《Energies》：Thermal Energy Storage in Industrial Processes: Technologies, Integration, and Application Opportunities
工业过程消耗大量热能，而许多可回收的热流仍未被利用，因为热源和热汇在时间、温度水平、功率需求和运行计划上存在差异。热能存储（TES）可以将热供应与热需求解耦，并支持余热回收、峰值负荷削减、过程热电气化以及连续、批量和间歇过程的灵活运行。该叙述性综述从过程集成角度而非仅从存储材料角度评估工业TES。显热、潜热、热化学、吸附、混合和蒸汽基存储系统在输送温度、存储持续时间、充放电功率、响应时间、热损失、可靠性、集成复杂性和技术经济可行性方面进行了比较。讨论了钢铁、水泥、陶瓷、化工和石化、纸浆和纸张以及食品和饮料行业的特定行业机会。综述表明，部署受限制的程度较小在于存储概念的可用性，而更多在于换热器限制、不一致的关键性能指标（KPI）定义、不明确的系统边界、缺乏长期运行数据以及与夹点分析、换热器网络设计、控制和安全要求的不充分耦合。为可扩展、可靠且经济可行的工业TES部署，提出了一个实用的技术选择工作流程和研究路线图。
1. 引言
工业过程消耗大量热能，而可再生能源增长为热力系统集成创造了机会。热能存储（TES）在工业中起着关键作用，可支持废物热回收、峰值负荷削减和过程电气化。但由于热源与热汇在时间、温度水平、功率和运行计划上存在不匹配，TES需从过程集成角度评估，而非仅考虑存储材料。该综述从过程集成视角出发，连接TES技术评估与部署约束，包括源-汇温度匹配、充放电功率、换热器限制、运行计划、可靠性、安全性和技术经济性。综述基于对Scopus、Web of Science和Google Scholar的文献检索，重点关注2015-2026年间同行评审出版物，并提出了三个贡献：按温度范围、存储持续时间、工业功能和就绪程度组织TES技术；将TES选择与过程集成约束相关联；识别阻碍公平比较的方法和部署障碍，特别是关键性能指标（KPI）不一致、系统边界不明确和长期工业数据缺乏。
1.1 为何现在在工业中存储热能
工业占最终能源消费的很大份额，并产生大量未利用的废热（约占过程能耗的20-50%，欧洲潜力约300 TWh/年）。热源与热汇在温度水平、时间可用性和集成条件上的不匹配，使得TES成为工业热力系统的关键组成部分，需作为集成热系统的一部分进行设计。
1.2 本综述的范围与贡献
现有综述多聚焦于存储材料或单个技术，该综述填补了从过程集成角度选择TES的空白，连接了技术分类与源-汇温度匹配、存储持续时间、充放电功率、换热器约束、运行计划和安全性等方面。其主要局限包括缺乏标准化的性能指标和系统边界，以及长期工业运行数据不足。
1.3 论文组织
文章剩余部分安排如下：第2节介绍工业热利用背景和源-汇匹配问题，第3节讨论相关TES技术类别，第4节介绍性能指标和比较框架，第5节聚焦集成策略，第6节识别选定的工业部门应用机会，第7节讨论技术经济性和部署可行性，第8节总结主要障碍、研究空白和未来方向，第9节给出主要结论。
1.4 本综述的局限性
该综述为应用导向的叙述性综述，而非系统综述或元分析，因此比较为定性性质，强调透明KPI定义和应用特定边界条件的必要性。
2. 工业热环境与集成背景
2.1 温度水平与热质量（低/中/高）
工业废热按温度分为低温（<100 °C）、中温（100–400 °C）和高温（>400 °C）。中温范围（尤其100–300 °C）对干燥、中温加热和低压蒸汽制备至关重要。欧洲技术上可回收的废热约128.89 TWh/年集中于中温范围，因此TES选择应基于源-汇温度匹配和过程约束。
2.2 典型工业热用户与废热源
能源密集型行业（钢铁、水泥、化工、纸浆造纸）是主要废热源，废热多来自烟气、热冷却水、冷凝水和蒸汽网络损失。实际利用取决于流参数、稳定性和热汇条件。
2.3 集成问题：从组件选择到系统设计
TES设计不应仅视为组件选择，而是全系统热集成问题，需考虑源-汇时间-温度不匹配、换热器设计、控制策略和运行计划。夹点分析（pinch analysis）和蒸汽蓄热器案例表明，存储位置、容量和经济性取决于过程运行策略和换热器约束。
