脱碳工业热量以应对气候变化

2024D E C AR B O N I ZI N G I N DU S T R I ALH E 在 T O F A CE CL I M 在 E CH A N G E是热能储存吗欧洲工业脱碳战略缺失的环节 ？ NT E NTRY32ES83GY14S1I O N1SAVERIO CALDANI管理合伙人 ， 罗马和马德里LUIS DEL BARRIO CASTRO合作伙伴 ， 马德里IRENE MACCHIARELLI合作伙伴 ， 罗马IGOR MARULLI顾问, 罗马我们要感谢所有在审查本报告中作出贡献的人 ， 特别是 ： 佛罗伦萨 · 卡洛特 ， 文森佐 · 伊波利托。 Amaury Klossa ， Chiara Loreti ， Daniel Monzon ， Andrea Romboli ， Leonardo Rosetto 和 Christian Weber2 A R TH U R D. L I T TL E3E X E CU T I VE SU M M AR Y脱碳工业热量消耗对于减少碳排放和减轻气候变化的影响至关重要。目前 ， 欧盟五大热量需求行业 -化工和石化; 非金属矿物; 食品、饮料和烟草; 纸浆、纸张和图形艺术; 和钢铁 - 占热量消耗的 80 ％ 以上 ， 迫切需要脱碳策略。直接和间接电气化 ， 碳捕获 ， 利用和存储 （ CCUS ） 以及生物质是工业热脱碳的主要技术之一。热能存储 （ TES ） 是直接电气化的潜在解决方案 ， 特别是对于过程温度高达 500 ° C 的行业。 TES 技术的主要优势包括存储机会 （ 即存储热量以供以后使用的能力并集成光伏和风能等非可编程可再生系统 ） ， 易于安装 ， 模块化和成本竞争力。公用事业可以抓住机遇 ， 成为这个市场的先驱 ， 专注于测试技术 ， 并与供应商建立合作伙伴关系 ， 以加快此外 ， 他们可以与欧洲和地方当局一起实施宣传战略。像 TES 这样的创新解决方案可以帮助工业客户实现脱碳目标 ， 为低碳经济做出贡献。 R E P O R T:D E C A R B O N I Z I N G I N D U S T R I A L H E AT T O FA C E C C L I M AT E C H A N G E4 1.E URO P E A N I N D U S TR I A L H E AT C ON S U M P T ION去中心化是必须的欧洲的监管机构正在加速向低碳经济转型 ， 推动工业部门降低二氧化碳足迹。欧盟设定了雄心勃勃的目标，到 2030 年将温室气体排放量至少减少 55 ％，到 2050 年实现碳中和。然而，尽管可再生能源扩张和对氢经济的日益关注，这些目标预计将无法实现。需要新的战略来实现气候目标，通过创新技术实现工业热量消耗的脱碳将发挥关键作用。工业耗热量占全球能源使用量的很大一部分 ， 占工业能源需求的三分之二根据国际能源署 （ IEA ） 的数据 ， 全球能源消耗的近五分之一归因于此。大多数工业热量是通过天然气 ， 化石燃料和汽油的燃烧产生的 ， 导致大量二氧化碳的排放。因此 ， 脱碳工业热量消耗对于减少碳排放至关重要。欧洲可处理市场在欧洲 ， 工业热量消耗的脱碳为能源参与者和供应商提供了一个机会 ， 以开发创新的解决方案来替代非绿色燃料 ， 并进入未来几年将面临增长的市场。图 1. 按燃料类型划分的欧盟工业能源消耗TWh ， 2021 年能源消耗1非耗热量耗热量天然气汽油化石燃料电力可再生能源热不可再生残留物2注 ： （ 1 ） 不包括炼油厂和建筑业 ， 也不包括人造气体燃料 ；（ 2 ） 不可再生的废物直接燃烧产生热量来源 ： Arthur D. Little ， 欧盟统计局~2,500总能耗的 72%~1,800~ 1, 100 TWh（ 热量消耗的 60% ） A R TH U R D. L I T TL E5D E C A R B on IZ AT IONO F IND U S T RI A L HE ATC O N S U MP T IO N F F E R S A N O P P 或 T U NIT Y 用于 ENER GY P L AY ER A ND V END O R S根据欧盟统计局的数据 ， 欧洲工业部门每小时消耗约 2500 太瓦 （ TWh ） 来自不同来源的能源 （ 见图 1 ） ， 其中约 1800 太瓦用于产生热量 （ 占市场的 72 ％ ） 。