家庭供暖的未来-热泵和氢气的作用报告
家用暖气的未来 热泵和氢气的作用 能源期货实验室简报 AmyTraskRichardHanna博士AidanRhodes博士 2022年1月 审稿人: 罗布·格罗斯英国能源研究中心RichardLowes监管援助项目尼克松阳光伦敦帝国理工学院 Acknowledgments 这份能源未来实验室简报由伦敦帝国学院的独立研究人员通过帝国咨询公司准备。该简报的撰写得到了英国全国范围内独立慈善机构MCS慈善基金会的支持，其使命在于加速可再生能源和低碳技术的广泛应用。该基金会监督着微生化认证计划（MCS），该计划定义、维护并提升建筑物规模下可再生能源的质量标准。https://www.mcscharitablefoundation.org/ 能源期货实验室是伦敦帝国理工学院的七个全球研究所之一。该研究所 该机构旨在通过高质量的研究、证据和倡导积极变革来应对全球能源挑战，识别并引领新的机遇，为行业、政府以及更广泛的全社会服务。该研究所旨在促进能源创新，推动可持续能源未来的系统性解决方案，通过汇集帝国理工学院的科学、工程和政策专长，并与各种外部合作伙伴合作。能源未来实验室简报文件是一系列定期报告，旨在针对所有利益相关者。 在能源领域。他们汇集了帝国理工学院各方面的专业知识，为广泛能源议题提供清晰见解。更多信息，请访问： 目录 首字母缩略词列表 到2030年，热泵与燃气锅炉的性能差距将缩小至接近等同（BEIS,2021f）。这将需要一种协调的方法来推动技术创新和消费者参与，并制定政策以扩大英国的热泵供应链（参见下文“政策与法规”部分）。 执行摘要 在这份简报中，我们对家庭供暖的未来前景进行了分析，重点是热泵和氢能供暖。报告基于对英国供热领域脱碳这一主题的广泛文献研究，并将讨论这两种技术的各种优势、挑战和技术细节。收集和讨论的证据最终形成了一套建议，优先关注未来十年内需要解决的关键领域。 氢气 用氢气重新利用天然气网意味着在使用时不会排放二氧化碳（与热泵一样）。然而，氢燃烧会产生氮氧化物（NOx）空气污染物——这需要通过排放控制进行仔细的监管。氢电器的标准。氢主要来自化石燃料在能源密集型生产过程中。 热泵 热泵是一种已成熟的技术，通过电力运行以从外部来源（如空气、地面、水）转移热量，为建筑提供温暖和热水。尽管其效率高，且当由可再生能源供电时碳足迹低，但到目前为止在英国的推广有限，仅占安装热量容量的不到1%（BSRIA,2017）。当前有必要采取行动发展市场并降低低碳供暖成本（BEIS,2021f,p.11）。政府已设定目标，计划到2028年每年安装60万套热泵（HMGovernment2020），气候变化委员会估计这将几乎达到所需规模。 这意味着氢网格 净零目标下的可行策略，其生产需求需低碳。英国对此采取了“双轨”策略，专注于蒸汽甲烷重整结合碳捕捉（蓝色氢）或可再生能源驱动的电解（绿色氢）（BEIS,2021f,p.68）。氢气与天然气之间的差异意味着要安全地将氢气输送到家庭中，部分燃气管道可能需要进行改造。虽然铁质管道已通过铁管道更换计划进行了大量替换，但仍有钢制管路需要替换，如果传输管道重新用途。对于房屋内的氢气加热使用，对消费者来说可能会更为熟悉，类似于天然气加热的体验。 到2050年可能需要安装1900万个热泵才能实现净零（CCC，2019c，p.84）。满足这一需求应该是可行的， 系统。然而，在这可行之前，还有几个障碍需要克服。 通过可转移技能和互补技术（如锅炉和空调）的学习，制造基础得以增加。然而，消费者对热泵的意识较低，这限制了其市场潜力。 通过氢电网进行供热改造区域内的房产可能会面临一定程度的干扰，这包括家庭调查、现有天然气管道所需的任何更新，以及安装或适配适用于氢燃料的设备。 当前，安装成本相对较高。英国政府的《热能与建筑策略》通过与产业合作设定了目标，计划到2025年将热泵的安装成本降低至少25%至50%，并降低购买价格和运行成本。 