执行摘要
- 热能存储利用熔盐、相变材料 (PCM) 或加热岩石等材料，将多余的能量以热能或冷能的形式捕获，并在需要时释放。多项技术经济和生命周期分析表明，与许多广泛部署的可再生能源存储技术相比，它具有更低的成本和更小的环境影响，且其能源效率和能量密度均高于机械或化学替代方案。
- 存储介质可分为三大类。显热材料（如水、岩石、混凝土、砖块、陶瓷、石墨和熔盐）通过其比热容来存储热量。相变材料（如石蜡、盐水合物、脂肪酸和聚乙二醇）通过固液相变来存储热量。热化学材料（如沸石、金属氢化物和氢氧化物）通过可逆化学反应来存储热量。
- 过去 20 年间，期刊论文和专利发表量稳步增长，自 2019 年以来增长尤为显著。对 CAS 内容合集 (CAS Content Collection) 的概念分析显示，相变材料 (PCM)、太阳能集热器、热泵、微胶囊化、烷烃、石蜡和聚氧亚烷基等领域增长最快，同时石墨、铜、石墨烯和铝在提升复合材料导热性方面的应用也备受关注。
- 热能存储目前已在多个应用场景中实现商业化部署，包括空调系统的峰值负荷调节、提供高达 1,800 °C 的工业热电池、聚光太阳能发电，以及建筑材料中通过相变材料实现的建筑供暖和制冷。其他新兴应用还包括可持续海水淡化、智能纺织品，以及光热疗法和药物输送等生物医学用途。
风能和太阳能等可再生能源对于减少排放至关重要。然而，为了充分利用这些能源，必须将多余的能量存储起来，以便在无风或无光时使用。电池储能技术的发展满足了这一需求，但如果还有其他更具成本效益和能源效率的方法呢？
热能存储就是这样一种方法。包括技术经济和生命周期分析在内的多项研究表明，与许多广泛使用的可再生能源存储技术相比，热能存储具有更低的成本和更小的环境影响。此外，热能存储系统的能源效率和能量密度也高于机械和化学存储等许多其他常见的储能技术。
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热能存储提供了一项独特优势，即管理建筑物内部温度——随着气温升高和热浪加剧，这一过程每年都变得愈发重要。这些系统在白天捕获热量，并在夜间气温下降时被动释放。从本质上讲，利用可再生能源进行热能存储可以在不增加大气排放的情况下保持建筑物凉爽，从而打破因使用化石燃料驱动的空调而产生的负反馈循环。
鉴于这些优势以及实现 2015 年《巴黎协定》所规定 2050 年净零排放目标的紧迫性，我们分析了CAS 内容合集 (CAS Content Collection)TM（全球最大的人工标引科学信息库），以了解该技术的发展现状。我们发现文献中反复出现了一些关键概念，这表明在这些理念的交叉领域可能会产生更多的突破。
热能存储的工作原理
热能存储利用熔盐、相变材料 (PCM) 或加热岩石等材料，以热能形式捕获并存储能量，以便日后转换回电能。热电池（也称为热能存储系统）是一种创新技术，能够捕获并存储多余的热能（无论是热能还是冷能），以供未来使用。
通过利用能够根据需要吸收、存储和释放热能的专门材料和工艺，这些系统在优化能源效率和可靠性方面发挥着至关重要的作用。这对于降低工业排放非常有价值，因为存储的热量可以直接用于高温工业流程，或用于产生蒸汽来驱动这些流程。
如表 1 所示，有多种材料可以存储热能：
表 1：热能存储材料的类型及示例。
出版趋势显示出广泛的机遇
热能存储技术正如何演变？它是否已接近大规模商业化？我们对 CAS 内容合集（CAS Content Collection）的分析不仅揭示了热能存储相关出版物的激增，还发现了许多相关概念，这些概念指明了未来可能出现突破的领域。
我们发现，过去 20 年间，期刊论文和专利出版物均呈现出稳步、持续的增长（见图 1）。
自 2019 年以来，增长尤为显著，专利数量的持续增加表明这些技术正迈向商业化可行性。
我们通过将出版物数量映射到 CAS 内容合集的特定主题部分，进一步深化了分析，结果显示了热能存储在众多领域中的广泛适用性（见图 2）。
正如预期，大多数出版物与 CAS 关于电化学、辐射和热能技术的主题部分相关，其次是单元操作与过程、设备和热力学等其他相关性较强的主题部分。关于混凝土和其他建筑材料的主题部分也有大量出版物，主要探讨如何通过加入相变材料（PCM）来提高建筑的能源效率。含有相变材料的混凝土在白天室外高温时会吸收热量，从而阻隔室内高温，并在室外温度较低时释放热量。
