据目前数据预测,完成“十四五”碳排放强度目标,仍存在一定的挑战。在极端天气频发的背景下,减少碳排放成为社会共识。但在实践中为何出现“减碳难”?对当前供暖领域高碳排放的问题,还有哪些新的解决方案?

日前,中国科学院工程热物理研究所风电中心研究员钟晓晖在接受南都记者+专访时谈到,中科院工程热物理研究所开发的风热技术改变了当前用新能源“发电-供暖”的技术路线,直接将风能转换为热能,该技术不仅克服了传统供热的高碳排放问题,还实现高效、低成本供热,将成为未来能源转型的重要一步。

据介绍,风热技术将在今年逐步落地,实现工业园区生产供热以及为北方地区居民供暖的零碳供热。

河北省涿鹿县2MW风热机组示范。

完成碳排放强度目标仍存挑战?

需关注电网并网制约与供暖转型难题

2025年政府工作报告中提到,单位国内生产总值能耗降低3%左右。2月28日,国家统计局发布了《中华人民共和国2024年国民经济和社会发展统计公报》,明确单位GDP能耗强度较上年下降3.8%。根据前四年数据,如2025年的能耗强度实现3%的下降目标,我国将毫无悬念地完成“十四五”能耗强度下降13.5%的目标。

但从碳排放强度下降目标来看,根据前四年的数据计算,我国碳排放强度下降了约8.6%,而我国制定的碳排放下降目标是18%,根据目前数据预测,完成“十四五”碳排放强度目标,仍存在一定的挑战。

为何在我国大力发展新能源(如风电、光伏)的背景下,碳排放仍难以降低?钟晓晖介绍,这与当前新能源发电并网制约以及供暖领域绿色低碳转型困难两大因素直接有关。

“新能源电力并网受限,电网稳定性问题突出。”钟晓晖指出当前能源转型中存在一个悖论:为了增加新能源发电的装机容量,的主要能源,不得不配套建设一定量的煤炭发电作应急调峰储备电源,在此过程中碳排放不降反升。

伴随新能源装机的不断攀升,新能源电力消纳也迎来新的挑战,2023 年,蒙西地区、青海省和甘肃省弃风率依然分别高达 6.8%、5.8%和5%,青海省、西藏自治区弃光率依然高达 8.6%和22%。

而在另一个方面,供热领域是碳排放的“大户”,约占全国碳排放的40%。“供热领域减排更难,因为涉及民生供暖和工业用热,不能简单关停。”,钟晓晖介绍,而当前我国的供热的能源消耗以煤炭、天然气、电力为主。

2020年4 月,国家能源局明确了可再生能源发展“十四五”规划重点也指出在非电领域,尤其是建筑供热及工业用热方面,我国仍以燃煤热电联供机组和天然气锅炉等高碳排放为主,可再生能源发展利用水平明显滞后,可再生能源供暖面积仅占北方地区供暖面积的18%。

“探索和应用直接利用新能源进行供热的技术和方案,对于减少碳排放、保护环境具有重要意义。这不仅有助于缓解能源供应压力,还能促进能源结构的优化和升级,推动可持续发展。”钟晓晖说。

中国科学院工程热物理研究所风电中心研究员钟晓晖讲解风电机组模型。

“风热机组”技术

实现高效清洁供热,破解碳排放和经济性难题

从“煤改气”到“煤改电”,我国在清洁能源取暖方面先后探索了多条路径。但据钟晓晖观察中,这虽然在一定程度上减少了污染物排放,但并没有从根本上解决碳排放问题。

他进一步解释:“天然气燃烧后主要产物是二氧化碳和水,依然属于高碳热源。而煤改电虽然提高了能源利用效率,但由于我国电力结构中煤炭发电仍占较大比例(2024年煤电发电量占比为54.8%),因此这种转变并未实现真正的零碳排放。”

“直接使用新能源进行供热是更为有效的选择。”钟晓晖说。

钟晓晖及其研究团队经过多年研究,基于空气动力学、工程热力学、流体力学、控制理论等学科的交叉,在国际上首次提出“风热机组”概念,并围绕风热机组基础理论和关键技术开展研究,完成全球首台2 MW风热机组样机研制和工程示范。

风热技术(利用风能直接制热)这一创新解决方案不经过发电环节,直接将风能转化为热能,降低系统造价,大幅提升风能利用效率。该技术的核心优势在于高效制热、对电网无冲击、储能成本低、与供热场景高度匹配。