实施的障碍 政策和法规 无论未来家庭环境中哪种取暖技术占主导地位，每种选项都面临一些共同的采纳障碍。鉴于英国拥有建筑热能效率最低之一的情况， 锅炉升级计划，为期三年， 政府宣布的4.5亿英镑计划将支持约9万个热泵的安装，这是最近一次政府推出的旨在增加英国（BEIS,2021f）热泵部署的补助机制。然而，鉴于先前计划实施的有限成功，这一举措可能不足以刺激市场增长至所需水平，尤其是在可承受性被视为热泵采用的主要障碍的情况下。政府的支持可以促进技术创新、成本降低和本地就业机会的增加，从而扩大英国的热泵市场和国内供应链。这可能包括建立一个国家的，专门的测试中心 欧洲股票(ACE，2015)，达到净零所需的苛刻时间尺度，以及 较低的公众对替代加热技术的认识（BEIS,2021f），提升能源效率，招聘员工并提升现有劳动力技能，以及提高公众意识，是向前推进所必需的措施。 针对地热泵而言，未来十年内，安装过程是面临的一些最紧迫障碍。例如，高昂的初期成本意味着它们的价格是燃气锅炉的数倍之多， 政府最近公布了关于提议的“基于市场的机制”的咨询方案，该方案旨在促进地热泵的开发与性能监测，并为互补制造商提供激励，促使他们从已确立的化石燃料供暖技术转向使用地热泵。 缺乏合格的安装人员，他们可能需要超大或 更厚的散热器 与其一同安装，并且通常需要比现代燃气组合锅炉更多的空间。此外，如果英国大部分家庭都安装了热泵，电力电网将需要加强以管理总电需求和峰值电需求；智能、灵活地操作热泵可以帮助平滑需求高峰并减少部分物理加强的需求。 "低碳加热机制"，这可能要求化石燃料锅炉制造商逐步增加其热泵销售相对于燃气和油锅炉销售的比例。 氢加热场景将面临一系列特定问题，因为目前低碳氢的来源非常有限。尽管已规划到2030年实现5吉瓦的低碳氢产能（英国政府，2020年）， 创建一个热泵委员会，将国家和地方政府、监管机构、行业以及民间社会汇集在一起，通过消费者参与和通过推荐的国家级热泵测试中心确保质量保证，以采取协调方法发展热泵市场，显得尤为重要。随着未来十年预期中大量热泵安装量的增加，需要实施需求管理政策来限制对高峰电力需求的影响并保持电网平衡。 这注定会成为行业趋势，因为更难去碳化的行业领域将优先考虑。此外，氢气使用还存在若干安全问题，这些问题需要解决，以便其大规模应用得以实现。在高需求期应对的存储设施也必须建立起来。特别是绿色氢气当前在成本竞争力方面并不具备优势，且有限的碳捕获部署意味着蓝氢在商业层面尚不可行。 在未来十年里，有多个政府规划的举措旨在支持低碳氢经济，并努力克服与其相关的障碍。 •通过政策支持和针对英国本土制造商的激励措施，支持英国热泵制造的发展。补充技术(如燃气锅炉、空调)将生产转向热泵或使生产多样化；•建议长期赠款（至少10年），以增加热泵行业的收入确定性；•为国内可再生能源和能源效率措施引入绿色融资计划和产品；•建立一个由国家和地方政府、监管机构、行业以及民间社会成员组成的热泵委员会，以协助协调消费者参与热泵部署工作。•投资于国家研究，测试以及热泵培训设施，以进一步监测和开发技术；•提出利用混合热泵技术以利用分时电价差异，并通过“供热即服务”商业模式参与用户活动；•在难以电气化的行业如工业和航运中战略使用低碳氢被推荐；•低碳氢应被明确界定，并需制定标准以确保市场能为建筑供暖脱碳化的发展。(政府最近完成了一项咨询，旨在建立一个低碳氢标准)；•支持在英国开发电解槽，以提高绿色氢的成本效益；•专注于当前可用解决方案的部署，如能效提升、通过热泵实现电气化等。热网络。 部署。2.4亿英镑的净零氢基金已被设立为共同投资 进入氢经济体系并构建一种氢业务模式，旨在提升低碳氢的性价比。这种氢将在不久后由标准定义，以监测其全生命周期排放。预计未来几年将开始进行社区规模的氢试用，这能为气体的使用提供安全案例。