PDF《可再生能源的热利用与综合利用*》

金红光 隋军中国科学院工程热物理研究所 北京

100190 摘要 分布式热利用与综合利用是可再生能源消纳的重要方式.

文章从建筑、工业和城镇化 发展等领域分析了分布式可再生能源热利用与综合利用的需求,同时根据能源需求、技术 发展进程,评估了分布式可再生能源热利用与综合利用的发展潜力,进而阐明了可再生能 源梯级利用、互补利用与综合利用的技术发展前景和方向,并制定了技术发展路线图.明 确提出了工业领域是提高可再生能源占比的主要领域,太阳炉等技术是可再生能源热利用 和综合利用的研发重点. 关键词 可再生能源,分布式能源,热利用,综合利用 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.007

1 可再生能源热利用的重要意义 1.1 可再生能源热利用的需求分析 可再生能源热利用与综合利用是利用可再生能源的制冷、采暖和供热、发电,或通过 梯级利用方法联产电、冷、热等多种能源产品,以及根据各种可再生能源的特点,实现多 能源互补及多产品输出. 可再生能源热利用与综合利用需求潜力巨大,热利用与综合利用是可再生能源消纳 的重要手段,建筑和工业两个领域的终端能源消耗占我国终端总能耗的 70% 以上.建筑 方面,主要用能在于建筑采暖和空调,建筑采暖占建筑总能耗的近 40%,南方地方建筑 空调占其耗电量的 20%―40%.一般地说,在我国全社会用能中热能的需求是电能的

2 倍 以上[1] .因此,热利用与综合利用是分布式可再生能源的重要形式. 1.1.1 建筑领域 建筑能耗是我国能耗的重要组成部分,2013 年建筑总能耗(不含生物质能)为7.56 亿 吨标准煤,约占全国能源消费总量的 19.5%.其中,北方城镇采暖、城镇住宅、公共建筑、 农村住宅能耗分别达到 1.81 亿吨标准煤、1.85 亿吨标准煤、2.11 亿吨标准煤和 1.79 亿吨标准 煤,各占建筑总能耗的约1/4[2,3] . *资助项目:中科院学部咨 询项目 大力发展分布式可 再生能源应用和智能微网 修改稿收到日期:2016年1 月16日 可再生能源的热利用与综合利用* 专题:分布式可再生能源和智能微网 The Distributed Renewable Energy and Smart Micro Grid System 院刊

209 对于北方地区建筑采暖而言,采暖面积从

2001 年的50 亿平方米发展到

2013 年的

120 亿平方米,增加了 1.5 倍,而能耗总量增加不到

1 倍.采用分布式可再生能 源,可以满足新建建筑的户式和区域采暖,并部分替代 原有燃煤锅炉和区域集中供热,有很大发展潜力,可极 大缓解北方地区采暖季严重的空气污染问题. 在城镇住宅方面,2001―2013 年我国城镇人口增加 了近 2.3 亿,新建城镇住宅面积 58亿平方米,导致该类建 筑能耗总量增长近 1.4 倍.主要的能耗增长来源于家庭采 暖和制冷需求的增加,特别是长江流域及以南地区的采 暖与空调能耗迅速增加. 在公共建筑方面,我国城镇化快速发展促使公共建 筑面积大幅增加,2013 年公共建筑面积达到

99 亿平方 米,能耗总量增长 1.5 倍.公共建筑一般体量较大,能源 需求方式多样,适合采用可再生能源综合利用方式解决 用能问题. 农村住宅方面,2013 年商品能耗 1.79 亿吨标煤,占 建筑总能耗的 23.6%.此外秸秆、薪柴等非商品能耗折 合约 1.06 亿吨.从2001 年至

2013 年,户均年能耗无明 显变化,但电、煤等商品能源所占比例大幅增加,生物 质、薪柴等占建筑能耗的比例从 69% 降至 38%.农村地 区需要拓展再生能源利用方式,并配套相关政策,以利 于推广生物质等可再生能源,降低电、煤等商品能源的 消耗. 1.1.2 工业领域 工业作为国民经济的主要支柱,同样也是能源资源 消耗的主要领域.2012 年工业领域总能耗 25.2 亿吨标 煤,占总能耗的 69.7%,是我国节能减排的主战场,在全 国节能减排中起着关键性作用,尤其是电力、冶金、水 泥和石化

4 大高耗能行业,对于确保节能减排目标的实 施至关重要.其中,化工、食品、医药、造纸、纺织等 各类生产过程存在大量中小规模的生产企业,同时存在 热、冷、电等能源需求,分布式可再生能源热利用与综 合利用在上述领域将大有作为. 工业领域与热利用密切相关的行业包括:(1)制 造业,如炼油、化工、冶金、制药等热利用与综合利用 相关行业,总能耗约 7.8 亿吨标煤[4] .分布式可再生能源 可满足诸如农副食品加工和食品制造用蒸汽,酿酒、饮料、制茶、烟草等过程用能,纺织、印染、皮革、木材加 工、造纸等过程用热,石油加工、炼焦、化工、制药、 橡胶塑料等过程用热,黑色和有色金属冶炼与压延加工 所需的热能等等. (2)电站锅炉和供热锅炉耗能约

