• 中國城鎮供熱協會



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    2021年4月16日下午,“碳達峰碳中和與供熱發展”系列直播百家講壇第二講通過網絡直播的形式成功舉辦。中國工程院院士、中國城鎮供熱協會(以下簡稱協會)副理事長、技術委員會主任委員江億在會上作了關于“城鎮供熱系統的碳中和路徑”的主題演講。他對能源結構面臨的問題進行了分析,表示碳中和是新時期發展的重大戰略,徹底改變能源結構是解決問題的根本途徑??偨Y提出能源的“四個革命”和“一個合作”:即能源供給側革命、能源消費側革命、能源技術革命、能源政策和機制革命;加強能源領域的國際合作。提出我國北方城鎮零碳供熱的基本思路、實現未來零碳供熱的核心技術、目標的路徑及所需要的政策機制。





    課件內容分享如下:

    尊敬的各位線上同行,各位朋友,下午好。

    感謝這個機會,通過線上平臺能跟大家一塊來談供熱系統怎么去實現碳達峰、碳中和這件事兒,我想這件事是中國未來40年社會經濟該如何發展的一件大事。

    去年9月22日,習近平總書記在聯合國大會上莊重的向全世界宣告中國要在2030年以前達到碳達峰,力爭在2060年實現碳中。給出未來能源革命的最終目標及清晰的時間表,為今后這40年該怎么做指明了方向,這對中國的各方面社會經濟發展產生巨大的影響,對我們的供熱行業也會產生特別大的影響。所以今天就這件事談一談我的一些初步看法。

    先談為什么要低碳發展?目的是什么?然后講未來怎么實現碳中和。對于供熱系統來說,到底未來熱源該是什么樣的?實現碳中和目標路徑,以及最后達到所需要的政策機制。


    首先,怎么看待碳達峰碳中和?我覺得它是新時期發展中央提出的重大戰略。中央全會上說,碳達峰碳中和是中央政治局經過深入研究作出戰略決策,關乎中國未來大的發展。我們用了很多年的傳統能源,不管是從工業革命開始,進入煤為主的能源時代,那么這么多年使用能源的時候逐漸就出現了一直面臨著的三大問題:一個是能源安全問題,一個是大氣污染問題,一個是氣候變化的問題。

    第一能源安全問題,我們國家主要以煤為主,產在地底下,地底下有還行,但隨著說要解決污染,把煤減少,用油、用氣來替代,可是油氣資源不足,現在的石油進口占我們用油量的70%,天然氣的進口占我們用氣量的40%,而且如果以后繼續增大天然氣的用量,進口量還會增加。

    這么一個大國大比例油氣都依賴于進口,實際是對國家安全存在問題,尤其是目前的這種國際形勢,從上世紀70年來,各種各樣的國際問題,大都與石油天然氣相關,都圍繞能源問題展開。如果大比例油氣依賴進口,長期發展將面臨許多難題。

    第二個是大氣污染問題,隨著老百姓生活水平提高,大氣的質量成為了影響美好生活的一大問題。中央多次提出要打贏藍天保衛戰,經過這么多年的努力已卓有成效?,F在北京離35微克的目標已經不是太遠了,去年應該是四十幾微克,但是35微克每立方米的空氣,就能夠實現人類健康生活的模式嗎?如果去問世界衛生組織,它就會告訴你真正健康的大氣環境,這pm2.5應該在15微克以下。按中國目前的人口聚集密度,現在能源使用的密集程度,像河北省世界鋼產量中國第一,河北第二,唐山世界第三,美國世界第四。這種能源密度就不可能達到15微克的標準,35微克都很難實現。要徹底的解決大氣污染問題,打贏藍天保衛戰爭,給老百姓一個干凈的健康的空氣,就得徹底解決化石能源問題。

