中国城镇供热w88



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2021年4月16日下午,“碳达峰碳中和与供热发展”系列直播百家讲坛第二讲通过网络直播的形式成功举办。中国工程院院士、中国城镇供热w88(以下简称w88)副理事长、技术委员会主任委员江亿在会上作了关于“城镇供热系统的碳中和路径”的主题演讲。他对能源结构面临的问题进行了分析,表示碳中和是新时期发展的重大战略,彻底改变能源结构是解决问题的根本途径。总结提出能源的“四个革命”和“一个合作”:即能源供给侧革命、能源消费侧革命、能源技术革命、能源政策和机制革命;加强能源领域的国际合作。提出我国北方城镇零碳供热的基本思路、实现未来零碳供热的核心技术、目标的路径及所需要的政策机制。





课件内容分享如下:

尊敬的各位线上同行,各位朋友,下午好。

感谢这个机会,通过线上平台能跟大家一块来谈供热系统怎么去实现碳达峰、碳中和这件事儿,我想这件事是中国未来40年社会经济该如何发展的一件大事。

去年9月22日,习近平总书记在联合国大会上庄重的向全世界宣告中国要在2030年以前达到碳达峰,力争在2060年实现碳中。给出未来能源革命的最终目标及清晰的时间表,为今后这40年该怎么做指明了方向,这对中国的各方面社会经济发展产生巨大的影响,对我们的供热行业也会产生特别大的影响。所以今天就这件事谈一谈我的一些初步看法。

先谈为什么要低碳发展?目的是什么?然后讲未来怎么实现碳中和。对于供热系统来说,到底未来热源该是什么样的?实现碳中和目标路径,以及最后达到所需要的政策机制。


首先,怎么看待碳达峰碳中和?我觉得它是新时期发展中央提出的重大战略。中央全会上说,碳达峰碳中和是中央政治局经过深入研究作出战略决策,关乎中国未来大的发展。我们用了很多年的传统能源,不管是从工业革命开始,进入煤为主的能源时代,那么这么多年使用能源的时候逐渐就出现了一直面临着的三大问题:一个是能源安全问题,一个是大气污染问题,一个是气候变化的问题。

第一能源安全问题,我们国家主要以煤为主,产在地底下,地底下有还行,但随着说要解决污染,把煤减少,用油、用气来替代,可是油气资源不足,现在的石油进口占我们用油量的70%,天然气的进口占我们用气量的40%,而且如果以后继续增大天然气的用量,进口量还会增加。

这么一个大国大比例油气都依赖于进口,实际是对国家安全存在问题,尤其是目前的这种国际形势,从上世纪70年来,各种各样的国际问题,大都与石油天然气相关,都围绕能源问题展开。如果大比例油气依赖进口,长期发展将面临许多难题。

第二个是大气污染问题,随着老百姓生活水平提高,大气的质量成为了影响美好生活的一大问题。中央多次提出要打赢蓝天保卫战,经过这么多年的努力已卓有成效。现在北京离35微克的目标已经不是太远了,去年应该是四十几微克,但是35微克每立方米的空气,就能够实现人类健康生活的模式吗?如果去问世界卫生组织,它就会告诉你真正健康的大气环境,这pm2.5应该在15微克以下。按中国目前的人口聚集密度,现在能源使用的密集程度,像河北省世界钢产量中国第一,河北第二,唐山世界第三,美国世界第四。这种能源密度就不可能达到15微克的标准,35微克都很难实现。要彻底的解决大气污染问题,打赢蓝天保卫战争,给老百姓一个干净的健康的空气,就得彻底解决化石能源问题。

第三个问题是气候变化问题,由于人类大量使用能源导致二氧化碳排放量高,如果二氧化碳浓度再继续增高,太阳透过大气照到地面上,使得地球的温度再升高,导致雪山融化、海平面上涨,生态环境发生变化,使得大量的物种消失,会带来很多的问题。

按照现在观测到的情况,本世纪到今年是21年刚过去,这21年里面出现的各种各样极端气候状况的总数,已经超过了上世纪100年记录的总量了。这些都明显的说明了气候变化是一个客观事实,而且它的原因,中国科学研究院都给它分析到,是因为人们使用化石能源烧火,导致排的二氧化碳的总量太多,所以现在烧火取能就面临三大问题,不解决这三大问题,很难实现人类长治久安,也不能实现建设美丽中国,建设人类美好家园的目标。所以最核心最根本的彻底改变能源结构,是解决问题的根本途径。