同时，有关是否在当前燃气网络中混合一定比例的氢以降低排放、并可能提供向完全氢气燃气网络过渡的平滑途径的决定，预计在2023年由政府做出（HM政府，2020；BEIS，2021f）。政府计划于2026年基于地方试验和研发证据，对氢在建筑物供暖领域的角色作出战略性决策（BEIS，2021f）。 考虑氢能在难以电气化的领域（如工业和航运）中的应用以及是否应优先考虑其使用至关重要。针对氢在建筑热能脱碳方面的潜在应用，我们发现氢气在工业集群中战略部署或作为混合热泵系统中的（氢气锅炉）组件将最为合适。将氢设施战略性地部署在已有需求的工业集群附近，有助于推动低碳氢的发展。通过这种方式，在靠近集群的地区，如果氢试验证明它是一个可行且安全的选择，居民可以从中转离天然气供暖转向氢气供暖。 我们对家庭供暖的未来建议如下 •能源税应该从电力转移到碳密集型燃料； 1.Introduction 为了减轻气候变化的危险影响并确保全球气温上升不超过1.5°C，对英国经济和基础设施去碳化进行深远、雄心勃勃的努力至关重要。 尽管可再生能源技术正在迅速发展且价格下降，为电力行业脱碳提供了成本效益的方式，但负责产生约23%英国排放的供暖领域预计会更难以脱碳。英国商务、能源和产业战略部（BEIS,2018）。英国的供暖需求不仅占住宅和商业物业最终需求的60-80%（Staffell等人，2019），而且每日和季节性波动显著，晚上需求明显高于中午需求，冬季需求更是夏季需求的好几倍。这需要一个灵活的解决方案，到目前为止，化石燃料一直是满足这一需求的方式，而英国主要通过天然气供应。此外，家庭供暖大多分散，几乎所有的热能都在分散式生成中产生。 有几种技术可以在脱碳中发挥重要作用 国内供热，包括热网络、生物气、热泵和氢能源。本简报探讨了英国减少家庭供暖碳排放的挑战，重点关注近期引起大量讨论的两种领先技术——热泵和氢能供暖。在这一过程中，我们认识到降低能源需求的重要性。 而热网络的部署也预计将在向低碳供热的过渡中发挥重要作用（CCC,2020）。然而，这些选项并非本报告研究范围内的内容，除非与热泵或氢气供暖的部署相关。 热泵通过电驱动，并通过传热介质将热量从房产外部转移到内部。这种布置方式比直接将电能转换为电暖器或加热器产生的热量更为高效，因为每消耗1单位的电力通常可以将3-5单位的热量带入到房产中。它们可以 所有英国境内的案例均在使用点。英国对于燃气集中供暖的依赖程度高于许多其他欧洲国家（见图1）——自20世纪70年代中期以来，大多数英国家庭通过单独的天然气锅炉产生热能，并供给热水输送系统。这种技术具有广泛理解、快速供热、高效（现代凝汽式锅炉）、灵活性高和历史上得益于较低的天然气价格（直到近期能源价格飙升）的优点（FernándezAlvarez和Molnar,2021）。然而，天然气难以实现脱碳化，而英国的净零承诺将要求从天然气锅炉转向低碳供暖系统。英国国内供暖的其他方法包括地源热泵、电电阻加热器和储热器，局部热网有限部署以及离电网油加热。目前，英国大约有不到50万套住宅采用低碳供暖方式，不包括木炉或开放式火炉（绿色联盟,2020）。 由低碳电力驱动，大幅降低天然气供暖的碳强度。热泵在英国已实现商业化，但采用率依然非常有限，截至2020年安装的数量约为26.5万台（欧洲热泵协会，2021c）。 英国的氢加热系统可以大量利用现有的天然气网络，将氢气输送到连接该网络的家庭住宅。为了输送氢气，电网需要升级，包括替换钢制分配管道为塑料管道。此外，还会有额外的挑战和干扰，因为每一栋房产都需要在实施前进行详细勘查。 要进行转换，必要时升级现有管道，并安装新设备 （或现有家电改造用于氢能源）（弗拉泽-纳什，2018）。一旦安装，氢燃料锅炉将加热热水，并以与燃气锅炉类似的方式将其传输至散热器。这被认为需要对消费者行为进行微小的改变，并可能。家庭用户将其视为与燃气锅炉相比更为等效的技术（Williams等人，2018年）。氢可以通过电解产生，当与低碳发电配对时，这被称
