工廠中的低溫供暖能否在競爭中實現電氣化？

擴大低排放供熱技術需要仔細審視其成本競爭力

全球各地的制造商都在關注如何優化熱量供應，這對工業流程至關重要。這可以提升他們的競爭力，但也存在權衡，包括能源安全和氣候目標。此外，低排放或近零排放的供暖選項通常前期成本高于傳統替代方案，整合困難，運營成本可能更高，且不一定能在商業規模上提供。

然而，在能源消耗較低的工業部門（如食品加工、紡織和機械生產）中，存在一個潛在的最佳平衡點，這些行業約占總工業能源使用的30%。全球范圍內，這些行業約75%的熱量需求低于200°C。 這一比例相對有限，通?？梢酝ㄟ^市面上可用的低排放技術來實現——在某些情況下，其成本可與基于化石燃料的方案相當。相比之下，高能耗行業更多依賴高溫熱量，而這種熱能在沒有化石燃料的情況下難以供應。

IEA對全球近期項目的跟蹤顯示，工業企業正逐步采用低排放的供熱技術，這些企業在能源消耗較低方面正日益增長。例如，在西班牙，一家釀酒廠使用30兆瓦（MW）太陽能熱能系統為其工藝提供熱能，并減少天然氣使用。匈牙利一家玉米加工廠最近安裝了56兆瓦時（MWh）的電氣化熱能和熱能儲存系統，用于提供工藝熱能。在挪威，一家魚粉制造商安裝了5兆瓦熱泵用于生產工藝蒸汽，而一家熱儲能公司在美國安裝了100兆瓦時的太陽能儲能裝置，在泰國安裝了33兆瓦時的熱儲存裝置。

電氣化在低溫工業供暖方面前景看好

電加熱技術——推動新興電力時代的因素之一——可以應用于廣泛的工業領域。它們具有運行優勢，如精確的溫度調節和快速的負載遞增速率，使操作員能夠快速增加或減少供熱量。熱泵和電鍋爐尤其具有潛力的低溫取暖技術——盡管它們各自存在競爭性問題。

雖然電鍋爐的購買和安裝成本與天然氣鍋爐大致相同，但其能源成本明顯更高。在美國，獨立電鍋爐的運行成本約是天然氣鍋爐的四倍，而在中國，成本是兩倍。然而，將電鍋爐與現有天然氣鍋爐或熱能儲存（TES）結合運行，可以提升其成本競爭力，具體將在下節詳細討論。

2024年部分地區工業電鍋爐相較當前市場基準的能源投入成本比

2024年部分地區工業熱泵相較當前市場基準的能源投入成本比

熱泵高效的性能意味著它們在產生相同熱量時比電鍋爐用電更少，因此運行成本更低。然而，設備和安裝成本明顯更高。

計算平定熱量成本（LCOH）有助于比較不同采暖技術的成本競爭力。通常，這一數值主要由資本支出和能源成本決定，后者因地區而異。

這一指標表明電鍋爐的高能耗使其在各地區難以具備競爭力。與此同時，熱泵的資本成本幾乎與美國和印度的天然氣和燃煤鍋爐的整體LCOH相當。然而，在其他地區，熱泵與使用化石燃料的鍋爐之間的成本差距較小——而且不同工業場地的實際能源價格差異很大，使得熱泵在許多情況下具有成本競爭力。

電網連接成本可能帶來重大挑戰，盡管各國和地區差異較大，且隨著可再生能源的普及，成本可能發生變化。工業場地甚至可能擁有備用的電網接入容量，尤其是在近期能源效率升級降低了用電量或附近其他場地關閉的情況下。鑒于不確定性，我們已排除電網連接成本，盡管它們仍是許多站點電氣化的重要障礙。

2024年部分地區煤炭或天然氣鍋爐、電鍋爐和熱泵的熱能平準化成本

混合系統可以使電氣化工業供暖更具成本競爭力

由于電力在電氣供熱的整體LCOH中占很大比例——尤其是電鍋爐，其電價大約是熱泵的三倍——因此尋找降低這些成本的方法是提升競爭力的優先事項。在能耗較低的行業中，終端用戶電價通常基于固定零售費率，盡管對直接批發市場合同、現場或附近可再生能源發電或兩者的結合越來越感興趣。在批發市場中，電價從負值批發價到高價期不等。

結合兩種或多種技術的混合系統可以用來適應電價的這種變異性?？蛇x方案包括將電氣化熱能與現有天然氣鍋爐或熱能儲存結合，這些設備都能輕松集成到非高能耗行業使用的蒸汽網絡中。熱能儲存（TES）系統——通過提高材料溫度并改變其相，或利用可逆化學反應來儲存熱量——具有在低能耗時期捕獲和保留熱量以備后續使用的優勢。有些熱能儲存系統與供暖設備分離，而另一些則合并為一個集成系統。

在電價高昂時使用天然氣鍋爐，并在較低時段切換為電鍋爐，可以降低整體供暖成本。雖然這無法實現全系統電氣化，但能降低工業供暖的碳強度，并促進已有燃氣鍋爐的設施更廣泛地采用。

德國2024年混合系統供暖的平穩化成本示例

混合系統提升成本競爭力的能力最終取決于節能是否能抵消更大的投資需求和運營成本。增加熱能儲存并保留現有鍋爐，顯著降低電鍋爐的LCOH，而熱泵的收益較低。熱泵所需的更高資本成本甚至可能超過節省，尤其是在需要更大設備為TES充電時。因此，混合配置通常更適合電鍋爐系統，而熱泵作為獨立解決方案通常表現更佳。

