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(diǎn)，因?yàn)榕c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(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，有些處于試驗(yàn)階段，需要進(jìn)行集中研發(fā)和部署(RD&D)。本簡報重點(diǎn)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(yùn)輸方面進(jìn)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%?；剂鲜枪岬闹饕獊碓矗镔|(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(shí)現(xiàn)脫碳，因?yàn)樗鼈兊漠a(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?xì)忮仩t和空調(diào)機(jī)組，豐富多彩。通常將其作為獨(dú)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?xì)夤?，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(diǎn)進(jìn)行。
分區(qū)供熱是一個例外，它是在某一中心點(diǎn)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(dá)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(yùn)營通常在需要的時間和地點(diǎn)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(jìn)行更新，并投資擴(kuò)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(jìn)行改造。
2. 研發(fā)和部署所需采取的行動
在實(shí)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(diǎn)。
2.1 減少熱能損失——提高能源效率
對熱能進(jìn)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(qiáng)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(shí)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(jìn)行加固[10]。現(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(jì)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)?，然后通過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(dá)到550萬臺[13]，2050年有望達(dá)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?xì)忮仩t不相上下。相反，在寒冷和潮濕條件下，其使用難度較大，因?yàn)楣嵝枨笞畲髸r，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(kuò)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(jī)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(jī)廢物產(chǎn)生，歐洲是全球領(lǐng)先的生產(chǎn)商。它目前僅占燃?xì)夤?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?xì)夤?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?xì)夤岱绞?，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(lán)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(lán)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(fèi)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(dá)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(jī)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(jìn)行的太陽能制冷也越來越受歡迎，因?yàn)樗鼈兛蓪⒑碾娏拷档?0%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(jìn)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(fù)荷的23%[30]。由熱電聯(lián)供機(jī)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?，例如用超市制冷為住宅區(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(dá)到300°C至800°C）直接用于大規(guī)模分區(qū)供熱或?yàn)楣I(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(jìn)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(yàn)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(yùn)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?xì)淇赡苁卿撹F、水泥、玻璃和化學(xué)品等行業(yè)的合適熱源，因?yàn)樗娜紵郎囟确浅８?。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(dá)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(jìn)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(yàn)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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jī)制等方法轉(zhuǎn)化為熱量。
2.3 未來的熱能儲存、運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(fù)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(yàn)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(yùn)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(jìn)行氧化用于工業(yè)用途后，還可使用氫氣再次生成鐵，實(shí)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(jìn)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(jìn)行儲存，也可以通過液態(tài)空氣沸騰推動渦輪發(fā)電機(jī)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(yùn)集裝箱。該集裝箱用于運(yùn)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(dá)190小時，可實(shí)現(xiàn)跨越不同氣候區(qū)的運(yùn)輸，公路運(yùn)輸里程可達(dá)35000千米，鐵路運(yùn)輸里程可達(dá)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(yùn)——運(yùn)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(yùn)往歐洲實(shí)驗(yàn)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(yùn)輸至英國進(jìn)行分析（圖3）。
圖3. 將冰芯從南極洲運(yùn)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(jī)驅(qū)動的冷藏集裝箱中進(jìn)行運(yùn)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(yùn)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(yùn)輸熱量和冷量的能力為獲取、儲存、運(yùn)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(shí)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(fèi)者通?？梢詮漠?dāng)?shù)氐哪芰糠峙潼c(diǎn)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(qiáng)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(jìn)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。