据介绍,风热技术是一种结合了风能和热泵技术的高效供热方案。热泵从外界较低的环境(土壤、空气或余热等)中提取热量,并将其输送到需要加热的地方,其效率极高,1单位的机械能可以产生3~5单位的热量。当风能与热泵结合时,由于减少了中间电能到机械能的转化环节,系统的能源利用效率还能进一步提升15%,这意味着在相同电能消耗下,可以产生更多的热量。

此外,相对于传统取暖,风热技术供暖不仅更清洁,且其成本更低。

过去,煤炭价格低廉,供热企业能够从中获利。然而,随着市场变化,煤炭价格逐渐上涨,而供热价格却保持不变。这导致供热企业利润空间缩小,甚至出现亏损。为了节省成本,一些供热企业减少了供热时间和质量,导致居民家中供暖不足,舒适性较差。

为了应对供热问题,政府不得不提供大量补贴,即便是一些由政府直接管理的热力公司也不例外。当前,政府也在努力寻找减少开支的方法,比如调整供热时间,根据气温实时调整供热量,以减少能源消耗。

“风热供暖技术可以有效缓解这一场景,其运行成本更低。”钟晓晖说。

风热机组应用前景广阔

将广泛为城镇建筑、油气领域、低碳园区进行供热推广

根据风热机组的性能特点和市场分析,风热机组在城镇建筑清洁供暖领域、油气领域低温加热和农业农村领域应用前景广阔。

南都记者了解到,当前,风热机组已在河北省涿鹿黄帝城小镇进行了工程示范应用,运行效果达到预期。据悉,2019年,完成了国际首套百千瓦级风热机组样机研制,风热机组制热工况下产生50~60℃的热水,制热COP可达3.5以上,可为黄帝城小镇达华建国酒店4000m²建筑提供冷热源,实现100%可再生能源供暖,开拓风能利用的新方向。

“由于百千瓦级风热机组产业配套较少,设备造价高,因此我们研发了兆瓦级风热机组,突破2.0MW风热机组整机设计、智能控制、热力循环优化等关键技术,完成2.0MW风热机组样机研制与示范。”钟晓晖说。

风热技术特别适用于“三北地区”(东北、华北、西北),钟晓晖也表示,这些地区风能资源丰富,且供热需求大。目前,吉林松原、黑龙江大庆等地区都在积极对接相关项目,这些地区一个地级市采用燃煤锅炉供热的亏损甚至高达3亿元,迫切需要替代解决亏损问题。

除此之外,该技术也可用于工业领域中低温加热。在工业领域,油田领域目前30%原油用于低温脱水伴热,是一个适合风能热泵机组的应用场景。

值得一提的是,目前风热机组已在多地多场景落地,榆林市榆横工业园区的“基于 2 MW 风能热电联供机组新型风光储综合能源系统示范” 、张家口塞北管理区的“塞北风热机组可再生能源供热示范项目”、 “吉林省乾安县200万平米风热机组供暖项目”等已签订框架合作协议。

中国高碳产业面临转型压力

风热技术如何助力?

2026年1月1日起,欧盟将正式开始征收碳关税,并逐步取消免费的碳排放配额。这一举措将对中国高碳产业产生深远影响,迫使企业寻求低碳转型。钟晓晖指出:“碳关税的实施将直接传导到中国企业,因为中国的制造产业链是环环相扣的,任何一个环节的碳排放都会影响到整个产业链。”

这也意味着碳排放指标将成为“硬通货”。钟晓晖解释说,“碳排放指标将成为企业维持运营和发展的重要条件之一。由于中国的制造业链条紧密相连,碳排放指标的限制将直接影响到整个产业链的成本结构和市场竞争力。尤其出口型企业,如果其供应链中的某个环节使用高碳能源,将不得不支付额外的碳税,从而影响产品的国际竞争力。”

“碳排放指标将成为企业发展的关键约束条件,如果真的要交碳税,大型能源企业如果继续维持现有的高碳生产模式,其利润可能会大幅下降,甚至可能变为零利润企业。”钟晓晖说。

随着2026年碳关税的正式实施,地方政府和企业对碳减排技术的需求将变得更加迫切,尤其是那些面临碳排放限额压力的地区。钟晓晖表示,由于面临碳排放限额的压力,地方政府迫切需要通过引入风热等清洁能源项目来解决当地的供热问题,同时保留新增的碳指标以吸引更多的低污染、低能耗产业入驻。

钟晓晖也透露,“风热技术不仅可以解决供热问题,同时保留新增的碳指标可以吸引更多的低污染、低能耗产业入驻。通过引入风热项目,不仅解决了当地的供热问题,还保留了新增的碳指标,为地方经济的可持续发展奠定了基础。”