中國城鎮供熱協會





2023年3月3日,由中國城鎮供熱協會主辦,協會冬冷夏熱工作委員會、江森自控、珠海新源熱力有限公司、珠海格力電器股份有限公司共同協辦的首屆工業園區熱能應用低碳化發展專題研討會在廣東省珠海市舉辦。

中國工程院院士、協會副理事長、技術委員會主任委員江億作了題為“零碳供熱實現碳中和的重要任務”的演講。本文根據江億院士的演講錄音整理而得。

江院士表示:能源革命的主要任務是用零碳能源系統替代目前的化石能源系統。應盡可能少地使用化石能源,或通過CCS回收化石能源排放的煙氣中的二氧化碳,用水電、風光電、核電和生物質作為主要能源。對供熱行業來講,建立零碳的新型電力系統、新型供熱系統是兩個重點任務。


課件內容分享如下:


中央提出來雙碳戰略,實際就是能源革命,習總書記在2014年就提出來能源的4個革命,根本是能源結構、供能方式革命,用能方式革命,技術革命和政策機制革命。


能源革命的目的是干嘛?為了把現在的化石能源煤、油、氣盡最大可能不用,當然沒辦法的情況保留一點,但是越少越好,即使保留的那點,最后還得通過CCS把排煙的二氧化碳給它分離出來,那個有挺大的成本,那么不用這化石能源用什么?就(需要)把能源轉成零碳能源。


現在看得著的零碳能源就是水電、風電、光電、核電,然后再加上生物質能,所以像在北歐,包括在巴西,生物質能都能占到他們全國總能源比例的30%~ 40%。


剛才我聽蔣院長講他的調查,遠(離)城區(的地方)居然一下就(可以)變成(使用)生物質能了。政府治理(大氣污染),散煤取消,最省事的法子就是(生物質)改顆?;蛘邏簤K,它的(原有)鍋爐也改動不大,這就代替了(化石能源)。但是中國的生物質能資源短缺,按照現在估計在總能源里現在(占)1%,將來能占到15%左右,很難再大,因為中國可耕作土地缺少,人又多,但是發展一些生物質植物,這也是重要發展方向,可是這畢竟是小頭,所以還得在風電、光電、水電、核電,怎么用這些事兒上解決咱們的問題,這是未來的大事。


那么從能源結構轉型上(看)重要的一點,對供熱行業巨大的變化是什么?以前是燒火出熱,你想要電,我熱再給你發電,這是(原先的)方向?,F在這方向180度大轉彎,人家說我有電了,不用你燒火出熱再發電,我直接是風電、光電、水電、核電。從電做熱 180度變化,所以整個使得咱們供熱行當就提出一個嚴峻的問題來,這熱從哪來?


以后以前都會燒火,你哪怕熱電聯產它實際上也是燒火燒出來的,現在說咱不燒了沒燃料了,熱從哪來是咱們必須面對的一個嚴峻的問題或者叫挑戰。整個關系到這行當,但是這需求側你又得滿足要求,包括冬天的采暖,更包括工業生產,這就是咱們主要要面對的新挑戰、新形勢,(需要)給出解決辦法來。



總的來看,實現能源革命面對的實際是兩個重大任務,一個就是建立零碳的新型電力系統;另一個重要任務就是建立一個零碳的新型供熱系統,包括建筑采暖,包括工業供熱,這件事很重要。


現在一說起來中國終端能源利用率,電力部門強調要加大電力在終端能源利用率,這里的利用率才百分之三十幾。某種意義上講70%都是各種各樣的熱,所以這熱也非常之重要。但是相對來說,有關部門整個體系里對這件事的關注要少得多,所以需要我們使勁呼吁,擺到一個位置上才行,也得好好研究。整個社會運行甭管是保民生還是保經濟發展都離不開這熱。因此咱們必須把它作為能源革命未來面對的一個重大任務。


下面來看看這熱量是怎么回事?



COP等于4是一個綜合平均值。如果能達到4,它就是1.8萬億度,總盤子未來是15萬億度電,這樣對咱們整個供熱行業說,能不能在不到2萬億度電的盤子(下)咱把整個這事給解開。180億GJ(總量),或者(說就是)整個民用的跟工業用的熱,咱能不能解開?這就是一個大的挑戰,也是給咱們這行提出一個新的任務。



熱泵的核心是按照能量守恒一度電只能出一度熱,因為(熱泵)從低溫側提(?。┝藘啥葻崛葻?,這才滿足能量守恒了,所以必須先回答低溫熱在哪?


