能源与环境的严峻形势迫使能源生产和消费发生变革，加快调整能源结构，构建清洁低碳高效能源体系，尽可能利用清洁能源，全方位推进清洁能源供暖是今后能源发展的重要方向，清洁、效率、效益、智能是今后能源技术发展的主旋律和创新驱动力。

中国科学院电工研究所(以下简称中科院电工所)作为我国专门从事电气科学研究的特色能源国立科研机构，在可再生能源领域已经有60多年的研发积淀。特别是近十几年来在国家科技部、中国科学院和北京市等科技项目和企业研发项目支持下，在清洁能源发电和清洁供暖技术方面取得了多项关键技术突破，并成功实施了具备代表性和一定规模的试验示范工程项目。近年来，电工所又专门成立太阳能燃料清洁制备研究组，致力于解决清洁燃料制备(制氢)、太阳能热化学储能所涉及的能量转化与存储关键科学问题，包括高密度长周期储能技术、化学反应动力学研究、催化剂的制备、反应器的设计和机理研究以及基于太阳能热化学多联产系统集成和优化控制研究等。

近日，在“汉诺威杯”2019第四届严寒寒冷地区太阳能空气能高效应用暨清洁供暖技术交流会上，中科院电工所副研究员、硕士生导师常春博士对太阳能热化学制氢与各种储热技术进行了介绍，特将报告整理如下，以供业界参考。

一、清洁能源研究进展

1、制氢产业

氢能是目前已知最绿色洁净的二次能源，燃烧产物只有水。此外，氢能源还有极高能量密度，高能源转化效率，资源丰富，制备方法多样，分布广泛，用途广泛等突出优点。氢能源产业链包括制氢、储运、加氢、氢能应用等环节，全产业链及政策体系尚在不同程度的完善进程中。目前，工业每年用氢量超过5500亿立方米。

2、制氢效益

制氢现有主要技术路径有化石燃料制氢、工业尾气制氢、化工原料制氢、电解水制氢等，预计国内2019年氢气制备超2000万吨，2022年产值有望突破5000亿元。传统能源制氢在当前国内外均占主导，其中煤制氢生产成本最低，约10元/千克。电解水和太阳能热化学循环制氢是极具前景和成本下降空间的可持续清洁氢能源制备技术，2018年仅前三季度全国弃风弃光(262亿度)如果采用电解水制氢，即可获得52万吨产量，可超过当前全国电解水制氢产量的一半。

图:国际制氢现状

图:国内制氢现状(单位:万吨)

3、制氢技术比较

针对可持续清洁氢能源制备技术，美国研究机构对光伏电解水制氢和太阳能热化学循环制氢未来发展做了分析，认为太阳能热化学循环制氢的成本降低主要驱动力还是反应器的成本下降，在政策的驱动下其成本下降速度更快。预计到2039年，太阳能热化学循环制氢成本可低于光伏电解水制氢技术。

4、太阳能热化学循环制氢

1)基本原理

太阳能热化学循环制氢是通过聚光系统产生高温(500℃–2000℃)，推动热化学反应分解水或甲烷等制取氢气等清洁燃料。太阳能热化学循环制氢技术路径多样，大致可分为两步法和多步法。多步法可降低反应对高温的要求，但工艺流程复杂，提高效率和降低成本的潜力都相对较小;两步法循环温度高，工艺简单，适宜与聚光太阳能结合。典型的两步法制氢过程为:

还原步--在隔绝氧气的高温环境中，高价金属氧化物受热被还原为金属单质或低价金属氧化物，脱出氧气。若在还原步引入碳元素，可以降低反应发生温度，但会增加产物氢气的分离难度。

氧化步--通入水蒸气，金属单质或低价金属氧化物被氧化为高价金属氧化物，同时产生氢气，固体和气体易分离。

2)太阳能热化学循环制氢技术研究现状

(1)太阳能→化学能转换效率理论约50%。目前达到6%(瑞士PSI，ETH);

(2)世界上最大的热化学反应器750kW(德国DLR)。尚未大型化，产业化。

3)太阳能热化学循环制氢目前存在的关键科学技术问题

(1)材料层面:反应物基对材料化学热力学、动力学、稳定性;

(2)器件层面:反应器内多场耦合传热机理;

(3)系统层面:基于太阳能热化学制燃料的多联产系统构建。

4)中科院电工所已经开展的研究工作

(1)材料层面:钙钛矿等新型反应物材料(制备、结构、表征、化学反应性、稳定性);

(2)器件层面:高倍聚光光源，10kW太阳能热化学反应器样机，热效率≥40%(热质传递耦合作用机理);

(3)系统层面:基于太阳能热化学循环制燃料的多联产系统拓扑及优化方法。

此外，中科院电工所在磁场辅助电解水制氢方面也做了探索性研究。

二、清洁供暖

1、技术路径与存在问题

目前解决清洁供暖的主要技术路径有天然气分布式热电联产供能、多能源互补的太阳能跨季节供热、低谷电力蓄热供热、各类热泵供暖等。总的来说，上述技术在供能模式遴选、系统集成度、系统适宜性、热源与末端匹配性、储热等关键部件基础研究、系统初投资或经济性、系统调控等环节中的某几方面尚且存在不足。以多能源互补太阳能跨季节供热技术为例，丹麦等发达国家已经有因地制宜商业化运行的多个不同的系统，具有很好的稳定性和经济性。国内在适合严寒寒冷地区供热的集热器、低成本规模化储热系统设计和建设、多能源互补系统集成优化和调控技术等方面正处于开发示范阶段。

