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歐洲發布2050年100%可再生能源供暖製冷技術發展戰略框架

北極星風力發電網訊:歐洲可再生能源供熱製冷技術創新平台(RHC-ETIP)日前發布了《歐洲100%可再生能源供熱與製冷2050年願景》報告,提出到2050年實現歐洲供熱和製冷完全使用可再生能源的發展目標。該願景從城市、區域能源網絡、建築、工業等不同應用領域,確定了到2050年實現完全可再生能源供熱和製冷的技術發展戰略框架,總結了歐盟用於供熱和製冷的各種可再生能源技術最新現狀及開發潛力。歐盟委員會於2016年在“戰略能源技術規劃”(SET-Plan)框架下建立了RHC-ETIP,匯集了生物質、地熱、太陽能熱利用和熱泵等行業的利益相關方,涉及區域供熱和製冷、儲熱及混合係統等技術領域,旨在加強可再生能源在供熱和製冷領域的應用。報告要點如下:

一、實現100%可再生能源供熱和製冷的技術發展戰略框架
1、城市可再生能源供熱和製冷
為了實現城市的100%可再生能源供熱和製冷,需要整合當地能源係統的不同組成部分和參與者並建立協同效應,具體的技術目標是:①改善建築物和區域的智能電器和能量管理係統,將其完全整合至整個能源係統中,實現以智能方式管理供熱和製冷的供應、儲熱、可再生能源電力及其輸送;②開發接口技術以連接(近)零能耗建築,以建立零能耗建築群和負能耗區域;③向城市提供可滿足所有供熱、製冷和熱水需求的可再生能源供熱和製冷技術及係統的相關信息。
2、區域可再生能源供熱和製冷
(1)發展目標。通過使用生物質、太陽能、地熱能、餘熱和環境熱以及非化石燃料發電,區域可再生能源供熱和製冷可實現完全脫碳。將可再生能源集成到區域供熱和製冷係統需要開發和示範以下解決方案:①將係統與當地無碳和低碳能源相匹配,建立具有較低和極低供應溫度的新型區域供熱和製冷網絡,降低現有網絡的溫度,係統設計和運行應適應更低溫度,並集成熱泵、製冷設備和儲能設備;②從能源係統整體角度,在不同規模上與不同終端用能部門(電力、熱/冷、燃氣、交通)相關聯,有效供應、管理和利用高比例可再生能源。
(2)數字化技術將起到關鍵作用。數字化技術對於實現100%區域可再生能源供熱和製冷起關鍵作用,需從4個方麵發揮其作用:①供應,通過數字化技術獲得更低成本、更高效和使用更多可再生能源的係統,如通過智能網絡控製器等先進解決方案集成波動性可再生能源,通過削峰等智能控製手段提高可再生能源係統的運行效率;②區域,通過低成本、可靠且可擴展的數據收集和通信係統管理實時能源數據,通過機器學習和數據挖掘優化能量分配,最大限度提升係統與溫度、流量、壓力、熱需求和電網損失相關的性能;③用戶,數字化技術可幫助用戶了解其用能情況,調整用能需求以提高區域供熱和製冷係統的效率,智能電表和遠程控製可以細化數據的時間顆粒度,供需雙向數據流將有助於改善係統運營;④設計與規劃,通過開發和應用數字解決方案優化市政規劃,如大數據分析、映射算法、過程計劃工具、複雜優化和仿真方法等,開發和測試技術和運行模型對多能源係統進行仿真和優化。
3、100%可再生能源建築
(1)發展目標。在建築物中使用可再生能源供熱和製冷將最終實現如下目標:①通過能效措施將所需設備的尺寸/功率/容量降至最低;②盡可能使用太陽能或被動地熱供熱及製冷;③必要時使用生物能或可再生能源電力補充供熱和製冷需求。
(2)儲能和部門協同是關鍵因素。儲熱技術可優化不同可再生能源的組合,顯著改善與可再生能源間歇性相關的問題。集成現場供熱和製冷、儲能、可再生能源電力和燃氣網的解決方案將提供更優質的能源服務,使用熱泵進行空間供熱和製冷,並將其與太陽能熱利用結合用於生活熱水和空間供熱將是一種選擇。
(3)係統化方案和用戶參與將越來越重要。建築物供熱和製冷將向係統化方案演變,根據建築的設計標準進行優化。係統將變得更智能和用戶友好,可進行遠程操作或控製。物聯網技術、智能電表和建築能量智能管理係統將使用戶更深入參與到能源係統中,成為產消合一者。
