能源與環(huán)境的嚴峻形勢迫使能源生產(chǎn)和消費發(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)動力。

中國科學院電工研究所（以下簡稱中科院電工所）作為我國專門從事電氣科學研究的特色能源國立科研機構(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、中國科學院和北京市等科技項目和企業(yè)研發(fā)項目支持下,，在清潔能源發(fā)電和清潔供暖技術(shù)方面取得了多項關(guān)鍵技術(shù)突破,，并成功實施了具備代表性和一定規(guī)模的試驗示范工程項目。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）、太陽能熱化學儲能所涉及的能量轉(zhuǎn)化與存儲關(guān)鍵科學問題,，包括高密度長周期儲能技術(shù),、化學反應動力學研究、催化劑的制備,、反應器的設(shè)計和機理研究以及基于太陽能熱化學多聯(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第四屆嚴寒寒冷地區(qū)太陽能空氣能高效應用暨清潔供暖技術(shù)交流會上,，中科院電工所副研究員,、碩士生導師常春博士對太陽能熱化學制氫與各種儲熱技術(shù)進行了介紹，特將報告整理如下,，以供業(yè)界參考,。

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,。氫能源產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫,、儲運、加氫,、氫能應用等環(huán)節(jié),，全產(chǎn)業(yè)鏈及政策體系尚在不同程度的完善進程中。目前,，工業(yè)每年用氫量超過5500億立方米,。

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,，預計國內(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)能源制氫在當前國內(nèi)外均占主導,，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）

針對可持續(xù)清潔氫能源制備技術(shù),，美國研究機構(gòu)對光伏電解水制氫和太陽能熱化學循環(huán)制氫未來發(fā)展做了分析，認為太陽能熱化學循環(huán)制氫的成本降低主要驅(qū)動力還是反應器的成本下降,，在政策的驅(qū)動下其成本下降速度更快,。預計到2039年，太陽能熱化學循環(huán)制氫成本可低于光伏電解水制氫技術(shù),。

1）基本原理

太陽能熱化學循環(huán)制氫是通過聚光系統(tǒng)產(chǎn)生高溫（500℃–2000℃），推動熱化學反應分解水或甲烷等制取氫氣等清潔燃料,。太陽能熱化學循環(huán)制氫技術(shù)路徑多樣,，大致可分為兩步法和多步法。多步法可降低反應對高溫的要求,，但工藝流程復雜,，提高效率和降低成本的潛力都相對較小,；兩步法循環(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：

2）太陽能熱化學循環(huán)制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀

(1) 太陽能→化學能轉(zhuǎn)換效率理論約50%。目前達到6%（瑞士PSI,，ETH）,；

(2) 世界上最大的熱化學反應器750kW（德國DLR）。尚未大型化,，產(chǎn)業(yè)化,。

3）太陽能熱化學循環(huán)制氫目前存在的關(guān)鍵科學技術(shù)問題

(1) 材料層面：反應物基對材料化學熱力學、動力學、穩(wěn)定性,；

(2)  器件層面：反應器內(nèi)多場耦合傳熱機理,；

(3)  系統(tǒng)層面：基于太陽能熱化學制燃料的多聯(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：鈣鈦礦等新型反應物材料（制備,、結(jié)構(gòu),、表征,、化學反應性,、穩(wěn)定性）；

(2)  器件層面：高倍聚光光源,，10kW太陽能熱化學反應器樣機,，熱效率≥40%（熱質(zhì)傳遞耦合作用機理）；

(3) 系統(tǒng)層面：基于太陽能熱化學循環(huán)制燃料的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)拓撲及優(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。

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、儲熱等關(guān)鍵部件基礎(chǔ)研究,、系統(tǒng)初投資或經(jīng)濟性,、系統(tǒng)調(diào)控等環(huán)節(jié)中的某幾方面尚且存在不足。以多能源互補太陽能跨季節(jié)供熱技術(shù)為例,，丹麥等發(fā)達國家已經(jīng)有因地制宜商業(yè)化運行的多個不同的系統(tǒng),，具有很好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。國內(nèi)在適合嚴寒寒冷地區(qū)供熱的集熱器,、低成本規(guī)?；瘍嵯到y(tǒng)設(shè)計和建設(shè)、多能源互補系統(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,。

由于供熱和用熱都存在時空分布和強度方面都存在不匹配的特點，低成本儲熱技術(shù)是上述清潔供暖系統(tǒng)都需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。熱能傳輸與存儲是幾乎所有能源利用技術(shù)中的關(guān)鍵科學問題,，當前儲熱成本在所有規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)中最低，全球儲熱市場近年來以18.7%的復合增長率迅速發(fā)展,。儲熱按技術(shù)原理可以分為顯熱儲熱,、相變儲熱和熱化學儲熱三大類型。

