我國工業(yè)用熱電氣化面臨的挑戰(zhàn)及對策建議

通過加快技術(shù)裝備研發(fā)攻關(guān)，有序開展低溫?zé)岜猛茝V與應(yīng)用，建立多能互補協(xié)同機制等一系列措施促進我國工業(yè)用熱電氣化的推廣，加速工業(yè)綠色低碳發(fā)展的進程。

近日，國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運輸部、國家能源局等部門聯(lián)合印發(fā)《推動熱泵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動方案》，明確了加快推動熱泵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的總體要求和重點任務(wù)，從熱泵推廣應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)提質(zhì)升級、完善支撐保障三個方面作出系統(tǒng)部署，以期推動建筑、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運輸?shù)戎攸c領(lǐng)域節(jié)能降碳，促進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型。熱泵作為工業(yè)用熱電氣化的一項關(guān)鍵技術(shù)選項，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景，對我國工業(yè)綠色低碳發(fā)展至關(guān)重要。

現(xiàn)階段，我國工業(yè)用熱約占全國熱力消費總量的3/4，是我國熱力消費的主要領(lǐng)域，且工業(yè)供熱以化石燃料為主。隨著我國工業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，用熱需求逐年上升，加強用熱過程的電氣化是推進工業(yè)部門降碳的重要舉措。以工業(yè)熱泵和熱電池為主的工業(yè)用熱電氣化技術(shù)在技術(shù)經(jīng)濟、能耗和碳污排放控制方面已具有優(yōu)勢。然而，推動工業(yè)加熱的電氣化仍存在諸多挑戰(zhàn)，能源價格之間的差異、電氣化設(shè)備的可用性以及供需矛盾等方面的困難嚴重限制了我國工業(yè)用熱電氣化的進程，亟需以減污降碳協(xié)同治理為抓手，通過加快技術(shù)裝備研發(fā)攻關(guān)，有序開展低溫?zé)岜猛茝V與應(yīng)用，建立多能互補協(xié)同機制等一系列措施促進我國工業(yè)用熱電氣化的推廣，加速工業(yè)綠色低碳發(fā)展的進程。

一、工業(yè)用熱現(xiàn)狀

1.用熱需求涉及絕大多數(shù)制造業(yè)且以 中高溫用熱占主導(dǎo)

行業(yè)用熱需求方面，黑色金屬、化學(xué)和化工產(chǎn)品、非金屬礦物、石油煉制和煉焦行業(yè)是工業(yè)用熱需求量較大的行業(yè)，需求量分別約為5.8億、3.75億、2.39億、2.05億噸標(biāo)煤。有色金屬、食品飲料和煙草、紡織、機械、造紙印刷等行業(yè)用熱需求相對較低，需求量分別為約為0.34億、0.34億、0.34億、0.17億、0.17億噸標(biāo)煤。工業(yè)用熱溫度分布方面，工業(yè)用熱需求呈現(xiàn)連續(xù)性特征，且對溫度參數(shù)要求較高，熱量需求大。其中，高溫用熱（超過 1100^°C ）占總用熱的 30% 集中于黑色金屬和非金屬礦物行業(yè)；中低溫用熱（ 150～300^°C ）占總用熱的 27% ，集中于黑色金屬、石油煉化和焦化行業(yè)；低溫工業(yè)用熱（低于 150^°C. ）占總工業(yè)用熱的26% ，集中于化工和石油精煉，食品、飲料和紡織等其他行業(yè)。

2.工業(yè)供熱以化石能源為主且電氣化改造潛力較大

從能源結(jié)構(gòu)的角度來看，我國工業(yè)用能以化石能源為主。2023年，我國煤炭消費量為31.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中發(fā)電用煤增長5.1% ，鋼鐵、建材、化工行業(yè)用煤分別增長 3.1% 、 0.1% 、 ，在制造業(yè)中，化石燃料作為終端能源的使用占比約 70% ，而電力僅占 24% 。供熱作為制造業(yè)用熱主要方式，涉及從金屬冶煉到不同材料和化學(xué)品的加熱、干燥和蒸餾等多種工藝流程。從電力清潔化角度來看，電力能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化。風(fēng)電、光電等新能源發(fā)電近年來在工業(yè)用能中的比重逐年上升，目前清潔能源發(fā)電裝機容量占比已達 53.9% ，電力清潔化程度不斷提升。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計顯示，電解鋁行業(yè)的清潔能源使用比例已達到24.4% ，石化化工等行業(yè)也在加快探索綠氫規(guī)?；?，綠色能源正逐步成為工業(yè)能源消費的重要組成部分。

