工业热泵 ： 未来发展的五大考虑因素

工业与电子实践 工业热泵：未来发展的五大考虑因素 工业热泵可以帮助工业部门和区域供暖脱碳。为了开发新的解决方案并提高使用率，热泵OEM和最终用户可以在关键领域开始对话。 本文是Harald Bauer，Johannes Ehrmaier，Luigi Gigliotti，Friederike Liebach，Thorsten Schleyer和Alessandro Simoncini的共同努力，代表了麦肯锡工业电气化平台的观点。 有能力开始对话和合作，以实现技术进步，扩大市场，并帮助世界脱碳。 工业热泵-功率尺寸超过200千瓦的热泵（kWth）-在能源转型中发挥关键作用。热泵使用电力而不是煤炭或天然气作为其燃料来源。因此，它们有潜力由完全可再生能源提供动力。热泵在技术上也非常有效。 当前和未来的市场动态 为了使工业部门达到脱碳目标，它需要解决与加热相关的燃料消耗和排放问题。工业部门占全球二氧化碳排放量的三分之一； 它们在低温和中等温度下的效率是传统的三到五倍锅炉，允许减少能源使用，成本和排放。1尽管这不是一项新技术，但工业热泵的技术优势开始得到更广泛的认可。最近的趋势，如推动热的脱碳和电气化、经济因素以及政府通过监管和激励措施的支持，意味着工业热泵市场将飙升，预计到2030年将以每年15%以上的速度增长。 在这些排放中，大约三分之二用于取暖。2因此，工业加热占全球二氧化碳排放总量的20％以上。这是因为工业过程加热仍主要基于化石，天然气，煤炭和燃油锅炉提供了超过85％的加热能源，而生物质则约为10％。3 尽管具有经济优势和减少排放的能力，但当今的热泵仍未得到充分代表，仅提供全球工业热量的5％。但是，它们具有巨大的工业潜力。工业热泵使用来自海水，污水等主要来源的电力和低温热量 早期进入市场是这场比赛成功的关键。然而，一些技术，如 高温工业热泵仍在成熟。随着工业部门和区域供热需求的增长，制造和安装这些热泵的原始设备制造商将需要开发新产品。 水和多余的热量，以有效地为建筑物和工业过程提供热能。他们可以提供三到五4与传统加热器相比，每单位电力消耗的热能多倍。工业热泵还可以在比住宅热泵更高的温度范围内提供热量-在某些情况下高达200 º C - 我们已经确定了在开发新的热泵产品时要考虑的工业热泵的五个未讨论的方面：不同最终用户的需求，热泵组件，制冷剂 以及超过10兆瓦的热容量(兆瓦th，大约等于1000倍 需求，加热和冷却的机会以及创建新解决方案的方法。通过了解和探索这些领域，热泵OEM及其客户将变得更好 和俄罗斯以及多个欧洲国家（奥地利、丹麦、芬兰、法国、德国、意大利、挪威、波兰、瑞典和乌克兰）。低成本的传统供热导致欧盟区域供热中化石燃料的份额高达65％，在德国和波兰等一些国家甚至更高，这些国家的化石燃料用于区域供热的份额超过80％。这种化石重质燃料的混合意味着热泵为区域供热提供了强大的减排潜力，并且最近宣布了许多在区域供热中使用工业热泵的脱碳项目。 在家庭中部署的热泵规模，假设10千瓦th平均）。由于其高效率，热泵可以比传统供暖更具成本效益，特别是在天然气价格高或波动的环境中。 随着世界脱碳，工业热泵可以应用于一系列用例。食品和饮料、纸浆和造纸以及化学工业由于其高能量需求而特别适合于热泵使用。这些行业的能源相关排放量也相对较高（根据麦肯锡的分析，约占全球能源相关工业二氧化碳排放量的15％），热泵可以帮助减少。热泵也可以在区域供热中发挥重要作用。该部门约占二氧化碳排放总量的1％，目前的燃料组合占90％以上的化石燃料。在中国，区域供暖是最重要的。 Thanks to their abatement potential and increasingly positiveeconomy, industrial heat pums are expected to experiencestrong economic growth this decade (Exhibit 1). Governentsare increasingly issuing regulations and support用于工业和地区的热脱碳 附件1 到2030年，全球热泵市场预计将以每年15%以上的速度增长。 全球工业热泵市场(硬件),$billion 麦肯锡公司 在2030年，总区域供热和20％的工业供热过程中，温度高达200 ° C（图表2）。这比2023年增加了超过十个百分点。 供暖。与此同时，公司正在承诺净零排放目标，并正在寻找使其能源使用脱碳的方法，特别是他们的供热。 因此，在全球范围内，工业热泵预计将提供超过10%的工业和区域供暖需求到2030年，温度低于200 ° C。在EU - 27加上英国，当今最大的热泵需求中心，热泵预计将占约15％ 到2030年，全球工业热泵投资预计将达到120亿美元，在全球能源视角2023年的当前轨迹情景中，5与2023年相比，增长了四倍，每年增长超过15%。这 麦肯锡公司 在实现承诺的情况下，可能达到210亿美元。6德国，法国，北欧，波兰和英国有望成为推动热泵在区域供热和工业中采用的首批动力。 1.工业和区域供暖没有一刀切的解决方案 当涉及到工业和区域供暖应用时，没有一个放之四海而皆准的解决方案。不同的应用在温度，容量，物理尺寸以及与现有设备的集成方面具有不同的规格。大型热泵通常对功率输出，利用率以及热源和散热器的温度水平有严格的要求。为了满足给定系统的要求,热泵可能需要定制或修改。 这些投资的轨迹是朝着更大的装置发展。今天，大多数投资 在工业热泵装置中，朝向小型和中型应用(高达5兆瓦th)和80 ° C至100 ° C的温度因为低温应用更多 行业。在工业中，给定应用的温度和容量要求决定了热泵是否合适（图表3）。小型本地啤酒厂通常需要50ºC至120ºC的温度，容量小于1兆瓦th，而化学过程可能需要超过150 ° C且远远超过5兆瓦的蒸汽th容量，这是现有热泵解决方案难以满足的要求。