怎么改变?把现在烧煤、烧油、烧气这种能源结构变成零碳能源。把能源结构用现代的化石能源结构变成没有碳的能源系统。

什么是没有碳的能源系统,现在看可以找到的是水电、风电、光电、核电这4大类电,还有唯一的生物质能材料。这是未来的可以用的零碳能源。以后我们干的事都能够依赖在这零碳能源上,就可以彻底摆脱对化石能源的依赖。

零碳能源最大的特点是什么?除了核电之外,其他都来自于太阳,它只要太阳系存在,就永远都有风电、光电、水电、生物质能。所以它属于可持续发展能源。

这样改变了能源结构,就会发现我们能源领域不再是靠烧火、烧燃料变热,然后再发电,而改为一切都从电来,就不存在由于使用化石能源带来的大气污染,就彻底的把雾霾的问题解决了,也就把气候问题解决了。

所以,能源结构彻底的改变,由风电光电、水电、核电和生物质能替代化石能源,就能够彻底的解决安全能源问题和气候变化问题。

怎么才能实现?

这就是习近平总书记在2014年提出来的能源的4个革命和一个合作,这4个革命讲的是供给侧革命,消费侧革命、技术革命、政策和机制革命,加强能源结构领域的国际合作。这是2014年在中央财经工作领导小组中的一个报告,以后有多个中央文件又强调了这件事。

能源领域的提出了革命,而且4个革命。什么是革命?一定是把以前的方式的体系给它彻底推翻了,改成一种完全不一样的新的体制新的方式,这才叫革命,所以这就给出来,我们到底怎么实现低碳和碳中和,就是要通过能源的4个革命和一个合作的手段来实现未来的碳达峰、碳中和。核心目的就是改变能源结构,所以要从产能就得变。而且用能侧也得变,然后整个的相应的技术就完全不一样了,所以需要是新的技术体系来支持,就是技术革命,然后配套的是政策机制,所以全方位的从产到销到中间过程到技术手段到政策机制全面的一个革命,这才能够完成这件事儿。

能源革命的目标是什么呢?就是实现零碳,现在2030年碳达峰,然后逐年下降,下降到2060年碳中和。就是说能源系统要么一点碳不排了,要是排,二氧化碳排出来的总量必须小于或者等于各种碳汇吸附的二氧化碳总量。

什么是碳汇呢?比如森林、庄家、沙漠、湿地之类吸附量。按照国家有关部门统计,现在我们每年使用化石的排放量大概应该是97、98亿吨,大约就在100亿吨这个数上。而现在碳汇实际还在统计核算,现在初步的比较粗糙统计,是一年能吸附12亿吨。以后再进一步扩大碳汇的建设,按照生态环境部来分析的,他们说将来到2015年碳汇能发展到15亿吨,差80亿吨。所以我们到2060年还有40年,就得在满足社会和经济发展人民生活水平提高了前提下减少通过使用能源导致了排放,减少85%,从100亿吨减到15亿吨。是一个巨大的挑战。只有通过革命性的办法把这方式系统彻底改变,才能实现减排85%这样一个宏伟的目标。这就是中央提出来的战略目标、时间表、任务,而且是一个在以前想几乎是不可能实现的一个任务。所以这个目标引起了社会各界的高度重视,现在的国家各个部门也都在做积极根据地方特点做各自的碳达峰碳中和的方案、路径、规划。

对于供热人,也是提出来的一个新的目标,又要满足城市发展最终的要求,同时还要把由于供热热源导致的二氧化碳排放给降下来,就看这个事该怎么做。

应该先研究未来实现碳中和到底是什么样的,想清楚然后再规划设计。在转换的过程中也得满足供热工作增长的要求。整个国家整个社会都在向碳中和发展。而我们又跟电力系统、工业生产、城市建设,跟这些息息相关,因此我们应同步发展,同步实现能源转型。

整个国家的能源结构到时候该是什么样的?第一条就是以电为主,现在2019年中国消耗用电量是7.5万亿度,将来我们分析要实现碳中和,电量增加了,好些东西都转变了,之后分别按工业、交通、建筑各行业统计下来,考虑到未来的逐步发展,考虑到未来中国 GDP300万到400万元,那时候大概12万亿度电。

