热量储存
热工学的一大挑战是将多余的风能和太阳能作为热能存储多天，然后在需要时将其转换回电能。电力的完全脱碳将使人为的全球温室气体排放减少约四分之一。从间歇性可再生能源中获取70％或更多的电力将需要大量增加电力存储。扩展最普遍的当前技术，即抽水蓄能，受到地理位置的限制，并且锂离子电池太昂贵，无法在几天内存储过多的可再生能源。
劳伦斯伯克利国家实验室能源技术副实验室主任拉维·普拉瑟（Ravi Prasher）表示：“ 热能存储的主要优势在于其潜在的大规模低成本优势。”
Prasher解释说：“虽然将电能转换为热量相对容易，但热能存储的主要挑战是将热量转换为电能时效率高。”
研究人员总结说，几种大规模的热能存储技术仍处于早期开发中，因此必须继续探索使用其他热能存储材料和机理的竞争技术。
“尽管往返效率可能只有50％到60％，但成本仍可能在每千瓦时不足10美元的范围内，”也是斯坦福大学Precourt能源研究所联合主任的马朱达尔说。
工业和制冷
另一个巨大的挑战是产生工业过程中所需的极高热量，例如制造水泥，钢铁，铝和氢。工业部门的温室气体排放量占全球排放量的15％以上，其中大部分与在100至1,000摄氏度（华氏212至1,832华氏度）的温度下提供热量有关。
分析认为，随着可再生电力和可能不含温室气体的氢气的成本迅速下降，可以想象通过使用电阻加热器或氢气燃烧器使工业领域脱碳。但是，仍然存在重大的科学和工程挑战。对于间歇性可再生电力，需要开发廉价的高温存储或低容量因数的熔炉。
第三大挑战是与热相反的热谱：制冷。目标是发明用于食品和空调的制冷剂，而不会泄漏当今的氢氟碳化合物，氢氟碳化合物是一种极为强大的温室气体。Majumdar说，成功的新型制冷剂必须不易燃，无毒且价格合理，并且最好是当今系统的嵌入式解决方案。
亨利说：“随着新兴经济体中制冷和制冷技术的兴起，这是一个重大挑战。”
Prasher说，在许多发展中经济体中，对空调的日益增长的需求是要降低湿度和降低温度，因此，新的制冷剂也必须做到这一点。或者，可以开发新技术使除湿与冷却脱钩。
建筑物和热力运输
住宅和商业建筑中的空间和热水均占美国温室气体排放量的6％以上。需要新型的既能传导热量又能按需阻止热量的建筑材料，以减少用于加热和冷却的能量。研究人员说，控制建筑物外壳导热的能力可以节省10％到40％的温室气体排放，因此这是另一个值得应对的挑战。
最后，一个特别大的挑战是要开发出在不损失能量的情况下长距离传输热量的能力。当今，这是通过蒸汽来实现的，但是还没有达到所需的规模或距离。此处的目标是开发电力线的热量当量，这是一种使用最少的设备和材料来传输兆瓦级热量的有效方法。热超导体的发现可以实现这一点，但是大规模部署一个的实用性尚不清楚。研究人员认为，另一种潜在的研究途径是发现具有可逆化学反应的新型可泵送流体，以化学形式而非热能形式传递能量。
Majumdar说：“在热科学和工程方面没有突破的深度脱碳似乎是不可想象的，但是研究人员和资助者的关注并没有反映出这一点。” “我们希望这种分析将成为更广泛的研发界采取行动的号召。”
参考文献：
Asegun Henry等。脱碳面临的五个热能挑战，《自然能源》（2020年）。DOI：10.1038 / s41560-020-0675-9
