废物不 ： 释放废热回收的潜力

可持续性废物不 ： 释放废热回收的潜力 废热回收可以帮助工业公司减少排放，但这一潜力尚未充分利用。现在是将废热转化为利润的好时机。 这篇文章由马辛·哈贾尔兹、斯特凡·赫尔姆克、弗里德里克·利巴赫、托尔斯滕·舍勒和肯·索默代表麦肯锡可持续发展实践的观点共同撰写。 在全球大多数国家致力于将全球变暖限制在1.5°C的情况下，许多公司已经设定了各自的去碳化目标，时间跨度从2025年到2030年。随着2023年逐渐接近尾声，我们只剩下六年的时间来实施许多去碳化措施。但工业公司往往对立即减少排放的最佳技术路径缺乏明确的认识。净现值（NPV）为正且易于实施的技术，如各种类型的能源效率措施，可以帮助公司实现其去碳化目标。 回收废热是有效减少排放的一个潜在途径。每年，全球消耗超过418艾焦耳（EJ）——或116,000太瓦时（TWh）——的最终能源，主要通过燃烧化石燃料和产生热量。部分产生的热量被用于有用的目的，如发电或驱动化学反应，但大部分未被利用。这部分未使用的“废热”以不同温度水平的废气或排放物的形式散发到周围环境中。回收这些废热可以大幅减少对初级燃料的使用，从而降低排放。 回收利用的废热也有助于使能源转型更加容易和经济。回收的热量可以用于工业过程加热、城市电网供热，或转换为电能（取决于当地能源需求模式以及燃料和电力的价格）。根据废热是用于供热还是发电，每年全球可节省的金额可达1400亿欧元——相当于欧盟所有进口天然气价值的总和（见图1）²。 麦肯锡公司 尽管余热在工业公司中已经被使用了数十年（例如通过蒸汽涡轮机发电或提供工艺加热），这一潜力仍然尚未充分利用。尽管余热回收具有诸多优势和可能性，目前仍有至少3,100太热瓦时（TWhth）的可行余热未被捕捉（如图表2所示）。 …按行业和地区划分的当前全球可回收余热潜力 ， TWh 在本文中 ， 我们探讨了如何设置跨行业获取废热回收的阶段 ， 以及工业公司可以做些什么来抓住这个机会。 技术进步和价格发展释放了废热的潜力 在过去十年中，天然气、电力和二氧化碳价格一直较低，这限制了废热回收的推动力。首先，废热回收的投资回报期较长，企业通常只考虑一年至两年内能收回投资的项目。其次，缺乏立即应对脱碳目标的压力，促使企业在节能方面优先考虑回报率更高的项目。例如，增加一条生产线并燃烧更多天然气运行，从财务角度来看比在现有线路上节省能源更具吸引力，尤其是在资本支出（CAPEX）受到限制的情况下。 历史上，行业专注于热cascade（回收热量）作为最便宜和最简单的热量输送方式（如图3所示）。热泵成本高昂且无法提供超过100°C的温度，而在能源价格较低的情况下，将低品位热量转换为电能也没有经济意义。但时至今日，情况发生了变化：这既源于技术进步，也得益于政策激励。 近年来的新发展可以利用高温热泵或化学技术提高废热温度并生成低压和中压蒸汽。热电技术也取得了进步，例如有机Rankine循环（ORC），它可以从较低温度的热源回收废热并更经济地将其转换为电能。废热回收成本的显著降低主要归功于设备的模块化和设计的标准化，在技术规模扩大时将进一步降低。³ 在建筑领域，更佳的隔热措施以及地板供暖或热泵（或两者结合）的应用导致了城市电网供暖温度的降低。第五代新型区域供暖系统在约40°C（相比之下，旧系统要求接近100°C的更高温度）的低温下运行良好。由于工业中在40°C及以上有大量可用热量，工业废热非常适合用作区域供暖的热源。 同时，能源价格大幅上涨。例如，在欧洲，2018年和2019年电力价格在每兆瓦时25至80欧元之间波动，但现在价格通常超过100至150欧元。同样，天然气价格自2018年以来翻了一番，目前在每热单位兆瓦时20至40欧元之间，而二氧化碳的价格则上升了五到十倍，达到约每吨100欧元（或每消耗一兆瓦时天然气20欧元）。现在，经济上对热泵更为有利，因为热泵（由电驱动）在热量昂贵时表现最佳。⑥ 回收废热的三种关键方法。 