3.工業(yè)用熱電氣化存在多種技術(shù)選項

近年來，熱泵、電阻式電鍋爐和熱電池等用熱電氣化技術(shù)在國內(nèi)外已廣泛適用于工業(yè)行業(yè)。其中工業(yè)熱泵作為一種主動熱回收裝置主要用于工業(yè)過程中的熱回收和熱升級，是替代化石能源低溫?zé)崮埽ǖ陀?00^°C^? ）的首選供熱技術(shù)，已在農(nóng)副食品加工、食品制造、紡織、木材加工、造紙、設(shè)備制造和汽車制造等行業(yè)得到應(yīng)用。電阻式熱鍋爐采用高阻抗管形電熱元件加熱的電熱設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、熱效率高等特點。基于電熱鍋爐的低谷電蓄熱系統(tǒng)是對在工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)燃煤鍋爐的良好替代。熱電池又稱熱能電池，可將電能轉(zhuǎn)化為熱能，并可儲存數(shù)小時至數(shù)天，可提供達 1700^°C 溫度的熱量。

4.工業(yè)熱泵在低溫需求領(lǐng)域成本優(yōu)勢 明顯

從經(jīng)濟性方面看，低溫工業(yè)熱泵展現(xiàn)出明顯的成本優(yōu)勢。 80～100^°C 低溫工業(yè)熱泵的平準(zhǔn)化成本為260元 /MWH_th ，即每兆瓦時（熱）的價格是260元，比燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)低 15% ，比天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)低 20% ，比天然氣鍋爐制熱便宜 27% ，比電鍋爐制熱便宜 60% 。但對于 100～165^°C 的工業(yè)用熱，使用工業(yè)熱泵制熱的平準(zhǔn)化成本約為391元 /MWH_th ，較 80～100^°C 運行的熱泵高出約 50% 。熱電池平準(zhǔn)化成本為314元 /MWH_th ，電鍋爐平準(zhǔn)化成本為659元／MWH_tho 從技術(shù)成熟度方面來看， 80^°C 以下的低溫工業(yè)熱泵的市場穩(wěn)定性已得到了驗證， 80～100^°C 低溫工業(yè)熱泵已實現(xiàn)商業(yè)化推廣， 100^°C 以上的工業(yè)熱泵技術(shù)仍處于進一步研發(fā)與完善階段。熱電池目前僅小規(guī)模生產(chǎn)，尚未規(guī)?；a(chǎn)與推廣應(yīng)用。電鍋爐方面雖然技術(shù)相對成熟，但由于其能耗過高，在能源成本壓力下，逐漸被其他供熱方式所替代，僅在一些對供熱穩(wěn)定性要求極高且對成本不太敏感的特殊工業(yè)場景中仍有使用。

5.工業(yè)熱泵在節(jié)能減污降碳方面成效顯著

從能耗方面看，工業(yè)熱泵的能效位居前列。低溫工業(yè)熱泵的單位產(chǎn)熱能耗僅為燃煤鍋爐的 20% ，高溫工業(yè)熱泵僅為燃煤鍋爐的 1/3 ，高于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、電鍋爐和熱電池等其他替代品。電阻式電鍋爐、熱電池等非熱泵技術(shù)效率差異較小，在溫度較高和沒有余熱回收的應(yīng)用中，電阻技術(shù)相對于燃燒技術(shù)的效率具有顯著優(yōu)勢。從二氧化碳和其他污染物排放方面看，工業(yè)熱泵是降低工業(yè)用碳強度和污染物排放的途徑。將發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳排放量計算在內(nèi)，低溫0 80～100^°C， ）工業(yè)熱泵的二氧化碳排放量分別比天然氣、煤炭和電鍋爐低 26% 、 60% 和 73% 。對于溫度較高（ （100～165^°C） ）的工業(yè)熱泵，每單位熱量的二氧化碳排放量分別比燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組、燃煤鍋爐和電鍋爐低 21% 、 33% 和 55% 。工業(yè)熱泵能顯著減少5種污染物（ NO_X， SO_X， PM₁₀ 和PM_2.5， ）排放，而熱電池則能減少3種污染物 ΔSO_X， PM₁₀ 和 PM_2.5. ）排放。

二、工業(yè)用熱電氣化發(fā)展?jié)摿兔媾R的主要挑戰(zhàn)

