本报记者|白雪热力消费是工业绿色低碳转型的关键领域。近日，在由绿色创新发展研究院(iGDP)主办的“工业绿色低碳转型：供热低碳化的关键突破和创新实践”主题活动上，业内专家指出，随着技术成熟与政策完善，工业用热低碳化正从“试点探索”迈向“规模推广”。破解工业用热低碳化难题，需在技术突破、模式创新与政策支持上形成合力，循序渐进地寻找因地制宜且经济适配的解决方案。热力消费是工业绿色低碳转型的关键领域全球热力消费的碳排放压力早已凸显。根据国际能源署(IEA)数据显示，2023年全球热能相关能源消费占最终能耗近50%，相关二氧化碳排放量占比接近40%。在热能领域推动低碳替代，是应对全球气候变化的核心行动。北京计科能源新技术有限公司研究主管车阳介绍，2017～2023年，全球与热量相关的二氧化碳排放增长主要来自工业领域，这与我国当前工业用热的高占比现状高度契合。聚焦国内，工业用热的“高碳依赖”特征显著。2021年，我国热力消费占全国能源消费总量近60%，其中工业用热占比超70%，且60%为工业自产自用热力。车阳表示，从结构看，工业用热以200度以上高温为主，建筑用热则以60度以下低温为主，但两者均高度依赖化石能源直接燃烧，可再生能源占比极低。“工业用热低碳化是工业零碳化的核心。”清华大学建筑学院副教授夏建军表示，随着新型电力系统建设，可再生能源将成为电力主要来源，用热系统技术路线需转向高效电转热，这也推动国家、地方及行业层面出台多项政策支持。从工业用热种类来看，主要分成两类：以钢铁、水泥为主的流程工业，以化工、纺织、食品加工为主的非流程工业。夏建军表示：“流程工业多以化石能源作为其用能的原材料，余热资源丰富；非流程工业以热水和蒸汽为主要热源，这类工业的热力需求分高中低，180度以下可通过高效电转热解决，超过180度则涉及燃料替代。”他提到，2020年全社会非流程工业热力需求达80亿吉焦(GJ)，超过北方地区建筑供热2030年50亿吉焦(GJ)的预期需求，且这类需求与生活息息相关，预计2050年可能增至120亿吉焦(GJ)。夏建军进一步介绍，我国非流程工业用热需求量大，现有供热系统碳排放水平较高，为实现碳中和目标带来了挑战。不过，我国拥有大量流程工业及电厂等余热资源，为构建余热共享型集中热水管网提供了良好的基础。借助热水管网传输热量，并通过末端热泵系统取热升温，可实现180度以下的热量供给。同时，依托工业园区的规模优势，有望在技术可行、经济合理的前提下，实现非流程工业用热的深度脱碳。工业供热低碳化进行多元探索“国际上可再生能源替代化石能源用于供热和制冷的潜力巨大。”车阳介绍，根据国际能源署统计，2023年，热能相关能源消费占全球最终能耗的近一半，且近几年这一比例保持在50%左右，与能源相关的二氧化碳排放量也接近40%；2017～2023年，全球热需求增长幅度不大，但与热量相关的二氧化碳排放增长几乎全落在工业领域，因此在热能领域推动低碳替代是应对全球气候变化的关键。通过对美国、英国、丹麦等国家和地区供热转型情况的分析，车阳总结出五大发展趋势：“一是节能增效是首选转型方向，能有效提升成本效益，如冷凝式燃气锅炉逐渐替代传统锅炉。二是区域供热将成为重要模式，可整合多种能源并与热泵、余热利用结合，提升热效率。三是热泵技术应用将更广泛，该技术能提升供热制冷领域电气化水平，构建电热协同通道。四是可再生能源供热比重将大幅提升，这是实现供热低碳替代的有效途径。五是氢能有望成为供热主要能源之一，尤其在工业高温领域的低碳替代中是重要且可行的研究方向。”绿色创新发展研究院副主任杨鹂表示，在工业供热低碳化领域，技术路线较为清晰，我国中低温热泵、电锅炉、生物质利用、余热利用等技术已经成熟。余热共享系统为高用热密度区域提供了新方案。夏建军认为，解决高负荷用热密度区域的用热问题，可依托余热共享系统。该系统整合热电厂、核电厂、工业流程、数据中心等余热资源，通过高温热水管网输送，结合热泵提升品位，满足180度以下用热需求。