近日，中國科學院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實驗室發現了一種通過利用化石燃料(例如CH4)吸熱反應來回收等溫法熱化學循環反應器下游廢熱和未反應氣體(例如H2O或者CO2)的方法，并提出了基于甲烷重整的太陽能熱化學多聯產系統。

　　利用聚光太陽能的熱量來驅動吸熱反應的熱化學循環是一種重要的太陽能儲能技術，二氧化鈰及其衍生物催化的兩步法熱化學循環由于其能夠將H2O和CO2有效分解為H2和CO而受到廣泛關注，而兩者均是生產氨氣、甲醇和液態碳氫燃料的重要原料。鈰基H2O和CO2分解過程如下：首先，利用太陽能在高溫條件下將金屬氧化物的化合價降低，釋放氧原子；接著水或者CO2在低溫下被降價的金屬或者金屬氧化物還原，生成H2和CO。太陽能熱化學等溫法的氧化反應和還原反應溫度一致，相比較而言，由于沒有溫差，利用氣相進行熱回收要比固體熱回收簡單。高效熱回收和降低能耗是提高等溫法熱化學循環效率的關鍵。氧化過程下游的氣相混合物包含大量的顯熱，回收這些熱量能夠用于加熱供給側的CO2和H2O原料。

　　目前，1100­oC以上的換熱器技術尚未成熟，等溫法的氧化過程下游氣相混合物的能量無法得到充分利用。工程熱物理所科研人員研究了取代換熱器的直接換熱方式，提出了一種通過利用化石燃料 (例如CH4) 吸熱反應來回收等溫熱化學反應器下游廢熱和未反應氣體(例如H2O或者CO2)的方法。等溫法氧化反應后的混合氣體溫度能夠降低至600-850°C且混合氣體的熱值能夠提高。在等溫熱化學反應器下游整合化石燃料能夠進一步提高合成氣的產量和利用太陽能。與直接太陽能重整或直接燃燒相同的化石燃料相比，由于合并了上游的等溫法熱化學循環反應，這種新方法有生產單位熱值燃料低碳排放的優點。在此基礎上，科研人員提出了基于甲烷重整的甲醇動力多聯產系統，進一步證明了化學熱回收方式的優點。對于1600°C下的CO2和H2O的分解過程，新系統的太陽能到合成氣轉化效率分別為45.7% 和38.1%，而沒有甲烷整合且無熱回收的等溫法熱化學循環過程的效率僅為21.0%和6.4%。同時分解CO2和H2O與甲烷重整相結合能夠獲取可調的CO/H2 比例以滿足不同的化學合成過程。生產單位質量的甲醇需要的化石燃料消耗大約為22GJ/ton，比目前典型的工業生產過程的能耗低，最佳太陽能到甲醇的轉換效率可高達44%以上。

　　上述工作得到了青年千人項目和創新交叉團隊項目的支持，相關研究成果已在國際期刊《應用熱工程》（Applied Thermal Engineering）上發表。