全球供熱行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
楊永明 （能源情報(bào)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(fèi)領(lǐng)域。國(guó)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(fèi)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(yīng)，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(yīng)的能源消耗基本保持穩(wěn)定，供熱能源強(qiáng)度（即每平方米的終端能源消耗）每年下降約2%。加拿大、中國(guó)、歐盟、俄羅斯等國(guó)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(qiáng)度降低的主要原因。
資料來源：IEA
圖1 全球供熱市場(chǎng)技術(shù)分布
2010～2019年間，全球供熱市場(chǎng)繼續(xù)由化石燃料供熱和傳統(tǒng)的電力供熱主導(dǎo)。到2019年，化石燃料供熱設(shè)備和效率較低的傳統(tǒng)電加熱設(shè)備合計(jì)接近全球供熱設(shè)備總銷量的80%，碳密集型和低效供熱技術(shù)仍是全球供熱技術(shù)的主流。熱泵和可再生能源供熱占比有所增長(zhǎng)，熱泵和可再生能源供熱設(shè)備占2019年供熱設(shè)備總銷量的10%以上。
二、全球供熱行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
（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(shù)中，能效技術(shù)是促進(jìn)節(jié)能減排的重要途徑之一。提升能源效率，是供熱領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)。鍋爐是能源供應(yīng)端常見的工業(yè)生產(chǎn)和民用設(shè)備，利用燃料燃燒釋放的熱能或其他熱能，將工質(zhì)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(shì)。國(guó)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?xì)忮仩t已逐漸取代了燃煤、燃油鍋爐和傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t，前者的效率高達(dá)90%～95%，后者的效率通常在85%左右。
區(qū)域供熱在能源價(jià)值鏈中的靈活性很強(qiáng)，是整合各種供熱能源、同時(shí)提高能源效率的一種非常有效的方式。如今丹麥、芬蘭、法國(guó)、拉脫維亞和立陶宛等國(guó)正在逐步發(fā)展第四代和第五代低溫供熱網(wǎng)絡(luò)，新一代熱網(wǎng)更加注重?zé)嵩吹撵`活多樣性，增強(qiáng)了與能源系統(tǒng)中電網(wǎng)和燃?xì)饩W(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(dāng)?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?zhǔn)鞘澜缟夏茉葱首罡叩膰?guó)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(yáng)能電鍋爐、太陽(yáng)能供暖、燃?xì)?、?nèi)燃機(jī)、熱泵等多種供熱形式，并充分利用儲(chǔ)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(shù)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(yīng)用推動(dòng)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(dòng)終端用能領(lǐng)域清潔低碳發(fā)展的關(guān)鍵。熱泵技術(shù)的原理是利用熱循環(huán)過程，將低溫?zé)嵩矗ㄈ缡彝獾目諝?、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(dá)到300%以上，而鍋爐的熱效率不會(huì)超過100%。熱泵技術(shù)在供熱領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)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(dāng)前供熱領(lǐng)域最為現(xiàn)實(shí)的減碳路徑之一。