4、100%使用可再生能源供熱和製冷的工業
在工業領域實現完全使用可再生能源供熱和製冷需要設計新的工藝,以及對現有設備進行改造。通過創新過程技術實現持續的過程管理,可實現在120℃以下使用可再生能源,並能極大降低能源需求。儲熱對於整合不同的供熱和電氣至關重要,可應對價格波動和季節性變化。到2050年,可再生能源可以完全滿足工業的供熱和製冷需求,太陽能、地熱能等將用於低溫過程熱,可再生能源電力則將主要用於高溫過程熱,通過可再生能源生產的氫氣和氨可用於生產鋼鐵、水泥等高溫過程。用於製造的工業能量管理係統主要針對單一供應,隻能在有限範圍內對需求和供應(熱、電)的波動做出響應,因此需利用數字化技術優化工業能量管理係統的設計和運行,利用基於過程需求和供應的(近似)實際生產數據、曆史數據和預測數據,開發整體優化方法。將利用數字化模型,針對實例開發和驗證高效過程的解決方案,並在製造行業(如印刷電路板行業)中實施。
二、用於供熱和製冷的可再生能源技術發展現狀及開發潛力
1、太陽能熱利用
(1)技術現狀。太陽能熱利用技術具有極強的可擴展性,目前用於供熱和製冷主要提供40-70℃範圍的生活熱水和空間供熱,太陽能區域供熱係統功率可超過100兆瓦(熱)。光熱發電已經在工業過程供熱方麵有了大規模的應用,其成本低於燃氣鍋爐且在整個生命周期中基本恒定,因此可避免燃油價格波動的風險。主動式太陽能房屋將太陽能用於生活熱水,可實現70%-80%的能源需求由太陽能供應。工業過程太陽能供熱可滿足150℃要求的供熱,需要進一步示範和可行性驗證。
(2)開發潛力。太陽能區域供熱是一種創新的解決方案,比基於燃氣的區域供熱成本更低。太陽能熱利用可實現夏季的需求削峰和補充冬季熱量供應,與季節性儲熱和其他低溫熱源集成能夠發揮良好的效果。工業過程太陽能供熱將需要解決標準化、係統驗證和風險評估等問題以實現規模化應用。數字化將有助於不同技術和設備間的集成,物聯網、工業4.0、智能家居及電力和熱力設備的整體集成將使太陽能熱利用解決方案更為智能。
2、生物質能
(1)技術現狀。目前生物質占歐盟終端用能的10.5%,占可再生能源消耗量的59%,75%的生物質被用於供熱。生物質用於空間供熱的典型規模是千瓦級,而幾十兆瓦的生物質鍋爐則用於集中供熱,並且用來供應熱水。沼氣和生物燃料可在鍋爐中直接燃燒供熱也可用於熱電聯產,生物甲烷則可注入天然氣網中。生物能可提供工業過程所需低溫熱、蒸汽和高溫熱,是最便捷的解決方案之一。燃燒木柴、木片或生物質顆粒的小型加熱係統易於使用、成本低,正取代歐洲許多地區的燃油取暖。生物質既可用於區域供熱又可用在熱電聯產係統中發電,能源利用效率高達85%-90%。用於家庭的微型熱電聯產尚處於起步階段,但具備增加使用生物質的潛力。
(2)開發潛力。除立法、監管和產業等因素,生物質能在供熱市場的發展潛力取決於:開發高品質生物燃料;發展技術以降低成本;智能係統集成,通過數字和人工智能技術降低規劃、安裝和運行的複雜性。預計2050年以後歐洲利用生物質進行能源生產的潛力為7-30艾焦。
3、地熱能
(1)技術現狀。目前地熱能用於供熱和製冷主要用在從幾千瓦級的家庭熱水到500千瓦以上的大型熱水供應,以及區域供熱。一些創新的應用如地熱製冷、融化冰雪以及海水淡化已經得到驗證。地源熱泵和地熱區域供熱係統可提供住宅所需的低溫熱。地熱區域供熱將越來越多地應用於現有建築物和舊城區,地熱能和小型熱網可能是單個建築物的最佳選擇。
(2)開發潛力。未來幾十年的關鍵挑戰是地熱區域供熱和地源熱泵的可靠設計、工程和控製能力,以保持全年將地熱可持續地用於供熱和製冷。對熱電聯產地熱係統和新一代地熱係統(如增強型地熱係統)的進一步開發也將發揮關鍵作用。地熱將與其他可再生能源整合用於建築的能源係統,地熱能存儲(如地下儲熱、埋管儲熱、含水層儲能)將被用於季節性儲能,並可用於工業餘熱和太陽能的存儲。還將進一步發展地熱供熱用於農業。增強型地熱係統作為一項突破性技術將大規模發展,通過熱電聯產可同時提供電力和熱量。預計到2050年,地熱供熱和製冷係統將在歐洲隨處可見。
