热化学储能技术
在我国“双碳”战略的引导下，如何最大程度的节能降碳是全社会面临的重大课题。然而，要实现节能降碳，必然要大规模使用风、光等可再生能源，并回收“废能废热”再利用，以减少化石能源消耗。为解决可再生能源不稳定性问题和能量供需双方时空不匹配矛盾，多种储能技术应运而生。在众多储能方式中，具有宽温域、高能量密度、可长时储存等优势的热化学储能技术，是极具应用前景的前沿储能技术之一。
什么是热化学储能？
热化学储能是一种利用可逆化学反应，将热能与化学键能互相转化，进而实现能量存储与释放的技术。反应通式如下：
A+∆Q ⇌ B+C
表1. 三种储热技术特点
图1. 常见的热化学储能体系
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材料的选择是影响热化学储能系统性能的关键因素。目前研究主要集中在开发高反应性、高循环稳定性且成本较低的储能材料。例如，碳酸盐类（固）、氢氧化物类（固）和氧化物类（固）、金属氢化物类（固）、氨（气）和甲烷（气），前4类材料因其在高温下的良好反应活性和较高的能量密度，被广泛应用于热化学储能研究中，代表性材料有CaCO3（图2a）、Ca(OH)2（图2b）、Mn2O3（图2c）、MgH2（图2d）。
图2 代表性热化学储能材料
近年来，研究人员尝试通过掺杂改性和纳米化技术进一步提高了材料的性能。例如，将碳酸钙与纳米石墨片（GNSs）相结合，构建CaCO3/ GNSs复合材料，成功将CaCO3储热密度提高2.9倍；在Ca(OH)2中掺杂纳米SiO2，可有效减少细颗粒之间的黏聚力，大大改善了Ca(OH)2结块现象；通过溶胶-凝胶法合成Mn2O3/Si复合材料，经历40个循环后，其再氧化率仍高达99.9%，显著抑制氧化物的烧结问题。
图3. 添加SiO2前后Ca(OH)2板结情况
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储能材料是核心，但在工程上实现高效能量转化的反应器同样重要。当前，研究人员正在探索不同类型的反应器设计，以优化热传导和气体流动效率，进而提高能量存储和释放的效率。常见的热化学储能反应器有3种：固定床、流化床和移动床。
固定床反应器结构简单，操作方便，反应物装在反应器内，通过壁面或热流体对反应物进行换热，但其传热效率较低，限制了能量转换速度。
图4. 研究院建设的热化学储能固定床供暖样机
相比固定床反应器，流化床反应器能量转化速度更高，在其内部的固体颗粒被高速气体吹起，时刻处于悬浮运动状态，固态颗粒与气体接触充分，对流换热强度大，有效促进了化学储能物反应，但这种反应器能耗较高，且颗粒不断发生碰撞，磨损较大。
图5. Naser Almohammed等研究人员报道的流化床
移动床反应器是一种受到越来越多研究人员关注的新型反应器，兼顾了固定床和流化床的优点，主要依靠反应颗粒的自身重力下降，与加热流体形成逆流换热，无需过大气体流速和能耗，即可达到理想的对流换热效果，实现颗粒的高速反应转化，是目前储能反应器研究的重点之一。
图6. Schrader 等研究人员报道的斜坡式移动床
面临的挑战
热化学储能技术的应用前景广阔，但目前该技术仍在实验室研究阶段，其商业化应用仍面临诸多挑战。热化学储能材料的成本、稳定性和系统规模化应用的工程问题，以及如何在实际使用中确保系统长时间高效安全运行，都是未来研究的重点方向。
工于致热 诚以聚能
供稿 | 换热技术中心 仝仓
编辑 | 顾丁雯
