歐洲可再生能源供熱制冷技術(shù)創(chuàng)新平臺(RHC-ETIP)日前發(fā)布了《歐洲100%可再生能源供熱與制冷2050年愿景》報告，提出到2050年實(shí)現(xiàn)歐洲供熱和制冷完全使用可再生能源的發(fā)展目標(biāo)。該愿景從城市、區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)、建筑、工業(yè)等不同應(yīng)用領(lǐng)域，確定了到2050年實(shí)現(xiàn)完全可再生能源供熱和制冷的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略框架，總結(jié)了歐盟用于供熱和制冷的各種可再生能源技術(shù)最新現(xiàn)狀及開發(fā)潛力。歐盟委員會于2016年在“戰(zhàn)略能源技術(shù)規(guī)劃”(SET-Plan)框架下建立了RHC-ETIP，匯集了生物質(zhì)、地?zé)�、太陽能熱利用和熱泵等行業(yè)的利益相關(guān)方，涉及區(qū)域供熱和制冷、儲熱及混合系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域，旨在加強(qiáng)可再生能源在供熱和制冷領(lǐng)域的應(yīng)用。報告要點(diǎn)如下：
一、實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供熱和制冷的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略框架
1、城市可再生能源供熱和制冷
為了實(shí)現(xiàn)城市的100%可再生能源供熱和制冷，需要整合當(dāng)?shù)啬茉聪到y(tǒng)的不同組成部分和參與者并建立協(xié)同效應(yīng)，具體的技術(shù)目標(biāo)是：①改善建筑物和區(qū)域的智能電器和能量管理系統(tǒng)，將其完全整合至整個能源系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)以智能方式管理供熱和制冷的供應(yīng)、儲熱、可再生能源電力及其輸送;②開發(fā)接口技術(shù)以連接(近)零能耗建筑，以建立零能耗建筑群和負(fù)能耗區(qū)域;③向城市提供可滿足所有供熱、制冷和熱水需求的可再生能源供熱和制冷技術(shù)及系統(tǒng)的相關(guān)信息。
2、區(qū)域可再生能源供熱和制冷
(1)發(fā)展目標(biāo)。通過使用生物質(zhì)、太陽能、地?zé)崮堋⒂酂岷铜h(huán)境熱以及非化石燃料發(fā)電，區(qū)域可再生能源供熱和制冷可實(shí)現(xiàn)完全脫碳。將可再生能源集成到區(qū)域供熱和制冷系統(tǒng)需要開發(fā)和示范以下解決方案：①將系統(tǒng)與當(dāng)?shù)責(zé)o碳和低碳能源相匹配，建立具有較低和極低供應(yīng)溫度的新型區(qū)域供熱和制冷網(wǎng)絡(luò)，降低現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的溫度，系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行應(yīng)適應(yīng)更低溫度，并集成熱泵、制冷設(shè)備和儲能設(shè)備;②從能源系統(tǒng)整體角度，在不同規(guī)模上與不同終端用能部門(電力、熱/冷、燃?xì)狻⒔煌?相關(guān)聯(lián)，有效供應(yīng)、管理和利用高比例可再生能源。
(2)數(shù)字化技術(shù)將起到關(guān)鍵作用。數(shù)字化技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)100%區(qū)域可再生能源供熱和制冷起關(guān)鍵作用，需從4個方面發(fā)揮其作用：①供應(yīng)，通過數(shù)字化技術(shù)獲得更低成本、更高效和使用更多可再生能源的系統(tǒng)，如通過智能網(wǎng)絡(luò)控制器等先進(jìn)解決方案集成波動性可再生能源，通過削峰等智能控制手段提高可再生能源系統(tǒng)的運(yùn)行效率;②區(qū)域，通過低成本、可靠且可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)收集和通信系統(tǒng)管理實(shí)時能源數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化能量分配，最大限度提升系統(tǒng)與溫度、流量、壓力、熱需求和電網(wǎng)損失相關(guān)的性能;③用戶，數(shù)字化技術(shù)可幫助用戶了解其用能情況，調(diào)整用能需求以提高區(qū)域供熱和制冷系統(tǒng)的效率，智能電表和遠(yuǎn)程控制可以細(xì)化數(shù)據(jù)的時間顆粒度，供需雙向數(shù)據(jù)流將有助于改善系統(tǒng)運(yùn)營;④設(shè)計與規(guī)劃，通過開發(fā)和應(yīng)用數(shù)字解決方案優(yōu)化市政規(guī)劃，如大數(shù)據(jù)分析、映射算法、過程計劃工具、復(fù)雜優(yōu)化和仿真方法等，開發(fā)和測試技術(shù)和運(yùn)行模型對多能源系統(tǒng)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
