国际太阳热化学研究前沿技术

2020.09.10 来自：CSPFocus光略咨询

国际能源署（IEA）计算，工业用热是世界上最大的能源终端用途。那么，我们如何利用可再生能源来满足这一需求？对于某些工业用热需求，如150ºC至400ºC之间的热量，如今可以使用集中式太阳能（concentrated solar thermal -CST）来满足。例如在制药、纺织、制砖，造纸，食品加工和医院用途等。

即使是采矿、钢铁和水泥等需要更高温度的行业，某些加工环节也只需要400ºC以下的中等热量。世界银行发现，对于许多工业和农业加过程以及室内供热需求而言，已经有成熟技术用太阳能代替一半化石燃料使用量。

高温太阳能尚未商业化

但是，对于那些需要在1000ºC至2,000ºC的高温下昼夜运行的行业来说，这带来了更大的挑战。为了满足这些需求，一项十年的研究现已取得成果，并开始与愿意尝试用太阳能替代天然气或煤炭的公司合作，进行第一个联合试点项目。这些行业有的需要持续的高温热量来开采矿石，或者生产水泥与钢铁，或着加工用于钢铁和铝的矿石，或着将石油精炼成航空燃料等。

太阳火焰

法国PROMES-CNRS的过程、材料和太阳能实验室的负责人Sylvain Rodat指出：“产生火焰时，只是在燃烧含氧燃料。燃烧中火焰其实是一种高温气体，可以高达1000°C和2,000°C，具体取决于氧气含量。但是，使用CST技术，我们也可以将气体加热到很高温度。而且由于没有燃烧，所以不会产生二氧化碳。这将是干净的火焰。我们可以加热例如氮气，因此我们可以拥有高温氮气火焰，具有与燃烧的火焰相同的效果，但是没有任何燃烧产物，例如氮氧化物或CO2。如果只是加热气体，就没有二氧化碳产生。”

但他补充道，要实现这一目标也不容易：“理论很简单：我们只是用热气体代替燃烧火焰。但是实际上将气体加热到很高的温度并不是那么容易。加热液体或固体会更容易些。”

为了解决将气体加热到超过1000°C的困难，一种新的技术解决方案是将吸热器中悬浮的颗粒物加热。自2010年以来，许多专利已经发表，研究如何将各种粒子加热到很高的温度。

他指出：“对于连续热化学过程，该技术甚至可能更高效。的确，在这种情况下，颗粒吸收的热量可以直接用于固体气体工艺，而不需要燃气循环中的颗粒/气体热交换器。”

在这领域目前有些创新企业，例如Synhelion，该公司与意大利ENI合作利用太阳热化学生产航空燃料。

熔融金属或熔融盐热化学技术

一个国际团队正在研究从熔融锡溶液中产生氢气，该熔融锡的工作温度范围很宽（232°C到2,600°C），比现在的CSP电站（介质温度在290°C至565°C之间）要宽得多。在熔融锡中注入的甲烷在1,175°C时可以获得78％的氢气。

Rodat说：“我想在这个方向上走得更远，因为我认为这很有希望。但是到目前为止，在该领域进行的研究还很少。我们可以将热量存储在熔融金属中，而且系统中的惯性更大，因此可以更好地控制温度。这也是甲烷裂解的好方法，因为在气体和液态金属之间具有良好的传热系数。”

熔融盐在CSP电站中的商业化应用已经得到了证明，但现在他在研究如何直接在热熔盐溶液中进行热化学反应。

他表示：“我们可以使用熔融盐在高温过程中直接提供热量。如果成分控制得当，我们应该能够在熔融盐中进行一些反应过程，而不会与熔融盐本身发生任何反应，使其保持原始状态。初步想法是通过这种熔融盐可以催化某些反应过程，但尽可能保持稳定。我们有一些工作表明，我们可以在熔融盐内部进行反应。这并不简单，当然是一个挑战。根据不同的反应过程，我们可以观察到熔融盐降解情况发生，这是将来研究中要解决的问题。”直接在熔融盐内部进行化学反应的优点是更好的热效率，因为可以直接使用热量而无需热交换器。

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