党的二十届三中全会指出,加快规划建设新型能源体系。建立面向碳中和的新型能源体系,必须实现零碳电力、热力和燃料供应。当前我国碳达峰碳中和“1+N”政策体系对化石能源替代和新型电力系统建设均有布局,但对热力系统关注相对不足。热力系统现已成为各地开展能源低碳转型和零碳园区建设等工作的难点堵点,必须引起高度重视。

十堰张湾区京能热电联产二期项目。视觉中国供图

热力系统转型升级迫在眉睫

我国热力需求主要源于工业和建筑。2022年工业用热约90亿吉焦,包括主要用于化工的饱和压力在1兆帕以上的高压蒸汽和主要用于造纸、轻纺等轻工业的饱和压力在1兆帕以下的中低压蒸汽。建筑用热约93亿吉焦,主要用于冬季采暖和生活热水等。目前各类用热主要依靠燃煤、燃气锅炉及热电联产提供,约消耗全国11%的能源(6亿吨标煤),产生15%的能源相关碳排放。

预计到2060年,我国热力需求将从183亿吉焦增加至240亿吉焦。要想实现零碳供应,依靠电热转换或生物质燃烧等方式并不经济可行。若全部依靠电热转换会消耗7万亿度电,相当于全国2024年用电量的70%,这将给新型电力系统建设带来巨大压力;若全部依靠生物质燃烧需要9亿吨标准煤的生物质燃料,超过全国生物质资源总量,且会消耗未来新型能源系统中最宝贵的低成本零碳燃料。这种情况下,寻找经济可行的零碳热力供应方式迫在眉睫。各地在热力低碳转型实践中,由于缺乏全国整体转型规划和技术方向引导,出现了热力管网重复建设导致财政浪费,建设以热电联产为目的的燃煤热电联产电厂导致碳排放不降反增,盲目推广空气源和土壤源热泵加剧电力系统季节性调峰压力等一系列问题。

因此,必须尽快创新绿色低碳供热技术,通过系统性、前瞻性的规划设计整体推进新型零碳热力系统建设。否则,不仅会阻碍我国实现碳达峰碳中和,还可能带来能源安全风险。比如,2022年乌克兰危机引起的欧洲能源危机,受影响最大的领域就是建筑冬季采暖,导致了巨大的经济社会损失,且严重威胁能源安全。

系统布局新型零碳热力系统

构建新型零碳热力系统是我国新型能源体系建设中的重要任务,应根据热力需求特点和资源禀赋等国情条件来进行整体规划和系统布局。

热泵可通过消耗电力将低品位热量转化为高低品位热量,1份电可供3—8份热,是全球公认的高效零碳供热方式。低温低密度用热需求适合采用“自然热源+热泵”来供热。低品位的自然热源可从室外空气、土壤、地表水等自然环境中提取。自20世纪90年代以来,我国基于自然热源的热泵技术和产品发展迅速,已有超过一亿平方米的北方建筑采用该方式采暖。然而,对于高密度的用热需求,例如对于北方城市高密度建筑群,当单位土地面积的取热密度大于1兆瓦/万平方米时,若从自然环境中提取低温热量会产生一些不利的生态环境影响和地下空间过度占用。

高密度用热需求可采用“余热热源+热泵”供热。当取热密度大于1兆瓦/万平方米时,可考虑核电火电余热、工业余热、数据中心余热等人工排放余热作为低温热源,结合热泵实现供热。我国拥有大量的余热资源,回收70%就可满足北方建筑采暖和工业高密度用热需求。为解决热源与用热在空间、时间和参数上的不匹配问题,需要建立区域余热共享系统,回收各种余热,依靠管网系统通过热水循环把余热输送到用热终端,建设跨季节储热设施,平衡余热产出和用热需求在时间上的不一致。我国北方地区已建成完善的集中供热系统,南方地区也建成了一定规模的工业蒸汽供给系统,在此基础上经过改造升级就可实现全年余热回收和“余热+热泵”供热。

而对于工业生产压力高于1兆帕的蒸汽需求,采用热泵的经济性不佳,应加速攻关高温零碳供热技术,可考虑核能供热或电直热等方式。

为实现上述技术路径,必须尽快开展共性关键技术的研发攻关和试点示范。热泵技术需突破低全球变暖潜值制冷剂热泵、高温热泵、工业蒸汽热泵、宽域高效压缩技术等;热量品位变换技术需突破第一类吸收式换热器、第二类吸收式换热器;余热回收技术需突破核能、热电厂及钢铁冶金等流程工业的余热采集;热量输送和调配技术需突破长距离低成本输热技术;需重点突破跨季节储热技术和热电协同技术。

按照“三步走”战略有序推进

构建新型零碳热力系统,事关能源安全、生产安全和民生保障,特别要注重安全可靠和平稳有序。建议按照“三步走”战略,立足安全保供,坚持先立后破。

2035年前要注重节能挖潜。在工业、建筑领域中加速热泵替代;对北方集中供热管网开展末端回水温度降低改造,以适应余热深度回收、长距离输送和跨季节储能的需要;依靠低回水温度深度回收利用热电联产余热,并回收部分工业余热,开始逐步淘汰燃煤锅炉。

2035至2045年要实现转型加速。加速热泵替代,加速余热共享基础设施建设,重点建设冶金、有色、化工、建材等领域的余热回收工程,把余热高效接入城市热网;配合火电退出,同步规划建设大规模跨季节储热设施,依靠非采暖期回收的余热弥补火电退出导致的热量缺口;开展热泵柔性调节和需求侧响应方式运行,支撑电力系统削峰填谷和绿电消纳。

2045至2060年进行攻坚完善。加速推进热泵灵活调节和需求侧响应,全面实现绿电驱动的热泵零碳供热。全面建成余热共享系统,依靠跨季节储热设施,收集核电、工业、调峰火电、垃圾焚烧、数据中心等的全年余热,全面实现余热零碳供热。以高温气冷堆、电/氢供热、生物质等多种技术,实现高温工业零碳用热。

为保障上述战略落实,必须深化体制机制改革。首先,应尽快制定顶层规划。要尽快出台新型热力系统建设的长期规划和五年规划并发布指导性意见,特别是要系统布局余热共享系统基础设施,实现全国一盘棋,确保热力供需高效匹配与余热资源集约利用。其次,应适度超前开展基础设施建设。要将新型热力系统建设纳入国家重大基础设施工程体系,建立跨省区、跨部门协调机制,系统布局、分批推进各类余热共享系统的基础设施建设,完善跨季节蓄热设施的土地审批与环评制度。要发挥“规划引领+市场运作”双重效能,引导多元主体参与,推动适度超前建设。再次,应健全政策激励机制。建立热量按温度品位的核算方法和定价机制,算清经济账,保障建设相关方投资共担、利益共享,激发余热回收内生动力。(作者江亿系中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任,麻林巍系清华大学能源与动力工程系党委副书记、长聘副教授)