3、100%可再生能源建筑
(1)發(fā)展目標(biāo)。在建筑物中使用可再生能源供熱和制冷將最終實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：①通過能效措施將所需設(shè)備的尺寸/功率/容量降至最低;②盡可能使用太陽能或被動地?zé)峁峒爸评?③必要時使用生物能或可再生能源電力補(bǔ)充供熱和制冷需求。
(2)儲能和部門協(xié)同是關(guān)鍵因素。儲熱技術(shù)可優(yōu)化不同可再生能源的組合，顯著改善與可再生能源間歇性相關(guān)的問題。集成現(xiàn)場供熱和制冷、儲能、可再生能源電力和燃?xì)饩W(wǎng)的解決方案將提供更優(yōu)質(zhì)的能源服務(wù)，使用熱泵進(jìn)行空間供熱和制冷，并將其與太陽能熱利用結(jié)合用于生活熱水和空間供熱將是一種選擇。
(3)系統(tǒng)化方案和用戶參與將越來越重要。建筑物供熱和制冷將向系統(tǒng)化方案演變，根據(jù)建筑的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)將變得更智能和用戶友好，可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作或控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能電表和建筑能量智能管理系統(tǒng)將使用戶更深入?yún)⑴c到能源系統(tǒng)中，成為產(chǎn)消合一者。
4、100%使用可再生能源供熱和制冷的工業(yè)
在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)完全使用可再生能源供熱和制冷需要設(shè)計新的工藝，以及對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造。通過創(chuàng)新過程技術(shù)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的過程管理，可實(shí)現(xiàn)在120℃以下使用可再生能源，并能極大降低能源需求。儲熱對于整合不同的供熱和電氣至關(guān)重要，可應(yīng)對價格波動和季節(jié)性變化。到2050年，可再生能源可以完全滿足工業(yè)的供熱和制冷需求，太陽能、地?zé)崮艿葘⒂糜诘蜏剡^程熱，可再生能源電力則將主要用于高溫過程熱，通過可再生能源生產(chǎn)的氫氣和氨可用于生產(chǎn)鋼鐵、水泥等高溫過程。用于制造的工業(yè)能量管理系統(tǒng)主要針對單一供應(yīng)，只能在有限范圍內(nèi)對需求和供應(yīng)(熱、電)的波動做出響應(yīng)，因此需利用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化工業(yè)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行，利用基于過程需求和供應(yīng)的(近似)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)，開發(fā)整體優(yōu)化方法。將利用數(shù)字化模型，針對實(shí)例開發(fā)和驗(yàn)證高效過程的解決方案，并在制造行業(yè)(如印刷電路板行業(yè))中實(shí)施。
二、用于供熱和制冷的可再生能源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)潛力
1、太陽能熱利用
(1)技術(shù)現(xiàn)狀。太陽能熱利用技術(shù)具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性，目前用于供熱和制冷主要提供40-70℃范圍的生活熱水和空間供熱，太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)功率可超過100兆瓦(熱)。光熱發(fā)電已經(jīng)在工業(yè)過程供熱方面有了大規(guī)模的應(yīng)用，其成本低于燃?xì)忮仩t且在整個生命周期中基本恒定，因此可避免燃油價格波動的風(fēng)險。主動式太陽能房屋將太陽能用于生活熱水，可實(shí)現(xiàn)70%-80%的能源需求由太陽能供應(yīng)。工業(yè)過程太陽能供熱可滿足150℃要求的供熱，需要進(jìn)一步示范和可行性驗(yàn)證。
