中科院刘启斌：中低温太阳能热化学燃料转化与发电系统研究

“从学术来讲，中低温太阳能热化学燃料转化与发电，这是一个相对比较全新的领域，我们建立了太阳能跟化石燃料之间多能互补的一些基本的理论和方法，探索太阳能互补制氢或者制合成气的关系，多元互补的理论，研制了太阳能转化成燃料的一些装置和方法，进行了一些系统的集成工作，为太阳能和多能互补的分布能源系统提供了新的利用途径。”

——中国科学院工程热物理研究所研究员 刘启斌

8月7日，由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开，会议为大力推广风能、太阳能、储能创新技术，推动风光互补、太阳能+储能、风光储技术以及智能微电网、能源互联网技术在综合能源服务领域的应用；搭建风能、太阳能与储能产业科学技术、创新应用的交流与合作平台，推进风电、太阳能发电无补贴平价上网项目技术发展，推动储能技术进步和创新。

主旨报告环节，中国科学院工程热物理研究所研究员刘启斌作“中低温太阳能热化学燃料转化与发电系统研究”报告。

中国科学院工程热物理研究所研究员 刘启斌

我看很多来自企业界的朋友，今天我给大家讲太阳能热利用另外一个比较重要的方向，咱们国际能源署把太阳能热利用分成太阳能热发电，还有太阳能转化成燃料，就是直接把太阳能通过热化学反应形式转化成燃料，某种意义上也是一种太阳能储能。

这里面解释一下，报告题目叫“中低温太阳能热化学燃料转化与发电系统研究”，这里面“中低温”在太阳能热利用里面通常中低温比较低，在热发电里面通过温度比较高，这里面的中低温就是340度左右，我把我们的工作给大家汇报分享一下。

报告分三个部分内容，介绍一下整个太阳能热利用研究的背景，然后太阳能热利用转换的机理、方面、应用示范的进展给大家分享一下。

前面讲了光伏、太阳能发电，因为我们是做能源转化的，很多是做的热物理方面的工作，这里面主要涉及的是太阳能热利用的工作。太阳能热利用我们知道最常见的就是太阳能热水，我们国家世界上太阳能热利用装机面积最大的国家，每年节约标准煤大概1.1亿吨，但是在我们整个国家的能源结构里面，现在是47亿吨标煤里面占的比重非常低，因此需要发展大规模的太阳能热利用技术。目前太阳能热发电是主要的利用形式，主要是装机容量达到了9603兆瓦，咱们国家也有很多正在筹建的机组，在青海、内蒙等中国西北部一些在建或者已经运行的。

目前我们从太阳能独立热发电系统来讲，因为是低密能源，太阳能密度，对于电来讲1000瓦可能需要4—8平米的聚光面积，1千瓦装机可能需要大概10—15平米，目前投资、发电成本都比较高，需要技术等等方面甚至刚才徐教授讲的储热、热力循环系统方面都需要很多技术，现在国家一些研发计划等等都有很多技术需要来做。

国家能源署，这是刚才作为太阳能的发展，还可以和我们化石传统的能源结合，作为一个近中期太阳能发展的技术路径，如果国家能源署预测2030年或者2040年能在5美分到7美分，短期内想实现这个目标还是比较困难的，因此跟近中期，跟一些化石能源做互补，来降低它的成本。

刚才我们介绍了太阳能直接变成动力，今天介绍太阳能通过热化学利用变成热力燃料，比如水或者天然气、煤，他们如果分解等等各种反应需要热量，我们把聚光的太阳能把水氢氧打破，变成氢气和氧气，变成氢燃料，再进行动力运用或者作为交通运输的燃料，这种利用方式就是太阳能热化学利用，也是太阳能热化学储能的一种形式。

国际上目前研究的方向主要有一些水分解，比如说水直接分解，大概通过2千摄氏度的高温，因此各国学者为了降低这个温度研究了各种循环，目前可以达到800摄氏度，但是目前的效率也就是在6%左右，还有很多很多牵扯动力的问题、牵扯一些热化学反应催化剂等各种问题，有一些技术问题也都亟待解决，也就是世界各国著名的研究机构开展研究，从学术角度是一个学术前沿。

