太阳能应用中固体-气体热化学储能技术最新进展综述

《Energy》：A Review of State-of-the-Art in Solid-Gas Thermochemical Energy Storage Technologies for Solar Energy Applications

　　

Sanaz Akbarzadeh|Soheil Khosravi|Abhishek K. Singh|Henk Huinink|Soteris A. Kalogirou|Ahmad Arabkoohsar

丹麦技术大学土木与机械工程系，丹麦林比市

摘要

热化学储能系统在向可持续能源系统转型中发挥着重要作用。其中，基于固体与气体的储能方案表现出了巨大潜力，它们具有高能量密度、长存储时间，且几乎可以与任何能源供应系统或高能耗系统结合使用。将太阳能系统与这类储能系统相结合，是解决太阳能间歇性、待机损耗、可扩展性以及长时间（甚至极长时间）热量存储问题的有效方法。本文重点探讨了用于工业领域的、能与太阳能结合的固体-气体型热化学储能技术，尤其是那些需要中高温热能的领域，如发电、化工加工和碳捕获。该综述涵盖了这一领域内所有已研究或已应用的解决方案，包括太阳能的直接或间接整合方式、多种反应器及反应材料类型以及反应机制。文章还强调了该领域的最新进展，并深入分析了这些系统存在的研发空白与关键问题。主要结论如下：i) 使用Ca(OH)₂、SrBr₂以及金属氧化物等材料的太阳能热化学储能系统已相当成熟；ii) 材料的可循环性、热质传递以及系统成本仍是需要解决的重大难题；iii) 需要进一步研究能够提升稳定性的复合材料；iv) 基于详细动态模拟的技术经济分析，有助于了解不同材料在不同规模下的系统状态变化及非设计工况下的表现，这类分析能为相关研究提供重要补充；最后，v) 需要在实验室之外进行更大规模的试点示范，以推动这类技术的创新与应用。

引言

要实现《巴黎协定》的目标，就必须加快各领域对可再生能源的利用力度。包括太阳能热利用技术和光伏发电技术在内的各类太阳能技术，是实现这一重大转型的关键手段[1]。对于这一早已发展成熟的领域而言，其发展速度在一年内几乎翻倍，这是此前任何分析师都无法预料的，但这一情况确实发生在2023年[2]。在逐步增加太阳能系统使用的过程中，储能技术起着至关重要的作用，它能够克服太阳能的间歇性问题，使其成为一种可靠、易于管理且可持续的能源来源[3]。至于可用于供热、制冷以及发电等领域的太阳能热利用技术，这类系统需要配备热能储存装置来储存太阳能热量以供后续使用。热能储存系统可分为多种类型，包括显热储存、潜热储存以及热化学储存类型[4]。其中，热化学储能系统的能量储存密度最高，能够在没有时间相关热损失的情况下实现长时间储存，且具备良好的可扩展性[5]。这类系统依靠可逆化学反应来“释放”或“吸收”热能，为此，所使用的反应材料必须具备快速的反应速率、较大的反应焓值以及较高的能量密度，才能与其他类型的热能储存系统相竞争[6]。热化学储能系统可分为固体-气体反应、液体-气体反应以及气体-气体反应三类，如图1所示。

本研究旨在从多种技术角度，探讨固体-气体型热化学储能系统与各类太阳能系统的整合可能性[8]。反应器容积、停留时间、温度、压力等参数是影响热化学储能系统设计与规格的关键因素。此外，各种物质的浓度以及热传递系数也对反应器的性能和效率有着重要影响[9]。所有这些因素都决定了太阳能与热化学储能系统整合方案的技术可行性，以及具体的整合方式。其中，温度兼容性是首要的可行性评估指标和设计参数。图2展示了各类主流太阳能热收集器技术及其所能达到的最高温度水平[10]。