(2)開發(fā)潛力。太陽能區(qū)域供熱是一種創(chuàng)新的解決方案，比基于燃?xì)獾膮^(qū)域供熱成本更低。太陽能熱利用可實(shí)現(xiàn)夏季的需求削峰和補(bǔ)充冬季熱量供應(yīng)，與季節(jié)性儲熱和其他低溫?zé)嵩醇赡軌虬l(fā)揮良好的效果。工業(yè)過程太陽能供熱將需要解決標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)驗(yàn)證和風(fēng)險評估等問題以實(shí)現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用。數(shù)字化將有助于不同技術(shù)和設(shè)備間的集成，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、智能家居及電力和熱力設(shè)備的整體集成將使太陽能熱利用解決方案更為智能。
2、生物質(zhì)能
(1)技術(shù)現(xiàn)狀。目前生物質(zhì)占?xì)W盟終端用能的10.5%，占可再生能源消耗量的59%，75%的生物質(zhì)被用于供熱。生物質(zhì)用于空間供熱的典型規(guī)模是千瓦級，而幾十兆瓦的生物質(zhì)鍋爐則用于集中供熱，并且用來供應(yīng)熱水。沼氣和生物燃料可在鍋爐中直接燃燒供熱也可用于熱電聯(lián)產(chǎn)，生物甲烷則可注入天然氣網(wǎng)中。生物能可提供工業(yè)過程所需低溫?zé)�、蒸汽和高溫�(zé)�，是最便捷的解決方案之一。燃燒木柴、木片或生物質(zhì)顆粒的小型加熱系統(tǒng)易于使用、成本低，正取代歐洲許多地區(qū)的燃油取暖。生物質(zhì)既可用于區(qū)域供熱又可用在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)電，能源利用效率高達(dá)85%-90%。用于家庭的微型熱電聯(lián)產(chǎn)尚處于起步階段，但具備增加使用生物質(zhì)的潛力。
(2)開發(fā)潛力。除立法、監(jiān)管和產(chǎn)業(yè)等因素，生物質(zhì)能在供熱市場的發(fā)展?jié)摿θQ于：開發(fā)高品質(zhì)生物燃料;發(fā)展技術(shù)以降低成本;智能系統(tǒng)集成，通過數(shù)字和人工智能技術(shù)降低規(guī)劃、安裝和運(yùn)行的復(fù)雜性。預(yù)計2050年以后歐洲利用生物質(zhì)進(jìn)行能源生產(chǎn)的潛力為7-30艾焦。
3、地?zé)崮?/p>
(1)技術(shù)現(xiàn)狀。目前地?zé)崮苡糜诠岷椭评渲饕迷趶膸浊呒壍募彝崴?00千瓦以上的大型熱水供應(yīng)，以及區(qū)域供熱。一些創(chuàng)新的應(yīng)用如地?zé)嶂评�、融化冰雪以及海水淡化已�?jīng)得到驗(yàn)證。地源熱泵和地?zé)釁^(qū)域供熱系統(tǒng)可提供住宅所需的低溫?zé)�。地�(zé)釁^(qū)域供熱將越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)有建筑物和舊城區(qū)，地?zé)崮芎托⌒蜔峋W(wǎng)可能是單個建筑物的最佳選擇。
(2)開發(fā)潛力。未來幾十年的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是地?zé)釁^(qū)域供熱和地源熱泵的可靠設(shè)計、工程和控制能力，以保持全年將地?zé)峥沙掷m(xù)地用于供熱和制冷。對熱電聯(lián)產(chǎn)地?zé)嵯到y(tǒng)和新一代地?zé)嵯到y(tǒng)(如增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng))的進(jìn)一步開發(fā)也將發(fā)揮關(guān)鍵作用。地?zé)釋⑴c其他可再生能源整合用于建筑的能源系統(tǒng)，地?zé)崮艽鎯?如地下儲熱、埋管儲熱、含水層儲能)將被用于季節(jié)性儲能，并可用于工業(yè)余熱和太陽能的存儲。還將進(jìn)一步發(fā)展地?zé)峁嵊糜谵r(nóng)業(yè)。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)作為一項(xiàng)突破性技術(shù)將大規(guī)模發(fā)展，通過熱電聯(lián)產(chǎn)可同時提供電力和熱量。預(yù)計到2050年，地?zé)峁岷椭评湎到y(tǒng)將在歐洲隨處可見。
4、熱泵
