擴大低排放供熱技術(shù)需要仔細審視其成本競爭力

全球各地的制造商都在關(guān)注如何優(yōu)化熱量供應(yīng)，這對工業(yè)流程至關(guān)重要。這可以提升他們的競爭力，但也存在權(quán)衡，包括能源安全和氣候目標。此外，低排放或近零排放的供暖選項通常前期成本高于傳統(tǒng)替代方案，整合困難，運營成本可能更高，且不一定能在商業(yè)規(guī)模上提供。

然而，在能源消耗較低的工業(yè)部門（如食品加工、紡織和機械生產(chǎn)）中，存在一個潛在的最佳平衡點，這些行業(yè)約占總工業(yè)能源使用的30%。全球范圍內(nèi)，這些行業(yè)約75%的熱量需求低于200°C。 這一比例相對有限，通�？梢酝ㄟ^市面上可用的低排放技術(shù)來實現(xiàn)——在某些情況下，其成本可與基于化石燃料的方案相當。相比之下，高能耗行業(yè)更多依賴高溫?zé)崃�，而這種熱能在沒有化石燃料的情況下難以供應(yīng)。

IEA對全球近期項目的跟蹤顯示，工業(yè)企業(yè)正逐步采用低排放的供熱技術(shù)，這些企業(yè)在能源消耗較低方面正日益增長。例如，在西班牙，一家釀酒廠使用30兆瓦（MW）太陽能熱能系統(tǒng)為其工藝提供熱能，并減少天然氣使用。匈牙利一家玉米加工廠最近安裝了56兆瓦時（MWh）的電氣化熱能和熱能儲存系統(tǒng)，用于提供工藝熱能。在挪威，一家魚粉制造商安裝了5兆瓦熱泵用于生產(chǎn)工藝蒸汽，而一家熱儲能公司在美國安裝了100兆瓦時的太陽能儲能裝置，在泰國安裝了33兆瓦時的熱儲存裝置。

電氣化在低溫工業(yè)供暖方面前景看好

電加熱技術(shù)——推動新興電力時代的因素之一——可以應(yīng)用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域。它們具有運行優(yōu)勢，如精確的溫度調(diào)節(jié)和快速的負載遞增速率，使操作員能夠快速增加或減少供熱量。熱泵和電鍋爐尤其具有潛力的低溫取暖技術(shù)——盡管它們各自存在競爭性問題。

雖然電鍋爐的購買和安裝成本與天然氣鍋爐大致相同，但其能源成本明顯更高。在美國，獨立電鍋爐的運行成本約是天然氣鍋爐的四倍，而在中國，成本是兩倍。然而，將電鍋爐與現(xiàn)有天然氣鍋爐或熱能儲存（TES）結(jié)合運行，可以提升其成本競爭力，具體將在下節(jié)詳細討論。

2024年部分地區(qū)工業(yè)電鍋爐相較當前市場基準的能源投入成本比

2024年部分地區(qū)工業(yè)熱泵相較當前市場基準的能源投入成本比

熱泵高效的性能意味著它們在產(chǎn)生相同熱量時比電鍋爐用電更少，因此運行成本更低。然而，設(shè)備和安裝成本明顯更高。

計算平定熱量成本（LCOH）有助于比較不同采暖技術(shù)的成本競爭力。通常，這一數(shù)值主要由資本支出和能源成本決定，后者因地區(qū)而異。

這一指標表明電鍋爐的高能耗使其在各地區(qū)難以具備競爭力。與此同時，熱泵的資本成本幾乎與美國和印度的天然氣和燃煤鍋爐的整體LCOH相當。然而，在其他地區(qū)，熱泵與使用化石燃料的鍋爐之間的成本差距較小——而且不同工業(yè)場地的實際能源價格差異很大，使得熱泵在許多情況下具有成本競爭力。

電網(wǎng)連接成本可能帶來重大挑戰(zhàn)，盡管各國和地區(qū)差異較大，且隨著可再生能源的普及，成本可能發(fā)生變化。工業(yè)場地甚至可能擁有備用的電網(wǎng)接入容量，尤其是在近期能源效率升級降低了用電量或附近其他場地關(guān)閉的情況下。鑒于不確定性，我們已排除電網(wǎng)連接成本，盡管它們?nèi)允窃S多站點電氣化的重要障礙。

