中國儲能網(wǎng)訊：本文翻譯自英國皇家學(xué)會在2021年5月公開發(fā)表的《氣候變化：科解決方案》系列文件中題為“低碳供熱和制冷”的簡報。該報告英文版由英國伯明翰大學(xué)丁玉龍院士牽頭撰寫；報告中文版由諾丁漢特倫特大學(xué)鐘華副教授提供，英國皇家學(xué)會授權(quán)中國建筑學(xué)會工程管理研究分會翻譯。
原文標(biāo)題：
Low-carbon heating and cooling: overcoming one of world’s most important net zero challenges.
原文鏈接：
https://royalsociety.org/-/media/policy/projects/climate-change-science-solutions/climate-science-solutions-heating-cooling.pdf
摘要：供熱和制冷能源，或者熱能，應(yīng)該是脫碳議程的重點，因為與電力和交通相比，它是世界上最大的能源終端使用形式，也是最大的碳排放來源。世界各地的住宅、商業(yè)和工業(yè)場所為供熱和制冷制定了各種低碳解決方案。有些解決方案處于早期采用階段，需要擴大應(yīng)用規(guī)模，有些處于試驗階段，需要進行集中研發(fā)和部署(RD&D)。本簡報重點介紹了通過提高能源效率、應(yīng)用可替代化石燃料供熱和制冷的技術(shù)選擇，以及在熱能儲存和運輸方面進行創(chuàng)新來減少排放量的途徑。
1. 供熱、制冷與氣候變化
供熱和制冷能源（或熱能）為空間、水、烹飪、工業(yè)過程、空調(diào)和制冷提供熱能和冷能。據(jù)估計，該領(lǐng)域約占世界最終能源用量的一半，并占能源使用產(chǎn)生的全球二氧化碳排放量[1]的40%?；剂鲜枪岬闹饕獊碓?，而生物質(zhì)以外的可再生能源只能滿足全球需求的10%左右[2]。全球約50%的熱能用于工業(yè)部門。另外46% 用于建筑供熱，主要用于空間供熱和水加熱。國際能源署(IEA)預(yù)計，到2030年，能源效率的提高、化石燃料被取代以及脫碳發(fā)電可將空間供熱排放量減少30%[3]。
若“一切如常”，2010至2050年，住宅和商業(yè)建筑的供熱和制冷預(yù)計會增長約80%[4]。氣候變化預(yù)計將減少對供熱的預(yù)期需求，增加對制冷的需求[5]，部分預(yù)估數(shù)據(jù)預(yù)測，到2060年，空間制冷在全球能源需求中的占比將高于空間供熱[6]。
供熱和制冷很難實現(xiàn)脫碳，因為它們的產(chǎn)生和使用方式多種多樣且高度分散，不像電力有大型集中式發(fā)電設(shè)施和配電系統(tǒng)。供熱和制冷有多種方式，從簡單的明火到燃氣鍋爐和空調(diào)機組，豐富多彩。通常將其作為獨立的設(shè)備安裝在住宅或者辦公大樓和工廠的大型系統(tǒng)中，但通常會同時采用幾種不同的解決方案，例如冬季用燃氣供熱，夏季用電制冷。從家用鍋爐到工業(yè)用高溫?zé)嵩?，熱能的產(chǎn)生和使用往往在同一地點進行。
分區(qū)供熱是一個例外，它是在某一中心點產(chǎn)生熱能并通過管道輸送至建筑內(nèi)部，為北歐家庭提供了大量的熱能。在奧地利和丹麥等國，管道輸送低溫?zé)岬木嚯x長達80千米[7]。工業(yè)用熱能產(chǎn)量約占全球CO2排放量的20%[8]。工業(yè)中供熱方法的選擇取決于多個因素，包括工藝參數(shù)（控制、溫度、清潔度等）、所需熱量和成本。例如熔化、干燥、烘烤、裂解（分解分子）和再供熱。工業(yè)運營通常在需要的時間和地點使用電力、化石燃料或生物質(zhì)來產(chǎn)生熱能。因此，將需要各種零碳供熱選擇。