我们在能源相关的主题部分中发现了大量出版物，例如在风能和太阳能应用中用于平衡供需。热能存储还可以帮助核能从传统的基荷发电转型，以适应不断变化的电力需求。
与水相关的出版物数量表明，热能存储在可持续、全天候的海水淡化方面也展现出机遇。通过存储并持续提供由太阳能产生的热能，这些系统可以驱动盐水的蒸发。
一些涉及热能存储出版物的独特主题涉及各种材料。关于有色金属和合金的主题部分拥有相当数量的出版物，这是因为这些材料被用于构建热能存储系统，此外也有少数研究报告了它们作为相变材料的用途。
与塑料制造和加工相关的主题也出现在众多出版物中，这很可能是因为发现多种含有相变材料成分的聚合物在热能存储应用中效果显著。纺织品和纤维也占据重要地位，热能存储材料被用于制造智能纺织品和热致变色织物。
相变材料的热能存储能力甚至在各种生物医学应用中也很有用，例如光热疗法、靶向药物输送和制药领域。
概念共现将材料与用途联系起来
评估思想交汇点并观察创新可能发生之处的另一种方法是检查概念对的共现情况。我们分析了这些概念对及其在 2022-2024 年间的增长情况（见图 3）。
图 3A 显示了增长最快的前 10 个概念对。相变材料、太阳能收集器和热泵是其中增长显著的概念。微胶囊化技术因其能提高热导率并防止相变材料与周围材料发生反应，凭借大量的出版物和增长率脱颖而出。该技术已被用于提高热能存储过程的整体效率。
我们通过研究物质类别概念与应用/用途/过程概念的组合，进一步缩小了高增长概念对的范围，图 3B 展示了此类概念对中的前 10 名。
烷烃、石蜡和聚氧烷基醚是近年来增长最快的物质类别。紧随其后的是微胶囊和复合材料等概念。由于石蜡通常被封装成微胶囊以提高其稳定性和循环性，我们观察到这些概念呈现出高增长。烷烃是另一个备受关注的主题，通常与聚合物、各种形式的碳和无机材料结合使用，以提高热导率、防止泄漏并提供化学稳定性。
图 3C 显示了由物质类别概念和属性概念组成的高增长概念对。除熔盐外，高增长的物质类别与图 3B 中发现的相似。与之相关的属性通常包括红外（IR）光谱、表面结构、焓、凝固和太阳能。
人们经常研究聚氧烷基醚等相变材料的应力-应变关系，以确定其结构完整性并优化性能。红外光谱常与相变材料共现，因为它被用于研究相变材料的化学结构、相变和热稳定性。
我们还研究了物质的共现及其使用情况（见图 4）。
石墨是相变材料（PCM）中最常用的物质之一。由于石墨具有高导热性和多孔结构，含有石墨和 PCM 的复合材料被用于提升热能存储性能。
与石墨类似，铜、石墨烯和铝也常与 PCM 结合使用，以改善其导热性。含聚乙二醇的复合材料也是报道最广泛的相变材料之一。这些共现关系指出了哪些材料已经在热能存储中发挥了关键作用，以及哪些材料值得进一步探索。
热能存储解决方案走向市场
许多公司已在多个应用领域推广热能解决方案。正如我们在专利增长中所见，这表明该技术正变得切实可行。一些值得注意的例子包括：
- 削峰填谷： Ice Energy 提供基于热能的空调解决方案，以避免在电价高昂时段用电。与此同时，Sunamp 利用太阳能或非高峰电网电力为热水解决方案供电。
- 工业能源： Electrified Thermal Solutions 制造的热电池以热能形式存储可再生电力，随后为工业用途提供高达 1800 °C 的持续热能供应。
- 发电： 多家公司正在利用聚光太阳能产生的热量来产生蒸汽，进而用于发电。多余的热量通过熔盐存储，以便在无阳光时发电。
- 建筑供暖与制冷： Microtek 将 PCM 用于建筑材料，以存储和释放室内热量，从而降低能耗。
工具箱中的又一利器
在保持经济活动和人类舒适度的同时减少排放并实现净零排放，需要众多创新解决方案。热能存储是结合可再生能源和能源效率的一项宝贵选择。我们对 CAS 内容合集的分析表明，人们对该技术的兴趣日益浓厚，研究概念正围绕重要的材料、物质和用途趋于融合。随着更多创新产品推向市场，热能存储必将成为我们缓解气候变化影响的持续努力中不可或缺的一部分。