    第三個問題是氣候變化問題,由于人類大量使用能源導致二氧化碳排放量高,如果二氧化碳濃度再繼續增高,太陽透過大氣照到地面上,使得地球的溫度再升高,導致雪山融化、海平面上漲,生態環境發生變化,使得大量的物種消失,會帶來很多的問題。

    按照現在觀測到的情況,本世紀到今年是21年剛過去,這21年里面出現的各種各樣極端氣候狀況的總數,已經超過了上世紀100年記錄的總量了。這些都明顯的說明了氣候變化是一個客觀事實,而且它的原因,中國科學研究院都給它分析到,是因為人們使用化石能源燒火,導致排的二氧化碳的總量太多,所以現在燒火取能就面臨三大問題,不解決這三大問題,很難實現人類長治久安,也不能實現建設美麗中國,建設人類美好家園的目標。所以最核心最根本的徹底改變能源結構,是解決問題的根本途徑。

    怎么改變?把現在燒煤、燒油、燒氣這種能源結構變成零碳能源。把能源結構用現代的化石能源結構變成沒有碳的能源系統。

    什么是沒有碳的能源系統,現在看可以找到的是水電、風電、光電、核電這4大類電,還有唯一的生物質能材料。這是未來的可以用的零碳能源。以后我們干的事都能夠依賴在這零碳能源上,就可以徹底擺脫對化石能源的依賴。

    零碳能源最大的特點是什么?除了核電之外,其他都來自于太陽,它只要太陽系存在,就永遠都有風電、光電、水電、生物質能。所以它屬于可持續發展能源。

    這樣改變了能源結構,就會發現我們能源領域不再是靠燒火、燒燃料變熱,然后再發電,而改為一切都從電來,就不存在由于使用化石能源帶來的大氣污染,就徹底的把霧霾的問題解決了,也就把氣候問題解決了。

    所以,能源結構徹底的改變,由風電光電、水電、核電和生物質能替代化石能源,就能夠徹底的解決安全能源問題和氣候變化問題。

    怎么才能實現?

    這就是習近平總書記在2014年提出來的能源的4個革命和一個合作,這4個革命講的是供給側革命,消費側革命、技術革命、政策和機制革命,加強能源結構領域的國際合作。這是2014年在中央財經工作領導小組中的一個報告,以后有多個中央文件又強調了這件事。

    能源領域的提出了革命,而且4個革命。什么是革命?一定是把以前的方式的體系給它徹底推翻了,改成一種完全不一樣的新的體制新的方式,這才叫革命,所以這就給出來,我們到底怎么實現低碳和碳中和,就是要通過能源的4個革命和一個合作的手段來實現未來的碳達峰、碳中和。核心目的就是改變能源結構,所以要從產能就得變。而且用能側也得變,然后整個的相應的技術就完全不一樣了,所以需要是新的技術體系來支持,就是技術革命,然后配套的是政策機制,所以全方位的從產到銷到中間過程到技術手段到政策機制全面的一個革命,這才能夠完成這件事兒。

    能源革命的目標是什么呢?就是實現零碳,現在2030年碳達峰,然后逐年下降,下降到2060年碳中和。就是說能源系統要么一點碳不排了,要是排,二氧化碳排出來的總量必須小于或者等于各種碳匯吸附的二氧化碳總量。

    什么是碳匯呢?比如森林、莊家、沙漠、濕地之類吸附量。按照國家有關部門統計,現在我們每年使用化石的排放量大概應該是97、98億噸,大約就在100億噸這個數上。而現在碳匯實際還在統計核算,現在初步的比較粗糙統計,是一年能吸附12億噸。以后再進一步擴大碳匯的建設,按照生態環境部來分析的,他們說將來到2015年碳匯能發展到15億噸,差80億噸。所以我們到2060年還有40年,就得在滿足社會和經濟發展人民生活水平提高了前提下減少通過使用能源導致了排放,減少85%,從100億噸減到15億噸。是一個巨大的挑戰。只有通過革命性的辦法把這方式系統徹底改變,才能實現減排85%這樣一個宏偉的目標。這就是中央提出來的戰略目標、時間表、任務,而且是一個在以前想幾乎是不可能實現的一個任務。所以這個目標引起了社會各界的高度重視,現在的國家各個部門也都在做積極根據地方特點做各自的碳達峰碳中和的方案、路徑、規劃。