熱泵行業現在國內發展挺快,一個是空氣,哪都有。但最大問題是能量密度太低,它空氣比熱就小,一年四季溫度變化太大,給機器穩定的提熱帶來困難。


另一個是土壤,這里淺埋是100米,中深層是2000米,通過跟土壤換熱取熱,問題是靠這土壤里邊提熱,能量密度不能太高,它有一個上限,取熱恢復不過來,地底溫度越來越低,會帶出一系列的問題。


地表水要有當然可以,但是也需要特別大的循環量,當你取熱量大的時候,都會對局部的生態環境,甭管是空氣、水還是土壤的生態環境,會帶來一定的影響。


那么我們到哪能(找到)低溫熱源?除自然界之外,發電、工業生產等過程排出的余熱。因為是過程產生的,能量密度會高得多,作為低溫熱源就好多了。



我們把全國分出二十幾個電力區域,然后一個區一個區域仔細地各種資源平衡完了合起來一張圖。(看圖)底下灰色是核電,上面是那三種藍顏色是三種不同的水電,這是每天可能的發電量,然后綠色的是陸上風電、海上風電,杏黃色是分布式光伏,黃(綠)色是集中光伏。



風電跟光電都出不來熱,水電也出不來熱,核電出的熱是它(火電)的1.5倍。所以,能把全年的余熱收回來一般就綽綽有余了。但是冬天不夠?,F在好些地方實際工程結果也是這么個現象,最終很可能是這么一塊,我們搞供熱這行當我們有活干了,所有的余熱,比如(讓它)90℃供20℃回,核電余熱、電廠余熱、工業余熱,甭管冬天采暖還是別的工業用熱,咱都從那去取熱,用的多取的少或者給的多用的少的(熱量)差靠跨季節儲熱給他存在那里。所有的熱源電廠,現在人家是保民生叫做以熱定電,以后就都改了叫調峰電廠,不管用熱還是不用熱,電力需要發電就發,產生熱量你拿走,電力不需要不發了也沒熱了就需要自己解決。這樣供給側跟消費側需求就有特別大的差別,怎么辦?



如果總量夠,就靠這跨季節儲熱,把這個差給填上。所以現在做地方規劃分析發現這個(跨季節儲熱)最重要了,有了它各種問題都解開了,沒有那東西這就不行,供需不匹配,到時候問題就大了。這樣一來就是說,要想實現剛才(所說的)美好的夢想,就必須克服三大難題。



第一大難題就是時間上的熱源不同步,所以就需要大規模的跨季節儲熱裝置。必須有個倉庫存著才行。


第二是地理位置不一致,所以還得輸送時能(夠)低成本。第三是參數的事,蒸汽出熱,熱的溫度不一樣,蒸汽的壓力不一樣,那么就得變換,實現各種各樣溫度壓力等熱量品位要一致。


所以把這三件事兒都給解決了才行,這三件事兒有技術的事兒,也有政策機制的事兒,還有投資的事兒,但是既然是國家的大事,就得合起來幾方面,一塊給它解開。



首先要真有大規模儲熱的東西,要取得多方面的收益。比如說原有的余熱資源核電全年都排熱,結果(現在)你光冬天取了,其他時候還排海里去了,余熱資源浪費了。假設熱源額定1MW,那一年就是8000小時就8000Mwh,要是光冬天供熱,按峰值算最高負荷40W/m2,只能供2.5萬平米,可是你要把那8000MWh的熱全攢起來,慢慢根據需要供,這時候一平米是要的是80kWh的熱,就可以供10萬平米。


所以同樣一個熱源有儲熱裝置,我能為10萬平米建筑供熱,沒有儲熱裝置,只能(給)2.5萬平米供熱,里外差4倍,有的工程我分析能差出6倍來,所以(這樣解決)余熱資源就可以得到充分的利用。


第二,這樣的熱回收裝置將來投資(較大),管線輸熱也是大的投資?,F在供熱這行,一年歇半年就干4個月活,(還剩)8個月都不知道吃誰去,這設備閑置也不行,利用率就低了,回收期就長了。有了這個儲熱裝置,把這儲熱裝置建在離需要熱量的最終點近的地方,靠近城市側,這樣長途輸熱也好、熱回收也好,都可以全年運行,于是初投資折舊就變得快了。原來是10年、15年,現在(這樣做)短至3年5年也就能回來。


第三條,即使我不想著整個的(熱)全回收,剛才好幾位我看著都在談,包括是烏魯木齊說你要搞你還得調峰鍋爐,一下上400噸調峰鍋爐人家不干了,說是你跟我這減煤政策反了,所以以前我們上課給學生天天講這調峰鍋爐的重要性,現在我發現不能上調峰鍋爐了,因為它是化石能源,(可是)拿熱泵做調峰不合理,空氣源熱泵,調峰的時候天特冷,那怎么解決調峰問題?


