探讨几种太阳能热化学前沿技术发展前景
发布者:admin | 0评论 | 778查看 | 2020-09-11 09:17:41    

按照国际能源署(IEA)计算,工业用热是世界上最大的能源终端用途。那么如何利用可再生能源来满足这一需求?对于某些工业用热需求,如150ºC至400ºC之间的热量,如今可以使用聚光集热式太阳能技术(concentrated solar thermal-CST)来满足,应用领域包括制药、纺织、制砖,造纸,食品加工和医院用途等。


即使是采矿、钢铁和水泥等需要更高温度的行业,某些加工环节也只需要400ºC以下的中温热能。世界银行发现,对于许多工业和农业加工过程以及室内供热需求而言,已经有成熟的太阳能热利用技术来实现用太阳能代替一半化石燃料。


高温太阳能利用亟待商业化


但是,对于那些需要在1000-2000ºC的高温下昼夜运行的行业来说,聚光热利用技术正面临更大的挑战。为了满足这些市场需求,一项十年的研究现已取得成果,并开始与愿意尝试用太阳能替代天然气或煤炭的公司合作,进行第一个联合试点项目。这些行业有的需要持续的高温热量来开采矿石,或者生产水泥与钢铁,或着加工用于钢铁和铝的矿石,或着将石油精炼成航空燃料等。


太阳火焰


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法国PROMES-CNRS的过程、材料和太阳能实验室的负责人Sylvain Rodat指出:“产生火焰时,只是在燃烧含氧燃料。燃烧中火焰其实是一种高温气体,可以高达1000°C和2000°C,具体取决于氧气含量。但是,使用CST技术,我们也可以将气体加热到很高温度。而且由于没有燃烧,所以不会产生二氧化碳。这将是干净的火焰。我们可以加热例如氮气,因此我们可以拥有高温氮气火焰,具有与燃烧的火焰相同的效果,但是没有任何燃烧产物,例如氮氧化物或CO2。如果只是加热气体,就没有二氧化碳产生。”


他补充道,要实现这一目标也不容易:“理由很简单:我们只是用热气体代替燃烧火焰。但是实际上将气体加热到很高的温度并不那么容易,加热液体或固体会更容易些。”


为了解决将气体加热到超过1000°C的困难,一种新的技术解决方案是将吸热器中悬浮的颗粒物加热。自2010年以来,许多专利已经发表,研究如何将各种粒子加热到很高的温度。


他指出:“对于连续热化学过程,该技术甚至可能更高效。的确,在这种情况下,颗粒吸收的热量可以直接用于固体气体工艺,而不需要燃气循环中的颗粒/气体热交换器。”


在这领域目前有些创新企业,例如Synhelion,该公司与意大利ENI合作利用太阳热化学生产航空燃料。


熔融金属或熔盐热化学技术


一个国际团队正在研究从熔融锡溶液中产生氢气,该熔融锡的工作温度范围很宽(232°C到2600°C),比现在的光热电站(介质温度在290°C至565°C之间)要宽得多。在熔融锡中注入的甲烷在1175°C时可以获得78%的氢气。


Rodat说:“我想在这个方向上走得更远,因为我认为这很有希望。但是到目前为止,在该领域进行的研究还很少。我们可以将热量存储在熔融金属中,而且系统中的惯性更大,因此可以更好地控制温度。这也是甲烷裂解的好方法,因为在气体和液态金属之间具有良好的传热系数。”


而且熔融盐在光热电站中的商业化应用已经得到了证明,但现在他在研究如何直接在热熔盐溶液中进行热化学反应。


他表示:“我们可以使用熔融盐在高温过程中直接提供热量。如果成分控制得当,我们应该能够在熔融盐中进行一些反应过程,而不会与熔融盐本身发生任何反应,使其保持原始状态。初步想法是通过这种熔融盐可以催化某些反应过程,但尽可能保持稳定。我们有一些工作表明,我们可以在熔融盐内部进行反应。这并不简单,当然是一个挑战。根据不同的反应过程,我们可以观察到熔融盐降解情况发生,这是将来研究中要解决的问题。”直接在熔融盐内部进行化学反应的优点是更好的热效率,因为可以直接使用热量而无需热交换器。

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