能源與環境的嚴峻形勢迫使能源生產和消費發生變革，加快調整能源結構，構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展的重要方向，清潔、效率、效益、智能是今后能源技術發展的主旋律和創新驅動力。

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，在可再生能源領域已經有60多年的研發積淀。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研發項目支持下，在清潔能源發電和清潔供暖技術方面取得了多項關鍵技術突破，并成功實施了具備代表性和一定規模的試驗示范工程項目。近年來，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化與存儲關鍵科學問題，包括高密度長周期儲能技術、化學反應動力學研究、催化劑的制備、反應器的設計和機理研究以及基于太陽能熱化學多聯產系統集成和優化控制研究等。

近日，在“漢諾威杯”2019第四屆嚴寒寒冷地區太陽能空氣能高效應用暨清潔供暖技術交流會上，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進行了介紹，特將報告整理如下，以供業界參考。

一、清潔能源研究進展

1、制氫產業

氫能是目前已知最綠色潔凈的二次能源，燃燒產物只有水。此外，氫能源還有極高能量密度，高能源轉化效率，資源豐富，制備方法多樣，分布廣泛，用途廣泛等突出優點。氫能源產業鏈包括制氫、儲運、加氫、氫能應用等環節，全產業鏈及政策體系尚在不同程度的完善進程中。目前，工業每年用氫量超過5500億立方米。

2、制氫效益

制氫現有主要技術路徑有化石燃料制氫、工業尾氣制氫、化工原料制氫、電解水制氫等，預計國內2019年氫氣制備超2000萬噸，2022年產值有望突破5000億元。傳統能源制氫在當前國內外均占主導，其中煤制氫生產成本最低，約10元/千克。電解水和太陽能熱化學循環制氫是極具前景和成本下降空間的可持續清潔氫能源制備技術，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52萬噸產量，可超過當前全國電解水制氫產量的一半。

圖:國際制氫現狀

圖:國內制氫現狀(單位:萬噸)

3、制氫技術比較

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

4、太陽能熱化學循環制氫

1)基本原理

太陽能熱化學循環制氫是通過聚光系統產生高溫(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。太陽能熱化學循環制氫技術路徑多樣，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;兩步法循環溫度高，工藝簡單，適宜與聚光太陽能結合。典型的兩步法制氫過程為:

還原步--在隔絕氧氣的高溫環境中，高價金屬氧化物受熱被還原為金屬單質或低價金屬氧化物，脫出氧氣。若在還原步引入碳元素，可以降低反應發生溫度，但會增加產物氫氣的分離難度。

氧化步--通入水蒸氣，金屬單質或低價金屬氧化物被氧化為高價金屬氧化物，同時產生氫氣，固體和氣體易分離。

2)太陽能熱化學循環制氫技術研究現狀

(1)太陽能→化學能轉換效率理論約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，產業化。

3)太陽能熱化學循環制氫目前存在的關鍵科學技術問題

(1)材料層面:反應物基對材料化學熱力學、動力學、穩定性;

(2)器件層面:反應器內多場耦合傳熱機理;

(3)系統層面:基于太陽能熱化學制燃料的多聯產系統構建。

4)中科院電工所已經開展的研究工作

(1)材料層面:鈣鈦礦等新型反應物材料(制備、結構、表征、化學反應性、穩定性);

(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%(熱質傳遞耦合作用機理);

(3)系統層面:基于太陽能熱化學循環制燃料的多聯產系統拓撲及優化方法。

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。

二、清潔供暖

1、技術路徑與存在問題

目前解決清潔供暖的主要技術路徑有天然氣分布式熱電聯產供能、多能源互補的太陽能跨季節供熱、低谷電力蓄熱供熱、各類熱泵供暖等。總的來說，上述技術在供能模式遴選、系統集成度、系統適宜性、熱源與末端匹配性、儲熱等關鍵部件基礎研究、系統初投資或經濟性、系統調控等環節中的某幾方面尚且存在不足。以多能源互補太陽能跨季節供熱技術為例，丹麥等發達國家已經有因地制宜商業化運行的多個不同的系統，具有很好的穩定性和經濟性。國內在適合嚴寒寒冷地區供熱的集熱器、低成本規模化儲熱系統設計和建設、多能源互補系統集成優化和調控技術等方面正處于開發示范階段。