    對于供熱人,也是提出來的一個新的目標,又要滿足城市發展最終的要求,同時還要把由于供熱熱源導致的二氧化碳排放給降下來,就看這個事該怎么做。

    應該先研究未來實現碳中和到底是什么樣的,想清楚然后再規劃設計。在轉換的過程中也得滿足供熱工作增長的要求。整個國家整個社會都在向碳中和發展。而我們又跟電力系統、工業生產、城市建設,跟這些息息相關,因此我們應同步發展,同步實現能源轉型。

    整個國家的能源結構到時候該是什么樣的?第一條就是以電為主,現在2019年中國消耗用電量是7.5萬億度,將來我們分析要實現碳中和,電量增加了,好些東西都轉變了,之后分別按工業、交通、建筑各行業統計下來,考慮到未來的逐步發展,考慮到未來中國 GDP300萬到400萬元,那時候大概12萬億度電。

    火電的發電量也少了很多,這二氧化碳怎么辦?就可以用這個叫做ccs的辦法,把二氧化碳從煙氣里邊給它分離出來,之后再給它處理掉?,F在好些機構都在研究這塊。比如說通過電的,二氧化碳分步驟分離,分解成一氧化碳跟氧氣,然后一氧化碳就可以進一步做乙烯,做合成氨,這就是變成化肥,變成咱們身上穿的衣服,變成好些材料了。

    面對能源結構基本的原則是因為即使有ccs這樣的話,它能夠分離出來能夠用,但是里面的加工目前很長,投入也很大很麻煩,所以還是盡可能減少這一塊煤油氣的使用。這么一來油氣限制在非用燃料不可的地方,能用電盡可能優先用電。這是未來零碳社會的一個基本的指導原則。

    還有一個冬夏季節差的問題,比如說到冬天水電面臨著少得多的一個狀態。比如說黃河水,黃河上游有大量的豐富的水利資源的發電的水電站,但是到了冬天,黃委會會嚴格控制黃河的最大流量,為什么呢?如果黃河流量增加,就導致經過山西境內的這一段結冰,結冰之后底下流量在大會把冰頂起來,就造成冰凌災害,把兩岸的房屋都得給擠塌了。所以為了避免冰凌,黃河上游嚴格控制黃河最大流量。

    還有長江流域,還有從北往南的三江流域,到冬天的數量都少了,因為它的水主要來自于青藏高原的雪山,雪山融化慢,所以水流量大幅度減少。這樣一來幾大江河領域水利水電,冬天不到夏天的40%。所以冬天的水電要少。

    中國如果整個國土也將來都按可再生電力供應的話,一定會出現同樣的問題,就是夏天變多了,冬天變少了。太陽能光伏也是這樣??墒窃購挠秒妭葋碚f,冬天夏天對電力需求的兩個行業看,冬夏差不太多,春天秋天電力需求少,春節的時候電力需求少要放假,其他的時候電力需求差不多,這兒需求側基本沒有季節變化,而供給側明顯的冬天少夏天多,這樣就出現了一個冬夏季節差的問題。

    此外冬天我們干這行還需要供熱,還有大概全國有50億吉焦熱源的需求,所以這也是未來電力的變化的特點,剛才說的這個特點跟以煤為主的時候,電力策略很不一樣?,F在是夜里電多,白天電少,冬天電多,夏天電少,將來改成零碳電力的時候,這些矛盾都反過來,變成冬天電缺,夏天電多,晚上電缺,白天電多。以后實現由燃料改為可再生電力。所以我們一定要充分考慮到未來的變化。

