用储热技术，如卡诺电池；②在可再生能源电力供热/制冷中使用储热技术，使波动性电力供应与工业热需求相匹配；③利用地热能和太阳能来满足热需求；④工业余热的回收、存储和利用；⑤储热在工业制冷和冷链中的应用；⑥将储热作为其他供热技术故障时的可靠备用系统。

（3）确定并共享储热比其他储能形式（电池或氢能）更具经济、环境、操作优势的应用（P阶段）。

（4）开发和运营储热示范项目，并提供开放获取结果和数据（P阶段）。

（5）通过出版物、演讲和其他形式的媒体参与，积极向行业、决策者和其他利益相关方分享最佳实践，传播知识和数据（P阶段）。

（6）开发具有统一关键绩效指标的可访问储热材料数据库（C阶段）。

（7）与监管机构、专业机构和行业合作，开发标准化储热系统（C阶段）。

（贾启慧 岳芳）