全球供熱行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
楊永明 （能源情報研究中心）
一、全球供熱行業(yè)概況
供熱是全球最大的終端能源消費領域。國際能源署數(shù)據(jù)顯示，2018年供熱占全球終端能耗的50%，占全球二氧化碳排放量的40%。熱力消費中，工業(yè)部門占比約50%，建筑物房屋（主要用于空間采暖和熱水供應，少量用于烹飪）占比約46%，其余為農(nóng)業(yè)部門占比。
自2010年以來，全球用于空間采暖和熱水供應的能源消耗基本保持穩(wěn)定，供熱能源強度（即每平方米的終端能源消耗）每年下降約2%。加拿大、中國、歐盟、俄羅斯等國家和地區(qū)不斷完善的建筑能源法規(guī)提高了建筑能效，是供熱能源強度降低的主要原因。
資料來源：IEA
圖1 全球供熱市場技術分布
2010～2019年間，全球供熱市場繼續(xù)由化石燃料供熱和傳統(tǒng)的電力供熱主導。到2019年，化石燃料供熱設備和效率較低的傳統(tǒng)電加熱設備合計接近全球供熱設備總銷量的80%，碳密集型和低效供熱技術仍是全球供熱技術的主流。熱泵和可再生能源供熱占比有所增長，熱泵和可再生能源供熱設備占2019年供熱設備總銷量的10%以上。
二、全球供熱行業(yè)發(fā)展趨勢
（一）供熱系統(tǒng)注重能源整合、提高能效
在各類綜合能源技術中，能效技術是促進節(jié)能減排的重要途徑之一。提升能源效率，是供熱領域的關注重點。鍋爐是能源供應端常見的工業(yè)生產(chǎn)和民用設備，利用燃料燃燒釋放的熱能或其他熱能，將工質水或其他流體加熱到一定參數(shù)，從而滿足供熱的需求。與普通鍋爐相比，冷凝鍋爐的溫室氣體排放也顯著偏低，具有環(huán)保優(yōu)勢。國際能源署數(shù)據(jù)顯示，最近幾年來，供熱系統(tǒng)中冷凝式燃氣鍋爐已逐漸取代了燃煤、燃油鍋爐和傳統(tǒng)燃氣鍋爐，前者的效率高達90%～95%，后者的效率通常在85%左右。
區(qū)域供熱在能源價值鏈中的靈活性很強，是整合各種供熱能源、同時提高能源效率的一種非常有效的方式。如今丹麥、芬蘭、法國、拉脫維亞和立陶宛等國正在逐步發(fā)展第四代和第五代低溫供熱網(wǎng)絡，新一代熱網(wǎng)更加注重熱源的靈活多樣性，增強了與能源系統(tǒng)中電網(wǎng)和燃氣網(wǎng)的部門耦合，使供熱系統(tǒng)和其他能源系統(tǒng)、可再生能源和當?shù)乜捎玫母鞣N工業(yè)余熱和廢熱更好地整合在一起，以優(yōu)化供熱系統(tǒng)效率。
以丹麥為例。丹麥是世界上能源效率最高的國家之一，丹麥區(qū)域供熱系統(tǒng)集成了所有可用的可再生能源以及余熱資源，包括太陽能電鍋爐、太陽能供暖、燃氣、內(nèi)燃機、熱泵等多種供熱形式，并充分利用儲熱以確保區(qū)域供熱系統(tǒng)的靈活性需求，未來其區(qū)域供熱技術將完全摒棄化石燃料，形成高效的多能源智能能源網(wǎng)。
（二）熱泵應用推動供熱電氣化
電能是清潔、高效的二次能源，在未來能源系統(tǒng)中將占據(jù)中心地位。提升電氣化水平是推動終端用能領域清潔低碳發(fā)展的關鍵。熱泵技術的原理是利用熱循環(huán)過程，將低溫熱源（如室外的空氣、循環(huán)水或地面的熱能）傳遞到高溫物體中，用來加熱水或采暖。與化石燃料供熱方案相比，熱泵二氧化碳排放量明顯降低，顯然更加節(jié)能環(huán)保。熱泵熱效率全年可以達到300%以上，而鍋爐的熱效率不會超過100%。熱泵技術在供熱領域的大規(guī)模應用可提升供熱電氣化水平、加速供熱系統(tǒng)清潔低碳發(fā)展，是當前供熱領域最為現(xiàn)實的減碳路徑之一。
目前熱泵滿足著全球將近5%的供熱需求。從發(fā)展趨勢看，熱泵市場正在持續(xù)增長，根據(jù)國際能源署的可持續(xù)發(fā)展情景，熱泵是未來增長最快的供熱技術。低碳和二氧化碳減排是熱泵發(fā)展的首要驅動力。在德國等國，新建建筑中熱泵供熱面積持續(xù)超過燃氣供熱面積。在低碳和減排的壓力下，這一趨勢正在多個國家持續(xù)擴大。荷蘭、英國等國已經(jīng)開始逐步減少、甚至禁止安裝燃氣壁掛爐。2019年，全球將近2000萬家庭購買了熱泵，而2010年購買熱泵的家庭數(shù)量為1400萬。在歐洲，熱泵的銷售量在短短兩年內(nèi)增長了25%，其中空氣源熱泵的銷量較高。此外2019年歐洲地源熱泵安裝量達到200萬臺，在瑞典等國，地源熱泵已成為供熱市場的主流技術方案，其成熟程度正在推動供熱部門實現(xiàn)轉型。
（三）可再生能源供熱持續(xù)增長