(原先)熱源是什么?為什么需要調峰?熱源最大功率是多少?最大功率得大于采暖時候最冷天(需要的·)最大功率,這樣我才全保證。


如果用儲熱,這熱源一年出多少熱,就剛才說的一年能出8000兆瓦時,一除一平米建筑用多少,這一除下來熱源能帶的面積大多了,能提供的熱量特別多了,對吧?原來多余的東西都扔了,現在全收回來了,都成寶貝了。


所以(儲熱)解決調峰問題是把咱這行的一個心病就去了,就不需要調峰,按總量算,這樣我有這儲熱,我只要調節那邊的取熱量,最冷的時候多取一點就完了,同時這么一做供熱的可靠性(就有了保障),甭管給民用建筑供熱保民生,(還是)給工業供熱保人家安全生產。我要是有一個儲熱裝置,只要里邊有熱,我心里就踏實,至少是從熱源到儲熱裝置,這段好壞我就不用著急了,那邊(儲存的熱量)保證供應就行了,這樣可靠性大為提高。


然后再反過來說,咱們這樣取的這余熱都不是伺候你的,都是原來本來生產過程中它就該冷卻排熱,所以你整個的供熱系統對人家來說是人家的冷卻系統,冷卻系統不能憋著,如果你冷不下來,不能把熱排走了,他那就出事了,甭管電廠工業生產、數據中心,你既然承擔冷卻任務,人把熱給你了,你就得給人真冷卻下來,它也很重要。


這兒我有大水池子,要是一個儲熱,相當于我對他來說是儲冷,于是又能夠顯著的提高人家冷卻的可靠性,雙重的(作用)就都管上了,所以實際還能整出一堆收益來,好些工程冒出來的問題一上儲能就都行了。



一個池子,加蓋,別漏氣??缂竟潈峥赡苁亲詈玫姆椒?。這些年實際國外也在研究,像北歐是(儲熱池)整個大蓋(子),包括咱們國家的西藏,由丹麥幫著也做過一個大儲熱,把太陽能收起來,冬天供暖至少能行。問題是它沒那么高溫度,存的(熱)才五六十度,所以效率不是太高。


咱們在張北地區也見過幾個,但是規模都不大。但是中國要完成這事兒,100億立方米也就是1,000萬立方米的蓋1000個,這是巨大的(工程)。真要是有這個了,咱們供熱這行就都好辦了。



所以這幾種做法最后比起來還是大的一個深坑的最好,因為抓的是兩件事兒,一個是熱量不能丟,一個是品位盡可能不能丟,這樣儲熱是上面是熱水,底部是涼水,進的時候(上面)進熱的,涼的從底下出去,取的時候是上面出來熱水,涼水補到里邊去,要的是中間一個冷熱分層,那個(斜溫層)變化是(上下)來回變的,(熱水涼水分層)不能摻和。所以得通過各種辦法補水的氣壓,緩慢的取水裝置等等,這就能夠特別好的解決里邊的問題,總的結果就是效率很高。



所以怎么比這種儲熱池的成本也是那些(其他儲能方式)最多是1%~10%,因此既然要搞零碳(供熱),這個是一個很重要的方法。



這是在歐洲已經建成的一些大水池子的東西,那邊是按人民幣折算,他們有些資料沒有,有些報道的說花了多少錢,(主要)都是裝置、挖坑、貼膜、裝蓋子那些錢,100多塊錢,最低的是丹麥那個164塊錢一立方米。



不算土地出讓金,這個事100元每立方米應該能做出來。如果我們努力讓這100塊錢一立方米這事給他做成,儲熱溫度是90℃/20℃的話,那樣一立方米就能出0.28GJ的熱量,建設成本360塊錢1GJ,如果投資是15年,每年儲熱成本是24塊錢1GJ。比燃氣的還便宜。這樣通過儲熱(可以)替代燃氣,但是這個(計算)沒有包括土地出讓金,它屬于是國家政策的事兒。



