 陈讲运清洁能源 原创 2023-4-21 07:35 · 来自北京 随着热泵的大量使用，不仅一氧化碳2排放，但也节省了天然气进口然而，为了可持续地满足额外的电力需求，必须扩大可再生能源。2030年的模型计算显示了电力部门需要做些什么来管理向热泵的转换从宏观经济的角度来看，与转换相关的成本很低，高天然气价格甚至可以节省成本政策制定者应通过雄心勃勃和协调的计划推进转型 显示所有大图 “热泵不仅可以帮助减少二氧化碳排放并减少对俄罗斯天然气进口的依赖;如果天然气价格居高不下，它们也会降低经济成本。亚历山大·罗斯 摘要 由于俄罗斯对乌克兰的侵略战争，德国和欧盟都在努力快速但可持续地减少对俄罗斯能源进口的依赖。信息天然气在这里发挥着特殊作用。一方面，基于管道的天然气进口在短期内比从其进口的其他能源更难替代。信息另一方面，俄罗斯对德国天然气供应的重要性是巨大的。信息 天然气在德国的能源供应中发挥着核心作用。2021年，天然气占一次能源消费的近27%。信息除工业（37年占德国天然气销售额的2021%）外，天然气主要由私人家庭用于提供空间供暖（31%）。各有 <>% 用于制冷、区域供热和电力供应。信息 因此，用热泵取代燃气加热系统——这在气候保护方面无论如何都是有意义的——可以为减少对天然气进口的长期依赖做出重要贡献。但是，这种开关伴随着更高的功耗。在DIW柏林开发的开源电力部门模型的帮助下，正在研究2030年德国更多地使用热泵对电力部门的影响。信息此外，将电力部门热泵造成的额外成本与天然气供暖系统的节省成本进行比较。 目录 目前热泵增长强劲，但水平较低 使用电力部门模型研究不同的热泵场景 在基本假设下，电力部门影响温和 敏感性分析：电力部门效应在很大程度上取决于情景假设 如果考虑到节省的天然气加热系统，整体经济成本甚至可以降低。 结论：在电力部门，几乎没有什么可以阻止转向热泵 目前热泵增长强劲，但水平较低 目前，德国一半的公寓使用天然气供暖，只有约3%使用热泵供暖。信息然而，天然气对于新建公寓的重要性越来越低：2021 年，燃气锅炉的安装率略低于 27%。相比之下，近年来热泵的重要性持续增加;2021 年，近 44% 的新建公寓安装了它们。 热泵通过从地面、地下水资源或空气中提取环境热量并将其带到更高的温度水平来提供空间供暖，该温度水平可用于电力加热（框1）。结合节能建筑翻新，在许多未来情景中，它们的使用被视为减少供暖部门天然气消耗和减少该地区温室气体排放的基本战略。信息由于资源潜力，使用其他可再生热发生器（如生物能源）的可能性仍然有限，纯电加热系统的能源效率明显低于热泵。在城市地区，可再生能源的区域供热也可以发挥重要作用。大型热泵也可用于区域供热系统。 框注1热泵的工作原理keyboard_arrow_up 德国政界人士已经将热泵确定为供暖行业气候保护的关键技术。2021年，德国安装的热泵数量约为1万台。信息在联邦经济事务和能源部的“气候保护开放报告”中，提到了到2030年安装4.1至6万台热泵的走廊。该数字来自当前的气候保护情景（图1）。这基本上是指用于在独立式和半独立式房屋中提供空间供暖和热水的热泵。信息 使用电力部门模型研究不同的热泵场景 为了进行分析，DIW柏林开发的开源电力部门模型DIETER开发信息使用。它可用于确定给定目标年份的发电厂部署和投资决策，从而以尽可能低的成本满足电力需求。这里使用的模型版本包含一个详细的空间加热模块信息并考虑了扇区耦合的其他备选办法（方框2）。 框注2开源电力部门模型DIETERkeyboard_arrow_up 该模型计算了 2030 年的各种情景，这些情景主要在热泵存量方面有所不同。在参考场景中，更新了不同建筑类型中热泵的历史份额（图1）。信息根据这些假设，到2030年将安装1万台热泵，仅比现在略多。在“较低目标”情景中，安装的热泵数量为7万台，其中扩建仅在能源效率最高的两个建筑类别的独立式和半独立式房屋中进行。在“上限目标”情景中，3年将安装9万台热泵，与之前的情况相比，效率较低的独立式和半独立式房屋也将进行扩建。在“上目标+”场景中，系统也安装在各种效率等级的多户住宅中;到2030年，热泵总数将达到6万台。在这种情况下，热泵提供几乎四分之一的空间供暖和热水。 在所有情况下，可再生能源将按照交通灯联盟的目标实现80%的电力消耗份额。