4 亿 吨标煤.2014 年,全国在用锅炉

60 余万台[5] ,其中绝 大部分为工业锅炉.其中

100 o C 以下的热水锅炉容量 占到了约 35%,100 o C ―350 o C 的有机介质炉占 6.8%, 其余为蒸汽锅炉.(3)采掘业,如石油天然气开采与 煤炭的洗选过程,总能耗 1.6 亿吨标准煤.上述工业过 程均发生在偏远地区,远离城市和集中供能区,适合采 用分布式供能方式,提供其所需的原油热力助采、井口 保温、原油储运过程升温和泵用电,天然气压缩过程耗 电,以及煤炭洗选后的干燥用热.(4)其他工业领域 的11.8 亿吨标煤耗能中,如炼油、冶金、水泥、橡胶等 大型工业过程,也可以考虑用分布式可再生能源替代化 石能源消耗. 1.1.3 城镇化领域 2001―2012 年,我国城镇化高速发展,2001 年城镇 化率为 37.7%,2012 年我国城镇化率达到 52.57%,此部 分的建筑能耗前已述及,本节主要考虑 2012―2020 年城 镇化用能增量和城市化地区未来节能潜力.规划

2020 年 城镇化率达到 60% 左右,进一步实现

1 亿人口城镇化. 随着人口转移,城乡建筑面积大幅增加,建筑能耗也随 之增长.城镇化成为继工业化之后推动社会发展的新引 擎,也为能源保障提出了新的要求.由于能源利用方式 的效率差异和生活水平差异,我国城镇人均能耗是农 村人均能耗的 2―4 倍,城镇人均电耗是农村人均电耗 的3―6 倍,城市化进程导致大量农村人口转移到城镇 后,加快了建筑及生活能耗的增长.在世界范围内,随 着工业化和城镇化水平的提高,高耗能产业逐渐向外部

210 2016年.第31卷.第2期 转移,工业能耗增速趋缓,占比逐步下降,建筑和生活 能耗快速增长是普遍规律.随着生活水平的提高,居民 对冷、热等舒适性能耗的需求将加大,且日益趋于多样 化.在城镇化过程中,县域经济将展现出巨大活力,城 乡生活水平提高、农村人口转移和农村人口的就地城镇 化都将带来较大的能源增长,并以电、热、冷和热水等 舒适性能源需求为主体,城市发展过程中的舒适性能源 需求也将持续增长并侧重于发展清洁能源和冷、热联 供.这一新兴能源增长点将对大工业用能产生有力竞 争,为能源供需矛盾带来严峻挑战,甚至影响工业化和 城镇化进程. 1.2 分布式可再生能源的发展潜力评估 1.2.1 建筑领域的热利用与综合利用评估 (1)预计到

2020 年,分布式可再生能源若满足 约15%―20% 的北方建筑采暖,每年可节省 0.27 亿― 0.45亿吨标煤的化石燃料;

(2)若提供 10%―15% 的城镇住宅用能,每年可节 省0.18 亿―0.28 亿吨标煤的化石燃料;

(3)若满足 20%―30% 的公共建筑耗能,每年可节 省0.42 亿―0.53 亿吨标煤的化石燃料;

(4)农村住宅用能在城镇化部分考虑建筑领域发展 分布式可再生能源热利用与综合利用,总计具有每年替 代0.87 亿―1.3 亿吨标煤的应用潜力. 1.2.2 工业领域是提升太阳能热利用占比的突破口 (1)制造业总能耗约 7.8 亿吨标煤,分布式可再生 能源每年可满足约 0.94 亿―1.4 亿吨标煤的能源需求;

(2)电站锅炉和供热锅炉耗能约

4 亿吨标煤,部分 锅炉可以采用分布式可再生能源进行替代,每年可替代 0.16 亿―0.24 亿吨标煤;

(3)采掘业总能耗 1.6亿吨,分布式可再生能源每 年可满足约 0.16 亿―0.24 亿吨标煤的能源需求;

(4)其他工业领域的每年11.8亿吨标煤耗能中,可以 考虑用分布式可再生能源替代0.3亿―0.59亿吨标煤消耗. 以上

4 方面的可再生能源热利用和综合利用每年 共计 1.55 亿―2.47 亿吨标煤,约占工业领域耗能总量 的8%.上述工业用热除少量为 100o C以下,可以通过太 阳能热水器满足外,绝大部分均为工业蒸汽,需采用聚 光型太阳能蒸汽发生技术――太阳炉来满足,约占整个 分布式可再生能源热利用规模的 80%,每年约可替代化 石燃料1.2 亿―2.0 亿吨标煤.因此,太阳炉是分布式可 再生能源在工业上推广利用的关键技术[6] . 1.2.3 城镇化与绿色能源新途径――可再生能源或多能互 补分布式能源 参考对内蒙古杭锦后旗、 黑龙江省桦南县, 以及吉林 省公主岭市和农安县的调研数据,1