供熱和制冷領(lǐng)域的低碳轉(zhuǎn)型需要對新技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施進行更新，并投資擴大規(guī)模，同時對數(shù)百萬家庭和工業(yè)單位的供熱和制冷系統(tǒng)進行改造。
2. 研發(fā)和部署所需采取的行動
在實現(xiàn)凈零碳的道路上，熱能似乎是一個難以逾越的障礙，但世界各地提出了許多解決方案，有些已經(jīng)成熟，但仍存在挑戰(zhàn)，有些則剛剛問世。這些解決方案包括：更高效地利用熱能、采用替代的供熱和制冷零碳技術(shù)以及采用新技術(shù)儲存熱能并從源頭輸送至使用點。
2.1 減少熱能損失——提高能源效率
對熱能進行脫碳的最簡單方法是通過提高能源效率、提高隔熱性能以及廢熱回收和利用來減少熱能的使用。在許多國家/地區(qū)，住宅空間的供熱強度或單位建筑面積的能耗已得到顯著改善。芬蘭、法國、德國和韓國自2000年來減少了30%以上[9]。
到目前為止，大多數(shù)工作都集中在住宅和商業(yè)建筑上。工業(yè)和能量轉(zhuǎn)化過程引起的熱損失尚未得到有效解決，是一個重要的研究領(lǐng)域。
2.2 無碳供熱和制冷
2.2.1 家庭供熱和制冷脫碳
雖然能源效率可以降低能源需求，但需要新的選擇來提供住宅仍然需要的零碳供熱和制冷。
電供熱：電阻式供熱器在世界許多地方仍在使用，如果由低碳電力供熱，則可以實現(xiàn)安裝成本低廉的低碳選擇。但是，如果更廣泛地使用，將需要提高發(fā)電能力并對電網(wǎng)進行加固[10]?，F(xiàn)代蓄熱式供熱器使用陶瓷磚（例如Dimplex Quantum供熱器）和復(fù)合相變材料模塊（例如Jinhe PCM供熱器）來儲存和釋放熱能，可以提供一種經(jīng)濟高效的選擇，該選擇采用的是非高峰或過剩電能，并減少了對電網(wǎng)加固的需要[11]。
或者，可以使用由低碳電力驅(qū)動的熱泵，由于它們主要是移動熱量而非產(chǎn)生熱量，因此比直接用電供熱耗電量低[12]。從本質(zhì)上講，它們的工作原理就像冰箱的反轉(zhuǎn)模式（圖1），采用類似的技術(shù)來為空間供熱而非制冷。蒸發(fā)器從建筑外的空氣、水或地面收集低溫?zé)幔缓笸ㄟ^壓縮過程將其升級至冷凝器中，用于為建筑供熱。熱泵的性能通過一個稱為性能系數(shù)(COP)的參數(shù)來衡量，該參數(shù)是供熱/制冷供應(yīng)量與電力輸入之間的比率。COP通常在2-5之間，COP越高，效率越高?？赡鏌岜靡部梢詾榭照{(diào)提供制冷，如果房主在夏季選擇這種方式，用電量可能會增加。
圖1. 空氣源熱泵示意圖:用制冷液將熱量從建筑外部傳遞到內(nèi)部
人們普遍將熱泵視為領(lǐng)先的低碳解決方案，例如，到2030年，英國熱泵的使用量預(yù)計將達到550萬臺[13]，2050年有望達到2100萬臺[14]。放眼全球，截至2019年，熱泵僅滿足5%的住宅供熱需求，雖然其在某些地區(qū)取得了顯著增長。例如，美國現(xiàn)在約有40%的新建住宅配備了熱泵[15]，歐盟市場正以每年12%左右的速度增長[16]。在美國氣候較溫和且電價較便宜的地區(qū)，空氣源熱泵的成本與燃氣鍋爐不相上下。相反，在寒冷和潮濕條件下，其使用難度較大，因為供熱需求最大時，其效率最低。研究還指出，前期采購成本和電價是主要障礙[17]，同時還需要大幅擴大電網(wǎng)規(guī)模。研究人員在研究提高性能的方法，例如設(shè)計新型冷凝器[18]以及使用小溫差風(fēng)機盤管[19]作為空氣源泵的終端。