第二個事就是距離上的匹配,要是(輸)送100公里的話,北京不行,還有內蒙,黑龍江省有些縣城,他們離得太遠,沒工業,找不著熱源;其他的地兒都能找著相應的余熱資源。那么這樣的情況,比如像內蒙黑龍江幾個小點的縣城,沒有余熱,但它有莊稼、牛糞羊糞等,可以用生物質資源就行了。北京(遠距離輸送)得200公里才夠,所以北京要是有錢,咱們拉距離200公里。


然后有沿海地區的制造業,核能的分布都在沿海,可以好好從核能的余熱里得到足夠的余熱資源。當然還有適當的產業布局,解決供需平衡問題。



太谷太原長輸工程大家一直在說效果挺好,長距離輸熱關鍵是降低成本,減少損耗。那么這里頭大概是這么幾個關鍵點,一個是把供回水溫差拉大了,就可以有效的降低成本,因為單位熱量的循環水量少了。


再一個加大管徑,也就是加大規模。這樣一來泵耗就大幅度下降,所以通過這些東西可以降低成本,提高輸送能力。



再一步的技術問題,一個是大高差的事兒,原來都是用隔壓站,一方面成投資太高,另一方面一個隔壓站就占兩度溫差,再有幾個這溫差就(吃)沒了。所以咱們能不能取消隔壓站,也是各地都在仔細探討的。有這種可能把循環輸熱的概念變了,尤其是有了大水池子本身它是開口的,綜合起來就想出(取消)隔壓的法子來。


再一個水擊的事,在太原的項目上做的挺好,進一步總結經驗,解決誤操作、掉電(等問題),然后這些年也有很好的仿真能力了,可以模擬各種各樣可能出現的事兒,這是低成本的關鍵。


那么要想干好這事兒,統一供回水溫度是成功的關鍵,尤其是把回水溫度降低,降低回水溫度,別以為說就是為了解決輸送問題,首先把回收溫度降低,才可以有效的回收各種余熱資源,水溫越低,收的熱量比例越高。


長距離輸送要加大溫差,所以從三個方面都希望使勁把回收成本降低,這就成了我們這行的一個重點任務,供熱的回收溫度降低,(即使)工業生產用熱,我提供這個(熱)也得想法把回水溫度降低。



這些(工程應用)也有10年的歷史了,(熱水輸送的過程中需要)好些個變換器,就是剛才說的第三個難關,包括吸收式換熱,已經在太原、在赤峰好些地兒都有。山東有些地方,大網是90℃的水,采暖是40、 50℃的,回水是40℃,我能把供水側一次網側,回水都降到20℃,實現了統一的回水溫度。在熱源側,如果你那個工廠里比如沖渣水是75 、70℃的水溫,通過第二類的吸收式換熱,只要回水溫度是20℃度或者25℃,他們都把供水都給整到90℃去,都不需要電,也不要什么熱泵,是吸收式熱泵,不消耗電,就靠大溫差就解決這個問題了。所以這些產品會廣泛應用,大的是幾層樓(高),小的是擱在車庫里。系列產品,現在都有了,好幾個企業都在做。


所以說,未來是一個電動熱泵、吸收熱泵混合起來搭配,根據不同的需求,會是巨大的市場,從各種各樣的熱量變換來滿足蒸汽、熱水高點的、低點的(要求),就替代了常規換熱器。



海陽核電的余熱,弄出100多℃的熱水,然后拿它做動力,做這個海水淡化,把海水做出95℃的熱淡水來,然后這一根管給送到居民家采暖,收拾完了那邊就出涼水,這涼水人家愛喝,這水也沒味,也挺好喝,比他們自來水好喝。



工業用熱一定得遵循一個原則,就是不同的參數用不同的裝置絕不能夠統一的參數然后再減溫減壓,都浪費了。


南方有個地兒特別好,它是熱電聯產統一供蒸汽,居然是兩套蒸汽系統,一套是10kg/cm2的,一套好像是4 kg/cm2的,(供汽)價錢都不一樣。要高壓的接這根管,低壓的接那根管,說明特別精明,比北方精明多了,但是即使這樣還是有供大于求的浪費,要是變成小裝置,就地每個裝置整一個,都以90度熱水作為低品位熱源,那么做起來相信大幅度減少浪費,效率還會特別高。


