工業領域能源消費約占全社會能源消費的65%，而排放量占與能源相關的二氧化碳排放量的70%，其中化石燃料直接燃燒供熱占比極高，工業領域供熱亟需低碳化轉型。圖為山東省日照昱嵐智造產業園的鋼卷生產線。新華社
本報記者 | 白雪
熱力消費是工業綠色低碳轉型的關鍵領域。近日，在由綠色創新發展研究院（iGDP）主辦的“工業綠色低碳轉型：供熱低碳化的關鍵突破和創新實踐”主題活動上，業內專家指出，隨著技術成熟與政策完善，工業用熱低碳化正從“試點探索”邁向“規模推廣”。破解工業用熱低碳化難題，需在技術突破、模式創新與政策支持上形成合力，循序漸進地尋找因地制宜且經濟適配的解決方案。
熱力消費是工業綠色低碳轉型的關鍵領域
全球熱力消費的碳排放壓力早已凸顯。根據國際能源署（IEA）數據顯示，2023年全球熱能相關能源消費占最終能耗近50%，相關二氧化碳排放量占比接近40%。在熱能領域推動低碳替代，是應對全球氣候變化的核心行動。
北京計科能源新技術有限公司研究主管車陽介紹，2017～2023年，全球與熱量相關的二氧化碳排放增長主要來自工業領域，這與我國當前工業用熱的高占比現狀高度契合。
聚焦國內，工業用熱的“高碳依賴”特征顯著。2021年，我國熱力消費占全國能源消費總量近60%，其中工業用熱占比超70%，且60%為工業自產自用熱力。車陽表示，從結構看，工業用熱以200度以上高溫為主，建筑用熱則以60度以下低溫為主，但兩者均高度依賴化石能源直接燃燒，可再生能源占比極低。
“工業用熱低碳化是工業零碳化的核心。”清華大學建筑學院副教授夏建軍表示，隨著新型電力系統建設，可再生能源將成為電力主要來源，用熱系統技術路線需轉向高效電轉熱，這也推動國家、地方及行業層面出臺多項政策支持。
從工業用熱種類來看，主要分成兩類：以鋼鐵、水泥為主的流程工業，以化工、紡織、食品加工為主的非流程工業。夏建軍表示：“流程工業多以化石能源作為其用能的原材料，余熱資源豐富；非流程工業以熱水和蒸汽為主要熱源，這類工業的熱力需求分高中低，180度以下可通過高效電轉熱解決，超過180度則涉及燃料替代。”他提到，2020年全社會非流程工業熱力需求達80億吉焦（GJ），超過北方地區建筑供熱2030年50億吉焦（GJ）的預期需求，且這類需求與生活息息相關，預計2050年可能增至120億吉焦（GJ）。
夏建軍進一步介紹，我國非流程工業用熱需求量大，現有供熱系統碳排放水平較高，為實現碳中和目標帶來了挑戰。不過，我國擁有大量流程工業及電廠等余熱資源，為構建余熱共享型集中熱水管網提供了良好的基礎。借助熱水管網傳輸熱量，并通過末端熱泵系統取熱升溫，可實現180度以下的熱量供給。同時，依托工業園區的規模優勢，有望在技術可行、經濟合理的前提下，實現非流程工業用熱的深度脫碳。
工業供熱低碳化進行多元探索
“國際上可再生能源替代化石能源用于供熱和制冷的潛力巨大。”車陽介紹，根據國際能源署統計，2023年，熱能相關能源消費占全球最終能耗的近一半，且近幾年這一比例保持在50%左右，與能源相關的二氧化碳排放量也接近40%；2017～2023年，全球熱需求增長幅度不大，但與熱量相關的二氧化碳排放增長幾乎全落在工業領域，因此在熱能領域推動低碳替代是應對全球氣候變化的關鍵。
通過對美國、英國、丹麥等國家和地區供熱轉型情況的分析，車陽總結出五大發展趨勢：“一是節能增效是首選轉型方向，能有效提升成本效益，如冷凝式燃氣鍋爐逐漸替代傳統鍋爐。二是區域供熱將成為重要模式，可整合多種能源并與熱泵、余熱利用結合，提升熱效率。三是熱泵技術應用將更廣泛，該技術能提升供熱制冷領域電氣化水平，構建電熱協同通道。四是可再生能源供熱比重將大幅提升，這是實現供熱低碳替代的有效途徑。五是氫能有望成為供熱主要能源之一，尤其在工業高溫領域的低碳替代中是重要且可行的研究方向。”