预计规格要求较低的应用能够使用“标准”热泵，其中可能包括更经济的系统和模块化。对热量要求更高的行业（例如化学品）可能需要更多的热泵研发才能适用。 likely to provide a positive business case. However, large -scale industrial heat pums (more than five MWth）温度高于100 ° C的区域供暖预计将在未来变得越来越重要。预计区域供暖仍将是工业热泵的重要组成部分，到2030年占市场的三分之一以上。 热泵生态系统的五个注意事项 区域供暖。区域供热（包括加压水系统）通常需要温度范围从60 º C到约135 º C，使其成为工业热泵的良好候选者。同时，区域供热需要符合现有基础设施。 工业热泵设置起飞。在工业热泵不是当今重要市场但却是过程脱碳的可行解决方案的领域，例如食品和饮料，纸浆和纸张以及区域供热，预计将有更强的采用。正在进行大量投资，以减少工业组织和区域供热网络的碳足迹，因为它们脱碳并减少对化石燃料的依赖。随着工业热泵的部署越来越广泛，热泵OEM和最终用户在工业热泵生态系统将需要对话和合作。 工业 区域供热应用中的热泵需要考虑诸如网络的大小和温度等因素。它们还需要平衡供热组合以控制能量波动，例如通过使用多个热源（例如，废热，废物焚烧和太阳能）。 下面，我们提供了五个重要的主题，这些主题目前尚未讨论，但随着工业热泵技术的成熟，它们将发挥重要作用：对工业和区域供热的不同要求，组件考虑因素，类型 在工业和区域供热应用中，最终用户主要关注优化可靠性 制冷剂，热泵的冷却机会，以及创建解决方案的协作结构。 附件3 工业热泵可以为各种行业及其应用提供热量。 麦肯锡公司 特别是对于工业最终用户来说，最重要的标准通常是最大限度地减少停机时间以保证连续的生产过程；第二个最重要的标准通常是优化热量成本。 District heating networks have historically been connected tocoal - and gas - powered energy plants. However, regionheating providers may have limited understanding ofalternative energy options, including heat pumps. On theother side, OEM that builingtheir field, but they may have limited knowledge aboutheat distribution and process integration for specific enduser applications. By building协作生态系统，热泵OEM，工业参与者和区域供热网络可以共享知识，并就在何处以及如何最好地部署大型热泵达成更复杂的理解。 For both industrial and local heating applications, tailoring thedesign and installation of large heat pump installationsrequires specified knowledge and expertise. This can be anadoperation barrier to heat pump OEMs, which have limitedknowledge of using cases, and end users, which have limited knowledgeof heat pump technology. For example, local heatingproviders usually have expertise with combined heat andpower plants because 工业热泵的操作，性能和灵活性，可以最大程度地减少操作和维护要求，从而减少操作费用。 2.高性能工业热泵不仅仅是压缩机 热泵的性能主要取决于其压缩机、热交换器（冷凝器和蒸发器）和控制软件，其中压缩机通常被认为是最关键的部件。 3.天然制冷剂和合成制冷剂之间的竞争仍在进行为了找到适合给定应用的最佳制冷剂，热泵OEM和最终用户必须讨论给定项目的需求。诸如所需的最终温度，法规和安全考虑因素都可以选择正确的制冷剂。 压缩机通过确定制冷剂的流量和压缩过程的效率而发挥关键作用。换句话说，它们定义了多少热能可以填充到制冷剂中，因此泵将能够改变温度到什么程度。由于其复杂性，压缩机通常占给定热泵总硬件资本支出的20％至35％，并具有重要的知识产权。 有两组制冷剂：氢氟碳化合物（HFCs）和氢氯氟烃（HCFCs），以及天然制冷剂。一些原始设备制造商只关注一组制冷剂，而另一些则在其产品组合中同时有两组制冷剂（有时出于历史原因）。 虽然HFCs和HCFC在过去已被广泛使用，但由于（潜在的）环境法规，例如F气体配额限制使用具有高全球变暖潜能值（GWPs）的氟化制冷剂。 尽管强调压缩机，但热泵的其他组件在确定效率方面起着至关重要的作用。热交换器作为一种技术已经确立，可以根据大热量的需求进行调整和定制最近，板壳式换热器已经引起了人们的注意，它结合了无垫片的板式换热器的效率和紧凑性。 控制软件也是工业应用的关键组件，在设计新产品时不应该被忽视。与家用或商用热泵不同，工业热泵对性能系数（COP）有严格的要求。这通常是24 / 7跟踪的，工业热泵的OEM可能因不符合COP要求而受到处罚。因此，系统控制解决方案和数字功能（包括远程监控以及预防性和预测性维护）至关重要。 However, natural refinacants come with t