这包括电动汽车的功耗和电解氢。在所有情况下，热泵的额外电力需求必须在一年内通过额外的可再生能源供应来完全满足。 在基本假设下，电力部门影响温和 根据上述基本假设（方框2），下文所述的模型结果特别适用于天然气价格和储热。 热泵需要扩展光伏 由于热泵的使用增加，德国的电力需求正在增加，尤其是在供暖季节。如果要完全通过可再生能源来满足额外的需求，则必须扩大发电厂的产能（图2）。由于风能已经达到了2030年假设的110吉瓦（GW，陆上风电）或30吉瓦（海上风电）的扩展极限，没有热泵，因此光伏发电尤其必须扩大。信息与参考情景相比，在较低的目标情景中必须创建不到18GW的额外容量，在较高的目标情景中甚至必须创建1GW的额外容量。这相当于每个热泵 7.3 或 8.37 千瓦。 第二种情景中的较高需求可以解释为，除其他外，“较低目标”情景中的额外热泵仍然可以部分由参考情景中可用的可再生能源剩余电力供电。在较高的目标情景中，这些盈余已基本用完，需要更多的发电能力。在“上限目标+”情景中，对光伏的额外需求明显更高，略低于6吉瓦（每热泵3.23千瓦）。与参考情景相比，这相当于光伏容量增加了约2%（图<>）。信息这不仅是因为热泵的数量更多，还因为多户住宅中使用的热泵加热面积更大，因此比独立式和半独立式住宅具有更高的能源需求。此外，在这种情况下，燃气轮机和电池存储系统将在一定程度上安装（分别为四吉瓦和略低于两吉瓦）。这些有助于弥补供暖季节热泵造成的额外峰值负荷。信息电池存储系统的最佳存储容量也略有增加，在“上限目标”场景中增加了约22吉瓦时（GWh），在“上限目标+”场景中增加了<> GWh。 发电也出现了类似的情况（图3）。与参考情景相比，额外热泵引起的电力需求主要由光伏发电的能源覆盖。此外，风力发电的电力较少，这在安装的热泵较少的场景中不使用。此外，在上述两种情况下，开放式燃气轮机的发电量也有所增加。与此同时，从国外进口的电力，在参考情景中约为31太瓦时（TWh），在某些情况下将下降20%以上。在“上限目标+”情景中，与参考情景相比，热泵的电力需求增加了近52%，达到<> TWh。 发电成本小幅上升 建模得出发电成本，即所有发电和存储技术的固定成本和可变成本的总和。信息它们随着安装的热泵数量而增加（图 4）。在下限或上限目标情景中，与参考相比，基本假设下的成本每年分别增加约0亿欧元和6亿欧元。这相当于每个热泵每年 2 欧元或 6 欧元。成本的增加是由于对可再生能源发电能力的需求增加。在“上限+”情景中，每年的电力部门成本增加了近295亿欧元。这相当于每个热泵534欧元。这一增长是由于公寓楼中的热泵提供了更多的空间热量。 如果额外的电力部门成本与产生的总空间供暖有关，则三种情景中的值相对相似。在“下限目标”情景中，它们最低，约为每千瓦时3.07美分（kWh），在“上限目标+”情景中最高，为每千瓦时3.37美分。在所有情况下，电力部门通过热泵提供热量的成本都相对较低，这一事实可以解释 - 除了大部分空间供暖来自自由环境热量的事实 - 通过使用廉价电力。以冬季为例，发电和用电量数据显示，热泵在一定程度上是灵活运行的，即基于批发价格。即使在太阳能有限的冬季，正午供应的高峰也因此被大量利用（图5）。 敏感性分析：电力部门效应在很大程度上取决于情景假设 如果偏离上述基本假设，额外热泵对电力部门的影响有时会发生重大变化。例如，如果陆上风能可以扩展到2030年假设的110吉瓦扩展限制之外，它也将被更大程度地使用，并且额外热泵产生的电力需求将主要由风能覆盖（图6）。这是因为风能的季节性分布比光伏更适合热泵的电力需求。信息然而，在这种情况下，热泵引起的电力部门成本增加几乎与光伏容量的扩大一样高。因此，如果风能的膨胀可能性有限，热泵也可以与太阳能的膨胀很好地结合起来。 在进一步的敏感性分析中，考虑了极端恶劣天气事件，其中1月的整整一周（即在供暖季节）不可能通过太阳能或风能发电。在这种欧洲“黑暗平静”的情况下，光伏发电的扩张程度高于基本假设。在“上限目标+”情景中，伴随着电池和长期电力存储系统的更大扩展，每个系统约为5GW（提取容量）和略低于<>.<> TWh（长期电力存储系统的存储能量）。此外，还有大约四吉瓦的褐煤产能可用，一年来使用量很少。由于需要额外的投资，与基本假设的情景相比，热泵造成的额外电力部门成本略高。