3. 工业过程的热能存储技术
3.1 技术分类与选择标准
TES按存储机理分为显热、潜热和热化学存储。工业应用中需考虑技术就绪度和实际运行条件（可变负荷、污染、长期循环等）。比较使用六个核心标准：输送温度、充放电功率、存储持续时间、热损失、集成复杂性和技术经济性。
3.2 显热存储
显热存储（Sensible Heat Storage）是技术成熟、应用最广的TES，通过加热或冷却介质而不改变相态存储热能。常用介质包括水、岩石、混凝土和陶瓷，存储容量约10–50 kWh/t，效率50–98%，温度范围?160至1000 °C。填料床系统（packed-bed systems）用于高温废热回收，但受粉尘、压降和流场条件影响。地下热能存储（UTES）包括蓄水层（ATES）、钻孔（BTES）和坑式（PitTES）等，适用于长期和季节性存储。在钢铁行业，单件堆叠床存储单元（250–400 °C）可实现峰值削减。电力热能存储（E-TES）基于熔盐和集成热交换系统，可提供约700 °C过程热。显热存储的主要限制是存储体积大、绝缘质量要求和长期循环稳定性。
3.3 潜热存储
潜热存储（Latent Heat Storage）利用相变材料（PCMs）的熔化/凝固过程，储能密度高，可在窄温区吸热/放热。主要限制是多数PCM热导率低，导致充放电功率不足。换热器设计（如壳管式、板式、翅片结构）对功率和周期时间影响显著。级联PCM系统可改善热匹配。在中等温度应用中，枕板式潜热存储（pil-latent heat storage with pillow-plate）系统的成本与容量和功率直接相关。潜热存储适用于紧凑设计、温度稳定要求高的场合，但实际工业部署受限于换热器设计和周期性稳定性。
3.4 热化学与吸附存储
热化学存储（Thermochemical Storage）基于可逆化学反应或吸附/解吸过程，储能密度极高且能长期存储能量（待机损失小）。温度范围吸附系统可达约350 °C，非吸附系统更高。主要障碍是反应器设计复杂、动力学限制、热质传递困难以及与工业废热流的集成难度大。目前工业应用远少于显热存储，但仍需进一步发展反应器设计和运行稳定性。
3.5 高温TES与极端环境
高温应用（如熔盐、填料床系统）要求材料耐久性、绝缘、安全性和流兼容性。高温储层热能存储（HT-RTES）通过注入热流体（125–250 °C）到地下储层，循环加热岩层，但需应对热-水-力耦合过程和井筒完整性。在650 °C空气供应的填料床系统中，预充电可改善性能但会加剧热分层。高温电热存储（E-TES）在700 °C水平提供过程热，技术经济性依赖于电价和二氧化碳价格。高温TES对难以电气化的过程热脱碳潜力巨大，但对材料和系统完整性要求最高。
3.6 总结：技术比较
通过两个互补表格（功能定位和定性性能带比较）组织TES技术。显热存储成熟度高、可靠性强，适用于高功率和稳健性要求；潜热存储适合窄温区控制；热化学和吸附存储适合长存储时间和小待机损失，但集成复杂度高、就绪度低。定性比较考虑了响应能力、能量密度（系统级）、待机热损失、集成复杂度和典型工业角色。注意：材料级和系统级性能可能因换热器、绝缘、反应器等组件而异。
4. 性能指标与比较框架
4.1 工业中重要的指标（超越η）
仅凭经典能量效率不足以评估工业TES。需一组包含能量效率、热质量、动态特性、运行可靠性和经济性的KPI。代表性子组包括存储容量、充放电功率、效率（需指定系统边界和运行条件）、热损失、成本（包括CAPEX、OPEX、单位容量成本、单位功率成本、热平准化成本LCOH等）。每个KPI应随系统边界和运行条件报告，避免歧义。存储容量应指在所需温度窗口内可用的有用热量，而非理论热含量。
4.2 公平比较规则
不同研究间参数定义和计算方法的差异（如效率定义、能量测量点、存储时间等）导致不公平比较。需明确系统边界、输入输出能量测量点、能量类型（能量/火用/功率/成本）以及存储时间和放电条件。技术经济分析也需考虑存储时间、循环次数、分析周期和比较依据（如LCOx、往返效率、周期耐久性、储能密度）。因此，公平比较要求精确定义分析基础、指标定义和边界条件，并明确应用目标。
4.3 提出选择工作流程（决策树）