天然氣替代物：從基礎(chǔ)設(shè)施的角度來看，用低碳或零碳替代氣體取代天然氣管網(wǎng)中的天然氣非常具有吸引力。
一種過渡性選擇是將天然氣與可再生生物甲烷混合，后者由有機廢物產(chǎn)生，歐洲是全球領(lǐng)先的生產(chǎn)商。它目前僅占燃氣供應(yīng)結(jié)構(gòu)的一小部分，2019年為20億立方米(BCM)，市場總量為5140億立方米，但研究表明，到2030年，可增長至燃氣供應(yīng)量的3%[20,21]。
一些國家/地區(qū)正在考慮采用一種低碳的燃氣供熱方式，用通過電解可再生能源生成的“綠色”氫或者由天然氣通過碳捕獲和儲存(CCS)制成的“藍色”氫來替代網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部天然氣。但是，這一選擇面臨多個挑戰(zhàn)。綠色和藍色氫的成本目前無法與化石燃料衍生氫的成本競爭[22]。鍋爐改造成本高昂，比如在英國，每戶預(yù)計要花費2000–4000英鎊。氫氣也會使傳統(tǒng)的鐵或鋼氣體網(wǎng)絡(luò)管道脆化[23]，但可將其改造為適用于氫氣的塑料管道[24,25]。還需要考慮公眾對其安全性的接受度。2020年代的示范項目應(yīng)指出是否可以克服這些挑戰(zhàn)。在英國，一個名為H21的重大項目正在籌備過程中，將為數(shù)百萬家庭提供100%的氫氣。在荷蘭，小型“阿莫蘭天然氣加氫”項目示范了在管網(wǎng)中混合高達20%的綠色氫[26]。另外，熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP)中的燃料電池也可以使用氫氣。在日本，國家氫能基本戰(zhàn)略計劃到2030年安裝530萬臺家用CHP機組（稱為Ene-Farm家用燃料電池）[27]，既可以供熱，也可以分布式發(fā)電。
太陽能供熱：歐盟和中國等一些地方正在用中溫(80–150°C)太陽能供熱來替代化石燃料鍋爐供熱。太陽能系統(tǒng)小至家用的小型熱水裝置，大至大型太陽能熱電廠的集中式系統(tǒng)。在制冷回路中使用太陽能集熱板進行的太陽能制冷也越來越受歡迎，因為它們可將耗電量降低30%以上[28]。
集中供熱和制冷：許多國家/地區(qū)都在采用低碳集中或分區(qū)水加熱和空間供熱或空間制冷，特別是已經(jīng)安裝集中或分區(qū)供熱或制冷系統(tǒng)并且可以進行脫碳的國家/地區(qū)[29]，但城市地區(qū)的新建住宅也可以采用這種供熱或制冷方式。在阿聯(lián)酋，分區(qū)制冷占全國冷負荷的23%[30]。由熱電聯(lián)供機組提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)正在被低碳“第5代”版本所取代，后者根據(jù)熱泵的需要升級低溫?zé)岵⑵ヅ涔岷椭评洌缬贸兄评錇樽≌瑓^(qū)供熱[31]。
集中供熱的熱能可以來自多個零碳熱源。利用地殼熱量的地?zé)崮茉谌蚬嶂兄徽己苄〉囊徊糠?，但在薩爾瓦多、新西蘭、肯尼亞和菲律賓等火山活動頻繁且可利用溫泉的國家卻發(fā)揮著重要作用[32]。2016年，冰島地?zé)崮芴峁┝思s65%的一次能源，包括約27%的電力[33]。
