欧洲发布2050年100%可再生能源供暖制冷技术发展战略框架

　　欧洲可再生能源供热制冷技术创新平台（RHC-ETIP）日前发布了《欧洲100%可再生能源供热与制冷2050年愿景》报告，提出到2050年实现欧洲供热和制冷完全使用可再生能源的发展目标。该愿景从城市、区域能源网络、建筑、工业等不同应用领域，确定了到2050年实现完全可再生能源供热和制冷的技术发展战略框架，总结了欧盟用于供热和制冷的各种可再生能源技术最新现状及开发潜力。欧盟委员会于2016年在“战略能源技术规划”（SET-Plan）框架下建立了RHC-ETIP，汇集了生物质、地热、太阳能热利用和热泵等行业的利益相关方，涉及区域供热和制冷、储热及混合系统等技术领域，旨在加强可再生能源在供热和制冷领域的应用。报告要点如下：

　　为了实现城市的100%可再生能源供热和制冷，需要整合当地能源系统的不同组成部分和参与者并建立协同效应，具体的技术目标是：①改善建筑物和区域的智能电器和能量管理系统，将其完全整合至整个能源系统中，实现以智能方式管理供热和制冷的供应、储热、可再生能源电力及其输送；②开发接口技术以连接（近）零能耗建筑，以建立零能耗建筑群和负能耗区域；③向城市提供可满足所有供热、制冷和热水需求的可再生能源供热和制冷技术及系统的相关信息。

　　（1）发展目标。通过使用生物质、太阳能、地热能、余热和环境热以及非化石燃料发电，区域可再生能源供热和制冷可实现完全脱碳。将可再生能源集成到区域供热和制冷系统需要开发和示范以下解决方案：①将系统与当地无碳和低碳能源相匹配，建立具有较低和极低供应温度的新型区域供热和制冷网络，降低现有网络的温度，系统设计和运行应适应更低温度，并集成热泵、制冷设备和储能设备；②从能源系统整体角度，在不同规模上与不同终端用能部门（电力、热/冷、燃气、交通）相关联，有效供应、管理和利用高比例可再生能源。

　　（2）数字化技术将起到关键作用。数字化技术对于实现100%区域可再生能源供热和制冷起关键作用，需从4个方面发挥其作用：①供应，通过数字化技术获得更低成本、更高效和使用更多可再生能源的系统，如通过智能网络控制器等先进解决方案集成波动性可再生能源，通过削峰等智能控制手段提高可再生能源系统的运行效率；②区域，通过低成本、可靠且可扩展的数据收集和通信系统管理实时能源数据，通过机器学习和数据挖掘优化能量分配，最大限度提升系统与温度、流量、压力、热需求和电网损失相关的性能；③用户，数字化技术可帮助用户了解其用能情况，调整用能需求以提高区域供热和制冷系统的效率，智能电表和远程控制可以细化数据的时间颗粒度，供需双向数据流将有助于改善系统运营；④设计与规划，通过开发和应用数字解决方案优化市政规划，如大数据分析、映射算法、过程计划工具、复杂优化和仿真方法等，开发和测试技术和运行模型对多能源系统进行仿真和优化。

　　（1）发展目标。在建筑物中使用可再生能源供热和制冷将最终实现如下目标：①通过能效措施将所需设备的尺寸/功率/容量降至最低；②尽可能使用太阳能或被动地热供热及制冷；③必要时使用生物能或可再生能源电力补充供热和制冷需求。

　　（2）储能和部门协同是关键因素。储热技术可优化不同可再生能源的组合，显著改善与可再生能源间歇性相关的问题。集成现场供热和制冷、储能、可再生能源电力和燃气网的解决方案将提供更优质的能源服务，使用热泵进行空间供热和制冷，并将其与太阳能热利用结合用于生活热水和空间供热将是一种选择。

　　（3）系统化方案和用户参与将越来越重要。建筑物供热和制冷将向系统化方案演变，根据建筑的设计标准进行优化。系统将变得更智能和用户友好，可进行远程操作或控制。物联网技术、智能电表和建筑能量智能管理系统将使用户更深入参与到能源系统中，成为产消合一者。