然而，即使在黑暗的平静中，发电成本仍然很低，德国也受益于欧洲邻国的发电能力。扩展灵敏度计算还表明，如果与热泵耦合的储热容量从两小时（基本假设）增加到十二小时，则额外的电力存储需求接近于零。 在天然气价格较高（60欧元而不是每兆瓦时30欧元，兆瓦时）的情况下，与基本假设相比，对光伏发电的投资以及（在较小程度上）对固定电池存储系统的投资显着增加是最佳的。这既适用于燃煤电厂在2030年仍然可以使用的情况，也适用于届时煤炭淘汰已经完成的情况。 如果将德国建模为一个与邻国没有任何电力交换的岛屿，那么更多地使用热泵发电所需的额外容量明显高于基本假设。最重要的是，对光伏和电池存储系统的投资正在增加。这一发现说明了欧洲电力交易所的优势。 如果考虑到节省的天然气加热系统，整体经济成本甚至可以降低。 该模型侧重于热泵扩张对电力部门的影响，从而也对发电成本的影响。如果再加上热泵的必要投资成本以及消除的燃气加热系统中节省的天然气成本，则可以估计总体成本效应。为简单起见，假设每增加一个热泵就取代一个燃气加热系统。与燃气加热系统相比，热泵的额外投资成本存在不确定性，它们还取决于系统的大小和热泵的类型。信息 与参考情景相比，所有三种情景的年度总成本略高，在80万欧元至380.30亿欧元之间。这适用于天然气的进口价格为每兆瓦时<>欧元和一氧化碳2-价格为每吨130欧元。信息如果假设天然气价格更高，为每兆瓦时60欧元，则在所有考虑的情景中，计算的总成本较低，因为节省的天然气和排放成本超过了额外的投资和电力部门成本。在最雄心勃勃的扩张情景中，在这些假设下，每年可以节省近 3 亿欧元。 因此，从宏观经济的角度来看，热泵的加速扩张似乎没有问题，或者在天然气价格长期高企的情况下，甚至明显有利。但是，仅包括电力和供热的纯成本，并且（CO2成本）不考虑税收、关税或征税。由于电力和天然气的成本比较不同，因此从单个家庭的角度来看，热泵和天然气供暖系统之间的成本比较可能不同。信息 由于热泵的使用增加，2030年这里模拟的情景中的天然气消耗量比参考情景低16 TWh（“下限目标”）和113 TWh（“上限目标+”）。这分别相当于15年德国从俄罗斯进口天然气的2021%和<>%。 结论：在电力部门，几乎没有什么可以阻止转向热泵 热泵的使用增加会增加电力消耗。到 2030 年，它将增加近 23%，增加近 15 万台设备。因此，扩大可再生能源发电是必要的。这可以通过将光伏容量增加多达<>%来实现。考虑到天然气供暖系统节省的成本，整体经济成本几乎不会增加，如果天然气价格长期居高不下，甚至会大幅下降。与此同时，天然气将节省今天从俄罗斯进口的<>%。 热泵和风能的扩展相结合将更具成本效益，因为季节性特征非常适合供暖季节。原则上，对电力部门其他技术，特别是电力储存的模拟影响仍然温和。这也适用于其他假设，即使考虑到特定时期的恶劣天气。其原因包括尽可能灵活地使用热泵以及与邻国的电网平衡作用。因此，从电力部门的角度来看，热泵的显着加速扩张没有重大障碍;就总成本而言，它甚至可以具有显着优势。 本研究的重点是电力和热能的纯发电成本。然而，终端客户的电费在相当程度上包含税收、征税和征税。对于政治家来说，以不妨碍合理和时间灵活的热泵使用的方式设计这些热泵仍然是一项 - 绝非微不足道 - 的任务。信息除了已经决定取消脑电图附加费外，还可以进一步减少对热泵的电费征税。信息 计划中的《建筑能源法》修正案可以为热泵的扩张提供进一步的积极动力。特别是，计划的创新是，最早在2024年，新安装的供暖系统必须实现65%的可再生热量，这在许多情况下可能会导致事实上的热泵需求。信息此外，政治家应该采取支持措施，大大加快热泵的扩张。这涉及扩大热泵的生产能力，专家的资格认证，监管措施，为业主和租户提供信息和协调服务，以及在必要时采取其他财政支持措施或融资模式。此外，这里没有深入研究其他方面，例如混合热泵技术的过渡解决方案，将大型热泵集成到本地和区域供热网络中，以及提高现有建筑物的能源效率。通过协调这些措施，可以启动一种“阿波罗计划”，将供热转向热泵，这将在中长期内显着减少对天然气的进口依赖，为气候保护做出重大贡献，最后但并非最不重要的是，提供重要的产业政策推动力。 编译 陈讲运 |
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