1.輕工業(yè)等低溫用熱行業(yè)需求巨大

工業(yè)熱泵可滿足約 15% 的工業(yè)供熱需求。據(jù)國際能源署和清華大學(xué)測算，若熱泵的供熱溫度達 200^°C ，則能夠滿足中國 15% 的工業(yè)用熱需求。食品和飲料、紙漿和造紙、金屬制品、塑料制品、紡織品和木制品等輕工業(yè)是工業(yè)供熱的主要需求方，其中造紙與化工行業(yè)熱泵部署方面的潛力巨大。如造紙和化工行業(yè)分別約有 55% 和 18% 的供熱需求可由熱泵滿足，按照2022年的能源需求計算，造紙行業(yè)的熱泵容量將達2000萬～3000萬千瓦、5500萬 ～8500 萬千瓦。有色金屬與非金屬工業(yè)方面，若能夠替換200^°C 以下工業(yè)用熱，工業(yè)熱泵每年可節(jié)能1.74億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，在非化石能源發(fā)電量分別占比 34% 、 50% 、 70% 的情境下，分別減少3.261億、4.018億、4.965億噸二氧化碳排放量。

2.高成本是制約規(guī)模化發(fā)展的首要因素

在能源成本方面，燃煤鍋爐供熱平準(zhǔn)化成本最低，煤炭與電力之間的成本差距是制約電氣化轉(zhuǎn)型的因素。雖然電加熱在工業(yè)供熱方面的效率高于燃煤，但煤炭的單位能耗成本僅為電力的1/5，煤炭能耗成本仍低于電力。盡管熱泵和熱電池可通過效率提升縮小成本差距，但由于熱泵和熱電池僅在特定條件下具有成本競爭力。煤炭通常仍能保持價格優(yōu)勢。運營成本方面，燃煤鍋爐最低，其次為工業(yè)熱泵和熱電池。其中，80～100^°C 的工業(yè)熱泵與燃煤鍋爐運行成本相近， 100～165^°C 的工業(yè)熱泵、熱電池、電鍋爐運行成本分別是燃煤鍋爐的2倍、1.5倍和5倍。

3.技術(shù)受限是制約工業(yè)用熱電氣化轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心難題

目前，熱泵是工業(yè)用熱電氣化較為成熟的技術(shù)，但 140^°C 以上的高溫?zé)岜眉夹g(shù)尚未成熟，僅在少數(shù)特定的小型系統(tǒng)中有所應(yīng)用。工業(yè)熱泵所需的空間較大，應(yīng)用場景受限。以現(xiàn)有機組為參照，1000千瓦的熱泵重10噸，平均需要17平方米的空間，而類似容量的燃氣蒸汽鍋爐只重5噸，需要6平方米的空間。除了熱泵技術(shù)外，熱電池等新技術(shù)處于商業(yè)化早期階段，高溫等離子體加熱技術(shù)等仍處于實驗室階段或小規(guī)模試點應(yīng)用，尚未能大規(guī)模供應(yīng)市場。電磁采暖技術(shù)、相變儲熱采暖技術(shù)等部分新興電氣化供熱技術(shù)，出現(xiàn)控制系統(tǒng)故障、加熱元件故障等情況較為頻繁，嚴重影響設(shè)備正常運行。目前，維修人員需具備儲能材料、熱交換等多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，專業(yè)門檻較高；另外，生產(chǎn)廠家售后維修網(wǎng)點分布極為稀疏，難以覆蓋廣大用戶區(qū)域。此外，部分部件具有特殊性，如智能相變電儲熱模塊，其生產(chǎn)與供應(yīng)均受廠家制約，市場上難以尋覓適配的替代品。不同廠家的相變儲熱設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件選用上尚未統(tǒng)一，影響工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性，降低了供應(yīng)側(cè)對工業(yè)用熱需求的保障能力。

4.工業(yè)用熱需求多樣性與標(biāo)準(zhǔn)適配性問題突出

不同工業(yè)行業(yè)的用熱需求差異巨大，即工業(yè)用熱需求呈現(xiàn)多樣性特征。例如，化工需要高溫高壓蒸汽，食品加工需要精準(zhǔn)控制低溫?zé)?，而現(xiàn)有電氣化解決方案針對性不足，通用設(shè)備用于特定行業(yè)可能效率低或無法滿足工藝要求。工業(yè)生產(chǎn)的周期性和市場波動導(dǎo)致用熱需求不穩(wěn)定，在很大程度上也增加了熱需求預(yù)測的難度。工業(yè)生產(chǎn)通常具有周期性，旺季用熱需求較大，淡季用熱需求則相對較??；市場波動也會通過生產(chǎn)計劃調(diào)整最終影響生產(chǎn)用熱需求，如某些行業(yè)的原材料價格波動、產(chǎn)品市場需求變化等。值得注意的是，目前工業(yè)用熱缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)因為難以評估技術(shù)設(shè)備的性能適用性，導(dǎo)致選擇供熱技術(shù)設(shè)備面臨很大挑戰(zhàn)；而在供熱設(shè)備市場上產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，擾亂用熱需求側(cè)選擇，加劇供需錯配。