　　在工业领域实现完全使用可再生能源供热和制冷需要设计新的工艺，以及对现有设备进行改造。通过创新过程技术实现持续的过程管理，可实现在120℃以下使用可再生能源，并能极大降低能源需求。储热对于整合不同的供热和电气至关重要，可应对价格波动和季节性变化。到2050年，可再生能源可以完全满足工业的供热和制冷需求，太阳能、地热能等将用于低温过程热，可再生能源电力则将主要用于高温过程热，通过可再生能源生产的氢气和氨可用于生产钢铁、水泥等高温过程。用于制造的工业能量管理系统主要针对单一供应，只能在有限范围内对需求和供应（热、电）的波动做出响应，因此需利用数字化技术优化工业能量管理系统的设计和运行，利用基于过程需求和供应的（近似）实际生产数据、历史数据和预测数据，开发整体优化方法。将利用数字化模型，针对实例开发和验证高效过程的解决方案，并在制造行业（如印刷电路板行业）中实施。

　　（1）技术现状。太阳能热利用技术具有极强的可扩展性，目前用于供热和制冷主要提供40-70℃范围的生活热水和空间供热，太阳能区域供热系统功率可超过100兆瓦（热）。光热发电已经在工业过程供热方面有了大规模的应用，其成本低于燃气锅炉且在整个生命周期中基本恒定，因此可避免燃油价格波动的风险。主动式太阳能房屋将太阳能用于生活热水，可实现70%-80%的能源需求由太阳能供应。工业过程太阳能供热可满足150℃要求的供热，需要进一步示范和可行性验证。

　　（2）开发潜力。太阳能区域供热是一种创新的解决方案，比基于燃气的区域供热成本更低。太阳能热利用可实现夏季的需求削峰和补充冬季热量供应，与季节性储热和其他低温热源集成能够发挥良好的效果。工业过程太阳能供热将需要解决标准化、系统验证和风险评估等问题以实现规模化应用。数字化将有助于不同技术和设备间的集成，物联网、工业4.0、智能家居及电力和热力设备的整体集成将使太阳能热利用解决方案更为智能。

　　（1）技术现状。目前生物质占欧盟终端用能的10.5%，占可再生能源消耗量的59%，75%的生物质被用于供热。生物质用于空间供热的典型规模是千瓦级，而几十兆瓦的生物质锅炉则用于集中供热，并且用来供应热水。沼气和生物燃料可在锅炉中直接燃烧供热也可用于热电联产，生物甲烷则可注入天然气网中。生物能可提供工业过程所需低温热、蒸汽和高温热，是最便捷的解决方案之一。燃烧木柴、木片或生物质颗粒的小型加热系统易于使用、成本低，正取代欧洲许多地区的燃油取暖。生物质既可用于区域供热又可用在热电联产系统中发电，能源利用效率高达85%-90%。用于家庭的微型热电联产尚处于起步阶段，但具备增加使用生物质的潜力。

　　（2）开发潜力。除立法、监管和产业等因素，生物质能在供热市场的发展潜力取决于：开发高品质生物燃料；发展技术以降低成本；智能系统集成，通过数字和人工智能技术降低规划、安装和运行的复杂性。预计2050年以后欧洲利用生物质进行能源生产的潜力为7-30艾焦。

　　（1）技术现状。目前地热能用于供热和制冷主要用在从几千瓦级的家庭热水到500千瓦以上的大型热水供应，以及区域供热。一些创新的应用如地热制冷、融化冰雪以及海水淡化已经得到验证。地源热泵和地热区域供热系统可提供住宅所需的低温热。地热区域供热将越来越多地应用于现有建筑物和旧城区，地热能和小型热网可能是单个建筑物的最佳选择。

　　（2）开发潜力。未来几十年的关键挑战是地热区域供热和地源热泵的可靠设计、工程和控制能力，以保持全年将地热可持续地用于供热和制冷。对热电联产地热系统和新一代地热系统（如增强型地热系统）的进一步开发也将发挥关键作用。地热将与其他可再生能源整合用于建筑的能源系统，地热能存储（如地下储热、埋管储热、含水层储能）将被用于季节性储能，并可用于工业余热和太阳能的存储。还将进一步发展地热供热用于农业。增强型地热系统作为一项突破性技术将大规模发展，通过热电联产可同时提供电力和热量。预计到2050年，地热供热和制冷系统将在欧洲随处可见。

