全球供热行业发展现状及趋势

一、全球供热行业概况 供热是全球最大的终端能源消费领域。国际能源署数据显示,2018年供热占全球终端能耗的50%,占全球二氧化碳排放量的40%。热力消费中,工业部门占比约50%,建…

一、全球供热行业概况

供热是全球最大的终端能源消费领域。国际能源署数据显示,2018年供热占全球终端能耗的50%,占全球二氧化碳排放量的40%。热力消费中,工业部门占比约50%,建筑物房屋(主要用于空间采暖和热水供应,少量用于烹饪)占比约46%,其余为农业部门占比。

自2010年以来,全球用于空间采暖和热水供应的能源消耗基本保持稳定,供热能源强度(即每平方米的终端能源消耗)每年下降约2%。加拿大、中国、欧盟、俄罗斯等国家和地区不断完善的建筑能源法规提高了建筑能效,是供热能源强度降低的主要原因。

全球供热行业发展现状及趋势插图

资料来源:IEA

图1  全球供热市场技术分布

2010~2019年间,全球供热市场继续由化石燃料供热和传统的电力供热主导。到2019年,化石燃料供热设备和效率较低的传统电加热设备合计接近全球供热设备总销量的80%,碳密集型和低效供热技术仍是全球供热技术的主流。热泵和可再生能源供热占比有所增长,热泵和可再生能源供热设备占2019年供热设备总销量的10%以上。

二、全球供热行业发展趋势

(一)供热系统注重能源整合、提高能效

在各类综合能源技术中,能效技术是促进节能减排的重要途径之一。提升能源效率,是供热领域的关注重点。锅炉是能源供应端常见的工业生产和民用设备,利用燃料燃烧释放的热能或其他热能,将工质水或其他流体加热到一定参数,从而满足供热的需求。与普通锅炉相比,冷凝锅炉的温室气体排放也显著偏低,具有环保优势。国际能源署数据显示,最近几年来,供热系统中冷凝式燃气锅炉已逐渐取代了燃煤、燃油锅炉和传统燃气锅炉,前者的效率高达90%~95%,后者的效率通常在85%左右。

区域供热在能源价值链中的灵活性很强,是整合各种供热能源、同时提高能源效率的一种非常有效的方式。如今丹麦、芬兰、法国、拉脱维亚和立陶宛等国正在逐步发展第四代和第五代低温供热网络,新一代热网更加注重热源的灵活多样性,增强了与能源系统中电网和燃气网的部门耦合,使供热系统和其他能源系统、可再生能源和当地可用的各种工业余热和废热更好地整合在一起,以优化供热系统效率。

以丹麦为例。丹麦是世界上能源效率最高的国家之一,丹麦区域供热系统集成了所有可用的可再生能源以及余热资源,包括太阳能电锅炉、太阳能供暖、燃气、内燃机、热泵等多种供热形式,并充分利用储热以确保区域供热系统的灵活性需求,未来其区域供热技术将完全摒弃化石燃料,形成高效的多能源智能能源网。

(二)热泵应用推动供热电气化

电能是清洁、高效的二次能源,在未来能源系统中将占据中心地位。提升电气化水平是推动终端用能领域清洁低碳发展的关键。热泵技术的原理是利用热循环过程,将低温热源(如室外的空气、循环水或地面的热能)传递到高温物体中,用来加热水或采暖。与化石燃料供热方案相比,热泵二氧化碳排放量明显降低,显然更加节能环保。热泵热效率全年可以达到300%以上,而锅炉的热效率不会超过100%。热泵技术在供热领域的大规模应用可提升供热电气化水平、加速供热系统清洁低碳发展,是当前供热领域最为现实的减碳路径之一。