火电的发电量也少了很多,这二氧化碳怎么办?就可以用这个叫做ccs的办法,把二氧化碳从烟气里边给它分离出来,之后再给它处理掉。现在好些机构都在研究这块。比如说通过电的,二氧化碳分步骤分离,分解成一氧化碳跟氧气,然后一氧化碳就可以进一步做乙烯,做合成氨,这就是变成化肥,变成咱们身上穿的衣服,变成好些材料了。

面对能源结构基本的原则是因为即使有ccs这样的话,它能够分离出来能够用,但是里面的加工目前很长,投入也很大很麻烦,所以还是尽可能减少这一块煤油气的使用。这么一来油气限制在非用燃料不可的地方,能用电尽可能优先用电。这是未来零碳社会的一个基本的指导原则。

还有一个冬夏季节差的问题,比如说到冬天水电面临着少得多的一个状态。比如说黄河水,黄河上游有大量的丰富的水利资源的发电的水电站,但是到了冬天,黄委会会严格控制黄河的最大流量,为什么呢?如果黄河流量增加,就导致经过山西境内的这一段结冰,结冰之后底下流量在大会把冰顶起来,就造成冰凌灾害,把两岸的房屋都得给挤塌了。所以为了避免冰凌,黄河上游严格控制黄河最大流量。

还有长江流域,还有从北往南的三江流域,到冬天的数量都少了,因为它的水主要来自于青藏高原的雪山,雪山融化慢,所以水流量大幅度减少。这样一来几大江河领域水利水电,冬天不到夏天的40%。所以冬天的水电要少。

中国如果整个国土也将来都按可再生电力供应的话,一定会出现同样的问题,就是夏天变多了,冬天变少了。太阳能光伏也是这样。可是再从用电侧来说,冬天夏天对电力需求的两个行业看,冬夏差不太多,春天秋天电力需求少,春节的时候电力需求少要放假,其他的时候电力需求差不多,这儿需求侧基本没有季节变化,而供给侧明显的冬天少夏天多,这样就出现了一个冬夏季节差的问题。

此外冬天我们干这行还需要供热,还有大概全国有50亿吉焦热源的需求,所以这也是未来电力的变化的特点,刚才说的这个特点跟以煤为主的时候,电力策略很不一样。现在是夜里电多,白天电少,冬天电多,夏天电少,将来改成零碳电力的时候,这些矛盾都反过来,变成冬天电缺,夏天电多,晚上电缺,白天电多。以后实现由燃料改为可再生电力。所以我们一定要充分考虑到未来的变化。

这个就是一年的中国用电状况。蓝的是核电,橙色的是风电,灰色是光电,黄的就是水电,整个都叠加起来就变成了夏天多冬天少的状况。风、光、水、核基本上就能满足电力需求,但到冬天就出问题了,电该从哪来?这就面临问题。跨季节蓄能是一种做法,但投资太大。第二种做法,增加风电光电,又会导致重大的投入,大概投入几万亿的增加,就冬天用,总觉得有点浪费,不合适。

第三个方案就是留点火电,就在冬天,靠火电少数增长2000多小时解决缺口的不足,通过冬天用火电采用ccs再回收和储存冒出来的二氧化碳,这种就行了。再具体点算的就是6亿千瓦的火电,烧1.5亿吨生物质能,1000亿立方米的天然气,1.5亿吨的标煤。这就解决了冬天的缺口,但是,同时我们火电厂要用热电联产的方式,还可以把它的余热给它好好收集起来,这样6亿千瓦的火电起码有3亿在北方,能提供4.5亿千瓦的余热,就成了特别好的热源,又解决了建筑冬天供热的事儿,并且有这些个火电,赶上没有太阳或者是没有风的时候,也可以给他临时点起来,可以保证安全可靠稳定的电力供应,也是特别重要的大好事。

电力系统规划好后,再看到底有多少热源。这5亿千瓦的热量呢能够给160亿平米建筑,再拿燃气,调峰,来解决40多瓦的高一点的那点事儿。算一下有160亿立方米的天然气,我们这个要求所以这样就差不多了。这就解决了160亿平米的天然气就能满足要求。

现在中国有150亿平米的房子合作,未来的大概是200亿城镇建筑,那么剩下的40亿就可以采用多种热源方式,比如说电驱动的空气源热泵、水源热泵、地源热泵,还有好些工业低品位余热,包括垃圾焚烧,包括数据中心的热量等等,都可以拿来作为我们供热,就会形成一个新的格局,160亿平米,靠热电联产和末端燃气调峰。剩下的40亿平米,大概靠多种热源驱动的热泵、工业余热等等解决,形成一个新的供热格局,同时把现有的地下国有资产盘活,持续用好。