TES选择应从系统功能定义出发，包括：TES主要功能、汇要求（温度、功率、响应时间）、源-汇不匹配类型（时间/温度/混合）、所需存储持续时间和循环次数、集成和运行约束、以及满足要求的技术类别。决策树按此顺序引导用户，最终进行技术经济筛选。显热存储适用于时间偏移和稳健性要求；潜热存储适用于紧凑设计和窄温区；热化学/吸附适用于长存储时间和小待机损失。
5. 工业过程中的集成策略
5.1 集成原型
常见集成原型包括：TES与高温热泵或电加热耦合（升级热质量）；将PCM直接集成到换热器中（如压缩空气干燥器）；移动TES（M-TES）用于距离限制的场合。这些原型表明TES可行性取决于系统级储能份额、充电成本、电力和温度条件，而非仅存储效率。
5.2 过程集成工具（夹点分析、HEN）与TES
夹点分析和换热器网络（HEN）设计可作为可行性筛选工具：先量化回收潜力并识别集成瓶颈，再确定存储位置和容量。在纸浆造纸行业，夹点分析显示约39%的热需求可减少。TES用于解决时间不匹配问题，但夹点/HEN方法能最大化热回收，而TES则解决剩余不匹配。
5.3 换热器与充放电设计
换热器设计是影响TES功率、响应时间、循环和损耗的关键因素。PCM集成到板翅式蒸发器中改善了压缩空气干燥器的操作稳定性；板式换热器中的PCM充放电受几何结构影响。因此，换热器和充放电系统应视为TES设计的核心，决定了系统效率、可靠性和与过程匹配程度。
5.4 控制与运行：调度、约束与可靠性
TES控制需考虑时间相关能量管理，受过程温度、热源-热汇可用性、换热器最小温差、流速、压力以及过程调度约束。在间歇过程中，充放电曲线需与过程轨迹协调。储能调度直接影响运营成本（如可通过电价套利）。在大型系统（如UTES、ATES）中，还需考虑水力、热分层和辅助设备限制。控制策略应基于存储功能（如蒸汽稳定、峰值削减）而非仅即时效率。
5.5 集成总结：一致有效的做法
最成功的TES集成发生在系统复杂度低、热源-存储-热汇温度匹配良好（特别是温度水平和换热器允许温差）的情况下。直接使用废热（少转换）通常更稳定。热质平衡（如火用分析）也很关键。简单且功能明确的架构（如蒸汽蓄热器）优于复杂系统。
6. 应用机会
6.1 机会地图：行业、温度与存储持续时间
TES最有希望的应用窗口由行业/过程特征、源-汇温度水平和所需存储持续时间三个维度决定。化学稳定性和材料兼容性需作为额外过滤器，特别是在中高温系统、PCM和熔盐存储中。显热存储适用于短期和中期缓冲、高充放电功率场景；潜热存储适用于窄温区控制；热化学/吸附适用于长存储时间。实际应用需考虑集成问题类型（废热缓冲、蒸汽稳定、批次平滑、电气化等）。图7给出了行业-技术适宜性热图。
6.2 行业快照
各行业按相同逻辑讨论：源和源-汇不匹配特征、最合适的TES技术、主要案例结论和主要部署障碍。
6.2.1 钢铁与铸造行业
废热具有高温、高功率但可用性强烈依赖于过程进程的特点。最合适的是高温显热存储（填料床、固体材料）。主要障碍是粉尘、污染和压降。
6.2.2 水泥行业
热损失集中在窑系统和熟料冷却器，主要用于发电。TES作为缓冲稳定供应。高温显热存储（岩石、陶瓷、热分层床）合适。主要障碍是废流特性与可靠热输送的匹配。
6.2.3 陶瓷行业
能源消耗极高，废热用于喷雾干燥和烧成。时间不匹配和高温度需求使高温显热存储（填料床）合适。主要障碍是经济性和与生产线的集成复杂度。
6.2.4 化工与石化行业
废热分布于多个中温流，受时间、温度不匹配和安全性限制。潜热存储适用于窄温区匹配，显热存储适用于宽温区和稳健性。主要障碍是存储与过程条件的精确匹配。
6.2.5 纸浆与造纸行业
低温工艺水、冷凝水分散，通常使用显热水缓冲罐。主要部署障碍是集成限制和低热质量。
6.2.6 食品与饮料行业
废热来自洗涤、巴氏杀菌和原位清洗（CIP），温度接近热水需求。显热水存储（通过保持分层和限制混合）足够。主要障碍是卫生要求和介质分离可靠性。
6.3 跨领域机会
所有行业TES的基本功能是减少源-汇时间、温度和运行不匹配。技术选择取决于源-汇特性（温度、功率、存储时间、可变性、空间和材料约束），而非仅行业归属。在100–300 °C范围对脱碳尤为关键。TES提高系统灵活性和可控性，但不替代回收技术，而是增加其实用性。
6.4 行业综合与应用矩阵