    這個就是一年的中國用電狀況。藍的是核電,橙色的是風電,灰色是光電,黃的就是水電,整個都疊加起來就變成了夏天多冬天少的狀況。風、光、水、核基本上就能滿足電力需求,但到冬天就出問題了,電該從哪來?這就面臨問題??缂竟澬钅苁且环N做法,但投資太大。第二種做法,增加風電光電,又會導致重大的投入,大概投入幾萬億的增加,就冬天用,總覺得有點浪費,不合適。

    第三個方案就是留點火電,就在冬天,靠火電少數增長2000多小時解決缺口的不足,通過冬天用火電采用ccs再回收和儲存冒出來的二氧化碳,這種就行了。再具體點算的就是6億千瓦的火電,燒1.5億噸生物質能,1000億立方米的天然氣,1.5億噸的標煤。這就解決了冬天的缺口,但是,同時我們火電廠要用熱電聯產的方式,還可以把它的余熱給它好好收集起來,這樣6億千瓦的火電起碼有3億在北方,能提供4.5億千瓦的余熱,就成了特別好的熱源,又解決了建筑冬天供熱的事兒,并且有這些個火電,趕上沒有太陽或者是沒有風的時候,也可以給他臨時點起來,可以保證安全可靠穩定的電力供應,也是特別重要的大好事。

    電力系統規劃好后,再看到底有多少熱源。這5億千瓦的熱量呢能夠給160億平米建筑,再拿燃氣,調峰,來解決40多瓦的高一點的那點事兒。算一下有160億立方米的天然氣,我們這個要求所以這樣就差不多了。這就解決了160億平米的天然氣就能滿足要求。

    現在中國有150億平米的房子合作,未來的大概是200億城鎮建筑,那么剩下的40億就可以采用多種熱源方式,比如說電驅動的空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵,還有好些工業低品位余熱,包括垃圾焚燒,包括數據中心的熱量等等,都可以拿來作為我們供熱,就會形成一個新的格局,160億平米,靠熱電聯產和末端燃氣調峰。剩下的40億平米,大概靠多種熱源驅動的熱泵、工業余熱等等解決,形成一個新的供熱格局,同時把現有的地下國有資產盤活,持續用好。

    這里我要講一下核電的事?,F在連核電帶一些大火電這一圈是有5000多萬千瓦的電力電廠,預計將來會到1億千瓦,包括唐山有火電,還有鋼廠曹妃甸,擱在海邊很重要的一個目的都是為了海水冷卻,大量的余熱就都排到海里去了。要是拿這些余熱做海水淡化,因為都是嚴重缺水地區。中國除了西北不缺水,實際海邊更缺水,要是海水淡化,讓它產生95度左右的熱淡水,又有熱又有水了。相當于是我做集中供熱,從電廠把余熱取出來,相當于是零能耗海水淡化了。

    再經過末端的水熱分離,就能一邊產生出10~15度的淡水,用于自來水公司的高質量淡水,同時產生了用來給城市供熱的熱量,就都解決了,這個叫做水熱聯產,水熱同送和末端的水熱分離。這樣做會有多大的量?分析計算一下,一冬天能產生35億噸淡水,其熱量能夠滿足40億平米的建筑冬天供熱。這一片建筑采暖的熱源也都解決了,這是激動人心的一個大事,能夠解決人口密集區淡水供應問題和熱源問題。

    這件事兒提了有六七年了,去年年底在一些企業的支持下,已經在這兒海陽核電站,搭出來一個示范系統,利用海陽核電站的余熱,加海水淡化,送到10公里以外生活區。所以這事就能實現成功輸送,經濟性還挺好。

    現在說如果能建設大型的跨季節儲熱裝置,那么這一系統就全年運行,全年提供淡水了,還是做海水淡化。做出了90度的淡水,用一根管輸送到城市附近,上面進熱水,底下取涼水。夏天春天秋天的時候就可以不斷的把灌涼水完成。