000 户自然村,城镇 化后需要的电、热、冷等能耗约

3 000 吨标煤/年,折合人 均1吨标煤的年能耗增长.2020 年实现

1 亿左右农业转移 人口在城镇落户[7] ,约需增加1亿吨标煤的能耗需求. 此外,我国有县级行政单位近

3 000 个,乡镇 4.1 万个.各乡镇结合自身可再生能源条件,采用分布式可再 生能源系统,不仅满足自身多种能源需求,还可对外输 出部分可再生能源电力.如果已实现城镇化和未进行城 镇化的农业县中,占城镇化和农村人口 30%―50% 的乡 镇都采用上述新型能源系统,年节能量将达到 0.3 亿― 0.5 亿吨标煤. 通过以上分析,城镇化和农村地区广泛应用多能源 互补的分布式可再生能源,每年可节能 1.3 亿―1.5 亿吨 标煤. 1.2.4 分布式可再生能源的发展潜力及其能源结构占比 通过分布式可再生能源热利用与综合利用,每年在建 筑领域节能0.87亿―1.3亿吨标煤,工业领域节能1.55亿― 2.47亿吨标煤,城镇化和广大农村地区节能潜力1.3亿―1.5 亿吨标煤,共计3.7亿―5.3亿吨标煤.如果2030年能够实 现上述目标,届时我国总能耗预计将达到每年55亿―60亿 吨标煤,则分布式可再生能源热利用与综合利用在一次能 源结构中的比重将有望达到6%―9%. 热利用与综合利用是消纳可再生能源、提高可再生 能源在国家能源结构中比例,实现我国

2030 年非化石能 院刊

211 源占能源消费比重 20% 宏伟目标的重要途径.

2 可再生能源热利用与综合利用技术创新 可再生能源近年来在我国得到了快速发展,已经成 为国家一次能源结构中的重要组成部分,在节能减排和 国家低碳战略中发挥着重要作用.风能、光伏等领域已 经形成相对成熟的技术研发和产业化体系,但在热利用 与综合利用方面技术发展相对缓慢,存在原创性理论和 技术欠缺,重大技术难题未攻克,市场化不成熟,产品 单位成本高,相对化石能源竞争力不足等问题.以太阳 能中高温集热制蒸汽技术为例,直接蒸汽发生、高温储 热等技术是尚未很好解决的国际难题,单位蒸汽成本约 为燃煤锅炉的 2―3 倍,燃气锅炉的 1.3―1.5 倍,市场化 推广面临难度.现有技术难以充分发挥热利用与综合利 用的应用潜力,在解决政策、融资、市场等方面的问题 的同时,更重要的是依靠技术创新,研发高效、环保、 经济可行、运行可靠的新技术[8] . 2.1 可再生能源热利用 2.1.1 太阳炉 太阳炉是通过太阳能集热器、管路、水箱等分系统 组成可以产生大量热水及蒸汽的太阳能系统工程.除了 介质循环方式、管路防冻等问题外,太阳能集热器是太 阳能锅炉的最核心部件之一,其技术创新是太阳炉发展 的重要支撑.目前国内对于太阳能中低温槽式集热器的 商业化研究刚起步,设计和加工的槽式太阳能集热器成本 偏高.随着对集热管、反射镜面等关键部件的研究发展, 太阳能集热器结构的创新以及太阳能中高温系统设计和 安装经验的积累,太阳能锅炉的成本必然会有较大幅度 的降低. 2.1.2 太阳能跨季储热采暖及空调技术 太阳能跨季节储热采暖及空调是利用太阳能集热 器产生的热能直接用于采暖或者驱动制冷装置产生冷冻 水.太阳能空调通常包括太阳能吸收式制冷、太阳能吸 附式制冷、太阳能除湿空调系统和太阳能蒸汽喷射式制 冷等型式.目前为止,太阳能溴化锂-水吸收式空调方式 示范应用最多,另外,吸附式制冷方式由于驱动热源要求 温度低,近年来发展很快.但是降低太阳能空调的初投资 成本和发展太阳能复合建筑供能系统,是未来产业界所面 临的主要任务,继续深入开发太阳能建筑一体化技术及深 入优化太阳能空调运行技术、低品位能量制冷技术、低成 本蓄能材料开发等是推广太阳能空调的关键. 2.1.3 风能热泵技术 风能热泵系统是利用风力机将风的机械能转化为空 气的内能,进而转化为可以使用的热风能热泵技术在日 本、美国、加拿大和丹麦等国家已进入示范试验阶段,我 国风力致热技术研究起步较晚.风力热泵由于采用具有随 机性、地域性等特点的风能作为动力,不易实现冷热量输 出的即时供应和调节.未来的发展方向应该是降低机组尤 其是风力机的成本、开发与热泵空调压缩机相匹配的风力 机和蓄电设备、设计安全可靠高效的控制系统,以保证机 组顺利运行. 2.1.4 生物质供热技术 生物质固体成型燃料作为生物质能主要利用形式 之一,具有燃烧效率高、便于运输、使用方便等优点, 可用于农村居民户用采暖,为农村居民提供清洁能源. 生物质固体成型燃料供热技术在欧洲各国发展的比较成 熟,而在我........