【Carbon Neutrality论文荐读】赵长颖教授：碳中和愿景下的储热技术研究进展

近日，上海交通大学赵长颖教授在Carbon Neutrality上综述了储热技术在碳中和中的作用，并重点总结对比了各种储热技术现状和未来发展方向，包含了显热、相变（潜热）及热化学三种储热方式，重点从相变储热和热化学储热的材料、换热和设备系统层面进行了综述，最后还对卡诺电池和各种储热技术进行了总结分析。

文章亮点

1.阐述了储热技术在碳中和过程中的作用；

2.从储热机理、储热温区等不同储热方式的划分和各自的特点进行了介绍；

3.从储热密度、储热温区、传热、系统、成本、稳定性等多方面进行了综述、对比与分析，对各自优缺点进行了评述；

4.文章还对卡诺电池的研究现状进行了综述，分析了其未来可能的发展方向。

内容简介

中国面临2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，未来对新能源的需求将不断增加，而人类终端能源消费超过一半是以热能形式被利用的，因此储热技术是解决新能源波动性的一个重要技术。文章对储热技术的分类进行了介绍，从储热密度、储热温区、成本、稳定性等多方面对不同储热技术进行了综述、对比与分析，并对不同储热技术进行了汇总对比与展望。

不同储热方法的对比分析

图文导读

结论一

显热储热因为储能密度较低，一般需要较大的储能体积才能满足储能需求，而更大的储能体积会带来较大的传热问题以及保温成本和占地成本，此外，熔盐类显热技术还面临腐蚀等问题，在未来，显热储热研究的重点可以集中在新材料的研制以及新型传热技术的研发方面。

表 1 常用显热储热材料及主要特性对比

结论二

相变储热技术因为具有较高的储热密度和相对恒温的储放热温度，受到研究者和工业应用的重视。总的来说，相变储热材料（PCMs）可以分为有机和无机储热材料两大类。其中，在中低温领域，一般使用有机材料和无机水合盐类PCMs用于储热，这两类PCMs具有较好的等温熔融和自成核的特性且腐蚀性较低，然而，其较低的熔点和较低的储热密度限制了其在高温区的应用。无机盐和金属类PCMs具有较高的熔点和相变焓，使得它们在高温区应用越来越受到重视，但是在温度升高的同时，也会使材料的化学活性增加，尤其是对于无机盐和复合盐类PCMs，高温会造成储热材料发生化学反应和结构变化，进而引起材料失效问题。

总之，除了金属PCMs外，其他PCMs普遍具有导热系数较低的共性问题，这严重制约了其应用，因此需要研究新型的传热强化方法与技术，此外今年还有研究者在开发新型的光敏控制发生相变的储热材料。未来研究具有低成本、高稳定性和安全性的大规模相变储热技术将是促进其工业应用的重点。

图1. 传统肋片和拓扑优化肋片在相变储热中传热速率对比

结论三

热化学储热技术是利用化学反应的将热储存于化学键中，因此可以在常温下实现长时间和存储，而且一般来说化学储热的储能密度要比显热和相变储热大，但同时热化学储热也是三种储热方式中最复杂、难以控制的一种储热技术。在众多热化学储热材料中，研究者的焦点普遍集中在金属氢化物、金属氢氧化物、金属碳酸物和金属氧化物这几类的相关性能研究和系统设计上，同时这几类材料也是普遍被认为最具应用前景的选择。其中金属氢化物面临着操作条件难以满意和氢气的难分离和安全性问题；金属氢氧化物（尤其是Mg(OH)2和Ca(OH)2）具有低成本及无毒等优点，但同时面临低导热性能以及可能受到CO2影响的问题；金属碳酸盐（CaCO3）具有低成本和高储能密度的优点而广受关注；以上三类热化学储热材料普遍面临循环稳定性的问题，需要对其失效机理和循环寿命改性进行研究。对于金属氧化物来说，面临着储能密度不够高以及部分材料成本高昂的问题。总体来说，热化学储热技术还不够成熟，仍处于实验室研究阶段，还未见大规模工业应用的相关报道。

图2. CaO热化学储热材料的微观烧结机理研究

图3. 颗粒固定床的反应器研究

结论四

卡诺电池是一种新型的可实现电、热、冷联供的储能系统，现有的系统储热方法普遍采用显热及相变储热。从现有系统设计分析，可以看出，未来可以将热化学储热技术应用到该系统中，实现减少系统体积和提高储能密度的目的。

图4. 卡诺电池的系统设计及实验系统研究方面

总结展望

最后，作者还对显热、相变和热化学储热三大类储热方式进行了对比，从储热温区、储能密度、成本和技术成熟度方面进行了分析和展望，显热储热已有较成熟的应用，相变储热技术根据不同的储热材料和具体应用场景处于商业应用和中试阶段，而热化学储热技术还处于实验室及中试实验阶段。随着碳中和愿景的日益接近，对热能存储技术中储能密度的提高、循环稳定性的改善、以及成本降低的需求也越来越紧迫。因此，需要进行新型储热材料的开发和新型储存热能系统的设计，以满足不断增长的热能存储需求。

原文信息

Progress in thermal energy storage technologies for achieving carbon neutrality

作者：

Changying Zhao*, Jun Yan, Xikun Tian, Xinjie Xue and Yao Zhao

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-023-00050-y

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-023-00050-y

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通讯作者介绍

赵长颖，讲席教授，上海交通大学中英国际低碳学院院长

研究领域

(1) 新型储能；(2) 微纳热辐射与超材料能源器件；(3) 多孔介质相变传热；(4) 微纳传热与电子器件冷却

个人简介

赵长颖，上海交通大学讲席教授、中英国际低碳学院院长、工程热物理研究所所长。在西安交通大学和英国剑桥大学获学士和博士学位。先后主持国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目、重大项目课题、JWKJW颠覆性创新项目、英国自然科学基金（EPSRC）等多项国家级重点研究项目。在新型储能、微纳尺度传热、低碳智慧能源系统、微纳热辐射与超材料能源器件等领域进行了系统而深入的研究，在Physical Review Letters (PRL)、Energy and Environmental Sciences (EES)、Nano Letters、Advanced Materials、Nature Communications、IJHMT、Chemical Engineering Journal等国际一流期刊发表学术论文260余篇，以第一或通讯作者所发论文被SCI引用1万余次。获第四届(2013)和第六届（2019）“ASME国际微纳尺度传热传质大会”最佳论文奖一等奖（2次），一篇论文获中国百篇最具影响国际学术论文（2013）。自2014年以来每年均入选中国高被引学者，授权发明专利 40 余项。获上海市自然科学奖一等奖(排1)。担任国际传热传质中心科学理事会理事、亚洲热科学联合会（AUTSE）Fellow及执行理事、中国工程热物理学会传热传质分会副主任等。担任国际传热领域权威奖项“Nukiyama Memorial Award”评奖委员会委员，国际期刊Carbon Neutrality（碳中和，Springer 出版社）主编、Therm. Science and Eng. Prog. (IF:4.56) 副主编及多个国际期刊编委。

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E-mail: changying.zhao@sjtu.edu.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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