目前，全國(guó)能源領(lǐng)域都在努力朝著零碳方向邁進(jìn)。而供熱是能源消耗大戶，減排形勢(shì)嚴(yán)峻。特別是在建筑運(yùn)行領(lǐng)域，供暖碳減排的增長(zhǎng)空間巨大。中國(guó)工程院院士江億認(rèn)為，必須實(shí)現(xiàn)由化石能源供熱向零碳供熱轉(zhuǎn)型。而要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，多種低品位余熱資源是最好的零碳熱源。
零碳轉(zhuǎn)型
中國(guó)石油石化：江院士，您好！在“雙碳”背景下，您認(rèn)為未來我國(guó)的能源系統(tǒng)應(yīng)如何向零碳方向邁進(jìn)？
江億：現(xiàn)如今我國(guó)能源系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過燃燒化石燃料產(chǎn)生熱能，一部分用于工業(yè)、商業(yè)以及居民的供熱，另一部分以熱發(fā)電。也就是說現(xiàn)在是“燃料先出熱后出電”的順序。
為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，全國(guó)能源領(lǐng)域都在努力朝著零碳方向邁進(jìn)。我認(rèn)為，發(fā)展清潔電能，推動(dòng)能源系統(tǒng)從以燃煤、燃油、燃?xì)鉃橹鞯奶蓟茉唇Y(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐?a href="http://www.0631rcsc.com/news/list-16.html" target="_blank" class="keylink">核電、水電、風(fēng)電、光伏等可再生能源為主的零碳結(jié)構(gòu)，無論是進(jìn)行供電還是供熱，都要完美解決原先能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的碳排放等污染問題。
供電方面，可再生能源中80%的品類是直接產(chǎn)生電能的。為了保證電力安全和調(diào)峰的需要，還需要保留一半左右的火電，但這些火電的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)會(huì)大大減少。火電發(fā)電過程會(huì)排放二氧化碳，這可以采用CCUS（二氧化碳捕集、利用與封存）技術(shù)回收煙氣中排放的二氧化碳，使其成為未來低碳化工的原材料。
供熱方面，全社會(huì)對(duì)熱有很大的需求。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前，北方城鎮(zhèn)建筑冬季供暖面積約160億平方米，需要50億GJ熱量；供應(yīng)生活熱水需要5億GJ熱量，供應(yīng)商業(yè)設(shè)施熱水和蒸汽需要5億GJ熱量，輕工業(yè)和機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)過程用熱約70億GJ。各種用熱需求量總計(jì)達(dá)130億GJ，折合約5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。為滿足這些供熱需求，現(xiàn)在主要是熱電聯(lián)產(chǎn)，有的是區(qū)域鍋爐房用化石能源燃燒供熱，農(nóng)村甚至是散煤供熱，導(dǎo)致大量PM2.5、二氧化碳排放。
中國(guó)石油石化：怎樣獲得零碳熱源呢？
江億：工業(yè)和建筑需要的熱量是中低品位的熱量，溫度范圍在50℃~160℃。比如紡織、印染、皮革、造紙、食品、制藥、干燥等所需的熱水和蒸汽溫度在70℃~130℃。如果這些所需的熱量由電力供給，直接電熱130億GJ熱量需要4萬(wàn)億千瓦時(shí)電力。