目前熱泵滿足著全球?qū)⒔?%的供熱需求。從發(fā)展趨勢(shì)看，熱泵市場(chǎng)正在持續(xù)增長(zhǎng)，根據(jù)國(guó)際能源署的可持續(xù)發(fā)展情景，熱泵是未來增長(zhǎng)最快的供熱技術(shù)。低碳和二氧化碳減排是熱泵發(fā)展的首要驅(qū)動(dòng)力。在德國(guó)等國(guó)，新建建筑中熱泵供熱面積持續(xù)超過燃?xì)夤崦娣e。在低碳和減排的壓力下，這一趨勢(shì)正在多個(gè)國(guó)家持續(xù)擴(kuò)大。荷蘭、英國(guó)等國(guó)已經(jīng)開始逐步減少、甚至禁止安裝燃?xì)獗趻鞝t。2019年，全球?qū)⒔?000萬(wàn)家庭購(gòu)買了熱泵，而2010年購(gòu)買熱泵的家庭數(shù)量為1400萬(wàn)。在歐洲，熱泵的銷售量在短短兩年內(nèi)增長(zhǎng)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(dá)到200萬(wàn)臺(tái)，在瑞典等國(guó)，地源熱泵已成為供熱市場(chǎng)的主流技術(shù)方案，其成熟程度正在推動(dòng)供熱部門實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。
（三）可再生能源供熱持續(xù)增長(zhǎng)
可再生熱源既可以應(yīng)用于建筑物內(nèi)分散的供熱設(shè)備，也可以應(yīng)用于區(qū)域供熱系統(tǒng)。國(guó)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(zhǎng)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(guó)家區(qū)域供熱系統(tǒng)從化石燃料大量轉(zhuǎn)為可再生能源。
1.生物質(zhì)能供熱
生物質(zhì)能是迄今為止全球最大的可再生熱源。2018年，現(xiàn)代生物質(zhì)能占全球可再生能源供熱消費(fèi)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(guó)家有10個(gè)（瑞典占比高達(dá)70%，芬蘭、拉脫維亞和愛沙尼亞占比也都在50%以上），生物質(zhì)能在這些國(guó)家的供熱系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大作用。
目前德國(guó)、瑞士、奧地利等國(guó)是全球生物質(zhì)能產(chǎn)熱效率最高、設(shè)備水平最先進(jìn)的地區(qū)，這些國(guó)家有非常多高效的生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)廠以及家用壁爐等。在德國(guó)，較大型的生物質(zhì)能供熱廠可通過四通八達(dá)的供熱網(wǎng)絡(luò)向能源消費(fèi)終端尤其是建筑和工業(yè)領(lǐng)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(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備（通過熱化學(xué)氣化技術(shù)處理固體生物燃料）則是以發(fā)電為主，在發(fā)電的同時(shí)產(chǎn)生有效余熱用來滿足用戶的供熱需求。在政府各項(xiàng)補(bǔ)貼政策的推動(dòng)下，近年來小型生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備廣泛應(yīng)用于家庭、寫字樓以及工業(yè)生產(chǎn)。
2.太陽(yáng)能供熱
太陽(yáng)能是全球增長(zhǎng)最快的可再生熱源。在過去十年中，全球太陽(yáng)能供熱累計(jì)裝機(jī)增長(zhǎng)了250%，達(dá)到480吉瓦（熱）以上，但近年來增速有所放緩。2018年太陽(yáng)能供熱技術(shù)滿足了全球2.1%的空間采暖和熱水供應(yīng)需求。將光伏和光熱耦合的太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)（PVT）技術(shù)正在興起，并有望擴(kuò)展到傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供熱市場(chǎng)。
太陽(yáng)能供熱裝機(jī)中大部分是小型家用太陽(yáng)能供熱裝置（用于為單戶住宅提供熱水），獨(dú)立的太陽(yáng)能熱水器在全球太陽(yáng)能供熱市場(chǎng)占主導(dǎo)地位。同時(shí)，大型太陽(yáng)能供熱裝置處于規(guī)?；l(fā)展的初期，在丹麥及北歐國(guó)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(gè)大型太陽(yáng)能供熱項(xiàng)目投運(yùn)。大規(guī)模的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性上通常優(yōu)于小型系統(tǒng)。超大型太陽(yáng)能供熱項(xiàng)目多為季節(jié)性儲(chǔ)熱項(xiàng)目。截至2018年底，全球最大的4個(gè)太陽(yáng)能供熱項(xiàng)目都是季節(jié)性儲(chǔ)熱項(xiàng)目。丹麥?zhǔn)菂^(qū)域供熱系統(tǒng)中應(yīng)用太陽(yáng)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(yáng)能供熱裝機(jī)增長(zhǎng)了10倍。
3.地?zé)崮芄?