核電站產(chǎn)生大量熱量（通常約為3.4GW），一般用于發(fā)電?？蓪U熱（約60%）用于分區(qū)供熱。也可以將產(chǎn)生的熱量（可達到300°C至800°C）直接用于大規(guī)模分區(qū)供熱或為工業(yè)過程提供動力[34]。
2.2.2 工業(yè)供熱脫碳
在工業(yè)中替代化石燃料的使用非常依賴于應(yīng)用的用途，其中，主要的低碳選擇如下。由于所需的能源規(guī)模巨大，因此對重工業(yè)使用的熱量進行脫碳是一項特殊挑戰(zhàn)。一種方法是繼續(xù)使用化石燃料，但通過二氧化碳捕獲和儲存(CCS)來消除部分CO2排放。（詳見簡報5：二氧化碳捕獲和儲存）
低碳電力：低碳電供熱技術(shù)發(fā)展良好，而化石燃料的其他替代品大部分處于非常早期的試驗階段。電供熱是一項成熟的技術(shù)，控制方便，溫度范圍廣。例如，用于煉鋼的電弧爐，其中，用于熔煉廢鋼的感應(yīng)爐在1000°C以上運行。但是，與其他選擇相比，在水泥、玻璃和陶瓷生產(chǎn)等應(yīng)用中使用電供熱很可能成本高昂。能源價格將一如既往地重要。
氫：低碳氫可能是鋼鐵、水泥、玻璃和化學(xué)品等行業(yè)的合適熱源，因為它的燃燒溫度非常高。但是，盡管擁有消除工業(yè)供熱排放的二氧化碳的技術(shù)潛力，氫仍然是生物能源的昂貴替代品，即使CO2的價格達到$100/tCO2 [35]。（詳見簡報4：氫和氨在應(yīng)對凈零碳挑戰(zhàn)中的作用）
生物質(zhì)：生物質(zhì)可用于高溫供熱，但受到資源可用性和成本的限制[36]。生物質(zhì)已經(jīng)為全球水泥生產(chǎn)提供了6%的總熱能[37]。它還用于可使用生物質(zhì)殘渣滿足熱量需求的行業(yè)，例如制糖、木材加工、紙漿和造紙。除非采用CCS，否則生物質(zhì)最多只能屬于低碳，而不是零碳。
替代熱源：太陽能熱技術(shù)已經(jīng)小規(guī)模用于紡織、食品和造紙等行業(yè)，用于在低于250°C的溫度下進行干燥、洗滌和消毒等功能[38]。然而，雖然涌現(xiàn)了一些早期的商業(yè)項目，但太陽能供熱工藝在工業(yè)中的應(yīng)用仍主要處于研究和試驗階段[39]。世界各地的研究人員現(xiàn)在正在研究如何將聚光太陽能(CSP)用于超高溫工業(yè)過程。例如，歐洲一家公司開發(fā)了一項技術(shù)，使用大約500個活動反射鏡將陶瓷顆粒加熱至1000°C。意大利的一家面食工廠正在建造一個試驗工場[40]。如上文所述，核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量還可用于直接驅(qū)動化學(xué)過程，例如制氫。
工業(yè)和住宅都可以使用熱泵進行相對低溫的供熱。研究已經(jīng)表明，可以在造紙、食品和化學(xué)品等行業(yè)使用熱泵[41]。另一種低溫選擇是直接利用風(fēng)能進行供熱，即采用風(fēng)力熱能系統(tǒng)(WTES)將旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的能量通過制動機制等方法轉(zhuǎn)化為熱量。
2.3 未來的熱能儲存、運輸和分配——通過時間和空間轉(zhuǎn)移熱能
雖然未來的空間和工業(yè)供熱選擇主要沿用在使用地點產(chǎn)生供熱和制冷的模式，但越來越多的研究開始考慮是否可以將熱量或冷量從其產(chǎn)地隨時轉(zhuǎn)移至其需求地。工業(yè)過程會不可避免地產(chǎn)生廢熱或多余的熱量，可將其回收并用于替代化石燃料供熱，這一點尤為重要。