2021年全國(guó)總用電量8.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，電熱就占了將近一半。如果采用空氣源、土壤源、水源及其他電動(dòng)熱泵，能效比大大提高，但依然需要約1.3萬(wàn)億千瓦時(shí)電力，也是電力供應(yīng)的很大壓力。例如，我國(guó)冬季是枯水期，水電冬季徑流量?jī)H為夏季的40%；冬季日照時(shí)間短，光電在冬季日照時(shí)數(shù)不到夏季的60%。而冬季正是熱量需求的高峰期，這就在供與需之間形成很大矛盾。
反過來，可以找到大量的低品位熱源，滿足上述供熱需求。例如，目前我國(guó)核電裝機(jī)容量2億千瓦，發(fā)電量1.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，而全年排放的熱量達(dá)到70億GJ；調(diào)峰火電裝機(jī)容量6.5億千瓦，發(fā)電量1.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，全年排放的熱量也達(dá)到70億GJ；流程工業(yè)（冶金、有色、化工、建材）需要燃料7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，排放熱量50億GJ。現(xiàn)在很多余熱都直接排放掉了，不僅沒有加以很好地利用，而且造成了熱污染，還消耗大量的水資源。這也是我國(guó)工業(yè)用水的主要用途。要是能把這些熱量都用起來，就足以滿足用熱需求。因此我認(rèn)為，要想實(shí)現(xiàn)由化石能源供熱向零碳供熱轉(zhuǎn)型，應(yīng)利用好低品位余熱資源。
三大關(guān)鍵
中國(guó)石油石化：根據(jù)您的觀察，利用低品位余熱資源存在哪些難點(diǎn)？
江億：利用各種余熱資源進(jìn)行供熱，存在三大關(guān)鍵問題。一是全年產(chǎn)生的余熱總量可以滿足全年的熱量需求，但熱量產(chǎn)出與熱量需求在時(shí)間上嚴(yán)重不匹配。比如，供暖用熱集中在冬季，但余熱產(chǎn)出并不集中在冬季。二是熱量產(chǎn)出與熱量需求在地理位置上的不匹配。余熱資源目前大多遠(yuǎn)離城市負(fù)荷區(qū)。如何經(jīng)濟(jì)高效地把熱量輸送到熱負(fù)荷的位置是需要解決的問題。三是各類余熱熱源輸出的熱量品位不同，而各類熱量需求要求的溫度范圍、品位也不同。
中國(guó)石油石化：這些現(xiàn)實(shí)問題如何解決？
江億：可以通過建設(shè)大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱，解決時(shí)間不匹配問題。近十年來，歐洲尤其是北歐大力研究開發(fā)大規(guī)模跨季節(jié)蓄熱，多種技術(shù)方案都進(jìn)行了深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和實(shí)驗(yàn)。比如，相變蓄能在經(jīng)濟(jì)性、體積上無法滿足要求，地下埋管換熱、地下直接蓄熱水都會(huì)使溫度品位損失過大。
目前，大型熱水池加保溫蓋是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能最可行的方式。大規(guī)模跨季節(jié)儲(chǔ)熱不可能完全開挖，需要尋找合適的地理?xiàng)l件。比如利用溝、谷、塘、地下進(jìn)行整修，加浮蓋后上方可開發(fā)太陽(yáng)能光伏。這可能會(huì)面臨土地資源問題，但是建水庫(kù)解決用水、防洪、發(fā)電可以占用土地，蓄熱水庫(kù)可實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，解決熱源問題，同時(shí)也能利用表面進(jìn)行光伏發(fā)電，為何不可？進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)后建蓄熱水庫(kù)，并進(jìn)行綜合開發(fā)利用，政府部門應(yīng)予以支持。