1）顯熱儲熱

（1）技術(shù)問題

顯熱儲熱包含固體顯熱儲熱和液體顯熱儲熱兩大類,。液體儲熱主要有水,、導熱油、熔融鹽等,；固體儲熱主要有土壤,、砂石、混凝土,、金屬,、陶瓷等。顯熱儲熱不僅僅局限于材料密度,、比熱和儲熱溫度范圍,，其共性科學問題還包括：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)部強化換熱問題；系統(tǒng)層面,，需要解決儲熱容量與供熱量,、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)儲熱項目，每個儲熱池結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案均有差異,。

（3）難點

• 邊坡穩(wěn)定性及成本約束下的water-pit形狀,；

• 儲熱效率；

• 自然對流抑制,；

• 斜溫層保持,；

• 多參數(shù)非均勻非穩(wěn)態(tài)復雜邊界條件。

（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)團隊對飽和水,、導熱油,、熔融鹽、混凝土,、陶瓷等顯熱儲熱技術(shù)開展了研究和示范工作,。

此外，針對規(guī)?；柲芸缂竟?jié)供熱技術(shù),，中科院電工所開展了基于嚴寒寒冷地區(qū)環(huán)境適應的新型低成本集熱方式、大型跨季節(jié)水體儲熱,、多能互補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)水體儲熱池為例：

通過實驗與理論研究，獲得了大型跨季節(jié)儲熱水體內(nèi)溫度分層機制及自然對流發(fā)展規(guī)律,，為儲熱水體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,、溫度分層器結(jié)構(gòu)設(shè)計、儲熱系統(tǒng)運行控制優(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-儲熱-供熱全系統(tǒng)熱控平臺——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)達華建國酒店共計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)推向示范應用,，系統(tǒng)出水溫度達到90℃要求時,，在冬季的熱效率可達到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產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品,。 

2）相變/復合相變儲熱

相變儲熱是近年來儲熱技術(shù)中的研究熱點,，主要利用相變材料的潛熱來實現(xiàn)熱量存儲。相變材料儲熱密度可以達到顯熱儲熱的2倍,，儲熱設(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用,。復合相變儲熱材料可以改善單純相變儲熱材料在結(jié)構(gòu)成型差、高溫腐蝕,、導熱系數(shù)低等難題,，是相變儲熱技術(shù)研究的發(fā)展趨勢。

通過與國內(nèi)外研究機構(gòu)和企業(yè)合作,，電工所在無機鹽與納米顆粒,、金屬、多孔陶瓷等復合材料儲熱技術(shù)方面開展了理論,、實驗和示范研究工作,，技術(shù)可推廣應用到低谷電力蓄熱供暖領(lǐng)域,。

3）熱化學儲熱

熱化學儲熱技術(shù)是利用可逆化學反應中的吸熱和放熱過程來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，利用分解產(chǎn)物實現(xiàn)熱能與化學能到存儲,。只要將儲能物質(zhì)妥善保存,，熱化學儲熱可以實現(xiàn)無熱損的長周期大規(guī)模儲熱，其儲能密度可以達到相變儲熱和顯熱儲熱的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、上百種熱化學反應的研究,，均處于試驗研究的不同階段,。其中有些反應體系也可以利用到制氫、儲氫與二氧化碳捕捉或封存等領(lǐng)域,。熱化學儲熱涉及多學科交叉,，主要有：化學反應動力學，例如反應種類的選擇,、反應物的改性,、副反應的抑制、反應溫度,、反應速率以及催化劑的研制等,；化工機械：反應器設(shè)計、反應過程中的熱質(zhì)傳遞等,；工程熱物理：流動與傳熱強化,、系統(tǒng)熱力學分析；材料科學：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,、運行調(diào)控,、經(jīng)濟模型等?；跉溲趸}儲能密度大,，安全無毒，價格低廉,，反應壓力低,，反應溫度適中的優(yōu)點，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,、反應器內(nèi)部熱質(zhì)傳遞優(yōu)化和系統(tǒng)設(shè)計解決該技術(shù)中現(xiàn)有的燒結(jié)、腐蝕和循環(huán)壽命方面難題,。

應對我國清潔能源發(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,、原位消納為目標，合理制定政策規(guī)劃和細化實施細則,，從源,、網(wǎng)、儲,、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)化與智能化運行調(diào)控技術(shù)及評價體系,，這是一項系統(tǒng)工程，需要在政-產(chǎn)-學-研-用幾方面充分交流合作并取得深入進展的前提下,，逐步健康科學的發(fā)展,，這一進程將為我國社會、經(jīng)濟和科研領(lǐng)域帶來新一輪巨大繁榮,。

編輯：董清風