目前由于操作难度比较高，很多技术问题目前为止没有解决，因此我们课题组提出把温度降低作为化石燃料互补的工作，并且给大家介绍相关的工作。我们通过这种太阳能，和这种清洁燃料进行互补，变成氢气进行小规模的兆瓦级的利用。以下就是把我们在理论、方法、系统集成、实践验证、工程示范方面给大家简要的分析。

我们的现在思路是，大家知道不同能源，我们的天然气、氢气、合成气或者金属燃料，比如镍、钠镁，是不同的燃料，有不同的能量体制，比如我们的热量有500摄氏度、800摄氏度、300摄氏度，不同的温度有不同的能量品质，对化石能源有不同的能量品质，对我们太阳能来讲，不同的聚光，根据我们折射等各种不同的聚光也有不同的品质，我们就想通过源头，减少源头之间的互补，减少互补过程中不可逆的从源头来出发研究太阳能和化学能是如何互补的。

太阳能热发电的基本规律，太阳能集热气随着集热温度集热效率是降低的，而我们作为动力循环来讲，随着集热温度循环越高动力效率是在提高的，而对于太阳能热发电来讲是受到及热效率和动力效率两个双重效率的制约，因此对于某一个聚光比条件下是有一个最佳的运行的操作温度的，并不是说这个温度越高越好。但是目前这种热效率不能满足多能源互补之间发电效率，满足不了这个理论。我们在太阳能热化学互补机理方面开展了一些工作，我们从能量品质的一些概念，从太阳能燃料的转化到卡诺循环效率，建立了一些基本关系，认知了太阳能和燃料之间品质作用的相互关系，得到一些比较好的指导规律。对于不同的太阳能的聚光，对于低聚光比或者高聚光比需要跟不同的化学燃料进行互补、如何互补，我们提出了一些理论。

在上述理论研究的基础上我们也做了一些方法或者技术的研发，我们知道我们白天有太阳能，晚上一般风能比较大，我们经常说风光互补，这种互补就是在时间轴上实现前天候的能源供应，我们称为叫能量互补。我们对于多能源互补来讲，不但要追求之间在时间轴上的能量互补，还要更多的追求在能量之间，通过不同品位的耦合减少能量互补之间的部分损失，提高能源最大的利用效率，我们提出的另外一个概念，就是能源互补使得减少化石燃料在转化过程中的不可逆损失，从而把太阳能提升到化石燃料的品质上去，实现整个太阳能的提质增效。这个里面不是传统的一般的太阳能，里面是化学反应，跟传统的利用方式有所不同。我们很早就开发了平台，下面介绍一下。

里面不是传统的水、导热油或者熔盐，这里面把清洁的液体燃料通过聚光的太阳能照射到反应器上迅速的反应，把太阳能通过反应的形式变成氢气或者其他。

我们研发了一些设备来测聚光太阳能多吸收反应这样一些能量或者光学效率，来评估设备，为设备的研发来提供一些依据，也做了一些我们相关的实验或者研究。首先，因为刚才说光热转换，首先光要变成热，做一些基础的研究，也开发了相关的槽式太阳能模拟的平台。因为太阳能转化成燃料，中间太阳能吸收/反应器是作为最关键的核心技术也是核心设备，对一些运行参数和一些关键参数优化选择进行数值或者实验方面的工作。

因为刚才光反应，这里面首先有几个过程，首先光要变成热，热要化学反应，化学反应里面牵扯到流动、反而、化学反应的耦合，如何把这个反应运行得更好、设计的更好非常重要，我们在这方面开展了一些基础的工作核试验的工作。这里面一些结合给大家展示一下，大家感兴趣可以看一下。我们也通过一些大数据方法或者算法，减少整个系统的实验成本。

在上述基于理论和方法的基础上，我们把系统机理方法进行了应用技术的研发，通常的研究比如燃煤电厂或者天然气循环，都是在卡诺循环效应以下工作，我们这个工作就是想把太阳能跟燃料化学能之间的结合，来减少燃料化学能的损失，跳出了传统热力循环的研究范围，在这方面开展一些工作。