從全球范圍看，地?zé)崮茈m是目前最小的可再生熱源，直接利用地?zé)崮芄醿H滿足了全球0.3%的供熱需求，但地?zé)崮芄嵫b機(jī)正處于持續(xù)增長(zhǎng)之中。2018年全球地?zé)崮芄嵫b機(jī)增長(zhǎng)了1.4吉瓦（熱），到年底總計(jì)達(dá)到26吉瓦（熱）。
2019年歐洲地?zé)崮芄崾袌?chǎng)增長(zhǎng)迅速。歐洲是地?zé)崮軈^(qū)域供熱的主要市場(chǎng)。根據(jù)歐洲地?zé)崮芪瘑T會(huì)（EGEC）發(fā)布的《2019年歐洲地?zé)崾袌?chǎng)報(bào)告》，2019年，25個(gè)歐洲國(guó)家327個(gè)區(qū)域供熱系統(tǒng)中地?zé)崮芄嵫b機(jī)達(dá)到5.5吉瓦（熱），其中希臘、西班牙、意大利、荷蘭等國(guó)均有新的地?zé)崮軈^(qū)域供熱項(xiàng)目建成。與2018年相比，歐洲各地有許多新規(guī)劃的項(xiàng)目。
（四）氫能供熱加快探索與應(yīng)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(zhì)的儲(chǔ)能媒介，利用氫替代天然氣供熱是實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)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(luò)只需稍加改造或不做改造，即可用于氫氣的輸送，這對(duì)管道天然氣逐漸由氫替代提供了有力的設(shè)施保障。
英國(guó)天然氣管網(wǎng)公司Cadent和Northern Gas Networks正在與挪威國(guó)家石油公司合作開展氫供暖示范項(xiàng)目H21。該項(xiàng)目計(jì)劃在英國(guó)北部海岸利茲市建設(shè)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(chǔ)存（CCS）設(shè)施。利茲市計(jì)劃從2028年開始對(duì)居民供暖管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)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(yù)計(jì)項(xiàng)目可替代利茲市370萬(wàn)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?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)
氫作為燃料電池原料時(shí)，其能源轉(zhuǎn)換效率比汽油內(nèi)燃機(jī)高出1～2倍，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。燃料電池下游主要包括固定式、移動(dòng)式、交通運(yùn)輸三大應(yīng)用市場(chǎng)。燃料電池的固定式應(yīng)用，尤其是家用熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域增長(zhǎng)迅速。微型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置是燃料電池固定式應(yīng)用的重要分支，也是一種極具潛力的新型分布式能源技術(shù)。該裝置安裝在用戶端進(jìn)行發(fā)電，在發(fā)電的同時(shí)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(jié)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(xiàng)目推廣燃料電池?zé)犭娐?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?zé)犭娐?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(wàn)套燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置。在德國(guó)，2016年政府通過kfW433補(bǔ)助法案，對(duì)滿足性能要求的燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置進(jìn)行補(bǔ)貼，補(bǔ)貼最高可達(dá)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(dá)到10年。截至2018年，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置達(dá)2600套。在日本，命名為ENE-FARM、基于燃料電池技術(shù)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(biāo)群體，政府予以補(bǔ)貼，截至2019年4月初，ENE-FARM部署量達(dá)30.5萬(wàn)套，熱電聯(lián)產(chǎn)效率達(dá)97%，成為全球最成功的燃料電池商業(yè)化項(xiàng)目之一。日本計(jì)劃2020年部署140萬(wàn)套家用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置，屆時(shí)全面取消補(bǔ)貼。
3.可再生能源制氫供熱
近日，英國(guó)天然氣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商SGN啟動(dòng)了世界上第一個(gè)直接利用海上風(fēng)電制造綠色氫能供熱的項(xiàng)目。此次試驗(yàn)依托的是蘇格蘭Levenmouth海上風(fēng)電試驗(yàn)項(xiàng)目，風(fēng)場(chǎng)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(fēng)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(zhǎng)解決了關(guān)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(shí)現(xiàn)國(guó)際能源署可持續(xù)發(fā)展情景（SDS）的發(fā)展目標(biāo)，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(shù)占比需大幅提升，熱泵、太陽(yáng)能供熱、生物質(zhì)鍋爐、氫氣鍋爐、燃料電池等供熱設(shè)備要達(dá)到新增供熱設(shè)備銷量的50%左右。同時(shí)，國(guó)際能源署預(yù)計(jì)，未來十年內(nèi)，除了改善建筑物房屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外，部署低碳高效供熱技術(shù)可助力全球供熱能源強(qiáng)度以年均4%的速度下降。到2030年，在效率提升、燃料轉(zhuǎn)換和電力部門脫碳的綜合效應(yīng)下，建筑供熱碳排放有望減少30%。
參考文獻(xiàn)：
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[4]交能網(wǎng).生物質(zhì)能高效產(chǎn)熱領(lǐng)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