可將廢熱直接回收利用，也可以通過熱泵升級改造后回收利用，世界各地目前在如火如荼地開展工業(yè)用熱再利用項目[42]。例如，在瑞典，工業(yè)廢熱回收占住宅分區(qū)供熱所需熱量的9%[43]。一個由英國資助的項目擬采用相變材料(PCM)將“尖峰負荷”發(fā)電廠產(chǎn)生的廢熱儲存起來，用于為當(dāng)?shù)亟ㄖ醄44]。塔塔鋼鐵公司(Tata Steel Ltd.)正與斯旺西大學(xué)合作，從其塔爾博特港鋼鐵廠收集和再利用廢能，每年可抵消超過100萬噸的二氧化碳排放量[45]。
2.3.1熱能儲存
熱能儲存是指以熱量或冷量的形式儲存能量，以便日后用于供熱、制冷或發(fā)電—無論是幾小時、幾天、幾周還是幾個月。系統(tǒng)從人們熟悉的家用熱水箱或蓄熱式加熱器到目前處于試驗階段的新型PCM，再到處于研究階段的熱化學(xué)程序，種類繁多[46]。但是，社會和文化障礙可能會影響該技術(shù)的采用[47]。熱能儲存眾多方法選擇的部分示例如下。
通過化學(xué)反應(yīng)儲存熱量：可以通過可逆化學(xué)反應(yīng)儲存熱能。例如，可以運輸能量密度與化石燃料差不多的金屬鐵，然后用空氣或水等介質(zhì)氧化以產(chǎn)生熱量，提供潛在的高能量密度低成本解決方案[48]。在將鐵進行氧化用于工業(yè)用途后，還可使用氫氣再次生成鐵，實現(xiàn)潛在的無碳循環(huán)（圖1）[49]。
儲存太陽能熱量：近年來出現(xiàn)了一些超大型的聚光太陽能發(fā)電裝置，它們可以大規(guī)模儲存熱量，也可以發(fā)電。例如，亞利桑那州280MW的Solana發(fā)電廠擁有超過3000個400英尺長的反射鏡，可將陽光反射至含有傳熱流體(HTF)的管道上，進而將管道加熱至約400°C。部分HTF用于產(chǎn)生蒸汽，用于發(fā)電，而其余HTF則流入熔鹽儲罐，在沒有陽光時，這些儲罐會將保留的熱量轉(zhuǎn)化為電能[50]。
卡諾電池：“卡諾電池”以巖石、相變材料或熔鹽熱量的形式儲存可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的余能。該技術(shù)有時也稱為熱泵儲電技術(shù)或電熱儲電技術(shù)?？稍谛枰獣r將熱量轉(zhuǎn)化回電能，成為在以可再生能源為主的電網(wǎng)中儲存電能的一種選擇。該系統(tǒng)具有潛在的靈活性，可以使用各種材料和轉(zhuǎn)化方法來儲存熱量、冷量或電能，并指出所有轉(zhuǎn)化過程都會損失能量。保留的熱量可以直接使用，也可以用于供熱、制冷和發(fā)電。但是，它目前所面臨的挑戰(zhàn)是，使用熱泵將溫度提升至較高水平會降低性能系數(shù)。幾個原型和示范項目已經(jīng)建成，包括為支持德國漢堡電網(wǎng)而建造的130兆瓦時熱量/30兆瓦電熱巖石倉庫[51]。
低溫能量儲存：歐盟的CryoHub等項目正在研究將可再生能源儲存為低溫液體，例如液態(tài)空氣(-194°C)，可用于為工業(yè)設(shè)施提供制冷，同時可以進行儲存，也可以通過液態(tài)空氣沸騰推動渦輪發(fā)電機組用于發(fā)電[52]。
