面向填充床蓄热的完全可持续地聚合物基填充材料设计：一种绿色工程方法

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Fully sustainable geopolymer based filler material design for packed-bed thermal energy storage: A green engineering approach

　　**摘要**随着全球从灰色材料路径向绿色材料路径的转变，废弃材料的回收和再利用在实现可持续发展中发挥着关键作用。本研究开发了一种完全可持续、成本低廉且具有优异热性能和机械性能的填料材料，可用于潜在的热能储存，目标是在更广泛的绿色能源技术框架内应用于聚光太阳能（CSP）系统。这是文献中首次开发可塑性地质聚合物，专门用于聚光太阳能和工业热能储存应用中作为填料材料。这些填料是通过回收建筑废料、钢铁工业副产物和热力发电厂副产物制成的，所得材料不仅在经济上可行，而且在处理和应用方面也具有实用性。这些可持续填料的主要成分材料具有商业化供应的潜力，有待对其组成变体进行进一步优化。此外，它们被强烈推荐作为支持可持续和绿色能源倡议的有前景的候选材料，特别是用于聚光太阳能应用。**引言**当今世界距大气CO?浓度450 ppm的临界阈值仅剩约25 ppm，该水平与严重且可能不可逆的气候变化影响密切相关。这一令人担忧的趋势是由不断增长的需求推动的，特别是来自多个行业和数据中心等能耗密集型部门。根据国际能源署（IEA）的预测，到2050年实现净零排放目标，能源资源、能源技术及其储存技术必须是可回收且对环境无害的，才能被视为清洁能源[1]。太阳能是最受欢迎的可再生能源之一，可通过光伏（PV）和聚光太阳能发电（CSP）技术产生电力。光伏系统通常与电池储能（BES）结合使用，面临关键材料供应有限和相对较低的能源效率等挑战。聚光太阳能发电系统可以通过同时满足工业的热能需求和高功率需求而提供关键优势。典型的聚光太阳能发电系统包含三个主要组成部分：太阳能聚光场、热能储存（TES）系统和发电单元，从而实现灵活和可调度的电力生产。聚光太阳能发电系统通过利用太阳能产生的热量来发电。这些系统通过使用跟踪太阳运动的反射镜或透镜将阳光聚焦到接收器上来实现运作。强烈的太阳热量随后被转化为高温热能，驱动传统的朗肯循环（通常使用汽轮机）来发电[2]。传统聚光太阳能发电系统通常使用热油进行中等温度运行（最高约300°C），使用熔盐进行高温应用（最高560°C），使用空气进行超高温运行（最高1200°C）作为传热流体（HTF）。热能储存系统提供按需供热，使其成为聚光太阳能发电系统中平衡能源供需的关键。与电池储能相比，热能储存每单位储存能量的成本更低，但要使热能储存系统在成本效益型聚光太阳能发电应用中广泛应用，则需要大幅降低成本。填料床储存系统提供了一种具有成本效益的替代方案，通过使用填料替代大部分昂贵的高温流体[3]。为了最大化成本效益，这些填料不仅必须成本低廉，还必须与工作流体兼容并能承受系统的运行温度。目前，许多可持续且成本效益好的填料材料正在被开发并应用于不同规模的热能储存系统中。Ko?ak等人[4]在其最新工作中总结了多种此类材料，包括建筑废料、采矿副产品如瓷土质废弃物、含石棉废弃物的玻璃化产品、电弧炉渣、钢铁工业炉渣、再生陶瓷和铜渣。这些材料通常以粉末形式或水泥-废料复合材料的形式使用。将这些材料塑形成各种几何形状和尺寸可以显著提高填料床热能储存系统的储能容量[4]。同时，这些填料应针对热能储存系统的实际使用进行适配，重点关注安全性和实施便利性。另一个需要考虑的重要问题是使用水泥作为废料基填料的结合材料。水泥行业消耗了全球工业能源总量的15%，占全球CO?排放总量的8%以上[5]。近年来，使用地质聚合物取代水泥来减少建筑业中的能源消耗和CO?排放被认为是基于水泥行业的有吸引力的解决方案之一。地质聚合物具有可持续的组成，拥有独特性能，可用于建筑材料和作为CO?捕获材料[6]。地质聚合物是一种绿色环保材料，可在室温下由天然材料和废弃材料合成。此外，它具有压缩强度、体积稳定性、低渗透性和耐高温等优良性能。所有这些特性使得地质聚合物在建筑、胶凝材料、防火保护、废物和有毒材料固化以及放射性废物封装等各种应用中具有重要价值[7]。此外，建筑废料已成为另一个可持续性挑战，这由人口增长、城市转型相关的旧建筑拆除以及自然灾害（特别是地震）的后续影响所驱动。例如，土耳其在2023年2月经历了一场毁灭性的地震，超过35,000栋建筑倒塌，约200,000栋建筑严重受损。这种情况迫切需要有效的废料管理方案，特别是在环境影响和健康安全方面[8]。与可持续能源政策和为子孙后代确保环境管理的目标相一致，本研究专注于开发完全可持续、成本高效且几何形状可适应的基于地质聚合物并掺入建筑废料的填料。这些复合材料被设计为具有高机械强度和热稳定性，目标是在聚光太阳能（CSP）系统和工业余热回收的热能储存（TES）中应用。**材料**在本研究中，使用了土耳其四家工厂的四种不同工业废料用于地质聚合物生产。这些包括粒化高炉矿渣（GGBS）、铁铬渣（FCS）、电弧炉渣（EAFS）和粉煤灰（FA），分别从?sdemir钢铁厂、Eti铬铁生产厂、Ekinciler钢铁厂和Elbistan热力发电厂采购。建筑废料来源于一所教室建筑的结构残骸。**热导率**在500°C下进行500小时热循环前后的热导率测量（表2）表明，材料在高温条件下表现出良好的稳定性。总体而言，大多数样品的热导率没有出现显著损失，平均降幅保持在1–3%的范围内。这表明大多数材料在反复加热和冷却循环下具有抗降解性。然而，样品2、3和8显示**结论**本研究展示了十二种新型可持续填料材料的开发和表征，这些填料由工业废料和建筑废料合成，用于聚光太阳能（CSP）和工业应用的填料床热能储存（TES）系统。对填料的评估涉及其热性能和机械性能，以及成本效益，以评估其适用于大规模可再生能源应用的适宜性。结果表明这些**作者贡献声明****Nurten ?ahan：** 数据整理、形式化分析、调查研究、方法论、论文初稿撰写、论文审阅与编辑。**Burcu Ko?ak：** 数据整理、论文初稿撰写。**Emre P?narc?：** 数据整理、形式化分析、调查研究、论文初稿撰写。**Halime Paksoy：** 数据整理、调查研究、论文初稿撰写、论文审阅与编辑。**利益冲突声明**作者声明，关于题为"基于地质聚合物填料材料的全可持续设计：填料床热能储存的绿色工程方法"的论文发表，不存在利益冲突。**致谢**作者感谢Sevinc Yesiltas提供的技术支持和原料供应。Nurten ?ahan | Burcu Ko?ak | Emre P?narc? | Halime Paksoy诺森比亚大学，机械与建筑工程系，纽卡斯尔，NE1 8ST，英国