連云港有個叫田灣電廠核電,在田灣灣北走那一片大的工業園區,又是一堆小熱電,能不能把小熱電取消了,現在就研究拿這個核電,但是還在爭論到底是(直接)送蒸汽還是走循環熱水、末端用蒸汽。(還有)福建省的兩個工業園區(也是如此),所以這個需求量是非常廣,沿海的用一個核電怎么給它弄好。


這個美好前景說完了,就是這個時間上它有一個合適的點?,F在目前還是以熱電聯產+燃煤鍋爐+燃氣鍋爐為主要熱源。中央也提出來先立后破,能源革命能源化轉型,不能影響民生,不能影響工業生產、經濟發展、社會發展,所以這需要一個合適的步驟,一步一步來,這點特別重要。



所以我們考慮是分三個階段,每個階段的主要任務是不一樣的。第一階段比如說到達峰之前,這些年電廠什么的還沒撤,過了達峰才往下降。那么這時候最主要的是做好準備工作,做什么?兩條,最主要是把回水溫度降下來?,F在隨著經濟發展,各地還都說熱源不夠,有的要再上火電廠,有的要上燃料鍋爐房,這事矛盾比較大。


但是如果你把回水溫度降下來,實際就可以更多的從原有熱源上提取余熱,電廠把人家的熱就都收回了,還可以試圖收一些工業余熱,所以通過降低回水溫度來解決熱量需求的不斷增長問題,而不再建這燃煤鍋爐,這是這幾年的主要任務。


等到了過了2030年2035年達峰了,中央要求得降往下降,最主要的手段就是砍燃煤電廠,那么一砍燃煤電廠,咱們供熱行業也就受不了了,就害怕了,怎么辦?大勢已定就非得砍,不過不是一塊砍,是一個一個的開始停。這電廠砍一半,就得建跨季節儲熱設施,我建一個大水池子,你關一個電廠沒事兒,原來還有一個電廠,那一個電廠就能當兩個用,恨不得當三個用。所以您那拆電廠,我這建水池子咱就一塊同步的進行,這樣能夠使得電廠一個變倆廠,通過水池的頂替,開始慢慢琢磨回收流程工業、數據中心的余熱。國家一方面關電廠,另一個重錘行動,就該是收拾工業用熱的鍋爐房了,那么就開始嘗試由我們這行來給工業用熱提供熱量,替代原來的燃煤鍋爐房,有儲熱設施這事就好辦多了,這是第二階段。


第三階段,這時候主要特點就是國家的大規模的風光電開始漲了,現在中國去年是一共有7億千瓦,現在每年會新裝3億千瓦,一年3億,有10年就上30個億,30個億出來之后,10年之后是2033年,那時候風光電的比例就會在電源里邊占了小一半,再有10年到了2043年,那就風光電為主的現象就出來了,一旦它變成為主了,棄風棄光可就越來越厲害了,這是不可避免的。


我有這大水池把儲熱裝好了,春天存起來冬天什么時候用,所以這時候就要想法好好的靠這儲熱裝置收棄風棄光,然后供熱。


那么這樣一個設想,當然看著挺美好,核心問題還是統一規劃,不能自個兒圈一塊小地兒(僅僅)說我干好,這樣不行!彼此協調,統一規劃,弄出統一格局來,并不是壟斷,而是把這張圖畫在那兒,誰想干,民營的國企的都可以投資,照著這張圖來實現這個美好藍圖。


好,結論就是說靠各種低品位余熱資源來實現零碳熱源,是建設零碳能源系統的重要任務之一,就得全面采集利用各個環節排放的余熱,珍惜一點一滴,一點都不能散,都得回收回來才行。


那么靠著余熱資源可以滿足建筑采暖跟工業用熱的需要,但是為了這個目標必須解決這三大任務。同時,相應的應該有一批新的政策機制來支撐新的零碳能源熱源系統,包括土地政策,包括按照溫度品位來確定熱力價格的事,同時向環境排放熱量者應該承擔環境熱污染的責任。


還有新的基礎設施的建設的投入,同時還有巨大的各類熱泵跟熱量變換裝置的市場,所以會形成一個特別大的市場,包括基礎設施建設的工程,包括裝置設備,所以通過這個市場需求要拉動新基建、拉動經濟發展,其實是抓這些事兒,也能反過來促進這幾十萬億的市場需求。



(注:文字內容根據江億院士授權會議錄音整理,未經作者本人授權不得刪減、轉載)


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