2024年部分地區(qū)煤炭或天然氣鍋爐、電鍋爐和熱泵的熱能平準化成本

混合系統(tǒng)可以使電氣化工業(yè)供暖更具成本競爭力

由于電力在電氣供熱的整體LCOH中占很大比例——尤其是電鍋爐，其電價大約是熱泵的三倍——因此尋找降低這些成本的方法是提升競爭力的優(yōu)先事項。在能耗較低的行業(yè)中，終端用戶電價通常基于固定零售費率，盡管對直接批發(fā)市場合同、現(xiàn)場或附近可再生能源發(fā)電或兩者的結(jié)合越來越感興趣。在批發(fā)市場中，電價從負值批發(fā)價到高價期不等。

結(jié)合兩種或多種技術(shù)的混合系統(tǒng)可以用來適應(yīng)電價的這種變異性�？蛇x方案包括將電氣化熱能與現(xiàn)有天然氣鍋爐或熱能儲存結(jié)合，這些設(shè)備都能輕松集成到非高能耗行業(yè)使用的蒸汽網(wǎng)絡(luò)中。熱能儲存（TES）系統(tǒng)——通過提高材料溫度并改變其相，或利用可逆化學(xué)反應(yīng)來儲存熱量——具有在低能耗時期捕獲和保留熱量以備后續(xù)使用的優(yōu)勢。有些熱能儲存系統(tǒng)與供暖設(shè)備分離，而另一些則合并為一個集成系統(tǒng)。

在電價高昂時使用天然氣鍋爐，并在較低時段切換為電鍋爐，可以降低整體供暖成本。雖然這無法實現(xiàn)全系統(tǒng)電氣化，但能降低工業(yè)供暖的碳強度，并促進已有燃氣鍋爐的設(shè)施更廣泛地采用。

德國2024年混合系統(tǒng)供暖的平穩(wěn)化成本示例

混合系統(tǒng)提升成本競爭力的能力最終取決于節(jié)能是否能抵消更大的投資需求和運營成本。增加熱能儲存并保留現(xiàn)有鍋爐，顯著降低電鍋爐的LCOH，而熱泵的收益較低。熱泵所需的更高資本成本甚至可能超過節(jié)省，尤其是在需要更大設(shè)備為TES充電時。因此，混合配置通常更適合電鍋爐系統(tǒng)，而熱泵作為獨立解決方案通常表現(xiàn)更佳。

2024年德國不同利用率及二氧化碳價格下，電和天然氣鍋爐混合器的平級供熱成本示例

例如，在德國，混合系統(tǒng)以約20%的使用率運行電鍋爐，剩余時間由現(xiàn)有天然氣鍋爐覆蓋，其LCOH可比全天運行的天然氣鍋爐低15%。如果碳成本上升，可能會進一步增加電鍋爐提供的最佳熱量份額。在電力市場中，電價低于天然氣價格，電鍋爐的最佳利用率顯著提升。

注：括號內(nèi)數(shù)字為每種系統(tǒng)配置購買電力的平均成本。二氧化碳價格為每噸80歐元。終端用戶工業(yè)天然氣價格（不含增值稅）為60歐元/兆瓦時。批發(fā)小時電價范圍為每兆瓦時-136至916歐元，我們在此基礎(chǔ)上加上約65%的乘法加價，反映網(wǎng)絡(luò)成本、稅收和稅費（不含增值稅）及靈活性激勵的綜合影響。由于不確定性，電網(wǎng)連接成本不包含在分析之外。系統(tǒng)規(guī)�；贚COH最小化：電鍋爐+TES配置中儲能容量為48兆瓦時，充電功率為3兆瓦時，而電鍋爐+TES+天然氣鍋爐的容量為24兆瓦時，功率為3兆瓦。假設(shè)天然氣鍋爐已就位并能繼續(xù)運行，這反映了常見的工業(yè)配置，避免了混合系統(tǒng)中冗余資本投資的需求。天然氣鍋爐的利用率被優(yōu)化至最低LCOH為80%（電鍋爐+天然氣鍋爐），59%（電鍋爐+TES+天然氣鍋爐）。熱能儲存假設(shè)為水箱系統(tǒng)。來源：EUROSTAT工業(yè)天然氣價格、電網(wǎng)成本以及電力稅費和征費（假設(shè)用電區(qū)間分別為I4和IE）。ENTSO-e用于按小時批發(fā)電價。

在德國，基于2024年的價格，采用混合式熱能儲存方案，相比獨立電鍋爐，供暖平均成本可降低超過兩倍，且可在電價低時儲存產(chǎn)生的熱能。通過混合方案，許多工業(yè)場所已有的天然氣鍋爐，平均電費更低，額外的資本支出可在五年內(nèi)收回。