冷鏈新選擇：已證明PCM可以用于制冷和供熱。在一個冷藏“冷鏈”供應(yīng)項目中，英國科學(xué)家與中國鐵路車輛公司——中國中車石家莊車輛有限公司制造了世界上首個使用以鹽水儲冷的PCM的貨運集裝箱。該集裝箱用于運輸新鮮農(nóng)產(chǎn)品，一次充電約需要兩小時，可將溫度保持在5–12°C下長達190小時，可實現(xiàn)跨越不同氣候區(qū)的運輸，公路運輸里程可達35000千米，鐵路運輸里程可達1000千米[53]。
圖2. 鐵加熱循環(huán)、氫還原過程的能量輸入
案例：冷凍芯貨運——運輸南極冰樣本的綠色解決方案
為了研究氣候變化，將通過一種創(chuàng)新的零碳制冷技術(shù)使從南極冰中鉆取的冰柱在運往歐洲實驗室的途中保持冷凍狀態(tài)。英國南極調(diào)查局(BAS)的研究包括鉆探、包裝、轉(zhuǎn)移、儲存從格陵蘭島和南極洲開采的冰芯，并將其運輸至英國進行分析（圖3）。
圖3. 將冰芯從南極洲運往歐洲
但是，面臨的一個主要挑戰(zhàn)是必須將貨物裝在隔熱箱中，放在由柴油發(fā)動機驅(qū)動的冷藏集裝箱中進行運輸?，F(xiàn)在，BAS與一所英國大學(xué)展開合作，開發(fā)一種零排放冷鏈系統(tǒng)，用于運輸冰芯。關(guān)鍵技術(shù)在于一種復(fù)合相變材料(cPCM)，結(jié)合真空隔熱技術(shù)，可使冰芯任何部位的溫度保持在-45°C以下超過20個小時（圖4）。
圖4. 冰芯儲存的熱截面
2.3.2 熱量分配
在PCM和熱化學(xué)儲能材料等材料中儲存和運輸熱量和冷量的能力為獲取、儲存、運輸、貿(mào)易和使用低碳熱能開辟了一系列新方式。
原則上，未來的服務(wù)站不僅可以為電動汽車提供氫氣泵、生物燃料和充電樁，還可以為汽車或家庭提供熱能或冷能電池組?？蓪⒋祟愲姵亟M放置在車上特制的腔室——“供熱和制冷槽”中，在電池充電時也會為其充滿電。據(jù)估計在寒冷氣候下，轎廂供熱所使用的電力會使電動汽車 (EV) 的續(xù)航里程縮短約 50%[54]?？照{(diào)在低溫下將電力轉(zhuǎn)化為熱能的 COP 較低，并且擁有自己的能量來源比使用EV電池能夠更好地提供服務(wù)。家用時可使用較大的模塊為房屋供熱或制冷，每周更換和充電一次。衛(wèi)生服務(wù)也可以采用類似的技術(shù)，將疫苗等藥物保持在所需的溫度。
2.3.3 熱量儲存和分布的凈零碳之路
到2030年，世界各地將涌現(xiàn)出新的熱能儲存行業(yè)，主要將加油站等現(xiàn)有能源基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾轿荒茉粗行?，或者為無電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)提供新的供熱和制冷方法。到2050年，全新的熱能供應(yīng)鏈可為凈零碳目標(biāo)的實現(xiàn)提供支持，通過熱能儲存向當(dāng)?shù)責(zé)o法產(chǎn)生熱量或冷量的地方供熱和制冷。消費者通?？梢詮漠?dāng)?shù)氐哪芰糠峙潼c獲取車用和家用的熱能和冷能。
3. 總結(jié)
供熱和制冷技術(shù)專家指出，有必要以類似于可再生能源和電池等其他領(lǐng)域的方式加強合作，這些領(lǐng)域已經(jīng)建立了國家和國際合作伙伴關(guān)系，旨在加快研發(fā)和部署的進度。IEA 建議“各個國家/地區(qū)和利益相關(guān)者”應(yīng)共同采取行動。加大國際協(xié)調(diào)力度以加快開發(fā)全球最大碳排放來源的解決方案，對于將新技術(shù)投入大規(guī)模使用和打造未來低碳供熱和制冷行業(yè)至關(guān)重要。