废热回收为行业提供了有吸引力的储蓄机会 热量已成为世界许多地区的昂贵资源——至少在短期内看来，似乎不太可能再次变得便宜。技术与价格的发展使得废热回收成为类似炼油厂和水泥制造商这类工业公司获得竞争优势的机会。 例如，炼油厂可以利用来自各种装置（如减压汽油油加氢处理装置或柴油加氢处理装置）蒸馏塔顶冷凝器的余热。这些来源的温度范围通常在120°C至250°C之间，典型的炼油厂热负荷为5到25 MWth。如果将这部分热量用于生产中压蒸汽（5 barg），那么一台平均10 MW热负荷的设备每小时可以产生约7到8吨蒸汽——每年的价值在80万欧元到350万欧元之间（见图4）。 在需求低或中压蒸汽有限的行业中，可能没有充分利用废热能进行加热，相反，这些行业如水泥业仍可能需要电力，从而可以回收热量以节约电能。例如，在水泥生产中，预热塔和熟料冷却器通常可分别回收约每吨120千卡（kWhth/t）和100千卡的废热能量。对于一个每年产能为一百万吨（MTPA）的ORC系统，如果按照10%的效率回收这些能量，每年将节省约2.2亿千瓦时的电能，其价值大约在70万欧元至310万欧元之间。 麦肯锡公司 废热回收选项始终产生正净现值 ， 无论哪个行业 废热回收不仅限于水泥或 refining 行业——几乎任何行业都能找到可以回收的热量。 Exhibit 5 显示了一条典型的工业减排曲线，并列出了减排选项。 曲线左侧的NPV正值选项通常占总减排潜力的10%到30%，这些选项几乎全部来自于能效提升举措（通常涉及各种热回收方案）。这些选项所需的投入较少，且能够快速实施（尽管其回报周期可能仍然过长，不被行业接受）。它们可以被划分为三个类别： 增量改进例如添加热交换器或安装和优化推进过程控制。 新技术,包括热泵、机械蒸汽压缩、Q- pinch、热能存储、直接电气化以及废热发电。 流程重新设计,例如，设置点改变、增加再沸器、干燥器重新设计、采用新反应器设计回收废热而非冷却，以及用电气驱动替代冷凝涡轮机。 Exhibit 5 一个站点的二氧化碳减排成本曲线 ， 每 tCO 2 e €（ 说明性) 麦肯锡公司 三种方法来捕捉未开发的潜力 为了充分挖掘废热回收的潜力，工业公司可以将视野扩展到单个工厂之外，涵盖整个厂区，跨越不同的业务单元和公司边界。这要求超越常规的杠杆作用，如增设换热器，深入过程，颠覆所有既定观念。工业公司可以通过以下三种行动来捕捉废热回收的潜力。 1. 制定并实施全面的余热回收计划，包括定期监测和评估计划的有效性。该计划还可以包括持续的员工培训和教育，以确保他们了解余热回收的益处及如何有效实施。 2. 评估先进的热回收技术并探索工厂和站点层面的热能整合机会。与行业专家、公用事业公司和技术提供商合作，有助于确保企业采用最先进的高效余热回收技术和策略。 3. 探索新的商业模式；例如，能源即服务（Energy-as-a-Service）模式，客户可以根据使用能源服务（如余热回收）的情况支付费用，而无需进行前期资本投入。相反，能源服务公司提供设备和服务的使用权，以约定的费用或通过节能分成协议为交换。 随着世界努力实现净零排放，公司制定了减排目标并实施了如废热回收等技术，以减少排放、支持能源转型并获得经济回报。 随着不断上涨的能源价格强化了废热回收的需求，并且技术进步提供了可能性，工业公司现在正是抓住废热回收潜力、保持竞争力的时机。 马辛·哈贾尔兹是麦肯锡华沙办公室的知识专家，斯坦因·海姆克是维也纳办公室的高级合伙人，弗里德丽克·莱巴赫是法兰克福办公室的资深合伙人，托尔斯滕·舍勒是慕尼黑办公室的合伙人，肯·索mers是布鲁塞尔办公室的合伙人。 作者谨感谢Arthur Kaspar、Ruslan Khaziev、Anna Kluba、Carina Merz、Krzysztof Pajączek、Amir Shamsubarov、Jakob Stöber以及Kai Vollhardt为本文所做出的贡献。