零净电热 ： 可行性的转折点

可持续性实践 零净电热：可行性的转折点 工业热生产的电气化越来越接近，为全球能源转型提供了新的可能性。 由JorisvanNiel和KenSomers与ChiaraMagni和MarcinHajäasz 2024年7月 电气化热生产不仅对地球有利；它在技术上也是可行的，并且成本竞争力日益提高。然而，对工业热“难以通电”的持久看法阻碍了热脱碳的进展。 方法可能是解锁这个机会的关键。 在本文中，我们解决了电气化的障碍，并强调了公司如何抓住具有成本效益，可持续和弹性的供热系统的增长潜力。 电气化可以成为一种可行的选择，可以使食品和饮料，制造和化学品等多个行业的大多数低温和中温热需求脱碳。随着范式转变的新设计和概念在各个行业中应用，高温热电气化也在进行中。 工业供热：约占全球能源需求的五分之一，被认为很难电气化 随着电气化经济可行性的提高，工业公司有机会脱碳和获取价值-可能在一年内获得回报-如果将电气化与可再生能源结合起来，则可以提高弹性。集成 热量（包括工业和建筑热量）约占全球能源需求的一半。工业热量占全球能源需求的五分之一，占能源相关碳排放的很大比例（图表1）。 虽然电气化提供了一条清晰的脱碳途径，并且在几乎所有热量下都是可行的 附件1 全球最终能源消耗，1% 麦肯锡公司 类别，由于长期以来对技术和经济可行性的担忧，公司过渡缓慢。1缺乏商业上可获得的低碳工业加热技术的知识，例如 但是，为了抓住清洁，间歇性电力的机会，工业公司需要了解价格预测：预测趋势是什么以及工业如何适应以受益？就目前而言，并非所有公司都有能力开发可靠的，每小时的成本预测模型以进行长期模拟。即使具有最新的定价知识，他们也可能不熟悉多种价格竞标或对此类合同的访问有限。改进。工业的预测能力可能是实现电气化的关键杠杆。 Thermal storage and heat pums, has caused hilitation, whichis amplified by the complexity and differences of industrialprocesses. A better grag of commercial availabletechnologies could help industrial companies make progresson电气化。 此外，当前的电网成本方法-在需要时供应完全满足需求并且能源输送成本很高-与RES的可变供应不一致。3WhenelectricityfromRESisinexpense,usersstillpayforcostlyenergydelivery.Anewgridmechanismthatcanadapttoanelectricityexpensusisneededtoset传输价格。这样的机制可以更精细，例如，通过拥塞区域引入动态竞价分割。 公司也可能缺乏对电气化经济变化的理解。从历史上看，化石燃料一直是最便宜的能源热量产生的来源。这种热量反过来被用来发电（例如，在燃煤电厂中），并且由于转换效率而损失了一部分。这意味着由热量产生的电力总是比热量本身更昂贵。 电气化也可能受到缺乏运营激励的限制。“如果不破坏，就不要修复它”的原则在工程师中根深蒂固，如果没有强有力的激励，公司可能会 此外，在一些市场，如欧洲，热成本正在攀升，因为工业必须支付二氧化碳排放。2随着可再生能源（RES）的扩散，工业有机会将电价与化石燃料价格脱钩，从而实现更高的成本效率。 我们的分析 我们评估了八个行业（金属和采矿，水泥，化工，化肥，纸浆和造纸，建筑材料，食品，机械和设备）以及13种通用工业设备（如锅炉，窑炉和干燥机）的60种工业流程。 每个评估都包括广泛的过程概述，重点是热量需求。使用当今市场上可用或处于高级开发阶段的解决方案，对每个热需求源进行了潜在电气化评估。对于低于600 ° C的温度，今天可以使用成熟的设备进行电气化。对于更高的温度，电气化潜力接近100％，但技术需要更成熟。 不愿改变多年来被证明是可靠的既定流程。 许多低温和中温热过程（高达600 ° C），但高温和极高温热需求（600 ° C以上）的技术仍需成熟。这特别是指从电加热元件到产品的热传递,因为高温加热装置在今天已经成熟和可用。 对技术可行性的担忧不再成立 然而，与许多公司认为的相反，我们的分析表明，电气化技术可以满足大多数低温和中温热需求。4热过程的重新设计 化石燃料通常会带来额外的好处，例如从长远来看，某些行业的运营费用会减少。 —低温和中温供热部门，including food and beverage,manufacturing, and chemicals, can decarbonize usingexisting electination technologies (Exhibit 2). Manyindustrial processes such as pasteurization, urdering,drying, or heating requires tempermature below b 我们的分析表明，电气化在某些条件下是一种可行且可行的选择，但有一些小的例外（请参阅侧栏“我们的分析”）。电气化可以 按温度范围划分的电气化潜力和成熟度水平 麦肯锡公司 使用电动解决方案，如热空气加热器，过热蒸汽干燥和电蒸汽锅炉。5 然而，电气化不是“一刀切” 所有“脱碳杠杆”。涉及各种技术（如生物燃料，地热和核能）的定制解决方案可能更适合于不同背景的流程和部门。对于乙烯生产等行业，正在构思和测试电裂解器，其中一些-包括新的旋转设备-显示出提高的产量，减小的尺寸和强大的经济激励措施。7在需要高能量密度的高温过程中，电气化可以与燃料（例如氢气）结合使用。此外，电力可以用于预热空气并有效减少燃料需求。 —高温热部门有成熟度不同的解决方案。