可再生熱源既可以應用于建筑物內(nèi)分散的供熱設備，也可以應用于區(qū)域供熱系統(tǒng)。國際能源署數(shù)據(jù)顯示，2009～2018年間，全球區(qū)域供熱系統(tǒng)的可再生能源能耗增長了三分之二以上，到2018年，可再生能源占全球區(qū)域供熱能耗的比重已接近8%。這主要得益于近年來歐洲國家區(qū)域供熱系統(tǒng)從化石燃料大量轉為可再生能源。
1.生物質能供熱
生物質能是迄今為止全球最大的可再生熱源。2018年，現(xiàn)代生物質能占全球可再生能源供熱消費的三分之二以上。歐洲可再生能源供熱在供熱能源需求總量中占比超過30%的國家有10個（瑞典占比高達70%，芬蘭、拉脫維亞和愛沙尼亞占比也都在50%以上），生物質能在這些國家的供熱系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大作用。
目前德國、瑞士、奧地利等國是全球生物質能產(chǎn)熱效率最高、設備水平最先進的地區(qū)，這些國家有非常多高效的生物質能熱電聯(lián)產(chǎn)廠以及家用壁爐等。在德國，較大型的生物質能供熱廠可通過四通八達的供熱網(wǎng)絡向能源消費終端尤其是建筑和工業(yè)領域提供熱能。這些供熱廠優(yōu)先滿足供熱需求，其次滿足供電需求。而規(guī)模較小的生物質能熱電聯(lián)產(chǎn)設備（通過熱化學氣化技術處理固體生物燃料）則是以發(fā)電為主，在發(fā)電的同時產(chǎn)生有效余熱用來滿足用戶的供熱需求。在政府各項補貼政策的推動下，近年來小型生物質能熱電聯(lián)產(chǎn)設備廣泛應用于家庭、寫字樓以及工業(yè)生產(chǎn)。
2.太陽能供熱
太陽能是全球增長最快的可再生熱源。在過去十年中，全球太陽能供熱累計裝機增長了250%，達到480吉瓦（熱）以上，但近年來增速有所放緩。2018年太陽能供熱技術滿足了全球2.1%的空間采暖和熱水供應需求。將光伏和光熱耦合的太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)（PVT）技術正在興起，并有望擴展到傳統(tǒng)的太陽能供熱市場。
太陽能供熱裝機中大部分是小型家用太陽能供熱裝置（用于為單戶住宅提供熱水），獨立的太陽能熱水器在全球太陽能供熱市場占主導地位。同時，大型太陽能供熱裝置處于規(guī)?；l(fā)展的初期，在丹麥及北歐國家處于快速發(fā)展階段，越來越多地出現(xiàn)在區(qū)域供熱系統(tǒng)中。2018年，全世界有15個大型太陽能供熱項目投運。大規(guī)模的太陽能供熱系統(tǒng)在經(jīng)濟性上通常優(yōu)于小型系統(tǒng)。超大型太陽能供熱項目多為季節(jié)性儲熱項目。截至2018年底，全球最大的4個太陽能供熱項目都是季節(jié)性儲熱項目。丹麥是區(qū)域供熱系統(tǒng)中應用太陽能供熱的典型代表。自2010年以來，丹麥區(qū)域供熱系統(tǒng)集成的太陽能供熱裝機增長了10倍。
3.地熱能供熱
從全球范圍看，地熱能雖是目前最小的可再生熱源，直接利用地熱能供熱僅滿足了全球0.3%的供熱需求，但地熱能供熱裝機正處于持續(xù)增長之中。2018年全球地熱能供熱裝機增長了1.4吉瓦（熱），到年底總計達到26吉瓦（熱）。
2019年歐洲地熱能供熱市場增長迅速。歐洲是地熱能區(qū)域供熱的主要市場。根據(jù)歐洲地熱能委員會（EGEC）發(fā)布的《2019年歐洲地熱市場報告》，2019年，25個歐洲國家327個區(qū)域供熱系統(tǒng)中地熱能供熱裝機達到5.5吉瓦（熱），其中希臘、西班牙、意大利、荷蘭等國均有新的地熱能區(qū)域供熱項目建成。與2018年相比，歐洲各地有許多新規(guī)劃的項目。
（四）氫能供熱加快探索與應用
1.替代管道天然氣供熱
目前化石燃料仍是全球主要的供熱能源。氫是極優(yōu)質的儲能媒介，利用氫替代天然氣供熱是實現(xiàn)供熱系統(tǒng)低碳轉型最有潛力的方向之一。并且有研究表明，現(xiàn)有的天然氣輸配網(wǎng)絡只需稍加改造或不做改造，即可用于氫氣的輸送，這對管道天然氣逐漸由氫替代提供了有力的設施保障。
英國天然氣管網(wǎng)公司Cadent和Northern Gas Networks正在與挪威國家石油公司合作開展氫供暖示范項目H21。該項目計劃在英國北部海岸利茲市建設9套1.35吉瓦規(guī)模的天然氣自熱重整制氫裝置并配套碳捕集和儲存（CCS）設施。利茲市計劃從2028年開始對居民供暖管網(wǎng)基礎設施進行配套改造用以輸送氫氣。通過合理規(guī)劃氫輸配管網(wǎng)，預計項目可替代利茲市370萬居民供暖、工業(yè)和發(fā)電的全部天然氣需求。
2.部署燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)
