《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Hybrid solar thermal–heat pump approach for cost-competitive decarbonization of industrial steam
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太阳能热-蒸汽热泵混合系统研究，基于往复式活塞架构和IAPWS-97热力学模型，验证有效并分析长距离蒸汽输送，计算显示年化资本费11%下绿蒸汽成本78.6-55.41美元/吨，较燃煤锅炉减排265公斤/吨。
Durgesh Kumar | Vishwanath Haily Dalvi | Vivek R. Gaval | Sudhir V. Panse | Jyeshtharaj B. Joshi
印度孟买化学技术研究所
摘要
在全球能源转型过程中，实现工业蒸汽生产的脱碳仍然是一个重大挑战，这对于实现联合国可持续发展目标（SDGs）至关重要，特别是SDG 7（负担得起的清洁能源）和SDG 13（气候行动）。本研究提出了一种基于往复活塞结构的混合太阳能热能-蒸汽热泵系统，该系统使用实际的蒸汽参数进行运行。我们开发了一个基于IAPWS-97公式的热力学模型，并通过完全指定的气缸几何形状与实验数据进行了验证。经过验证的框架被调整以适应在反向边界条件下的压缩（热泵）操作。
该系统集成了太阳能热收集器、高温乙二醇储热器和模块化活塞式蒸汽压缩装置，以提供工艺所需的蒸汽。对长距离低压蒸汽传输进行了详细分析，包括径向热损失、部分冷凝以及使用成熟的蒸汽分配技术进行冷凝水管理。在超过3公里的管道传输过程中，传输损失被限制在传输热负荷的大约15%以内。
对于每小时供应4.25吨10巴压力的蒸汽，以及在保守假设下的年化资本成本为11%的情况下，蒸汽的平准化成本为78.6美元/吨；而在较为乐观但现实的假设下，这一成本可降至55.41美元/吨。与燃煤锅炉相比，该系统可减少约265公斤的二氧化碳排放。
引言
工业过程加热的脱碳被认为是实现中期净零碳排放的关键领域之一。美国能源部（USDOE）发布了一份全面的工业脱碳路线图[1]。该路线图指出了一些显著的数据：例如，制造业中使用的能源中超过一半是工艺热能，而其中只有5%是通过电力提供的！十年前，推荐的行动方案是使用太阳能热技术来脱碳高达400°C的工业过程[2]；然而，USDOE目前认为应使用电网电力来为工业过程供暖，而这些电力将逐步由可再生能源（特别是太阳能光伏和风能）提供。这反映了过去十年太阳能光伏价格的大幅下降。另一个不青睐太阳能热技术的原因是电力可以方便地输送到使用点，而高压蒸汽则不能（或者虽然可以，但需要大量的管道和绝缘材料，更不用说这种安装会带来的锅炉监管问题了）。此外，太阳能热技术在较低温度下产生热能的效率要高得多[3]。
一份关于工业过程加热电气化的研究报告[4]将热泵（适用于低于90°C的温度）与适用于90°C至150°C温度的电蒸汽发生器并列。报告明确指出，适用于超过100°C温度的热泵尚未商业化且结构复杂。此外，它们的热源温度过低，即使将热量提升到110°C这样的中等温度，其性能系数（COP）也会大幅下降至1.8或更低。实际上，热泵最初被设计为用于回收废热[5]，从大约50°C的低温热源中提取热量。虽然热泵在寒冷气候下的空间/水加热以及空调和冰箱中的制冷循环中得到了广泛应用，但在工业应用中的使用仍然有限。截至本文撰写时，适用于工业应用（温度高达200°C）的高温热泵仍在开发中[6]。尽管如此，它们仍被广泛认为是实现脱碳的关键技术[7]。
麦肯锡工业脱碳平台的一份报告[8]列出了工业采用高温热泵的重要障碍。主要障碍在于没有标准的热泵模型——每个应用都需要定制的热泵，这阻碍了大规模生产。报告还提到，目前市售的热泵难以满足超过150°C的温度需求。第二个障碍是热泵的复杂性，包括压缩机、控制系统以及相应的工程和采购成本，这些都会显著增加成本。
第三个主要障碍是制冷剂的成本和可接受性。常用的氟化烃类制冷剂受到未来监管限制的质疑，而“天然”制冷剂（如低级烷烃）则具有高度挥发性和易燃性。氨是有毒的，而二氧化碳尚未经过充分测试。
因此，水成为一种非常合适的制冷剂——无毒、不可燃且不含氟。唯一的问题是，在低于100°C的温度下，水难以使用，因为需要维持真空状态。这个问题可以通过使用大约100°C的低成本蒸汽源来轻松解决。
因此，我们建议重新考虑具有成本效益的太阳能热技术，用于工业过程加热。尽管系统顾问模型（SAM）建议抛物面槽式集热器的成本为每平方米开口面积170美元[9]，但我们的团队已经报道了低成本集热器的实例。例如，HOTS-1[10]是一种抛物面槽式集热器，每平方米开口面积的成本约为82美元，集热比超过20；另一种是改良型复合抛物面集热器（MCPC）[11]，集热比为4，每月需要维护一次，成本约为每平方米60美元。通过适当的太阳选择性涂层，即使MCPC也能高效地产生100°C的蒸汽。