目前热泵满足着全球将近5%的供热需求。从发展趋势看,热泵市场正在持续增长,根据国际能源署的可持续发展情景,热泵是未来增长最快的供热技术。低碳和二氧化碳减排是热泵发展的首要驱动力。在德国等国,新建建筑中热泵供热面积持续超过燃气供热面积。在低碳和减排的压力下,这一趋势正在多个国家持续扩大。荷兰、英国等国已经开始逐步减少、甚至禁止安装燃气壁挂炉。2019年,全球将近2000万家庭购买了热泵,而2010年购买热泵的家庭数量为1400万。在欧洲,热泵的销售量在短短两年内增长了25%,其中空气源热泵的销量较高。此外2019年欧洲地源热泵安装量达到200万台,在瑞典等国,地源热泵已成为供热市场的主流技术方案,其成熟程度正在推动供热部门实现转型。

(三)可再生能源供热持续增长

可再生热源既可以应用于建筑物内分散的供热设备,也可以应用于区域供热系统。国际能源署数据显示,2009~2018年间,全球区域供热系统的可再生能源能耗增长了三分之二以上,到2018年,可再生能源占全球区域供热能耗的比重已接近8%。这主要得益于近年来欧洲国家区域供热系统从化石燃料大量转为可再生能源。

1.生物质能供热

生物质能是迄今为止全球最大的可再生热源。2018年,现代生物质能占全球可再生能源供热消费的三分之二以上。欧洲可再生能源供热在供热能源需求总量中占比超过30%的国家有10个(瑞典占比高达70%,芬兰、拉脱维亚和爱沙尼亚占比也都在50%以上),生物质能在这些国家的供热系统中发挥着巨大作用。

目前德国、瑞士、奥地利等国是全球生物质能产热效率最高、设备水平最先进的地区,这些国家有非常多高效的生物质能热电联产厂以及家用壁炉等。在德国,较大型的生物质能供热厂可通过四通八达的供热网络向能源消费终端尤其是建筑和工业领域提供热能。这些供热厂优先满足供热需求,其次满足供电需求。而规模较小的生物质能热电联产设备(通过热化学气化技术处理固体生物燃料)则是以发电为主,在发电的同时产生有效余热用来满足用户的供热需求。在政府各项补贴政策的推动下,近年来小型生物质能热电联产设备广泛应用于家庭、写字楼以及工业生产。

2.太阳能供热

太阳能是全球增长最快的可再生热源。在过去十年中,全球太阳能供热累计装机增长了250%,达到480吉瓦(热)以上,但近年来增速有所放缓。2018年太阳能供热技术满足了全球2.1%的空间采暖和热水供应需求。将光伏和光热耦合的太阳能热电联产(PVT)技术正在兴起,并有望扩展到传统的太阳能供热市场。

太阳能供热装机中大部分是小型家用太阳能供热装置(用于为单户住宅提供热水),独立的太阳能热水器在全球太阳能供热市场占主导地位。同时,大型太阳能供热装置处于规模化发展的初期,在丹麦及北欧国家处于快速发展阶段,越来越多地出现在区域供热系统中。2018年,全世界有15个大型太阳能供热项目投运。大规模的太阳能供热系统在经济性上通常优于小型系统。超大型太阳能供热项目多为季节性储热项目。截至2018年底,全球最大的4个太阳能供热项目都是季节性储热项目。丹麦是区域供热系统中应用太阳能供热的典型代表。自2010年以来,丹麦区域供热系统集成的太阳能供热装机增长了10倍。

3.地热能供热

从全球范围看,地热能虽是目前最小的可再生热源,直接利用地热能供热仅满足了全球0.3%的供热需求,但地热能供热装机正处于持续增长之中。2018年全球地热能供热装机增长了1.4吉瓦(热),到年底总计达到26吉瓦(热)。

2019年欧洲地热能供热市场增长迅速。欧洲是地热能区域供热的主要市场。根据欧洲地热能委员会(EGEC)发布的《2019年欧洲地热市场报告》,2019年,25个欧洲国家327个区域供热系统中地热能供热装机达到5.5吉瓦(热),其中希腊、西班牙、意大利、荷兰等国均有新的地热能区域供热项目建成。与2018年相比,欧洲各地有许多新规划的项目。