    到了秋天冬天,這里面都成熱水了,涼水是持續不斷的往城里頭供,然后等到開始供熱的時候就該改成什么了呢?還是繼續這么多熱淡水過來,但是這兒就有兩倍或者三倍的熱淡水出來,經過水熱分離變成涼的淡水,一部分返回到水庫,一部分接著向城里供水。同時另一側換熱。

    這樣在冬天的時候可以出三倍的熱量,然后全年持續的供淡水。這樣一來就把這個核電站全年排的余熱都有效用上,但是得有一個大的跨季節的蓄熱裝置。

    這個算一下還是剛才的一億千瓦的核電站,這樣一年就能產生100億噸淡水,同時為100億平米的建筑供熱。當然這個事兒成本挺高的,尤其是大型跨級蓄熱,要是能做好了,整個工程成本投資大概是為南水北調,加全面的熱電聯產解決這么多問題,就是50%,當然總投資也得過萬億,還不包括核電的投資,可是我一年我能出100億噸淡水,這100億平米的熱,一平米才攤50塊錢的投資。所以看著這1萬億不得了,但是他管的量大,算下來各種單耗的投資就低得多了,這樣一來就有可能解決我們國家北方沿海地區水資源問題和零碳供熱問題。

    大型跨季節蓄熱又該是什么樣裝置?各國各地都是想辦法創新,這可能是未來低碳的一個很重要的技術措施。

    整個咱們國家北方城鎮實現零碳供熱的基本思路,包括這樣幾個熱源,一個就是開發利用沿海地區的核電,也包括火電鋼鐵廠的余熱,通過余熱經過海水淡化制備熱淡水,實現水熱聯產、水熱同送、水熱同蓄、水熱分離。這樣通過建設若干個大型跨季節蓄熱裝置,就可以利用沿海的熱源供80億平米,然后再開發利用北方留下來的3億千瓦的火電,也是通過蓄熱和這全部回收這些余熱,又解決另外80億平米建筑的供熱。

    為了實現這個目標,我們需要我們解決這幾項核心技術。首先是跨季節蓄熱的技術,用它收集核電的、水電廠的余熱,包括垃圾焚燒的余熱,大跨度蓄熱最大的問題就是時間太長了,怎么能夠避免大的熱損失比較多,其核心要點就是得大,只要把單體蓄熱池子裝的一千立方米以上,深度大于30米,再把上面給蓋上,散熱只是邊上少的散熱量,那么這樣跨一年也不會造成太大的熱損失,相對來說是應該就在5%不超過10%。

    再一個就是造價必須低,每立方米的體積的造價必須在50塊錢以內,否則的話成本太高受不了。尤其是現在土地變得昂貴了,怎么才能降低土地的費用?比如正好是山溝,也不用減少土方量,怎么收拾收拾,能夠使得把單方造價控制下來,這個是一個需要解決的題目。

    第二個,降低回水溫度。

    現在看來,無論是哪種熱源都得要求有盡可能低的回水溫度。怎么能把回水溫度都降低,就是吸收式換熱器,能夠依靠來的較高的供水溫度來實現較低的回水溫度,而不消耗其他的能源電。已經在山西、太原推廣開了。

    再一個,得花點電,利用電能熱泵直接把回水溫度降低,然后把熱量給它提起來,做局部的供熱,但是得耗點電。這件事兒看來怎么強調也不過分,一定是為了來實現零碳供熱,要需要突破、普遍普及的一個關鍵的核心技術。

    第三點就是高效回收各類低品位余熱技術,怎么把熱從系統里拿出來給供熱用,包括剛才說余熱驅動的海水淡化,制備熱淡水等技術,這些里邊還有大量的工作需要細致來做,來使得這些余熱能夠被有效的回收。這是三大方面的核心技術。