在小规模下，工业经常使用现有的电气化技术，一些国家的工业由于昂贵且有限的液体燃料而早期采用电气化技术，并且专注于小规模创业。在玻璃和玻璃棉工艺中，电气化相对先进，但 许多行业需要进一步发展。此外，基于辐射的加热通常用于高温加热-提高了重新思考旧炉子设计的重要性，而不是用电气元件复制设计。 经济可行性正在改善，净现值阳性案例提供了新的机会 —非常高温的热部门， The economics of decarbonizing heat via electination areincreasingly viable. First, electinfication can bring additionalbenefits such as efficiency gains in the case of heat pums甚至更好的产品产量(例如，在电气化乙烯生产中)。8 Like cement production (which requirestemperatures up to 1, 500 ° C), are available but at anearly stage of maturity. New designs, such as Leilac,are well - suitable to high - temperature heatprocesses as they split calculation and clinkerization,with 其次，电力通常已经比天然气便宜。一方面，RES的现场成本正在下降，另一方面，电网在供过于求的时刻，电价正在变得更低。9通常，这两种电力来源（现场RES和电网）可以结合在一起，从而降低了能源成本。第三，二氧化碳的价格实际上使化石燃料更加昂贵。 煅烧设计用于燃料套利和纯CO2生产。6根据我们的分析，改造预计将具有与胺基碳捕获类似的资本支出，部分电气化也可能。在氧化铝生产过程中（需要温度高达1,000°C），电气化煅烧炉可以 Enable steam recovery, which is not achieved in thecurrent possible fuel - based design. That steam can beused elsewhere in the plant — for example, in thebauxite digration process — and effectively reduce theoverall plant energy demand. 所有这些要素共同为在工业环境中考虑热电气化提供了很好的理由。但是，无论这些总体趋势如何，公司可能仍需要确定最佳 从脱碳热量中获取价值的方法。由于几个原因，电力与热能储存相结合预计将具有很高的潜力。1首先，可以快速安装电加热，并与现有加热并行；例如，使用蒸汽，电阻液体加热和热空气进行干燥。此外，热存储可以与电网存储和低成本的仪表生成相结合。 也是“低排放小时数” (参见侧栏“发电规模过大的优势”)。 虽然2022年的大幅价格波动不再存在，但当我们看看德国和西班牙，并考虑天然气和电力之间的价差时，很明显价格波动仍然存在（图表4）。在这两个例子中，2023年电力比天然气便宜的时间份额约为15%至25%。随着系统中添加额外的RES，未来价格波动可能会增加。 可再生能源发电成本的降低支持了电力与储热相结合的经济潜力。随着电网上更多的可再生能源容量的增加，价格通常会变得更加不稳定。这可以创造套利机会来缓解电网瓶颈并稳定价格。 在适当的条件下，电气化可以在一年内收回 电气化的另一个经济优势是电力成本变得低于天然气和二氧化碳的成本（图表3）。价格下降通常与RES供过于求-这意味着电力可用性的“廉价时间” 电气化提供了快速的投资回报时间。我们的分析对2021年、2022年和2023年德国和西班牙的每小时系统运营进行了建模，以说明具有历史（2021）极端（2022）和当前（2023）背景的示例 电价低于天然气和COy的工时份额，% 麦肯锡公司 附件4 麦肯锡公司 我们的分析还考虑了热系统在波动期间存储多余能量的作用。在建模的情况下，我们观察到的投资回收期仅超过一年半，甚至超过四年半。更重要的是，超过一半的能量是通过过量的“清洁”电力有效地提供的。 volatility (Exhibit 5). The model applies a hybrid systemwith a parallel electrical boiler — a solution that can beapplied most easily across industries. This systemdemonstrated a payback turnaround time of around eightmonths to five - and - a - 半年，基于低资本支出(每兆瓦热[MWth] 125, 000欧元)。 发电规模过大的优势 热的电气化,特别是利用热能储存,可以在设计整个工厂能量获取时提供额外的自由度。例如，许多公司安装太阳能光伏（PV）系统来提供部分电力需求。通常，太阳能电池板的尺寸受高峰生产时间的需求限制，该时间是一天的中间。在早上和晚上，太阳能电池板仅提供少量的能源供应。当工厂决定对热量通电时，就会释放对最大容量的限制，并且可能会使其RES产生过大。 高峰时段额外产生的能量可用于产生热量或储存在储热装置中供以后使用。超大的太阳能电池板可在早晚时段提供更大份额的电力，从而节省更多的能源费用。 Exhibit 5 1.5 MW燃气锅炉更换业务案例 麦肯锡公司 公司可以通过集成方法抓住电气化机会 电子。但是，分析认为，鉴于锅炉的尺寸较小（假设容量已经预订并支付），最终用户将只支付额外的可变电费，而不必支付电网费。 公司可以通过考虑四项行动来积极克服电气化的挑战。