用于产生热量的天然气 ， 汽油和化石燃料的份额约占总量的 60 ％ ， 产生了约 1, 100 TWh 的脱碳市场。前 5 个需热行业工业耗热量高度集中在五个行业 ， 占消费量的 80 ％ 以上 ： 化学和石化 ； 非金属矿物 ； 食品 ， 饮料和烟草 ； 纸浆 ， 造纸和图形艺术 ； 和钢铁。这些行业使用天然气 ， 化石燃料和汽油等燃料来产生热量。如图 2 所示 ， 热量be decarbonized often exceeds 60% of the total sources of fuel used for heat generation. Together, these industries show an addressable market（ 即 ， 用于产生要脱碳的热量的天然气 ， 化石燃料和汽油的总量 ） 等于〜 930 TWh 。图 2. 欧盟各行业耗热量欧盟热量消耗各行业的热量消耗TWh ， 2021 年 ~ 930 TWh~1,800Total化学 &非金属食品、饮料纸浆,铁和有色金属Other石油化工矿物& 烟草纸和图形艺术钢金属天然气化石燃料汽油电热不可再生残留物脱碳范围内的燃料要脱碳的热量 TWh 要脱碳的热量%来源 ： Arthur D. Little ， 欧盟统计局~60%~1,100~65%~70%~65%~40%~60%~50%~55%前 5 大行业 ：~~250~160~95~125~45~125~465~350~240230~215~85~225 R E P O R T:D E C A R B O N I Z I N G I N D U S T R I A L H E AT T O FA C E C C L I M AT E C H A N G E6 行业机会也可以根据温度来检查这五大行业的可寻址市场 ， 如图 3 所示 ， 揭示了它们之间的实质性差异 ， 并表明某些行业比其他行业更适合脱碳 （ 例如 ， 具有较低温度生产过程的行业明显更适合比使用较高温度的脱碳 ） 。在超过 500 ° C 的温度下 ， 天然气 ， 化石燃料和汽油的竞争非常高 ， 电气化技术仍在开发中。根据热量需求分析前五大行业的生产工艺 ， 可以发现以下有关其脱碳潜力的信息 ：-化工与石化- 温度集中在 100 ° C - 500 ° C 的范围内。由于其低温 （ 不超过 250 ° C ） ， 工艺的适用性以及易于更换的技术 （ 例如 ， 燃气锅炉 ， 主要用于造粒和熔融阶段 ） ， 制药子行业为试图推动脱碳的运营商提供了巨大的机会。-非金属矿物- 非常高的温度 （ 通常超过 1, 000 ° C ） 。三个主要的子行业包括 ：U T IL IT IE S S H O U L DFO C U S F IR S T O N T HR E E M A IND U S T R IE S T OP U SH D E C A R B on IZ AT ION O F IND U S T RI A L HE ATMP T IO N1.混凝土- 温度达到 1, 500 ° C （ 熟料制造阶段 ） ， 其中以天然气 / 石油为燃料的熔炉很普遍。但是 ， 生物质和氢气的使用正在引起人们的注意。2.陶瓷- 通过使用以天然气 / 石油为燃料的隧道窑 ， 温度达到 1, 200 ° C （ 燃烧阶段 ） 。该行业对氢气产生了浓厚的兴趣。