2、儲熱主要類型

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，低成本儲熱技術是上述清潔供暖系統都需要解決的關鍵技術。熱能傳輸與存儲是幾乎所有能源利用技術中的關鍵科學問題，當前儲熱成本在所有規模化儲能技術中最低，全球儲熱市場近年來以18.7%的復合增長率迅速發展。儲熱按技術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，需要解決材料穩定性、腐蝕性、提高導熱系數等;在設備方面，需要解決設備容量、結構的優化以及設備內部強化換熱問題;系統層面，需要解決儲熱容量與供熱量、用熱量大的匹配優化、合理調度與智能化控制。

(2)研究和示范現狀

?國內外已有的研究均局限于圓柱形水箱的散熱和分層問題;

?丹麥已有跨季節儲熱項目，每個儲熱池結構和技術方案均有差異。

(3)難點

?邊坡穩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;

?多參數非均勻非穩態復雜邊界條件。

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

此外，針對規模化太陽能跨季節供熱技術，中科院電工所開展了基于嚴寒寒冷地區環境適應的新型低成本集熱方式、大型跨季節水體儲熱、多能互補集成和智能化控制技術等方面的研究和示范工作。以跨季節水體儲熱池為例:

通過實驗與理論研究，獲得了大型跨季節儲熱水體內溫度分層機制及自然對流發展規律，為儲熱水體結構優化設計、溫度分層器結構設計、儲熱系統運行控制優化提供理論支撐。

2018年10月，中科院電工所研制的一期集熱-儲熱-供熱全系統熱控平臺--張家口黃帝城小鎮集中型太陽能供熱示范系統建成運行，在無外界輔助能源條件下，為張家口市涿鹿縣礬山鎮黃帝城小鎮達華建國酒店共計3000㎡-5000㎡的建筑穩定持續供暖，成功將多年研發的集中型太陽能供熱技術推向示范應用，系統出水溫度達到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)。涉及的關鍵部件完全使用中科院自主知識產權產品。

2)相變/復合相變儲熱

相變儲熱是近年來儲熱技術中的研究熱點，主要利用相變材料的潛熱來實現熱量存儲。相變材料儲熱密度可以達到顯熱儲熱的2倍，儲熱設備結構更加緊湊，充放熱溫度接近等溫，系統調控難度小。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構成型差、高溫腐蝕、導熱系數低等難題，是相變儲熱技術研究的發展趨勢。

通過與國內外研究機構和企業合作，中科院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方面開展了理論、實驗和示范研究工作，技術可推廣應用到低谷電力蓄熱供暖領域。

3)熱化學儲熱

熱化學儲熱技術是利用可逆化學反應中的吸熱和放熱過程來實現能量的轉換，利用分解產物實現熱能與化學能到存儲。只要將儲能物質妥善保存，熱化學儲熱可以實現無熱損的長周期大規模儲熱，其儲能密度可以達到相變儲熱和顯熱儲熱的5倍到10倍，極具開發前景。

目前國內外已經開展了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:反應器設計、反應過程中的熱質傳遞等;工程熱物理:流動與傳熱強化、系統熱力學分析;材料科學:腐蝕性、相容性、摻雜改性材料制備表征等;系統控制:系統優化設計、運行調控、經濟模型等。基于氫氧化鈣儲能密度大，安全無毒，價格低廉，反應壓力低，反應溫度適中的優點，電工所已經在氫氧化物體系開展研究工作，旨在通過材料改性、反應器內部熱質傳遞優化和系統設計解決該技術中現有的燒結、腐蝕和循環壽命方面難題。