【Carbon Neutrality论文荐读】陈海生教授团队：面向碳中和的钙循环能量存储与转化

近日，中科院工程热物理研究所陈海生教授团队应邀在Carbon Neutrality上发表了基于钙循环的能量存储与转化的综述性文章，深度剖析了钙循环在传统CCS 行业的应用瓶颈，明确了钙循环材料的多功能化、反应器的多相态热-质耦合以及系统的多能互联对建立CCS枢纽的关键作用，阐明了钙循环基于CCS能源化利用的机遇与挑战。

文章亮点

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钙循环(Calcium-looping)作为一种二氧化碳的捕获与封存技术(Carbon Capture and Storage, CCS)，其关联太阳能热存储利用和低碳制氢转化的研究日益得到关注，文章在“双碳”背景下对其发挥的能源存储与转化的意义进行了解读。

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文章对钙循环CCS协同行业脱碳的应用瓶颈进行了深层次挖掘。

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文章阐明了钙循环基于CCS能源化利用的机遇与挑战。

内容简介

能源结构调整以及化石能源脱碳是我国实现“双碳”战略目标的首要任务，化石能源急需要节能减碳的变革性技术，与此同时随着可再生能源的规模化，我国的能源结构也将不断从化石能源主导转向以可再生能源为主的多元格局。化石能源的脱碳协同可再生能源的电气化有望助力电力生产行业率先实现碳中和。钙循环(Calcium-looping)作为一种二氧化碳的捕获与封存技术(Carbon Capture and Storage, CCS)，近年来在太阳能热存储利用和低碳制氢转化的多能互联方面表现出代表性。

本文基于钙循环的能量存储与转化的研究进展现状，深度剖析了钙循环在传统CCS 行业的应用瓶颈，明确了钙循环材料的多功能化、反应器的多相态热-质耦合以及系统的多能互联对建立CCS枢纽的关键作用，阐明了钙循环基于CCS能源化利用的机遇与挑战。

图文导读

01

传统化石燃料发电中的钙循环CCS

CCS技术可以减少化石燃料电站中CO2排放的80%以上，却会额外带来电站的能量损失，这使得集成CCS技术的化石燃料电站在处理负荷波动方面欠缺灵活性，而限制在低容量因子下运行。例如，捕获燃煤电站烟气中90%的CO2，其系统效率损失在10个百分点以上。

CCS 对化石燃料电站带来较大的投资(Ecap-CCS)和运营(EO&M-CCS)损失，主要包括建造和运行 CCS 过程所涉及到的分离、压缩、运输和储存过程。以氨吸收CCS技术为例，其对化石燃料电站的净效率降低约 8~12.5%，将导致发电成本增加约 60%。

针对传统化石燃料电站中CCS捕集能耗大和成本高的缺陷，耦合燃料转化过程中的能量与CO2的生成、扩散、迁移规律，一直是该领域的研究重点。目前，已有研究评估了超临界燃煤电站的能量耦合优化钙循环CCS的可行性，通过亚临界条件下产生的过热和再热蒸汽热耦合，实现改造后的系统预估效率 33.4%，效率损失下降至6~8 个百分点。在碳中和背景下，如何匹配燃料转化过程中的多联产、能量不可逆损失与CO2的定向富集，对于钙循环CCS有了更高要求。

图 1 燃烧后钙循环CCS示意及原理图

图 2 85% 的容量系数（ GWh ）化石燃料电站中CCS的影响

02

能量存储与转化中的钙循环

利用多样化的国内资源开发氢能，有利于促进可再生能源消纳以及化石能源转型，依次确保丰富、可靠且可负担的清洁能源供应。钙循环作为煤基、生物质和废弃物气化制氢配备的CCS技术，其材料的多功能、低成本特性是发展先进的化石燃料和生物质重整/转化技术的重要环节。研究、开发和验证钙循环在制氢转化中的作用，对于解决氢能相关技术推广、消费终端和市场壁垒，最终实现在燃料电池、燃气轮机发电等跨应用领域的广泛部署都具有重要意义。

钙循环作为一种热化学储热方式有其特殊的时空存储优越性，相对于传统物理储热方法：显热和相变储热密度小、保温代价高、适宜于短期热能存储与利用，但由于储/释热过程中工质的温度变化，导致储/释热模式下的负荷不同，影响了系统的连续性和稳定性。钙循环具有储热密度高（>10³ kJ∙kg⁻¹），可实现跨季节热能存储，且具有“化学热泵”的热质提升优势，对于太阳能热化学转化与其他能源互补耦合技术方面具有特殊优势。

图 3 钙循环与创新制氢技术

图 4 热能存储技术中热化学储热的特点

03

钙循环基于CCS的能源化利用多尺度问题

基于钙循环CCS能源化利用的研究涉及能量存储与转化的多尺度问题，从材料角度，钙基颗粒需要特殊的结构设计、掺杂改性以及多功能化，以期实现钙基材料较高的反应循环稳定性和协同作用；从化学反应角度，钙循环难以通过单一的气-固相反应动力学匹配其动力学循环过程，需要结合特定的反应动力学模型并加以反应器验证；从工程应用角度，钙循环CCS能源化利用涉及热化学反应中的热质协同传递，需要从系统层面进行热质耦合机理的研究。

图 5 钙循环反应机理（a）材料循环反应稳定性（b）流化床反应器及耦合富氢系统（c）能量耦合的主要模式（d）

总结展望

尽管钙循环概念由来已久，而真正意义上探索基于钙循环CCS的能量存储与转化的应用研究最近几年才备受关注，且研究集中表现在多学科交叉的共性问题中。

从CCS出发，本文深度剖析了钙循环在传统CCS 行业的应用瓶颈， 指出能量耦合对传统化石燃料电站的可能贡献。进一步，以钙循环作为煤基、生物质和废弃物气化制氢配备的CCS技术为例，我们指出了研究、开发和验证钙循环在制氢转化中的作用，提出了该技术在燃料电池、燃气轮机发电等跨应用领域的推广的重要意义。此外，文中阐述了钙循环基于太阳能光热存储的选择优越性，指出对于太阳能热化学转化与其他能源互补耦合技术方面具有特殊优势。

本文致力于阐明钙循环CCS能源化利用的机遇与挑战，以及钙循环能量存储与转化的多尺度研究问题的迫切性，为从事化石能源的转型中的多联产及可再生能源的耦合技术的学者们提供研究思路。

原文信息

Calcium-looping based energy conversion and storage for carbon neutrality –the way forward

作者：

Zhiwei Ge, Binlin Dou, Liang Wang, Yulong Ding, Haisheng Chen* and Yimin Xuan

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-022-00034-4

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-022-00034-4

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通讯作者介绍

陈海生，中国科学院工程热物理研究所，研究员

研究领域

先进储能技术。

个人简介

陈海生，中国科学院工程热物理所研究员，中国工程热物理学会副理事长、秘书长，中国能源研究会储能专委会主任，Journal of Thermal Science、Energy Storage、《储能科学与技术》和《工程热物理学报》副主编/常务副主编。曾获“科学探索奖”、北京市科学技术奖一等奖、国家杰出青年科学基金、中国青年科技奖特别奖、 英国皇家学会牛顿高级学者奖、国家能源局软科学研究优秀成果奖、国防科学技术奖、侯德榜化工科技青年奖等。

联系方式

E-mail: chen_hs@iet.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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转自 / Carbon Neutrality碳中和