短期内电气化可能面临障碍 ， 但干燥阶段 （ 最高 200 ° C ） 可能采用绿色技术。3.玻璃- temperatures range from 500 ° C (surface - heating phase) to 800 ° C (melting phase), leave more room for decarbonization composition to concrete and ceramic. This subindustry mainly uses gas the nonomic mineral segment, glass potential for decarb烤箱已经有很高的成熟度。图 3. 每个温度前五大行业的可寻址市场TWh ， 2021 年~300化工与石化非金属矿物食品、饮料和烟草钢铁纸浆 ， 纸& 图形艺术空间加热最多 100°C100°C - 500°C500°C - 1, 000°C超过 1, 000°C来源 ： Arthur D. Little~250~160~125~95 A R TH U R D. L I T TL E7-食品、饮料和烟草- 温度主要低于 200 ° C 。在这个行业中 ， 肉类就工艺的规模和适用性而言 ， 牛奶和乳制品最有潜力。烹饪 (80 ° C - 120 ° C) 和巴氏灭菌 (60 ° C - 70 ° C) 阶段可以很容易地电气化 (目前主要使用燃气锅炉和板式换热器) 。技术例如热泵已经获得了市场份额。-钢铁- 所有工艺阶段的高温 （ 主要超过 1, 000 ° C ）(i.Procedres.、烧结、熔化和轧制) 。行业参与者广泛采用燃气炉。然而，电气化技术 (e 。Procedre， 电弧炉 ） 是可能的，包括涉及使用氢气的混合配置。巨大的资本支出，改造成本和高电价是行业内电气化的主要障碍。监管机构在提供激励和补贴方面的坚定政治承诺可以在短期内促进电气化。- 纸浆 ， 纸张和图形艺术- 温度主要低于 200 ° C 。工业由于所有工艺阶段的低温 ， 非常适合电气化 (即制浆、洗涤和漂白、压榨和干燥和压延 ） 以及市场上已经存在的技术。但是 ， 该行业的特点是广泛使用以天然气为燃料的热电联产 ， 主要行业参与者为此投入了大量资金。此外 ， 该行业正在研究使用黑液 （ 一种从纸张加工中获得的天然副产品 ） 来提供热电联产作为气体的替代品 ， 并采用补充策略来使热量消耗脱碳。从短期到中期来看 ， 电气化是可能的 ， 但存在相当大的障碍 （ 热电联产 ） 和威胁 （ 黑液的使用 ） 。总而言之 ， 公用事业应首先关注三个主要行业 ， 以推动工业热量消耗的脱碳 ： 食品 ， 饮料和烟草; 化工和石化; 以及纸浆 ， 纸张和图形艺术。 R E P O R T:D E C A R B O N I Z I N G I N D U S T R I A L H E AT T O FA C E C C L I M AT E C H A N G E8 2.D E C A RB O N I Z ATI O N S TR ATE G I E S公用事业的机会为了追求净零的情景 ， 一些脱碳策略和许多绿色技术正在开发中。最佳绿色技术可能因工艺温度、工厂规模和位置、原料可用性、技术就绪水平 (TRL) 和效率水平而异。此外对于这些技术参数 ， 市场参与者必须考虑监管和市场激励的影响。监管者可以在加速特定技术的成熟和经济竞争力方面发挥关键作用。表 1 提供了对市场上出现的主要脱碳技术的初步评估。它们的适用性衡量基于几个因素 ， 包括行业参考温度范围 ， TRL 和与替代脱碳技术相比的经济竞争力。如表 1 所示 ， 正在出现各种使工业热量脱碳的策略 ， 包括 ：-直接电气化。该部分包括几种技术 ， 并提供有效的脱碳替代品 ， 例如 ：-热泵- 具有高性能系数的成熟技术 (范围从 2 到 4)，非常适合低温过程。它主要在食品，饮料和烟草行业中发现，并且可能适