跨季節(jié)儲(chǔ)熱供熱的收益將很可觀。回收全年的余熱，避免春、夏、秋季熱量的浪費(fèi)，可以使一份余熱資源起到兩份、三份的作用。熱量回收、輸送的裝置、系統(tǒng)能夠全年利用，從而縮短投資回收期。建筑冬季供熱、工業(yè)生產(chǎn)用熱都會(huì)大范圍波動(dòng)。無蓄熱裝置時(shí)，必須按照可能的最大負(fù)荷安排熱源和輸配功率。而有了蓄熱裝置后，可以使系統(tǒng)容量減少到原來的1/2~1/7。通過蓄熱還可使熱量供給的可靠性大幅度提高，保證民生。而對(duì)于熱源來說，供熱系統(tǒng)又是其冷卻系統(tǒng)。大容量蓄熱裝置可以提高熱源冷卻的保證率。跨季節(jié)儲(chǔ)熱雖然成本高，但遠(yuǎn)低于儲(chǔ)氫、儲(chǔ)電、儲(chǔ)水發(fā)電、儲(chǔ)高壓氣等儲(chǔ)能方式。
通過發(fā)展長(zhǎng)距離經(jīng)濟(jì)輸熱，可以解決空間不匹配問題。近年來在這個(gè)方向上有了很大突破。對(duì)于大規(guī)模輸熱，當(dāng)輸熱量大于120萬(wàn)千瓦時(shí)，如果有免費(fèi)的余熱資源，100公里的輸送距離的成本要低于當(dāng)?shù)氐娜細(xì)忮仩t供熱，200公里的輸送成本要低于當(dāng)?shù)氐娜济哄仩t供熱。據(jù)測(cè)算，在100公里半徑范圍內(nèi)，我國(guó)70%的各類需熱側(cè)（如城市、工廠）可以找到合適的熱源；在200公里半徑內(nèi)，全國(guó)各地都可以實(shí)現(xiàn)熱量供需之間的平衡。現(xiàn)在保溫材料的進(jìn)步和局部冷橋的處理使得管道散熱降低，管徑越大、流速越高，相對(duì)的熱損失越小。大溫差輸熱技術(shù)，供回水溫度從120℃~60℃發(fā)展到120℃~20℃，使同樣流量下熱量提高70%，顯著改善了經(jīng)濟(jì)性。單管水熱同送，成本進(jìn)一步降低一半。
通過采用熱量變換器，可以解決供需溫度不匹配問題。余熱來源多，用熱需求不一，可以建設(shè)余熱資源共享的多熱源多熱匯系統(tǒng)，將調(diào)峰煤電廠、核電余熱、流程工業(yè)余熱等熱源聯(lián)至區(qū)域熱網(wǎng)，提供給建筑供暖、工業(yè)用熱等，或進(jìn)行跨季節(jié)儲(chǔ)熱，形成多熱源、多用戶的跨區(qū)域供熱網(wǎng)。當(dāng)需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)平均溫度有足夠的溫差但換熱兩側(cè)流量差別太大時(shí)，可采取從小循環(huán)流量向大循環(huán)流量傳輸熱量的吸收式換熱。熱源的平均溫度低而熱匯的平均溫度高時(shí)，可依靠電動(dòng)熱泵實(shí)現(xiàn)溫度品位的提升。類似電力的變壓器，可實(shí)現(xiàn)熱量在不同溫差范圍間的變換。
前景可期
中國(guó)石油石化：目前我國(guó)利用余熱供熱達(dá)到了怎樣的發(fā)展程度？
江億：目前我國(guó)利用余熱供熱已經(jīng)有了不少很成功的實(shí)踐。
從上世紀(jì)80年代開始，我國(guó)長(zhǎng)距離經(jīng)濟(jì)輸熱的距離不斷延長(zhǎng)。上世紀(jì)80年代引入石景山熱電廠熱量為城區(qū)居民供熱，輸熱距離23公里。后來，從河北三河熱電廠引入熱量向通州供熱，輸熱距離30公里；從涿州熱電廠引入熱量向北京供熱，輸熱距離50公里。
太古—太原長(zhǎng)輸熱工程是目前世界上已投運(yùn)規(guī)模最大的長(zhǎng)輸供熱工程。回收古交電廠乏汽余熱為熱源，敷設(shè)4根直徑1.4米的供熱管線，7次穿越汾河，穿山修了10余公里的隧道，全長(zhǎng)50公里，全程溫降不超過1℃。構(gòu)建了六級(jí)泵循環(huán)加壓工藝，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)輸側(cè)直連高差180米的熱網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。自2016年采暖季運(yùn)行以來，實(shí)現(xiàn)供熱面積7600萬(wàn)平方米，開創(chuàng)了大規(guī)模電廠余熱利用和遠(yuǎn)距離輸熱的先河。