　　（1）技术现状。随着部署的增加，热泵技术正成为使供热和制冷脱碳的能源组合的基石。同时，热泵也是提高白色家电甚至电动汽车能效的首选技术。除了利用可再生能源，当前的热泵技术可以利用工业余热、建筑和工业过程中的废气等。将储热集成到热泵系统中可以弥补能源生产和消费的时间差。热泵系统可实现50-70℃的温差，将多个压缩机组合则将克服更大的温度差，从而将源头温度提升至需要的水平。压缩循环热泵（电驱动）将低温可再生热能转化为高温热能。热驱动热泵（如吸附式冷却器）基于热吸附循环，利用废热或可再生热能进行制冷，其性能提升可实现驱动温度高达250℃。工业热泵通常供应温度水平在30-50℃或55-65℃的热量，当前研究目标是提供温度为200-250℃的热量。热泵技术的创新和研究正专注于改进组件、产品和系统，而新技术（如磁热泵）尚处于概念/实验阶段。

　　（2）开发潜力。用热泵代替化石燃料锅炉可以节省约50%的一次能源，用热泵替换电加热系统则可节省2/3-3/4的终端或一次能源。从系统角度来看，热泵的节能潜力更大，将高效热电联产系统中的锅炉替换为热泵，还可使废热能够用于区域供热系统，将地热或太阳能用于热泵则可为热泵创造更好的部署机会。

　　（1）技术现状。在目前各种储热技术中，采用水作为储热介质的显热存储技术最简单、成本最低，广泛用于住宅、区域供热和工业，采用液体和固体介质的地下显热存储也是常用的大规模储热方式。潜热存储方式能量密度更高，存储温度范围更广且可用于制冷。热化学存储基于放热和吸热的可逆化学反应，理论存储密度比水基储热系统高十倍，且没有热量损失，但该技术较新，尚需开发各种适用于市场的产品。地下储热主要用于平衡季节性供需，还可储存中温余热，提高可再生能源和废热的利用率以及能源系统的灵活性。

　　（2）开发潜力。未来将进一步开发或改进大规模储热技术，包括：长寿命、低成本的耐高温衬里材料；不同地质环境下大容量、深坑或储罐存储的施工技术；可降低热损失并提高存储性能的隔热材料和技术；浮式或自带盖子的结构，可有效利用储罐的顶部空间；改进系统集成、液压和控制，以优化系统性能；开发工作温度在5-15℃的相变材料，将冷库集成到冷却系统中；开发集成热交换器的储罐，缩小储罐体积并提高能量传输率，如使用纳米相变材料；通过材料开发（如中孔材料和复合材料）和组件优化等，降低技术成熟度达到5-6级的紧凑型储热技术的成本；开发测试和评估方法，并将材料整合到反应器组件中；开发新型传感器技术以优化控制；进行下一代紧凑型储热技术的示范；开发新型相变材料和钛复合材料、反应器和系统集成技术，用于工业中、高温储热。

　　（1）技术现状。目前欧盟已部署了6000多个区域热网，满足欧盟11%-12%的供热需求，北欧、东欧等气候较冷国家对区域热网的应用较多。第四代区域热网正开始取代第三代技术，这是一种低温区域热网，其在热量分配过程中可减少热损失，改善热量供应和需求的热品质匹配，降低热应力和烫伤风险。低温区域热网还有助于提高热电联产电厂的电热比，并通过烟气冷凝回收废热，提高热泵效率，增强对低温余热和可再生能源的利用。

　　（2）开发潜力。预计到2050年，区域热网可以满足欧洲近一半的供热需求。城市将是区域热网的最佳应用地区，可收集城市景观中的低等级废热作为区域热网的热源。区域制冷是技术成熟的新兴行业，具备强劲的增长潜力。可再生能源电力驱动的大型热泵将越来越多用于区域热网。工业和商业产生的大量余热也可作为区域热网的热源，提高能源利用率。区域热网还可作为一种有效的储能方案，吸收过剩的可再生能源电力以平衡电网。（来源： 中科院先进能源科技战略情报研究中心 ）

　　附件：《欧洲100%可再生能源供热与制冷2050年愿景》报告