这里我要讲一下核电的事。现在连核电带一些大火电这一圈是有5000多万千瓦的电力电厂,预计将来会到1亿千瓦,包括唐山有火电,还有钢厂曹妃甸,搁在海边很重要的一个目的都是为了海水冷却,大量的余热就都排到海里去了。要是拿这些余热做海水淡化,因为都是严重缺水地区。中国除了西北不缺水,实际海边更缺水,要是海水淡化,让它产生95度左右的热淡水,又有热又有水了。相当于是我做集中供热,从电厂把余热取出来,相当于是零能耗海水淡化了。

再经过末端的水热分离,就能一边产生出10~15度的淡水,用于自来水公司的高质量淡水,同时产生了用来给城市供热的热量,就都解决了,这个叫做水热联产,水热同送和末端的水热分离。这样做会有多大的量?分析计算一下,一冬天能产生35亿吨淡水,其热量能够满足40亿平米的建筑冬天供热。这一片建筑采暖的热源也都解决了,这是激动人心的一个大事,能够解决人口密集区淡水供应问题和热源问题。

这件事儿提了有六七年了,去年年底在一些企业的支持下,已经在这儿海阳核电站,搭出来一个示范系统,利用海阳核电站的余热,加海水淡化,送到10公里以外生活区。所以这事就能实现成功输送,经济性还挺好。

现在说如果能建设大型的跨季节储热装置,那么这一系统就全年运行,全年提供淡水了,还是做海水淡化。做出了90度的淡水,用一根管输送到城市附近,上面进热水,底下取凉水。夏天春天秋天的时候就可以不断的把灌凉水完成。

到了秋天冬天,这里面都成热水了,凉水是持续不断的往城里头供,然后等到开始供热的时候就该改成什么了呢?还是继续这么多热淡水过来,但是这儿就有两倍或者三倍的热淡水出来,经过水热分离变成凉的淡水,一部分返回到水库,一部分接着向城里供水。同时另一侧换热。

这样在冬天的时候可以出三倍的热量,然后全年持续的供淡水。这样一来就把这个核电站全年排的余热都有效用上,但是得有一个大的跨季节的蓄热装置。

这个算一下还是刚才的一亿千瓦的核电站,这样一年就能产生100亿吨淡水,同时为100亿平米的建筑供热。当然这个事儿成本挺高的,尤其是大型跨级蓄热,要是能做好了,整个工程成本投资大概是为南水北调,加全面的热电联产解决这么多问题,就是50%,当然总投资也得过万亿,还不包括核电的投资,可是我一年我能出100亿吨淡水,这100亿平米的热,一平米才摊50块钱的投资。所以看着这1万亿不得了,但是他管的量大,算下来各种单耗的投资就低得多了,这样一来就有可能解决我们国家北方沿海地区水资源问题和零碳供热问题。

大型跨季节蓄热又该是什么样装置?各国各地都是想办法创新,这可能是未来低碳的一个很重要的技术措施。

整个咱们国家北方城镇实现零碳供热的基本思路,包括这样几个热源,一个就是开发利用沿海地区的核电,也包括火电钢铁厂的余热,通过余热经过海水淡化制备热淡水,实现水热联产、水热同送、水热同蓄、水热分离。这样通过建设若干个大型跨季节蓄热装置,就可以利用沿海的热源供80亿平米,然后再开发利用北方留下来的3亿千瓦的火电,也是通过蓄热和这全部回收这些余热,又解决另外80亿平米建筑的供热。

为了实现这个目标,我们需要我们解决这几项核心技术。首先是跨季节蓄热的技术,用它收集核电的、水电厂的余热,包括垃圾焚烧的余热,大跨度蓄热最大的问题就是时间太长了,怎么能够避免大的热损失比较多,其核心要点就是得大,只要把单体蓄热池子装的一千立方米以上,深度大于30米,再把上面给盖上,散热只是边上少的散热量,那么这样跨一年也不会造成太大的热损失,相对来说是应该就在5%不超过10%。

再一个就是造价必须低,每立方米的体积的造价必须在50块钱以内,否则的话成本太高受不了。尤其是现在土地变得昂贵了,怎么才能降低土地的费用?比如正好是山沟,也不用减少土方量,怎么收拾收拾,能够使得把单方造价控制下来,这个是一个需要解决的题目。