2024年德國不同利用率及二氧化碳價格下，電和天然氣鍋爐混合器的平級供熱成本示例

例如，在德國，混合系統以約20%的使用率運行電鍋爐，剩余時間由現有天然氣鍋爐覆蓋，其LCOH可比全天運行的天然氣鍋爐低15%。如果碳成本上升，可能會進一步增加電鍋爐提供的最佳熱量份額。在電力市場中，電價低于天然氣價格，電鍋爐的最佳利用率顯著提升。

注：括號內數字為每種系統配置購買電力的平均成本。二氧化碳價格為每噸80歐元。終端用戶工業天然氣價格（不含增值稅）為60歐元/兆瓦時。批發小時電價范圍為每兆瓦時-136至916歐元，我們在此基礎上加上約65%的乘法加價，反映網絡成本、稅收和稅費（不含增值稅）及靈活性激勵的綜合影響。由于不確定性，電網連接成本不包含在分析之外。系統規?；贚COH最小化：電鍋爐+TES配置中儲能容量為48兆瓦時，充電功率為3兆瓦時，而電鍋爐+TES+天然氣鍋爐的容量為24兆瓦時，功率為3兆瓦。假設天然氣鍋爐已就位并能繼續運行，這反映了常見的工業配置，避免了混合系統中冗余資本投資的需求。天然氣鍋爐的利用率被優化至最低LCOH為80%（電鍋爐+天然氣鍋爐），59%（電鍋爐+TES+天然氣鍋爐）。熱能儲存假設為水箱系統。來源：EUROSTAT工業天然氣價格、電網成本以及電力稅費和征費（假設用電區間分別為I4和IE）。ENTSO-e用于按小時批發電價。

在德國，基于2024年的價格，采用混合式熱能儲存方案，相比獨立電鍋爐，供暖平均成本可降低超過兩倍，且可在電價低時儲存產生的熱能。通過混合方案，許多工業場所已有的天然氣鍋爐，平均電費更低，額外的資本支出可在五年內收回。

隨著可再生能源的普及，電價低，工作時數增加，這些混合動力解決方案的成本競爭力預計將提升。如果場地能夠進入電網平衡、頻率調節及其他輔助服務市場，還能帶來可觀的額外收入，同時增強場地對能源供應風險的韌性。熱能儲存系統還可支持現場可變可再生能源的集成，減少對電力采購和電網成本的依賴。

電氣化工業供熱的成本競爭力主要通過四種方式解決

為了提升工業環境中電氣供暖的成本競爭力，政府、企業和行業團體正采取四種主要方法：

1. 能源價格：

   一些國家正在努力重新平衡能源稅，以考慮化石燃料對環境的影響，從而降低其成本優勢。例如，芬蘭降低了工業電稅并提高了化石燃料稅，德國則在降低電網成本和稅收。雖然固定電價因其財務穩定性而具有吸引力，但按時用電定價、地理位置價格信號及其他電價調整也能支持更實惠的電力供應，并鼓勵靈活需求（在加利福尼亞州，工業用戶必須使用這些電價）。然而，這取決于預測低成本期間和響應實時靈活性激勵的能力，這對運營商來說可能較為困難。AI工具有望顯著提升預報能力。

2. 提升認知和專業知識：

   由于這些技術的部署相對有限，人們對低排放工業供暖選項和行業專長的普遍認知仍然較低。改變這一狀況的舉措包括經合組織與印度尼西亞紡織業的合作、在西班牙成立Alianza Q-Cero、擴大造紙行業熱泵使用的合作，以及IEA正在制定的熱泵分類法。同樣，熱即服務模式可以使工業場地將部分考量外包給專業人員，同時減少前期資本投資。

3. 降低財務風險：

   許多工業企業對大型前期投資風險非常敏感，尤其是中小企業以及新興和發展中經濟體的企業。這對熱泵來說是一個重要障礙。雖然隨著持續部署和設備標準化，設備和安裝成本將下降，但貸款、補貼和稅收抵免可以支持過渡期的使用。現有項目包括世界銀行和氣候投資基金的國際項目、歐盟5億歐元的工業熱拍拍試點，以及新西蘭的成熟基金。為安裝人員和工程師配備合適的技能對于擴大部署規模和降低安裝成本也至關重要。

4. 電網行動：

   投資擴展輸電和配電網絡至關重要，保障可靠電力的獲取同樣重要。巴西的經驗凸顯了強有力的監管框架如何釋放數十億美元的私有電網投資。縮短電網連接的交接時間是另一項挑戰;英國通過優先將低排放能源項目納入連接隊列，荷蘭則釋放了該國40%的峰值容量，用于提供靈活性的用戶新連接。此外，調整電網電價以反映實時擁堵，如德國新推出的動態電網費用，可以推動需求響應的采用和混合系統整合。與此同時，開發產能和輔助服務市場還能進一步提升系統靈活性并提供額外的收入來源。

感謝來自阿爾托大學、奧地利理工學院、BVES、CEFIC、丹麥理工學院、EnergyNest、ERM、KTH、監管援助項目、施耐德電氣、IEA熱泵技術合作項目以及利茲大學的審稿人對本文的審稿。

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