三、促進我國工業(yè)用熱電氣化發(fā)展的對策建議

1.加大先進技術(shù)裝備研發(fā)攻關(guān)

建議發(fā)揮國家重點研發(fā)計劃等中央財政科研經(jīng)費等引導(dǎo)作用，支持開展復(fù)雜工況與新興余熱利用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，重點支持高溫超導(dǎo)材料、高性能的換熱材料、隔熱材料和壓縮機材料等關(guān)鍵部件材料研發(fā)。加快研發(fā)新型壓縮機和高效換熱器，提高100～165^°C 的工業(yè)用熱的穩(wěn)定性。重點突破熱泵在低溫環(huán)境下的高效運行、余能回收的高效轉(zhuǎn)化等技術(shù)難題，提高技術(shù)水平和設(shè)備性能。依托首臺（套）重大技術(shù)裝備保險補償政策，鼓勵企業(yè)開展高效換熱、高效用能、智能控制等技術(shù)裝備研發(fā)應(yīng)用。

2.有序推進低溫?zé)岜猛茝V與應(yīng)用

應(yīng)充分運用中央預(yù)算內(nèi)投資、超長期特別國債等資金渠道，支持重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造和用能設(shè)備更新，加快高效熱泵技術(shù)、高效鍋爐替代與改造、鍋爐系統(tǒng)智能化升級等技術(shù)的推廣與應(yīng)用。持續(xù)遴選、發(fā)布國家工業(yè)和信息化領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)裝備推薦目錄，加快工業(yè)熱泵、熱電池、電鍋爐設(shè)備的推廣與更新。加強回收循環(huán)利用能力，建議工業(yè)和信息化部指導(dǎo)新成立的中國資源循環(huán)集團有限公司加快布局設(shè)立全國性、功能性資源回收利用平臺，提高廢舊鍋爐回收和再生資源加工利用能力。

3.構(gòu)建分層分類的工業(yè)用熱標(biāo)準(zhǔn)體系

建議加快構(gòu)建“基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn) + 行業(yè)細分標(biāo)準(zhǔn)”的工業(yè)用熱標(biāo)準(zhǔn)雙層體系?；A(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)聚焦安全、環(huán)保等底線要求，行業(yè)細分標(biāo)準(zhǔn)按溫度（如低溫 lt;150^°C_? 中底溫在150～300^°C. 高溫 gt;1100^°C） 、壓力（如低壓 ?1.6MPa 、中壓在 1.6～10MPa 、高壓 gt;10MPa， 、燃料類型（如燃煤、燃氣、生物質(zhì)）等參數(shù)劃分，允許企業(yè)根據(jù)工藝需求選擇適配標(biāo)準(zhǔn)。參考國家發(fā)展改革委對熱泵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的定期評估模式，每 3～5 年開展工業(yè)用熱標(biāo)準(zhǔn)適用性評估。結(jié)合行業(yè)調(diào)研（如制藥、化工、食品等行業(yè)的用熱參數(shù)），及時納入新興技術(shù)和更新能效要求。

4.建立多能互補協(xié)同機制

推進熱電聯(lián)產(chǎn)機組靈活化、耦合化、低碳化轉(zhuǎn)型，因地制宜推廣生物質(zhì)、各類新型余熱、電供熱等低碳供熱技術(shù)，實施“新能源 + 供熱”模式，建立“政府一電網(wǎng)一新能源企業(yè)一用戶”的四方協(xié)作機制，采取電量市場化交易和差別化輸配電價，實現(xiàn)“政府要綠、企業(yè)要利、用戶要暖”的多贏局面。加強熱泵與其他能源系統(tǒng)的集成技術(shù)研究，如熱泵與太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹鸟詈舷到y(tǒng)，實現(xiàn)多種能源互補，提高能源綜合利用效率，使熱泵在不同能源供應(yīng)條件下都能發(fā)揮優(yōu)勢。