德国与欧洲高温热泵发展经验——潜力、应用场景及政策支持

中德能源与能效合作伙伴 出版说明 《德国与欧洲高温热泵发展经验——潜力、应用场景及政策支持》介绍了高温热泵在碳中和背景下的节能减排潜力及推广其应用的政策支持，同时分享了德国与欧洲在推广使用高温热泵时的经验及目前成功应用高温热泵的最佳实践。报告在中德能源与能效合作伙伴项目框架下发布。项目受德国联邦经济和气候保护部（BMWK）委托和资助，中国国家发展和改革委员会、国家能源局作为中方政府合作伙伴提供支持和指导。项目旨在围绕能效提升和发展可再生能源，通过深入交流可持续能源系统发展相关的政策、最佳实践和技术知识，推动高级别政府对话，企业与政府交流以及技术和政策法规层面交流，从而促进和推动两国能源转型，助力实现气候目标。受德国联邦经济和气候保护部委托，德国国际合作机构（GIZ）负责实施中德能源与能效合作伙伴项目。作为一家德国联邦企业，德国国际合作机构为德国政府实现可持续发展国际合作目标提供相应支持。 作者：Albicker德国能源署（dena）Philipp Geres德国国际合作机构（GIZ） 发行方： 中德能源与能效合作伙伴受德国联邦经济和气候保护部（BMWK）委托北京市朝阳区亮马河南路14号塔园外交办公楼1-15邮编：100600c/o德国国际合作机构（GIZ）Torsten FritscheKöthener Str. 2柏林10963 版面设计：edelman.ergo 图片：BMWK/封面 项目负责人： 排版：赵娅男 尹玉霞、Philipp Geres、原祯德国国际合作机构（GIZ） ©2023年1月，北京 本报告全文受版权保护。截至本研究报告发布前，德国国际合作机构和相关作者对出版物中所涉及的数据和信息进行了仔细研究与核对，但不对其中所涉及内容及评论的正确性和完整性做任何形式的保证。本出版物中涉及到的外部网站发行方将对其网站相关内容负责，德国国际合作机构不对其内容承担任何责任。本文件中的观点陈述不代表委托方的意见。 目录 1.执行摘要.......................................................................................................................................42.气候目标及高温热泵的重要意义................................................................................................53.热泵在工业部门的减排潜力........................................................................................................74.热泵技术在工业流程中的整合..................................................................................................105.工业热泵市场发展趋势和最佳实践..........................................................................................116.德国推动高温热泵发展的激励措施..........................................................................................167.高温热泵面临的障碍与解决方案..............................................................................................188.结论.............................................................................................................................................20资料来源................................................................................................................................................21 1.执行摘要 为了实现气候中和，工业部门必须通过电气化或氢气技术取代目前基于化石燃料的技术。在许多应用场景中，热泵已经是替代化石燃料提供低温热量的最优解决方案。热泵系统可以从环境或余热中提取能量，用一个单位的电力产生多个单位的热量。因此，热泵的一次能源消耗远低于其他供热方式。即使目前很多国家电力系统中化石能源占比仍较高，部署热泵也能有效减少碳排放，推广热泵技术的重要性是毋庸置疑。 而在众多行业中，需大量使用低温热量的行业特别适合部署高温热泵，如食品加工、纸浆和造纸、化学品和炼油等行业。目前，供应100°C中高温热量的热泵技术已经比较成熟，而温度高达150°的热泵系统正进行试点。随着技术的进一步发展，更高的温度水平将在不久成为成熟可行的技术。 然而目前高温热泵的进一步推广仍面临一些挑战： -在已运行的工厂中安装热泵系统可能需要对工艺流程进行全面优化，因为热泵系统通常不能直接替换旧的供热方案。-在许多国家，使用电力比直接使用化石燃料（煤碳或天然气）要贵几倍。因此即使能效高，热泵也不一定拥有成本优势，特别是考虑到热泵前期投资资本也较高。-热泵在住宅领域正迅速成为许多地方主流的供热解决方案，但在工业部门，热泵仍然是一个相对“小众”的解决方案，市场份额较低。