由此可见，太阳能系统的工作温度范围很广，因此可以应用于多个不同的领域。这就意味着不同的太阳能收集器技术与不同类型的热化学储能系统之间存在一定的兼容性和匹配可能性。虽然已有许多关于热化学储能系统的综述文章，但尚未有研究专门聚焦于太阳能系统的整合问题，也没有深入分析相关的挑战、障碍、机遇以及应对方法。Pardo等人[11]对高温热化学储能系统进行了总体综述，但对反应器设计的相关讨论较为有限，也未分析不同类型的太阳能收集器与固体-气体反应的整合情况。André等人[6]以及Sunku Prasad[12]则对可逆固体-气体型热化学储能材料进行了系统研究，但他们并未分析这类材料在与聚光太阳能发电系统或其他太阳能技术结合时的系统级性能表现。Clark等人[8]和Reddy等人[13]的综述则主要关注用于建筑领域的低温盐水合物技术，未涉及中高温工业用热需求。Santamaría Padilla和Romero-Paredes Rubio[10]研究了用于超临界二氧化碳循环的热化学储能材料，但未探讨其与太阳能热利用技术的整合可能。更为重要的是，目前还没有研究在太阳能收集器的整个温度范围内，比较过金属氢氧化物、盐水合物、金属氢化物、金属碳酸盐以及氧化还原金属氧化物在太阳能整合结构中的性能。大多数研究都忽视了如何让反应动力学参数与抛物面槽式集热器、线性菲涅尔集热器、平板集热器以及太阳能塔等设备的运行特性相匹配的实际问题。此外，目前也缺乏关于化学反应器与太阳能发电场整合的技术经济分析，以及不同类型反应器（如填充床、移动床、流化床）的影响研究。因此，目前仍缺少一项全面对比所有固体-气体型热化学储能系统及其与太阳能技术兼容性的研究。

为填补现有文献中的这一空白，本文对用于太阳能应用领域的固体-气体型热化学储能系统进行了全面研究。首先，本文介绍了固体-气体型热化学储能材料的基本反应原理及分类，随后详细探讨了各类反应材料的特点。针对每一类材料，本文分析了其反应特性、反应器设计思路、与太阳能收集器的整合方式以及面临的关键挑战。此外，本文还通过对比分析，从热力学性能、反应动力学、耐用性、经济可行性以及技术成熟度等方面，对这些材料进行了定量评估。最后，本文总结了当前该领域的研究现状与实践情况，指出了现有的研究空白，同时提出了未来的研究与发展方向。

章节节选

固体-气体型热化学系统的基本原理

固体-气体反应通常表现为在充电阶段，固体物质分解为固体产物和气体产物；而在放电阶段，这些产物又会重新结合，恢复为原来的固体形态[8]。固体-气体型热化学储能系统的可逆化学反应可定义为[8]：$$

这种分解反应通常是吸热反应，在储能系统的充电阶段，系统会吸收热量，反应物随之分解为相应的产物。具体反应类型则因材料而异

结论与展望

当热化学储能系统与太阳能系统相结合时，有望成为未来可持续能源系统中的重要组成部分。由于太阳能系统与热化学储能系统存在多种类型，因此它们能够支持不同的工作温度，从而为各种应用场景提供极大的灵活性。本文围绕基于太阳能的固体-气体型热化学储能系统展开研究，重点分析了这类系统的材料特性、结构设计以及提升太阳能利用效率的整合策略。本文的主要研究结论如下

CRediT作者贡献说明

Abhishek K. Singh： 文章撰写——综述与编辑，项目指导。Henk Huinink： 文章撰写——综述与编辑，项目指导。Soteris A. Kalogirou： 文章撰写——综述与编辑，项目指导，研究工作开展。Ahmad Arabkoohsar： 文章撰写——综述与编辑，数据可视化，结果验证，项目指导，资源协调，项目管理工作安排，研究方法设计，研究工作开展，正式数据分析，数据整理，研究概念构建。Sanaz Akbarzadeh： 文章撰写——初稿编写，数据可视化，结果验证，软件应用，资源协调，项目整体管理

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利益冲突声明

? 作者们声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系：Sanaz Akbarzadeh和Soheil Khosravi表示，他们获得了欧盟的财政资助。其他作者则声明自己不存在任何可能影响本文研究成果的财务利益或个人关系。

致谢

本文所述的研究工作得到了欧盟的“地平线欧洲”研究与创新计划的支持，相关资助项目属于玛丽·居里行动计划，项目编号分别为101149582（TechSOLSTOR）和101147098（SOLTEC）。在此，我们对欧盟的慷慨资助表示由衷的感谢。