    此外把這房子弄好,加強保溫,加強建筑維護結構的保溫也是很重要的,進一步降低對熱量的需求。

    再一個呢就是加強末端的調節,通過樓宇式換熱站方式改善調節,徹底扭轉目前一些房間里冬天過熱現象。實現樓里邊大流量小溫差,實現溫度均勻,而反過來又實現了外網的小流量大溫差。更重要的可以實現供水溫度分棟可調。因為房子一個概念它不太一樣,有的保溫好,有的差,有的就需要高溫,有的是地板。避免樓與樓之間的分布不勻。還有一個非常大的收益??梢杂行У臏p少樓里邊的管道跑水。

    那么進一步剛才說要降低回水溫度,現在還有樓宇式的吸收式換熱站,還能把回水溫度都降下來,可以很準確的實現線性調節,根據需求來調控,實現精準的控制。

    這是200千瓦換熱量的樓宇式換熱站,應該在未來好好推廣。

    這里給出來一個典型的運行實測曲線。

    零能耗海水淡化,這未來可能應該是主要的一項技術。要實現靈活加熱,而且高效加熱過程,這里邊的核心問題,就是低回水溫度。下面一個就是要更關注回收煙氣里面的余熱,尤其是潛熱。

    怎么讓我們余熱回收余熱利用的技術能夠跟以電定熱模式結合起來,還有好些創新的工作有待于發展研究。

    從目前現狀怎么能一步一步走到理想的未來?總結出實現未來供熱碳中和的四大任務,一大任務,建筑的結構改造。第二,末端提高調節性能,降低回水溫度的改造。再一個就是深度挖掘電廠的工業余熱等等各種熱源,還有區域供熱管網的規劃改造。

    這四大的任務該怎么分期分步的實施?

    首先,節能改造,建筑的節能改造。與當地政府配合協調,根據綠色金融支持分步實施。

    第二個降低回水溫度的改造,是中國企業可以自個干的事兒,逐年實施,一步一步做好。

    第三,是熱源的進一步開發跟余熱的深度回收。要根據城市開發發展情況同步進行。

    第四,管網的規劃和改造,得根據未來的布局,提前做出區域管網規劃,避免重復建設和大改動。

    要做成這事兒,必須有政策機制。必須通過一個更好的政策來激勵起供熱企業和熱源企業雙方的積極性。改變一個熱量計價方法。以前的計價熱量是流量乘以供水溫度減回水溫度,咱們現在逐漸控制的統一,就定在40度的,把計量方法變得更簡單了。

    末端的供熱計量,這件事盡管用了20多年了,實際有好些的問題,其根本問題是什么呢?其根本問題是因為我們的房子質量不同,有的保溫很好,有的保溫很差,耗熱量也很高,按照熱量收費的原則,耗熱量高的就得多交熱費,可是恰恰又是低收入群體的人住在這些保溫不好、高熱耗的房子里頭。如果是完全按照熱量收費來做的話,就會導致住在新的商品房相對收入高的社會群體,降低了熱費負擔。反之住在條件差、老房子保溫不好的低收入群體,他就增加熱費,所以實際推行不開的原因。

    那么怎么改?由政府根據情況,對于老舊的高能耗、低收入小區給予精準補貼,由政府基金來承擔,政府選擇做政策補貼,或者把這些房子納入改造計劃。

    對于2000年以后蓋的商品房按說都應該滿足建筑節能標準,這是屬于低熱耗的小區。如果出于各種原因,不知道這種標準,還弄成高能耗,應該是開發商自己的責任,通過這樣以小區為單元為基本單元,計費的這件事兒慢慢的逐漸在推進中國的供熱收費計量改革這件事兒。

    總的來說,中國要實現供熱系統零碳改造,就要從中國的現實情況出發,然后向零碳目標推進,科學規劃、分步實施。先于房屋建設達峰,與電力系統同步實現碳中和。

    好,謝謝大家。

    本文經本人同意,根據錄音整理


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    趕緊補課~



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