氫作為燃料電池原料時，其能源轉換效率比汽油內(nèi)燃機高出1～2倍，優(yōu)勢相當明顯。燃料電池下游主要包括固定式、移動式、交通運輸三大應用市場。燃料電池的固定式應用，尤其是家用熱電聯(lián)產(chǎn)領域增長迅速。微型燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)裝置是燃料電池固定式應用的重要分支，也是一種極具潛力的新型分布式能源技術。該裝置安裝在用戶端進行發(fā)電，在發(fā)電的同時也副產(chǎn)熱能，滿足家庭用熱需求。將燃料電池發(fā)出的電力和工作產(chǎn)生的熱量結合利用，即使是在較小輸出功率的情況下，系統(tǒng)的綜合能源利用效率也可以超過90%。
歐洲先后通過Ene-field、PACE示范項目推廣燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，目前已經(jīng)部署了大約10000套燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。歐洲四大燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)Bosch、SOLIDpower、Vaillant和Viessmann產(chǎn)能超1000套/年。根據(jù)歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織（FCH-JU）制定的《歐洲氫能路線圖》，到2040年歐盟將部署超過250萬套燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。在德國，2016年政府通過kfW433補助法案，對滿足性能要求的燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)裝置進行補貼，補貼最高可達成本的40%，并要求燃料電池系統(tǒng)總效率高于82%，使用壽命達到10年。截至2018年，燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)裝置達2600套。在日本，命名為ENE-FARM、基于燃料電池技術的微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)從2008年開始商業(yè)化推廣，以家庭和小型企業(yè)為主要目標群體，政府予以補貼，截至2019年4月初，ENE-FARM部署量達30.5萬套，熱電聯(lián)產(chǎn)效率達97%，成為全球最成功的燃料電池商業(yè)化項目之一。日本計劃2020年部署140萬套家用燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，屆時全面取消補貼。
3.可再生能源制氫供熱
近日，英國天然氣網(wǎng)絡運營商SGN啟動了世界上第一個直接利用海上風電制造綠色氫能供熱的項目。此次試驗依托的是蘇格蘭Levenmouth海上風電試驗項目，風場為制氫工廠供電，所制取的氫氣為蘇格蘭法夫郡的300戶家庭供熱。海上風力發(fā)電可提供大規(guī)模清潔能源，為氫氣的可持續(xù)增長解決了關鍵難題。可再生能源制氫供熱提供了一種新型供熱思路，有助地區(qū)減排脫碳。
三、展望
為實現(xiàn)國際能源署可持續(xù)發(fā)展情景（SDS）的發(fā)展目標，即把全球平均溫升控制在2攝氏度以內(nèi)，到2030年，全球包括熱泵、低碳區(qū)域供熱系統(tǒng)、可再生能源和氫能在內(nèi)的清潔供熱技術占比需大幅提升，熱泵、太陽能供熱、生物質鍋爐、氫氣鍋爐、燃料電池等供熱設備要達到新增供熱設備銷量的50%左右。同時，國際能源署預計，未來十年內(nèi)，除了改善建筑物房屋的圍護結構外，部署低碳高效供熱技術可助力全球供熱能源強度以年均4%的速度下降。到2030年，在效率提升、燃料轉換和電力部門脫碳的綜合效應下，建筑供熱碳排放有望減少30%。
參考文獻：
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[2]IEA.Renewables 2019 - Market analysis and forecast from 2019 to 2024[R].2019.
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[4]交能網(wǎng).生物質能高效產(chǎn)熱領域的現(xiàn)狀，挑戰(zhàn)和前景[EB/OL].
原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年11月20日第44、45期
