Executive Summary
- 热能存储利用熔盐、相变材料 (PCM) 或加热岩石等材料捕获多余的能量作为热能或冷能，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，且比机械或化学替代方案具有更高的能源效率和能量密度。
- 存储介质分为三大类。水、岩石、混凝土、砖块、陶瓷、石墨和熔盐等显热材料通过其比热容存储热量。石蜡、盐水合物、脂肪酸和聚乙二醇等相变材料通过固液相变存储热量。沸石、金属氢化物和氢氧化物等热化学材料通过可逆化学反应存储热量。
- 过去 20 年里，期刊和专利出版物均稳步增长，自 2019 年以来增长尤为显著。来自 CAS Content CollectionTM 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、石蜡和聚氧亚烷基的增长最快，同时石墨、铜、石墨烯和铝在提高复合材料导热性方面的应用也增长迅速。
- 热能存储目前正在多个用例中实现商业化部署，包括空调系统的削峰填谷、提供高达 1,800 °C 的工业热电池、聚光太阳能发电厂的电力生产，以及通过建筑材料中的相变材料实现建筑供暖和制冷。其他新兴应用包括可持续海水淡化、智能纺织品以及光热疗法和药物递送等生物医学用途。
风能和太阳能等可再生能源对于减少排放至关重要。然而，要充分利用这些能源，必须存储多余的能量，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，多项分析（包括技术经济和生命周期分析） 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 更高 ，优于机械和化学存储等许多其他常见的能源存储技术。
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热能存储具有管理建筑物内部温度的独特优势——随着气温升高和热浪变得更加严重，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 被动地 在夜间气温下降时释放热量。从本质上讲，来自可再生资源的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，从而打破使用更多化石燃料驱动的空调所带来的负面反馈循环。
鉴于这些益处以及 2015 年《巴黎协定》规定的到 2050 年实现净零排放的紧迫性，我们分析了 CAS Content CollectionTMTM，这是全球最大的人工收录科学信息库，旨在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有更多突破。
热能存储的工作原理
热能存储通过熔盐、相变材料 (PCM) 或加热岩石等材料捕获并以热能形式存储能量，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（无论是热量还是冷量），以供日后使用。
通过利用能够根据需要吸收、存储和释放热能的专业材料和工艺，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 工业排放具有重要价值，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
热能存储技术是如何演变的？它是否已接近大规模商业化？我们对 CAS Content Collection 的分析不仅揭示了与热能存储相关的出版物呈急剧增长趋势，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方向。
我们发现，在过去 20 年中，期刊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，增长显著，专利数量的持续增加表明这些技术正逐渐走向商业可行性。
我们通过将出版物数量映射到 CAS Content CollectionTM 中的特定主题部分，进一步深化了分析，这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，其次是其他相关性显而易见的部分，如单元操作与过程、设备和热力学。关于混凝土和其他建筑材料的主题部分也有许多出版物，主要探讨如何结合相变材料（PCM）以提高建筑的能源效率。含有相变材料的混凝土会在室外高温时吸收热量，从而使室内免受高温影响，随后在室外温度较低时释放热量。
我们在与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，热能存储也呈现出 机遇 在可持续、全天候的海水淡化方面。通过存储并持续提供由太阳能产生的热能，这些系统可以推动盐水的蒸发。
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，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了多种含有相变材料成分的聚合物 有效 地应用于热能存储。纺织品和纤维也占据重要地位，其中热能存储材料被用于制造 智能纺织品 以及热致变色织物。
相变材料（PCM）的蓄热能力甚至在多种 生物医学 应用中也大有可为，例如光热疗法、靶向药物递送和药物制剂。
概念共现将材料与用途联系起来
评估思想交集并洞察创新可能发生之处的另一种方法是考察 概念对的 共现情况。我们分析了这些概念对及其在 2022 年至 2024 年间的增长情况（见图 3）。
图 3A 展示了增长最快的前 10 个概念对。相变材料（PCM）、太阳能收集器和热泵是其中增长显著的概念。微胶囊化技术因其出版物数量多且增长率高而尤为突出，该技术用于提高导热性并防止相变材料与周围材料发生反应。该技术已被用于提高蓄热过程的整体效率。
我们进一步缩小了高增长概念对的范围，重点考察了物质类别概念与应用/用途/工艺概念的组合，图 3B 展示了排名前 10 的此类概念对。
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能，我们观察到这些概念呈现出高增长态势。烷烃是另一个备受关注的话题，通常与聚合物、各种形式的碳和无机材料结合使用，以提高导热性、防止泄漏并提供化学稳定性。
图 3C 展示了由物质类别概念和性质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。与之相关的性质通常包括红外（IR）光谱、表面结构、焓、凝固和太阳能。
研究人员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同出现，因为它被用于研究相变材料的化学结构、相变和热稳定性。
我们还考察了物质及其用途的共现情况（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，含有石墨和相变材料的复合材料被用于提升热能存储性能。
与石墨类似，铜、石墨烯和铝也常与相变材料结合，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在热能存储中发挥关键作用，以及哪些材料值得进一步探索。
热能存储解决方案推向市场
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。一些显著的例子包括：
- 削峰： Ice Energy 提供基于热能的空调解决方案，以避免在电价高昂时消耗电力。与此同时，Sunamp 利用太阳能或非高峰电网电力来驱动热水解决方案。
- 工业能源： Electrified Thermal Solutions 制造 热电池 ，将可再生电力以热能形式储存，然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。当没有阳光时，利用熔盐储存的多余热量来发电。
- 建筑供暖与制冷： Microtek 在建筑材料中使用相变材料（PCM）来储存和释放室内热量，从而降低能源消耗。
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。热能储存与可再生能源及能效提升相结合，是一种极具价值的选择。我们对 CAS Content CollectionTM 的分析表明，人们对该技术的兴趣日益浓厚，研究理念正围绕重要的材料、物质和用途不断汇聚。随着更多创新成果推向市场，热能储存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。