总结性表格（表4）列出了各行业的主要热源、典型温度、TES功能、合适选项和部署障碍。近期部署最现实的三个应用窗口是：低温公用事业缓冲（水基TES）、蒸汽和中温热缓冲（蒸汽蓄热器、混合显热/潜热系统）、以及钢铁/水泥/陶瓷的高温废热缓冲（填料床或固态显热存储）。潜热和热化学系统在窄案例中有额外价值，但更依赖于传热设计、反应器性能和运行数据验证。
7. 技术经济学与可行性
7.1 成本结构与评估指标（CAPEX、LCOH、回收期）
经济评估需考虑投资和运行成本、单位容量和功率成本（如LCOH、净现值NPV、回收期）以及系统效益（燃料节省、电价套利、CO
2减排、灵活性提升）。投资成本（CAPEX）是主要障碍，尤其涉及广泛换热基础设施的系统。经济优势取决于系统价值，而非仅存储参数。案例表明，高温填床系统在有利条件下（如特定的电价、CO2价格）具有竞争力，而混合蒸汽-PCM系统的经济性取决于充放电时间和集成架构。
7.2 灵敏度与边界条件
技术经济结果对边界条件高度敏感，包括电价、天然气价格、CO2价格、技术参数（温度、存储时间、年循环次数、集成架构）。四组灵敏度因素：温度水平与热质量；存储时间与年循环次数；集成架构（源-汇不匹配、充放电设计）；系统条件（可再生能源、热泵、电动供热）。未来研究应报告最低边界条件集：参考系统、有用热输送温度、存储容量、充电/放电功率、存储时间、年循环次数、寿命、贴现率、能源价格、CO2价格、CAPEX范围、OPEX假设、维护假设和包含的辅助设备范围。
7.3 风险、安全与可操作性
工业部署还取决于长期可操作性、安全性和维护性。高温熔盐系统需解决腐蚀、热循环和介质冻结问题；填料床系统需应对污垢、粉尘沉积和压降增加；大型季节性系统需关注密封性、热分层和长期可靠性。可操作性要求在可变负荷、温度波动和维护中断下仍能稳定预测地运行。风险、安全和可操作性应作为可行性评估的组成部分。
8. 障碍、空白与研究路线图
8.1 工业TES部署的跨领域障碍
显热存储的主要障碍来自系统设计（大型体积、绝缘、液压集成、压降）和高温下的粉尘沉积、热棘轮效应。潜热存储的关键障碍是理论储能密度与实际功率交付能力之间的差距，受限于低热导率、换热器设计和循环稳定性。热化学和吸附存储面临反应器复杂性、动力学、热质传递和放大不确定性。共同结论是部署受限更大在于缺乏经过验证的集成系统，而非存储概念。
8.2 优先空白与建议行动
表6汇总了关键空白及其工业后果和建议行动。空白包括：传热强度不足、KPI标准化缺失、长期运行数据稀缺、过程集成工具（夹点分析、HEN）与TES耦合不充分、技术经济评估缺乏统一边界、安全性等因素未充分处理。建议行动包括：开发标准化报告方法、动态过程集成建模、将换热器和功率设计作为核心、实施基于状态监测的控制、进行部门特定试点、建立融资模型和模块化设计。
8.3 研究与部署优先框架
优先框架将焦点从材料级存储能力转向在真实过程约束下提供定义的热服务能力。具体优先项：（1）标准化KPI和边界条件报告；（2）TES模型与动态过程集成方法（夹点分析、HEN、批次调度、调度优化）耦合；（3）换热器与功率交付设计作为TES核心部分；（4）TES作为工厂能源系统的主动组件，监控荷电状态、温度、流量、退化和过程约束；（5）基于应用特定业务案例的技术经济评估；（6）部门特定试点提供透明的长期数据；（7）模块化设计、安全标准、融资模式和可银行化的TES性能与效益联系。
9. 结论
综述表明，工业TES的有用性主要由过程兼容性而非材料级存储参数决定。关键因素包括输送温度、充放电功率、存储持续时间、响应时间、可靠性、换热器设计和源-汇匹配程度。选择应从所需热服务和过程集成问题开始，而非存储介质。显热存储是最成熟和立即可部署的选择，尤其适合稳健性、高功率和简单集成。潜热和热化学存储在特定应用中具有优势，但需改进传热、反应器性能和循环稳定性。TES应基于其预期功能（废热回收、峰值削减、蒸汽稳定、批次平滑、电气化等）进行选择。公平比较需要标准化的KPI和透明系统边界。主要障碍是方法论和操作层面的，包括报告不一致、长期数据缺乏、集成工具耦合不足和安全性处理不完整。未来进展取决于集成设计方法和部门特定示范装置，以在真实工业约束下验证TES性能。总体而言，工业TES应以可靠、安全且经济的方式提供定义的热服务的能力来评判，而非仅基于存储容量或理论能量密度。
