从废热到可再生能源储存：摩洛哥工业中的热化学回收潜力

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：From waste heat to renewable energy storage: thermochemical recovery potential in Moroccan industries

　　

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  热化学储能作为工业废热回收的解决方案。
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  基于二氧化碳排放量和能源消耗估算工业废热。
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  摩洛哥工业废热每年最高可达26.96 PJ。
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  对工业副产品进行增值利用以优化废物回收过程。

引言

世界各国正积极寻找传统能源的替代品，越来越重视现代可再生能源（生物燃料、水力、地热、太阳能光伏、太阳能光热、风能和潮汐能），因为其在发电中的占比逐年递增，2022年全球达到29%，如图1a所示。非洲2022年可再生能源生产总量为207.5 TWh，其中75.5%来自水力发电（图1b）。如图1c所示，埃及、南非和赞比亚是2022年非洲可再生能源生产的主要贡献国。摩洛哥等国在可再生能源基础设施建设方面也取得了进展，如图1d所示。例如，2022年，可再生能源发电量为7.48 TWh。风能贡献最大，发电量为5.35 TWh，其次是太阳能的1.44 TWh，水力发电贡献了0.67 TWh，如图1d所示。

推动全球从化石燃料向可再生能源转型的主要驱动力是气候变化，其在过去十年中日益明显[3]、[4]、[5]、[6]。温室气体，特别是二氧化碳，在驱动气候变化方面发挥着重要作用，因此目标是减少其排放[7]、[8]。然而，分析摩洛哥的二氧化碳排放变化趋势，发现几乎每年都以约150万吨二氧化碳的速度增长（图2a），全球层面也呈现出相同的趋势。值得一提的是，2020年二氧化碳排放量的下降是由于新冠疫情导致许多工业停止生产过程。

这种增长可归因于该国工业活动的扩张，以及能源消耗高度依赖石油和煤炭，占能源总消费结构的92.7%，如图2b所示。尽管可再生能源占比逐年增加，目标是到2030年实现52%的电力来自可再生能源[9]、[10]，但与二氧化碳排放减少相关的挑战以及实现净零排放的目标仍远未实现[11]。解决这些问题需要多种方法，包括提高能源效率和优化能源使用等措施，特别是在工业领域，该领域是交通运输、住宅、农业、商业和公共服务等其他部门中最大的能源消费者之一[12]、[13]、[14]。从2000年到2020年，工业平均消耗了总能源消耗的21%[15]。例如，2022年，摩洛哥工业的能源消耗就超过了总能源消耗（684 PJ）的18%（126 PJ）[16]，如图3所示，分布在不同的工业子行业。其中大部分能源（约70%）以热量的形式使用[17]，这导致一些制造企业的能源损失高达50%[18]。因此，当这些能量以废气形式损失到环境中时，工业企业和生产过程的效率会显著降低。此外，众所周知，工业每年向全球排放三分之一的温室气体[19]。因此，全球变暖、能源效率和过去几十年来燃料价格的上涨是工业面临的主要问题和挑战之一[20]、[21]。在这方面，除了使用绿色能源替代化石燃料外，工业废热回收系统似乎是减少燃料消耗依赖、减少有害排放、提高生产效率并确保短期和长期能源安全的适当且有前景的策略[22]、[23]。

工业废热回收涉及捕获和再利用在工业过程中通过对流、传导或辐射而损失的热量[25]、[26]。废热回收有各种方法，可分为被动式和主动式[26]、[27]。主动方法涉及将热量转化为另一种形式的能量，例如使用有机朗肯循环将热量转化为电力（热转电）[28]、[29]，或通过吸附热泵将其转化为更高温度水平（热转热），或通过吸附式制冷机转化为较低温度（热转冷）[30]。另一方面，被动式废热回收是指直接使用热量或以较低温度水平用于加热或预热过程[31]。该类别的常见技术包括热交换器和热能储存，后者分为显热储存和潜热储存两种形式[32]、[33]、[34]。第三种形式是热化学储能，可归类为主动方法，因为它允许热量的更新，即系统中储存的热量可以高温回收[35]、[36]。