第二个,降低回水温度。

现在看来,无论是哪种热源都得要求有尽可能低的回水温度。怎么能把回水温度都降低,就是吸收式换热器,能够依靠来的较高的供水温度来实现较低的回水温度,而不消耗其他的能源电。已经在山西、太原推广开了。

再一个,得花点电,利用电能热泵直接把回水温度降低,然后把热量给它提起来,做局部的供热,但是得耗点电。这件事儿看来怎么强调也不过分,一定是为了来实现零碳供热,要需要突破、普遍普及的一个关键的核心技术。

第三点就是高效回收各类低品位余热技术,怎么把热从系统里拿出来给供热用,包括刚才说余热驱动的海水淡化,制备热淡水等技术,这些里边还有大量的工作需要细致来做,来使得这些余热能够被有效的回收。这是三大方面的核心技术。

此外把这房子弄好,加强保温,加强建筑维护结构的保温也是很重要的,进一步降低对热量的需求。

再一个呢就是加强末端的调节,通过楼宇式换热站方式改善调节,彻底扭转目前一些房间里冬天过热现象。实现楼里边大流量小温差,实现温度均匀,而反过来又实现了外网的小流量大温差。更重要的可以实现供水温度分栋可调。因为房子一个概念它不太一样,有的保温好,有的差,有的就需要高温,有的是地板。避免楼与楼之间的分布不匀。还有一个非常大的收益。可以有效的减少楼里边的管道跑水。

那么进一步刚才说要降低回水温度,现在还有楼宇式的吸收式换热站,还能把回水温度都降下来,可以很准确的实现线性调节,根据需求来调控,实现精准的控制。

这是200千瓦换热量的楼宇式换热站,应该在未来好好推广。

这里给出来一个典型的运行实测曲线。

零能耗海水淡化,这未来可能应该是主要的一项技术。要实现灵活加热,而且高效加热过程,这里边的核心问题,就是低回水温度。下面一个就是要更关注回收烟气里面的余热,尤其是潜热。

怎么让我们余热回收余热利用的技术能够跟以电定热模式结合起来,还有好些创新的工作有待于发展研究。

从目前现状怎么能一步一步走到理想的未来?总结出实现未来供热碳中和的四大任务,一大任务,建筑的结构改造。第二,末端提高调节性能,降低回水温度的改造。再一个就是深度挖掘电厂的工业余热等等各种热源,还有区域供热管网的规划改造。

这四大的任务该怎么分期分步的实施?

首先,节能改造,建筑的节能改造。与当地政府配合协调,根据绿色金融支持分步实施。

第二个降低回水温度的改造,是中国企业可以自个干的事儿,逐年实施,一步一步做好。

第三,是热源的进一步开发跟余热的深度回收。要根据城市开发发展情况同步进行。

第四,管网的规划和改造,得根据未来的布局,提前做出区域管网规划,避免重复建设和大改动。

要做成这事儿,必须有政策机制。必须通过一个更好的政策来激励起供热企业和热源企业双方的积极性。改变一个热量计价方法。以前的计价热量是流量乘以供水温度减回水温度,咱们现在逐渐控制的统一,就定在40度的,把计量方法变得更简单了。

末端的供热计量,这件事尽管用了20多年了,实际有好些的问题,其根本问题是什么呢?其根本问题是因为我们的房子质量不同,有的保温很好,有的保温很差,耗热量也很高,按照热量收费的原则,耗热量高的就得多交热费,可是恰恰又是低收入群体的人住在这些保温不好、高热耗的房子里头。如果是完全按照热量收费来做的话,就会导致住在新的商品房相对收入高的社会群体,降低了热费负担。反之住在条件差、老房子保温不好的低收入群体,他就增加热费,所以实际推行不开的原因。

那么怎么改?由政府根据情况,对于老旧的高能耗、低收入小区给予精准补贴,由政府基金来承担,政府选择做政策补贴,或者把这些房子纳入改造计划。

对于2000年以后盖的商品房按说都应该满足建筑节能标准,这是属于低热耗的小区。如果出于各种原因,不知道这种标准,还弄成高能耗,应该是开发商自己的责任,通过这样以小区为单元为基本单元,计费的这件事儿慢慢的逐渐在推进中国的供热收费计量改革这件事儿。

总的来说,中国要实现供热系统零碳改造,就要从中国的现实情况出发,然后向零碳目标推进,科学规划、分步实施。先于房屋建设达峰,与电力系统同步实现碳中和。

好,谢谢大家。

本文经本人同意,根据录音整理


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