我们刚才讲完以后，我们把太阳能和化石燃料进行互补，最成变成氢气，后面就可以用我们传统的动力循环，比如内燃机或者最后变成氢，变成燃料电池进行发电，或者进行冷热电的多联供，或者化学燃料跟冷热电之间的多能源输入、多能源产品的输出，这种规模跟产品大的电厂还是不太一样的，这种比较适合兆瓦级的小规模的分布式能源系统，提高整个太阳能跟燃料之间利用的效率，并且能够实现多能源产品的能源供应。

从2005年到现在，从一些装置到样机到200千瓦、100千瓦的热发电系统，开展了一些机理、方法、技术的研发，目前我们在张家口冬奥会的可再生能源示范区做了5兆瓦级的示范。以下给大家简单的介绍一下。

整个系统的概念，向我们的用户提供多能源产品输入，实现整个能源能量的综合梯次利用，从燃料变成二氧化碳和氢的合成，主要通过这个进行发电，能节约燃料，实现低碳、稳定的运行。

这是系统的概念图，首先把太阳能转化成燃料，通过这个进行发电，底下余热利用，我们看到450度进行制冷，一般在150度—170度之间，450度直接来进行制冷，首先从技术上来说能量没有实现梯级利用，科学来讲是不太科学的，这个方面我们也做了一些工作，怎么能把450度左右的热量到180度之间这个温度差怎么把热量利用好，我们提出了，刚才通过热化学方法，我们可以通过余热进行化学反应。刚才我们用太阳能作为热源变成化学能，这里面可以用动力的遇热变成化学能，用完以后把动力的余热再进行制冷，然后实现能源的梯级利用。

这里面进行了一些系统集成。作为太阳能来讲，最大的一个损失就是光学损失，槽式太阳能的光学损失整个光学效率100个能量的话，20个化学损失掉了，特别是今天由于太阳能的问题整个太阳能的集热效率可能就是40%到60%之间就是50%左右，对于大规模槽式太阳能发电厂二维跟踪是不太现实的，而对于我们这种分布式能源，一个兆瓦级的多能源互补系统，也就是需要六七百的集热面积，这里面我们就开展了一些把槽式变成二维跟踪，来提高能源效率的工作，也达到一个比较好的效率，这是我们在廊坊开发的一个台子，我们通过转换实现的一个数据。

这个里面作为我们槽式的，里面不光是吸收器，同时还是化学反应器，是一个二维旋转的集热。

在此基础上我们又开发了一个张家口冬奥会可再生能源示范区建设了500千瓦到兆瓦级的太阳能电、冷、热的示范系统，现在正在进行施工建设，预计到今年年底实现整个系统的运行。

为了使示范工程建设顺利，我们研发了百千瓦的燃料发热系统，系统主要包括几个部分，一个是把太阳能转化成化学燃料，另外就是动力发电，因为这里面氢含量比较高，氢含量大概在65%左右，传统燃气轮内燃机，因为清洁燃料速度特别快，容易产生爆震，所以这里面也做了一些工作，把内燃机开发成适合富氢燃料的工作，富氢燃料动力技术、化学吸收技术、调控技术等都用到整个系统里面去，我们来进行技术开发。

这是在我们的实验基地，这是实验基地的鸟瞰图，这是一个槽式热化学反应的单元，这里面跟传统的太阳能热发电是不同的，传统的热发电采用的是5.7米的，我们这个设计的是250度—300度左右的温度，我们采用3米的开口进行重新研发。

这是一个储气的单元，把气体储存然后进行发电。

这是动力系统，我们把整个系统进行一些调整，也得到了一些比较好的实验结果，为我们的工程示范业提供了一定的基础，使示范变成可行。

小结一下，从学术来讲，这是一个相对比较全新的领域，我们建立了太阳能跟化石燃料之间多能互补的一些基本的理论和方法，探索太阳能互补制氢或者制合成气的关系，多元互补的理论，研制了太阳能转化成燃料的一些装置和方法，进行了一些系统的集成工作，为太阳能和多能互补的分布能源系统提供了新的利用途径。

我的发言就是这些。谢谢大家！