2、储热主要类型

由于供热和用热都存在时空分布和强度方面都存在不匹配的特点，低成本储热技术是上述清洁供暖系统都需要解决的关键技术。热能传输与存储是几乎所有能源利用技术中的关键科学问题，当前储热成本在所有规模化储能技术中最低，全球储热市场近年来以18.7%的复合增长率迅速发展。储热按技术原理可以分为显热储热、相变储热和热化学储热三大类型。

1)显热储热

(1)技术问题

显热储热包含固体显热储热和液体显热储热两大类。液体储热主要有水、导热油、熔融盐等;固体储热主要有土壤、砂石、混凝土、金属、陶瓷等。显热储热不仅仅局限于材料密度、比热和储热温度范围，其共性科学问题还包括:在材料方面，需要解决材料稳定性、腐蚀性、提高导热系数等;在设备方面，需要解决设备容量、结构的优化以及设备内部强化换热问题;系统层面，需要解决储热容量与供热量、用热量大的匹配优化、合理调度与智能化控制。

(2)研究和示范现状

•国内外已有的研究均局限于圆柱形水箱的散热和分层问题;

•丹麦已有跨季节储热项目，每个储热池结构和技术方案均有差异。

(3)难点

•边坡稳定性及成本约束下的water-pit形状;

•储热效率;

•自然对流抑制;

•斜温层保持;

•多参数非均匀非稳态复杂边界条件。

(4)中科院电工所开展的工作

近十几年来，中科院电工所太阳能热发电技术团队对饱和水、导热油、熔融盐、混凝土、陶瓷等显热储热技术开展了研究和示范工作。

此外，针对规模化太阳能跨季节供热技术，中科院电工所开展了基于严寒寒冷地区环境适应的新型低成本集热方式、大型跨季节水体储热、多能互补集成和智能化控制技术等方面的研究和示范工作。以跨季节水体储热池为例:

通过实验与理论研究，获得了大型跨季节储热水体内温度分层机制及自然对流发展规律，为储热水体结构优化设计、温度分层器结构设计、储热系统运行控制优化提供理论支撑。

2018年10月，中科院电工所研制的一期集热-储热-供热全系统热控平台--张家口黄帝城小镇集中型太阳能供热示范系统建成运行，在无外界辅助能源条件下，为张家口市涿鹿县矾山镇黄帝城小镇达华建国酒店共计3000㎡-5000㎡的建筑稳定持续供暖，成功将多年研发的集中型太阳能供热技术推向示范应用，系统出水温度达到90℃要求时，在冬季的热效率可达到50%以上(折算在太阳能采光面积上)。涉及的关键部件完全使用中科院自主知识产权产品。

2)相变/复合相变储热

相变储热是近年来储热技术中的研究热点，主要利用相变材料的潜热来实现热量存储。相变材料储热密度可以达到显热储热的2倍，储热设备结构更加紧凑，充放热温度接近等温，系统调控难度小。目前主要开展的是盐类和金属合金类的相变体系研究与应用。复合相变储热材料可以改善单纯相变储热材料在结构成型差、高温腐蚀、导热系数低等难题，是相变储热技术研究的发展趋势。

通过与国内外研究机构和企业合作，中科院电工所在无机盐与纳米颗粒、金属、多孔陶瓷等复合材料储热技术方面开展了理论、实验和示范研究工作，技术可推广应用到低谷电力蓄热供暖领域。

3)热化学储热

热化学储热技术是利用可逆化学反应中的吸热和放热过程来实现能量的转换，利用分解产物实现热能与化学能到存储。只要将储能物质妥善保存，热化学储热可以实现无热损的长周期大规模储热，其储能密度可以达到相变储热和显热储热的5倍到10倍，极具开发前景。

目前国内外已经开展了7大体系、上百种热化学反应的研究，均处于试验研究的不同阶段。其中有些反应体系也可以利用到制氢、储氢与二氧化碳捕捉或封存等领域。热化学储热涉及多学科交叉，主要有:化学反应动力学，例如反应种类的选择、反应物的改性、副反应的抑制、反应温度、反应速率以及催化剂的研制等;化工机械:反应器设计、反应过程中的热质传递等;工程热物理:流动与传热强化、系统热力学分析;材料科学:腐蚀性、相容性、掺杂改性材料制备表征等;系统控制:系统优化设计、运行调控、经济模型等。基于氢氧化钙储能密度大，安全无毒，价格低廉，反应压力低，反应温度适中的优点，电工所已经在氢氧化物体系开展研究工作，旨在通过材料改性、反应器内部热质传递优化和系统设计解决该技术中现有的烧结、腐蚀和循环寿命方面难题。