(1)技術(shù)現(xiàn)狀。隨著部署的增加，熱泵技術(shù)正成為使供熱和制冷脫碳的能源組合的基石。同時，熱泵也是提高白色家電甚至電動汽車能效的首選技術(shù)。除了利用可再生能源，當(dāng)前的熱泵技術(shù)可以利用工業(yè)余熱、建筑和工業(yè)過程中的廢氣等。將儲熱集成到熱泵系統(tǒng)中可以彌補(bǔ)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的時間差。熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)50-70℃的溫差，將多個壓縮機(jī)組合則將克服更大的溫度差，從而將源頭溫度提升至需要的水平。壓縮循環(huán)熱泵(電驅(qū)動)將低溫可再生熱能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮�。熱�?qū)動熱泵(如吸附式冷卻器)基于熱吸附循環(huán)，利用廢熱或可再生熱能進(jìn)行制冷，其性能提升可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動溫度高達(dá)250℃。工業(yè)熱泵通常供應(yīng)溫度水平在30-50℃或55-65℃的熱量，當(dāng)前研究目標(biāo)是提供溫度為200-250℃的熱量。熱泵技術(shù)的創(chuàng)新和研究正專注于改進(jìn)組件、產(chǎn)品和系統(tǒng)，而新技術(shù)(如磁熱泵)尚處于概念/實(shí)驗(yàn)階段。
(2)開發(fā)潛力。用熱泵代替化石燃料鍋爐可以節(jié)省約50%的一次能源，用熱泵替換電加熱系統(tǒng)則可節(jié)省2/3-3/4的終端或一次能源。從系統(tǒng)角度來看，熱泵的節(jié)能潛力更大，將高效熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的鍋爐替換為熱泵，還可使廢熱能夠用于區(qū)域供熱系統(tǒng)，將地?zé)峄蛱柲苡糜跓岜脛t可為熱泵創(chuàng)造更好的部署機(jī)會。
5、儲熱
(1)技術(shù)現(xiàn)狀。在目前各種儲熱技術(shù)中，采用水作為儲熱介質(zhì)的顯熱存儲技術(shù)最簡單、成本最低，廣泛用于住宅、區(qū)域供熱和工業(yè)，采用液體和固體介質(zhì)的地下顯熱存儲也是常用的大規(guī)模儲熱方式。潛熱存儲方式能量密度更高，存儲溫度范圍更廣且可用于制冷。熱化學(xué)存儲基于放熱和吸熱的可逆化學(xué)反應(yīng)，理論存儲密度比水基儲熱系統(tǒng)高十倍，且沒有熱量損失，但該技術(shù)較新，尚需開發(fā)各種適用于市場的產(chǎn)品。地下儲熱主要用于平衡季節(jié)性供需，還可儲存中溫余熱，提高可再生能源和廢熱的利用率以及能源系統(tǒng)的靈活性。
(2)開發(fā)潛力。未來將進(jìn)一步開發(fā)或改進(jìn)大規(guī)模儲熱技術(shù)，包括：長壽命、低成本的耐高溫襯里材料;不同地質(zhì)環(huán)境下大容量、深坑或儲罐存儲的施工技術(shù);可降低熱損失并提高存儲性能的隔熱材料和技術(shù);浮式或自帶蓋子的結(jié)構(gòu)，可有效利用儲罐的頂部空間;改進(jìn)系統(tǒng)集成、液壓和控制，以優(yōu)化系統(tǒng)性能;開發(fā)工作溫度在5-15℃的相變材料，將冷庫集成到冷卻系統(tǒng)中;開發(fā)集成熱交換器的儲罐，縮小儲罐體積并提高能量傳輸率，如使用納米相變材料;通過材料開發(fā)(如中孔材料和復(fù)合材料)和組件優(yōu)化等，降低技術(shù)成熟度達(dá)到5-6級的緊湊型儲熱技術(shù)的成本;開發(fā)測試和評估方法，并將材料整合到反應(yīng)器組件中;開發(fā)新型傳感器技術(shù)以優(yōu)化控制;進(jìn)行下一代緊湊型儲熱技術(shù)的示范;開發(fā)新型相變材料和鈦復(fù)合材料、反應(yīng)器和系統(tǒng)集成技術(shù)，用于工業(yè)中、高溫儲熱。
6、區(qū)域熱網(wǎng)
(1)技術(shù)現(xiàn)狀。目前歐盟已部署了6000多個區(qū)域熱網(wǎng)，滿足歐盟11%-12%的供熱需求，北歐、東歐等氣候較冷國家對區(qū)域熱網(wǎng)的應(yīng)用較多。第四代區(qū)域熱網(wǎng)正開始取代第三代技術(shù)，這是一種低溫區(qū)域熱網(wǎng)，其在熱量分配過程中可減少熱損失，改善熱量供應(yīng)和需求的熱品質(zhì)匹配，降低熱應(yīng)力和燙傷風(fēng)險。低溫區(qū)域熱網(wǎng)還有助于提高熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的電熱比，并通過煙氣冷凝回收廢熱，提高熱泵效率，增強(qiáng)對低溫余熱和可再生能源的利用。
(2)開發(fā)潛力。預(yù)計到2050年，區(qū)域熱網(wǎng)可以滿足歐洲近一半的供熱需求。城市將是區(qū)域熱網(wǎng)的最佳應(yīng)用地區(qū)，可收集城市景觀中的低等級廢熱作為區(qū)域熱網(wǎng)的熱源。區(qū)域制冷是技術(shù)成熟的新興行業(yè)，具備強(qiáng)勁的增長潛力。可再生能源電力驅(qū)動的大型熱泵將越來越多用于區(qū)域熱網(wǎng)。工業(yè)和商業(yè)產(chǎn)生的大量余熱也可作為區(qū)域熱網(wǎng)的熱源，提高能源利用率。區(qū)域熱網(wǎng)還可作為一種有效的儲能方案，吸收過剩的可再生能源電力以平衡電網(wǎng)。