4、熱泵
(1)技術現狀。隨著部署的增加,熱泵技術正成為使供熱和製冷脫碳的能源組合的基石。同時,熱泵也是提高白色家電甚至電動汽車能效的首選技術。除了利用可再生能源,當前的熱泵技術可以利用工業餘熱、建築和工業過程中的廢氣等。將儲熱集成到熱泵係統中可以彌補能源生產和消費的時間差。熱泵係統可實現50-70℃的溫差,將多個壓縮機組合則將克服更大的溫度差,從而將源頭溫度提升至需要的水平。壓縮循環熱泵(電驅動)將低溫可再生熱能轉化為高溫熱能。熱驅動熱泵(如吸附式冷卻器)基於熱吸附循環,利用廢熱或可再生熱能進行製冷,其性能提升可實現驅動溫度高達250℃。工業熱泵通常供應溫度水平在30-50℃或55-65℃的熱量,當前研究目標是提供溫度為200-250℃的熱量。熱泵技術的創新和研究正專注於改進組件、產品和係統,而新技術(如磁熱泵)尚處於概念/實驗階段。
(2)開發潛力。用熱泵代替化石燃料鍋爐可以節省約50%的一次能源,用熱泵替換電加熱係統則可節省2/3-3/4的終端或一次能源。從係統角度來看,熱泵的節能潛力更大,將高效熱電聯產係統中的鍋爐替換為熱泵,還可使廢熱能夠用於區域供熱係統,將地熱或太陽能用於熱泵則可為熱泵創造更好的部署機會。
5、儲熱
(1)技術現狀。在目前各種儲熱技術中,采用水作為儲熱介質的顯熱存儲技術最簡單、成本最低,廣泛用於住宅、區域供熱和工業,采用液體和固體介質的地下顯熱存儲也是常用的大規模儲熱方式。潛熱存儲方式能量密度更高,存儲溫度範圍更廣且可用於製冷。熱化學存儲基於放熱和吸熱的可逆化學反應,理論存儲密度比水基儲熱係統高十倍,且沒有熱量損失,但該技術較新,尚需開發各種適用於市場的產品。地下儲熱主要用於平衡季節性供需,還可儲存中溫餘熱,提高可再生能源和廢熱的利用率以及能源係統的靈活性。
(2)開發潛力。未來將進一步開發或改進大規模儲熱技術,包括:長壽命、低成本的耐高溫襯裏材料;不同地質環境下大容量、深坑或儲罐存儲的施工技術;可降低熱損失並提高存儲性能的隔熱材料和技術;浮式或自帶蓋子的結構,可有效利用儲罐的頂部空間;改進係統集成、液壓和控製,以優化係統性能;開發工作溫度在5-15℃的相變材料,將冷庫集成到冷卻係統中;開發集成熱交換器的儲罐,縮小儲罐體積並提高能量傳輸率,如使用納米相變材料;通過材料開發(如中孔材料和複合材料)和組件優化等,降低技術成熟度達到5-6級的緊湊型儲熱技術的成本;開發測試和評估方法,並將材料整合到反應器組件中;開發新型傳感器技術以優化控製;進行下一代緊湊型儲熱技術的示範;開發新型相變材料和鈦複合材料、反應器和係統集成技術,用於工業中、高溫儲熱。
6、區域熱網
(1)技術現狀。目前歐盟已部署了6000多個區域熱網,滿足歐盟11%-12%的供熱需求,北歐、東歐等氣候較冷國家對區域熱網的應用較多。第四代區域熱網正開始取代第三代技術,這是一種低溫區域熱網,其在熱量分配過程中可減少熱損失,改善熱量供應和需求的熱品質匹配,降低熱應力和燙傷風險。低溫區域熱網還有助於提高熱電聯產電廠的電熱比,並通過煙氣冷凝回收廢熱,提高熱泵效率,增強對低溫餘熱和可再生能源的利用。
(2)開發潛力。預計到2050年,區域熱網可以滿足歐洲近一半的供熱需求。城市將是區域熱網的最佳應用地區,可收集城市景觀中的低等級廢熱作為區域熱網的熱源。區域製冷是技術成熟的新興行業,具備強勁的增長潛力。可再生能源電力驅動的大型熱泵將越來越多用於區域熱網。工業和商業產生的大量餘熱也可作為區域熱網的熱源,提高能源利用率。區域熱網還可作為一種有效的儲能方案,吸收過剩的可再生能源電力以平衡電網。
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