因此规模经济有限，企业和设备供应商对热泵的了解也不够充分。 因此，政府应该为高温热泵的推广和扩大规模提供政策支持。措施可以包括支持研发，补贴安装和运营费用，特别是对试点应用的补贴。与此同时，还应加强能力建设并加大宣传活动；此外还可通过制定法规，如强制淘汰化石燃料在一些场景的应用，以推动热泵技术应用。然而，就算有了广泛的应用，但直接促使企业选择热泵技术的决定性因素仍是其是否具有经济性。这方面最重要的因素是化石燃料价格和电价的不同。因此，为支持热泵技术的推广，监管机构应对化石燃料实行碳定价或其他征税，并确保可再生电价具有竞争力。 2.气候目标及高温热泵的重要意义 目前，欧盟和德国都制定了雄心勃勃的气候目标，并通过立法等手段明确将尽快实现减排目标。欧盟“绿色协议”的目标是与1990年相比，到2030年净排放量减少55%，并在2045年实现整体气候中和，而德国的《气候保护法》则规定到2030年将总排放量减少65%，并在2045年实现气候中和。此外，德国《气候保护法》为不同的领域设立了不同的气候目标，包括到2030年减少三分之一的工业直接排放，而截至2019年，工业直接排放在过去20年中基本持平。工业直接排放约占欧洲和德国温室气体排放总量的20%，欧洲2017年工业直接排放为8.77亿吨二氧化碳当量1，德国2021年工业直接排放则为1.81亿吨2，其中不包括范围2的间接排放，如电网电力排放等，工业直接排放中的三分之二是与能源有关的3。工业领域三分之二的能源需求来自工业生产中的高温加热。因此，供热零碳转型对于实现欧洲和德国气候目标至关重要。 表1:德国工业部门的温室气体排放及目标 因此，工业企业必须使用更多的可再生能源，特别是以氢和电力替代化石能源，并大幅提高能源效率，以降低终端能源需求4，为此应尽量减少一次能源需求。对于高温工艺应优先考虑直接电气化（电转热技术）5，而对于较低温度的工艺，则应完全电气化，并尽可能使用热泵。 在大多数国家，电网电力中来自可再生及其他低碳能源的比例将越来越高，因此以电力驱动的热泵是实现从化石燃料转向零碳能源的重要技术。而就工业余热来说，热泵也是合适的技术手段之一，它可以加强余热回收与利用以提高效率6。在许多工艺中余热温度水 平较低，无法直接在工艺中循环使用，其中的能量也相应的被废弃。而热泵可以提升余热的温度，使其达到工艺流程中所需要的温度水平，通过余热利用将大大节省一次能源消耗和二氧化碳排放。 在工业部门，约10%的工业用热（在欧洲约为200 TWh/年）是100℃以下的低品位热，另外26%（500 TWh/年）则在100至200℃之间。目前在100℃以下的范围内，热泵已广泛应用于不同行业；150℃高温热泵目前仍处于试点应用阶段；200℃的热泵正在实验室测试中。在未来几年，随着新技术和应用的发展，热泵供应热能的范围将扩大7。 近年来住宅热泵有了爆炸性的增长8，根据多项预测它将在未来成为大多数住宅的默认供热解决方案，但高温热泵的发展仍然远远落后于其节能减排的潜力。而为了充分利用这一潜力则需要合适的市场和框架条件。 3.热泵在工业部门的减排潜力 电气化将在替代工业部门使用化石燃料发挥关键作用。据估计，工业部门中高达60%的能源需求（包括99%的供热和制冷需求）可被电气化9。热泵可以在供应低品位工艺热的脱碳中发挥重要作用。一项自下而上的研究基于工艺热需求和热源可用性对高温热泵的应用潜力进行了估计：仅在四个热泵应用最多的工业部门（造纸、化工、食品、炼油）热泵就可提供178 TWh/年的工业用热10。 高温热泵的工作方式是在工厂内通过提高温度对余热进行“升级改造”，以便在生产过程中加以利用，或者通过利用外部可再生热源（通常是空气、水和地热）来提供工艺用热。热泵还可以将（低温）余热用于工厂以外的用途，例如集中供热。 因此，除了合适的散热器温度（在所采用的热泵供热范围内）外，合适的热源（如余热）的可用性对高温热泵的可行性至关重要。 与其他脱碳方案相比，热泵在适当的情况下能够大幅减少一次能源需求以提供工艺用热。 高温热泵的发展也会带来其他益处。安装高温热泵可以带动智能解决方案的实施，进一步提高能源效率，成为创新的驱动力。热泵可以降低能源成本，不受化石燃料价格和碳价波动的影响，并且与燃烧化石燃料相比，可以减少本地空气污染。此外，在绝大多数国家，即使在目前的“灰色”电力结构（即仍以化石燃料为主的电力结构）中，高效的热泵也能实现温室气体的减排。 热泵的效率是用COP，即性能系数来衡量的，它是热泵运行时的制热量与输入功率之比。COP与温差Δ𝑇（热源和散热器之间的差异）成反比，并与设备的效率系数ν（实际的COP及理想情况下的COP之比。一般来说，ν约为0.5）成正比。 在大多数应用中，热泵的COP在2（当ΔT为100度）和6（温差较低）之间。在实际应用中，热泵在ΔT为60度时COP可以达到3，这是可以保证热泵经济性运行的极限（在目前的能源危机之前，欧洲的电力平均价格是天然气的三倍11）。 最适合使用热泵的行业是有大量低品位热需求的行业。在欧盟主要是以下四个行业12： 现阶段，食品和饮料加工行业是非常适合大规模使用热泵技术的，因为该行业的热量需求在相对较低的温度下，而且往往同时有制冷需求，热泵则可以同时进行冷热联供。其他行业也存在不同的低温工艺，特别是与作为热载体的蒸汽相关的工艺、干燥工艺等。例如是砖厂使用解耦式烘干机去除砖块中的水分，这一过程可使用热泵13。 在其他行业，热泵也可以取代直接电加热设备，如电阻加热，以满足相当一部分的低温工艺热需求，从而减少电力消耗14。 4.热泵技术在工业流程中的整合 决定热泵解决方案是否具有经济性的主要因素是能源价格和COP。在大多数欧洲国家，热泵最常用于替代燃气锅炉（冷凝式锅炉），其效率通常在90-95％左右。在目前的能源危机之前，尽管有例外情况和补贴会导致针对不同的工业企业电价有很大不同，但大多数欧洲国家的电价往往是天然气价格的3倍左右15。因此