这种常压蒸汽可以通过塑料管道（例如聚丙烯管道）从太阳能场输送到工业区。在靠近使用点的位置，可以安装热泵，将蒸汽从约100°C提升到180°C，其性能系数在4到5之间（我们在论文后面有详细说明）。图1展示了这一概念的示意图，其中包含一个双罐直接存储配置[12]：热油罐从冷油罐中抽取油液，油液通过太阳能场（例如由线性集热系统组成）被加热。当需要热量时，热油泵将热油通过换热器，使其升温至接近环境压力的蒸汽，然后通过冷凝水泵产生的冷凝水进行加热，最终将蒸汽输送到使用点，由电动热泵将其提升至工艺所需的 medium 压力。
在这种情况下，热泵可以简单地采用往复活塞压缩机。对于低功率应用，往复蒸汽发动机比相应的微型涡轮机更具成本效益，因为它们更易于制造和维护，并且能够更快地响应负荷变化，具有更好的调节能力[13]。这一观点同样适用于热泵。在这项工作中，我们展示了如何将卡车柴油发动机改造成以蒸汽为工作介质的热泵。我们证明，一个排量为400立方厘米的气缸只需1.2千瓦的电力就能每小时产生8公斤10巴压力的蒸汽，而这1.2千瓦的电力可以来自可再生能源。
在线可用的热泵模型（如Gaur等人2021年[7]和Jouhara等人2024年[5]的综述中报道的模型）基本上都是“开放”系统[14]，即压缩机像涡轮机一样对工作介质做“轴功”。然而，目前还没有基于往复活塞发动机的热泵模型。
因此，我们开发了一个热泵的数学模型，并根据将卡车柴油发动机改造成蒸汽活塞发动机的报告进行了验证。尽管自20世纪30年代以来蒸汽发动机的使用已经减少，但仍有研究人员对其进行研究。例如，一个研究小组[15]报道了一种无油的蒸汽活塞膨胀机及其数学模型；另一个研究将蒸汽发动机与线性太阳能集热器集成[16]。然而，关于改装后的卡车柴油发动机几何配置最详细的研究是Rijpkema等人（2021年）[17]的研究。我们将我们的数学模型结果与他们的结果进行了比较，该模型基于在往复活塞气缸中流动的蒸汽，并将阀门建模为节流孔。与大多数研究不同，我们没有将蒸汽视为理想气体，而是使用了IAWPS-97蒸汽表格的电子形式。为了实现这一点，我们从第一原理出发，开发了一个关于蒸汽通过节流孔的等焓流动模型。该模型只有一个参数——一个效率项，用于捕捉与活塞相关的机械装置的损失。尽管如此，该模型仍然能够吻合Rijpkema等人（2021年）的实验结果。
然后，我们使用这个经过验证的蒸汽模型来“反向”流动蒸汽，将卡车柴油发动机作为热泵使用。我们清楚地捕捉到了往复频率对性能系数（COP）的影响，并能够准确估计出在1巴压力下、过热5K的蒸汽提升到10巴排放压力的热泵的性能系数。我们发现，将柴油发动机改造成热泵比改造成蒸汽发动机更容易，因为在前者情况下只需要一对止回阀，而在后者情况下则需要精心设计的阀门。
本文的结构如下：第2节是方法部分，详细介绍了数学模型，包括我们的创新内容——既包括蒸汽发动机也包括热泵。在结果部分，第一部分致力于使用Rijpkema等人（2021年）的蒸汽发动机结果来验证模型；第二部分展示了如何在热泵建模中使用经过验证的模型，清楚地报告了热泵的性能系数（COP）和功率以及权衡因素。接着，我们根据文献和我们的经验进行了初步的成本估算。我们表明，仅通过可再生能源产生的绿色蒸汽的平准化成本约为每吨54美元，而使用电池储存电力的热泵成本可以实际降至每吨36美元。这一成本介于传统锅炉产生的蒸汽成本范围内。我们在文章的最后部分总结了如何将往复活塞发动机改造成由低成本线性集热太阳能设备提供的常压蒸汽驱动的热泵，这些设备可以方便地应用于阳光充足地区，从而为这些地区的经济发展提供重要支持。
方法
本节首先详细描述了活塞蒸汽发动机的操作原理，然后介绍了同一设备作为热泵时的工作情况。往复活塞发动机的相关部件如图2所示。曲轴通过连杆与活塞相连，活塞位于气缸内，其运动受到气缸壁的限制。为了蒸汽的供给和排出，使用了带有阀门的喷嘴。
结果与讨论
本节分为两部分。第一部分验证了数值模型与Rijpkema等人[17]报告的数据的一致性；第二部分讨论了热泵的仿真结果。
结论
总之，我们提出了一种方案，通过利用太阳能热技术产生低压蒸汽，通过管道将其输送数公里到工业区，然后在使用点使用改装后的往复蒸汽发动机将蒸汽提升至所需压力，从而实现工业过程加热的脱碳。为了量化分析，我们开发了一个关于蒸汽通过往复发动机流动的模型，并通过实验进行了验证。
作者贡献声明
Durgesh Kumar：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究。
Vishwanath Haily Dalvi：撰写——审阅与编辑、监督、软件、方法论、概念化。
Vivek R. Gaval：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。
Sudhir V. Panse：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。
Jyeshtharaj B. Joshi：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。
致谢
D.K. 感谢Marathi Vidnyan Parishad提供的奖学金，使他能够开展这个项目。