工业废热回收在全球范围内具有提高能源效率和可持续性的重大潜力。在中国，刘等人[23]估计每年可回收的废热资源总量为40亿至170亿吨标准煤，他们的研究强调了工业废热回收系统的盈利性，在各种情景下使用有机朗肯循环技术的投资回收期不到五年。Papapetrou等人[37]估计2015年欧洲的工业废热潜力约为300 TWh/年，而在德国，可回收的工业废热占工业企业能源消耗的13%至16%[27]。这些研究凸显了在不同工业背景下实施工业废热回收技术所带来的巨大经济和环保效益。

为了评估工厂、工艺或产品的废热潜在量，可以考虑三类：理论废热、技术废热和经济废热[38]。理论潜力设定了上限（最大可回收能量），而技术潜力和经济潜力在评估废热回收机会时考虑了实际和经济因素。

尽管关于工业废热回收的研究不断加速，但国家层面的评估仍主要集中在欧洲和其他高度工业化地区。现有模型很少将按温度解析的热可用性与当地可获得的储能材料联系起来。这对摩洛哥等发展中的工业中心构成了重大限制，摩洛哥的能源需求巨大，但可回收废热的规模、来源和热谱仍未得到量化。本研究使用一种综合三种互补方法的框架来解决这一空白，这三种方法基于工业${\text{CO}}_2$排放量、行业燃料消耗和按温度解析的能源强度。这种多模型方法能够量化摩洛哥的工业废热潜力，同时系统评估不同数据集中的不确定性。按温度解析的方法还可以识别可用的热质量。基于这些温度分布，本研究评估了储存相应废热部分所需的磷石膏衍生硫酸钙的数量。通过将工业废热映射、热谱分析和储能规模选择在单一框架内结合，本研究弥补了宏观层面的能源映射与材料层面的储能集成之间的差距。这些洞察为工业运营商提供了有针对性的废热回收优先事项，为能源机构提供了数据驱动的能效政策基础，并为磷石膏的循环增值利用建立了可行的循环经济路径。

章节摘要

方法论与假设

就摩洛哥而言，在众多消耗大量能源的工业子行业中，非金属矿物、食品饮料、化工、钢铁、造纸和非有色金属行业位列首位，如图3所示。要确定每个工业子行业的国家层面工业废热潜力，可以采用不同的方法。本研究采用了三种主要方法，这些方法之间的区别基于

基于二氧化碳排放数据的工业废热回收潜力

使用此方法评估的工业废热潜力结果显示，2010年至2022年间工业废热范围为18.04 PJ至23.39 PJ，平均为20.24 PJ，如图S2(a)所示。产生这些工业废热的主要贡献者是非金属矿物行业，如图3所示，该行业在摩洛哥工业部门中占据能源消耗的最大份额，同时也是2022年工业制造部门二氧化碳排放量的59%。同年工业废热总量为

结论

本研究使用三种互补方法评估了摩洛哥的工业废热回收潜力，这三种方法分别基于二氧化碳排放量、燃料能源消耗和行业能源强度。结果表明，估计的工业废热潜力因方法、输入数据和所考虑的假设不同而异。尽管存在这些差异，但各种方法一致地确定非金属矿物行业是工业废热的主要贡献者，其次是其他能源密集型

CRediT作者贡献声明

Abdechafik El Harrak：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，方法论，调查研究，数据整理，概念构思。El Houcine Lahrar：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，验证，方法论。Hmida Slimani：可视化，调查研究。Abdessamad Faik：可视化，验证，指导，项目管理，方法论，调查研究，资金获取。

关于写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在本文撰写过程中，作者使用ChatGPT Edu以提高可读性和语言表达。使用此工具后，作者对所发表内容进行了审查和编辑，并对论文内容的准确性承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的 competing financial interests 或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢OCP集团对"能源、科学与技术/NRG"项目的资金支持，具体协议编号为175。

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