位于山東膠東半島的海陽(yáng)核電站“水熱同產(chǎn)同送”科技示范工程項(xiàng)目，取低壓缸抽汽，經(jīng)換熱為120℃~100℃熱水。以熱水為動(dòng)力，通過多效蒸餾、多級(jí)閃蒸兩套獨(dú)立的海水淡化裝置，每小時(shí)生產(chǎn)95℃熱淡水8噸，然后用80mm單管輸送熱淡水至9公里外的核電專家村。在專家村用吸收式換熱器把熱淡水冷卻至20℃，進(jìn)入淡水系統(tǒng)，熱量成為建筑供熱和游泳池加熱熱水的熱源。實(shí)測(cè)熱效率82%，每噸淡水耗電量?jī)H1.5千瓦時(shí)。該示范工程屬于世界首創(chuàng)，通過對(duì)核能進(jìn)行先發(fā)電、后制水、再供暖的三級(jí)高效利用，首次實(shí)現(xiàn)了在零碳供熱的同時(shí)零能耗制水，從源側(cè)將水、熱同步產(chǎn)出與供給。熱量的經(jīng)濟(jì)輸送距離與輸送管道的直徑成正比，所以如果采用1.6米直徑的管道大規(guī)模輸熱水，輸送距離就是這個(gè)項(xiàng)目的20倍，也就是180公里。
膠東半島海陽(yáng)、榮成、招遠(yuǎn)三大核電基地未來裝機(jī)容量0.3億千瓦，全年運(yùn)行8000小時(shí)，跨季節(jié)儲(chǔ)熱可提供熱量10億GJ，可為這一地區(qū)建筑供暖和工業(yè)生產(chǎn)提供所需要熱量的60%，可為膠東半島每年提供45億噸淡水，為目前人均淡水量的60%。若進(jìn)一步利用儲(chǔ)熱池通過熱電協(xié)同方式解決電力調(diào)峰問題，通過核電綜合利用，膠東半島就可以成為零碳半島。
利用核電余熱為制造業(yè)提供生產(chǎn)用熱存在諸多的可能性。例如，浙江紹興柯橋是重要的輕紡印染基地，目前大量生產(chǎn)用熱依靠燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠。可以利用秦山核電站的余熱，通過80公里循環(huán)熱水管網(wǎng)輸送到柯橋，利用專門的熱量變換裝置從循環(huán)水中提取熱量，制備成生產(chǎn)需要的蒸汽或熱水。蘇北贛榆區(qū)工業(yè)園目前是利用燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠提供蒸汽。可以利用連云港田灣核電站余熱，通過蒸汽/循環(huán)水輸送，在終端變換為需要參數(shù)的熱量。福建福清核電站可輸送余熱，為江陰工業(yè)園和東嶠工業(yè)園供熱。
中國(guó)石油石化：為促進(jìn)余熱利用，實(shí)現(xiàn)零碳供熱，您有哪些建議？
江億：我國(guó)發(fā)展零碳余熱系統(tǒng)有很好的條件。國(guó)內(nèi)各省正在建大熱網(wǎng)，而且已具備豐富的熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。好多電廠都實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)余熱的深度回收，也有大量工業(yè)余熱回收的成功案例。相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)現(xiàn)在都已具備，基于各種低品位余熱的零碳熱源系統(tǒng)應(yīng)作為建設(shè)零碳能源系統(tǒng)的主要任務(wù)之一，應(yīng)全面采集利用各個(gè)環(huán)節(jié)排放的低品位余熱，珍惜一點(diǎn)一滴。
▲儀征化纖公司PTA部余熱發(fā)電項(xiàng)目已累計(jì)并網(wǎng)發(fā)電突破1億度。
當(dāng)然還有些關(guān)鍵技術(shù)、政策需要進(jìn)一步完善。建議著力解決大規(guī)模跨季節(jié)儲(chǔ)熱、熱量的長(zhǎng)距離經(jīng)濟(jì)輸送以及不同溫度范圍、不同品位熱量之間的變換三大關(guān)鍵技術(shù)。建議建立系統(tǒng)的政策機(jī)制，包括相應(yīng)的土地政策、按照溫度品位確定熱量?jī)r(jià)格的方法，以及向環(huán)境排放熱量者應(yīng)承擔(dān)環(huán)境熱污染的責(zé)任等，支撐新的零碳熱源系統(tǒng)的建設(shè)，滿足百姓生活和工業(yè)持續(xù)發(fā)展需要。