隨著可再生能源的普及，電價低，工作時數(shù)增加，這些混合動力解決方案的成本競爭力預(yù)計將提升。如果場地能夠進入電網(wǎng)平衡、頻率調(diào)節(jié)及其他輔助服務(wù)市場，還能帶來可觀的額外收入，同時增強場地對能源供應(yīng)風(fēng)險的韌性。熱能儲存系統(tǒng)還可支持現(xiàn)場可變可再生能源的集成，減少對電力采購和電網(wǎng)成本的依賴。

電氣化工業(yè)供熱的成本競爭力主要通過四種方式解決

為了提升工業(yè)環(huán)境中電氣供暖的成本競爭力，政府、企業(yè)和行業(yè)團體正采取四種主要方法：

1. 能源價格：

   一些國家正在努力重新平衡能源稅，以考慮化石燃料對環(huán)境的影響，從而降低其成本優(yōu)勢。例如，芬蘭降低了工業(yè)電稅并提高了化石燃料稅，德國則在降低電網(wǎng)成本和稅收。雖然固定電價因其財務(wù)穩(wěn)定性而具有吸引力，但按時用電定價、地理位置價格信號及其他電價調(diào)整也能支持更實惠的電力供應(yīng)，并鼓勵靈活需求（在加利福尼亞州，工業(yè)用戶必須使用這些電價）。然而，這取決于預(yù)測低成本期間和響應(yīng)實時靈活性激勵的能力，這對運營商來說可能較為困難。AI工具有望顯著提升預(yù)報能力。

2. 提升認知和專業(yè)知識：

   由于這些技術(shù)的部署相對有限，人們對低排放工業(yè)供暖選項和行業(yè)專長的普遍認知仍然較低。改變這一狀況的舉措包括經(jīng)合組織與印度尼西亞紡織業(yè)的合作、在西班牙成立Alianza Q-Cero、擴大造紙行業(yè)熱泵使用的合作，以及IEA正在制定的熱泵分類法。同樣，熱即服務(wù)模式可以使工業(yè)場地將部分考量外包給專業(yè)人員，同時減少前期資本投資。

3. 降低財務(wù)風(fēng)險：

   許多工業(yè)企業(yè)對大型前期投資風(fēng)險非常敏感，尤其是中小企業(yè)以及新興和發(fā)展中經(jīng)濟體的企業(yè)。這對熱泵來說是一個重要障礙。雖然隨著持續(xù)部署和設(shè)備標準化，設(shè)備和安裝成本將下降，但貸款、補貼和稅收抵免可以支持過渡期的使用�，F(xiàn)有項目包括世界銀行和氣候投資基金的國際項目、歐盟5億歐元的工業(yè)熱拍拍試點，以及新西蘭的成熟基金。為安裝人員和工程師配備合適的技能對于擴大部署規(guī)模和降低安裝成本也至關(guān)重要。

4. 電網(wǎng)行動：

   投資擴展輸電和配電網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，保障可靠電力的獲取同樣重要。巴西的經(jīng)驗凸顯了強有力的監(jiān)管框架如何釋放數(shù)十億美元的私有電網(wǎng)投資�？s短電網(wǎng)連接的交接時間是另一項挑戰(zhàn);英國通過優(yōu)先將低排放能源項目納入連接隊列，荷蘭則釋放了該國40%的峰值容量，用于提供靈活性的用戶新連接。此外，調(diào)整電網(wǎng)電價以反映實時擁堵，如德國新推出的動態(tài)電網(wǎng)費用，可以推動需求響應(yīng)的采用和混合系統(tǒng)整合。與此同時，開發(fā)產(chǎn)能和輔助服務(wù)市場還能進一步提升系統(tǒng)靈活性并提供額外的收入來源。

感謝來自阿爾托大學(xué)、奧地利理工學(xué)院、BVES、CEFIC、丹麥理工學(xué)院、EnergyNest、ERM、KTH、監(jiān)管援助項目、施耐德電氣、IEA熱泵技術(shù)合作項目以及利茲大學(xué)的審稿人對本文的審稿。

掃碼或加微583769685索取報告全文

免責(zé)聲明：本公眾號文章多來源于公開媒體內(nèi)容，整理、翻譯、編輯而成，僅供讀者參考。文中的觀點和內(nèi)容不具有任何指導(dǎo)作用，對讀者不構(gòu)成任何項目建議或承諾！如果本文不慎侵犯您的權(quán)益，請加微583769685聯(lián)系，將及時處理。

1、

2、

3、