“我国已有60万公里集中供热管网，若加以改造，可将工业余热、核电余热等低成本热源输送至工业园区，成本比天然气供热低30%～50%。”夏建军以某工业园区为例介绍，通过60公里管网引入核电厂30～50度余热，结合热泵提升至60～130度，满足造纸、食品等行业需求，同时通过储热装置实现电力调峰，单套系统可匹配1000兆瓦核电机组的调峰能力。该系统能实现热电协同调峰，在不影响生产的情况下，通过储热装置在电力高低峰灵活调整用热来源，且经济性优于天然气供热。在夏建军看来，依托工业园区规模化效应，结合余热共享、高效热泵、零碳燃料替代等技术，工业领域180度以下用热的深度脱碳具有高可行性，无需依赖大量国家补贴，可通过市场行为实现经济合理的低碳转型。我国在低碳供热领域有丰富技术储备，如太阳能、生物质供热、地热能等，已在多个场景有应用实践，从技术层面看替代基础相对成熟。在“双碳”目标下，未来有望形成以绿电、余热、可再生能源为核心的绿色热力生产体系。不同终端的需求，低碳路径应因地制宜、分类施策。车阳表示，比如在民用热水领域，近期低碳替代路径主要包括电加热、热泵及太阳能热利用技术。又如，在农村地区可推广空气源热泵，城镇地区则以燃气为主，辅以电加热设备。中远期阶段，农村可进一步推广空气源热泵、太阳能热水系统以及光伏发电与热泵的集成应用；城镇则需大幅提升绿电制备热水的应用规模。在工业领域，车阳认为，近期发展重点在于热泵工业余热利用技术，需集成太阳能、生物质锅炉等零碳热源，并大力发展电窑炉替代技术。中远期阶段，电锅炉低碳供热技术将主要应用于工商业领域，同时可推广绿氢技术、太阳能聚光集热及中高温热泵余热回收等可行的替代路径。技术、政策与市场协同发力尽管技术路径清晰，工业用热低碳化转型仍面临多重障碍，包括低碳替代难度大、余热利用效率偏低以及多能耦合体系缺失等。加州大学伯克利分校首席科学家周南坦言：“经济性是工业电气化普及的重要障碍。”当前，我国工业电气化面临电价远高于煤炭和天然气的现实障碍，但高效的热泵、热电池等技术可缩小这一差距，推动电气化实施。破局需多方协同。在技术层面，加州大学教授沈波建议推动“工业与电力融合”方式，通过储热系统降低热泵定制化需求，利用分时电价错峰用电，甚至参与电力市场提供辅助服务，从单纯供热转向电网协同，提升经济性。政策层面，国际经验可资借鉴。车阳介绍，英国、丹麦对可再生能源供热技术制定专项补贴，德国要求生物质锅炉需满足功率、排放和效率标准才能获补，丹麦则采取禁止新建建筑使用电采暖、推动居民接入以可再生能源公共管网为主的区域供热管网以及用户侧引入“节能账户”机制等措施。能源创新智库工业项目资深高管Jeffery Rissman在其新书《零碳工业》中形成一份清晰的路线图，指引工业从现在到未来顺利实现去碳化。第一阶段是奠定新基础，需要大幅扩大可再生能源供应与并网能力，为各行业提供充足电力，同时需提升能源效率和物料效率，加快电气化转型(重点发展热泵及其他适应中低温供热的技术)，并加速研发步伐，储备更多新技术。第二阶段聚焦于实现清洁工业热能转型——即通过电锅炉、热电池等方式满足高温热能需求，实现去碳化。此阶段将非常重视化石燃料的替代路径。第三阶段要完成清洁钢铁及清洁原材料的转型。即便是最先进的技术，也需降低成本并克服技术障碍，否则可能被其他技术取代。一些领先国家(如中国)若能率先达成目标，便可将其技术出口或知识产权许可给其他国家和地区，使其从技术领先国家的经验中获益。从长远看，工业用热低碳化不仅是技术问题，更是系统工程。车阳表示，从国际工业低碳转型经验来看，最为关键的就是为低碳技术建立一套“目标引导—激励约束—监测评估”的闭环政策体系，通过明确供热低碳转型战略目标与技术路径制定精准扶持政策，同时可通过经济激励机制和环保节能等政策的协同，确保对先进技术进行规范引导。
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