(四)氢能供热加快探索与应用

1.替代管道天然气供热

目前化石燃料仍是全球主要的供热能源。氢是极优质的储能媒介,利用氢替代天然气供热是实现供热系统低碳转型最有潜力的方向之一。并且有研究表明,现有的天然气输配网络只需稍加改造或不做改造,即可用于氢气的输送,这对管道天然气逐渐由氢替代提供了有力的设施保障。

英国天然气管网公司Cadent和Northern Gas Networks正在与挪威国家石油公司合作开展氢供暖示范项目H21。该项目计划在英国北部海岸利兹市建设9套1.35吉瓦规模的天然气自热重整制氢装置并配套碳捕集和储存(CCS)设施。利兹市计划从2028年开始对居民供暖管网基础设施进行配套改造用以输送氢气。通过合理规划氢输配管网,预计项目可替代利兹市370万居民供暖、工业和发电的全部天然气需求。

2.部署燃料电池热电联产系统

氢作为燃料电池原料时,其能源转换效率比汽油内燃机高出1~2倍,优势相当明显。燃料电池下游主要包括固定式、移动式、交通运输三大应用市场。燃料电池的固定式应用,尤其是家用热电联产领域增长迅速。微型燃料电池热电联产装置是燃料电池固定式应用的重要分支,也是一种极具潜力的新型分布式能源技术。该装置安装在用户端进行发电,在发电的同时也副产热能,满足家庭用热需求。将燃料电池发出的电力和工作产生的热量结合利用,即使是在较小输出功率的情况下,系统的综合能源利用效率也可以超过90%。

欧洲先后通过Ene-field、PACE示范项目推广燃料电池热电联产系统,目前已经部署了大约10000套燃料电池微型热电联产装置。欧洲四大燃料电池热电联产企业Bosch、SOLIDpower、Vaillant和Viessmann产能超1000套/年。根据欧洲燃料电池和氢能联合组织(FCH-JU)制定的《欧洲氢能路线图》,到2040年欧盟将部署超过250万套燃料电池热电联产装置。在德国,2016年政府通过kfW433补助法案,对满足性能要求的燃料电池热电联产装置进行补贴,补贴最高可达成本的40%,并要求燃料电池系统总效率高于82%,使用寿命达到10年。截至2018年,燃料电池热电联产装置达2600套。在日本,命名为ENE-FARM、基于燃料电池技术的微型热电联产系统从2008年开始商业化推广,以家庭和小型企业为主要目标群体,政府予以补贴,截至2019年4月初,ENE-FARM部署量达30.5万套,热电联产效率达97%,成为全球最成功的燃料电池商业化项目之一。日本计划2020年部署140万套家用燃料电池热电联产装置,届时全面取消补贴。

3.可再生能源制氢供热

近日,英国天然气网络运营商SGN启动了世界上第一个直接利用海上风电制造绿色氢能供热的项目。此次试验依托的是苏格兰Levenmouth海上风电试验项目,风场为制氢工厂供电,所制取的氢气为苏格兰法夫郡的300户家庭供热。海上风力发电可提供大规模清洁能源,为氢气的可持续增长解决了关键难题。可再生能源制氢供热提供了一种新型供热思路,有助地区减排脱碳。

三、展望

为实现国际能源署可持续发展情景(SDS)的发展目标,即把全球平均温升控制在2摄氏度以内,到2030年,全球包括热泵、低碳区域供热系统、可再生能源和氢能在内的清洁供热技术占比需大幅提升,热泵、太阳能供热、生物质锅炉、氢气锅炉、燃料电池等供热设备要达到新增供热设备销量的50%左右。同时,国际能源署预计,未来十年内,除了改善建筑物房屋的围护结构外,部署低碳高效供热技术可助力全球供热能源强度以年均4%的速度下降。到2030年,在效率提升、燃料转换和电力部门脱碳的综合效应下,建筑供热碳排放有望减少30%。

作者: 清研网

清研网总编辑室

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