綠色創新發展研究院副主任楊鸝表示，在工業供熱低碳化領域，技術路線較為清晰，我國中低溫熱泵、電鍋爐、生物質利用、余熱利用等技術已經成熟。
余熱共享系統為高用熱密度區域提供了新方案。夏建軍認為，解決高負荷用熱密度區域的用熱問題，可依托余熱共享系統。該系統整合熱電廠、核電廠、工業流程、數據中心等余熱資源，通過高溫熱水管網輸送，結合熱泵提升品位，滿足180度以下用熱需求。“我國已有60萬公里集中供熱管網，若加以改造，可將工業余熱、核電余熱等低成本熱源輸送至工業園區，成本比天然氣供熱低30%～50%。”夏建軍以某工業園區為例介紹，通過60公里管網引入核電廠30～50度余熱，結合熱泵提升至60～130度，滿足造紙、食品等行業需求，同時通過儲熱裝置實現電力調峰，單套系統可匹配1000兆瓦核電機組的調峰能力。該系統能實現熱電協同調峰，在不影響生產的情況下，通過儲熱裝置在電力高低峰靈活調整用熱來源，且經濟性優于天然氣供熱。
在夏建軍看來，依托工業園區規模化效應，結合余熱共享、高效熱泵、零碳燃料替代等技術，工業領域180度以下用熱的深度脫碳具有高可行性，無需依賴大量國家補貼，可通過市場行為實現經濟合理的低碳轉型。
我國在低碳供熱領域有豐富技術儲備，如太陽能、生物質供熱、地熱能等，已在多個場景有應用實踐，從技術層面看替代基礎相對成熟。在“雙碳”目標下，未來有望形成以綠電、余熱、可再生能源為核心的綠色熱力生產體系。
不同終端的需求，低碳路徑應因地制宜、分類施策。車陽表示，比如在民用熱水領域，近期低碳替代路徑主要包括電加熱、熱泵及太陽能熱利用技術。又如，在農村地區可推廣空氣源熱泵，城鎮地區則以燃氣為主，輔以電加熱設備。中遠期階段，農村可進一步推廣空氣源熱泵、太陽能熱水系統以及光伏發電與熱泵的集成應用；城鎮則需大幅提升綠電制備熱水的應用規模。
在工業領域，車陽認為，近期發展重點在于熱泵工業余熱利用技術，需集成太陽能、生物質鍋爐等零碳熱源，并大力發展電窯爐替代技術。中遠期階段，電鍋爐低碳供熱技術將主要應用于工商業領域，同時可推廣綠氫技術、太陽能聚光集熱及中高溫熱泵余熱回收等可行的替代路徑。
技術、政策與市場協同發力
盡管技術路徑清晰，工業用熱低碳化轉型仍面臨多重障礙，包括低碳替代難度大、余熱利用效率偏低以及多能耦合體系缺失等。
加州大學伯克利分校首席科學家周南坦言：“經濟性是工業電氣化普及的重要障礙。”當前，我國工業電氣化面臨電價遠高于煤炭和天然氣的現實障礙，但高效的熱泵、熱電池等技術可縮小這一差距，推動電氣化實施。
破局需多方協同。在技術層面，加州大學教授沈波建議推動“工業與電力融合”方式，通過儲熱系統降低熱泵定制化需求，利用分時電價錯峰用電，甚至參與電力市場提供輔助服務，從單純供熱轉向電網協同，提升經濟性。
政策層面，國際經驗可資借鑒。車陽介紹，英國、丹麥對可再生能源供熱技術制定專項補貼，德國要求生物質鍋爐需滿足功率、排放和效率標準才能獲補，丹麥則采取禁止新建建筑使用電采暖、推動居民接入以可再生能源公共管網為主的區域供熱管網以及用戶側引入“節能賬戶”機制等措施。
能源創新智庫工業項目資深高管Jeffery Rissman在其新書《零碳工業》中形成一份清晰的路線圖，指引工業從現在到未來順利實現去碳化。
第一階段是奠定新基礎，需要大幅擴大可再生能源供應與并網能力，為各行業提供充足電力，同時需提升能源效率和物料效率，加快電氣化轉型（重點發展熱泵及其他適應中低溫供熱的技術），并加速研發步伐，儲備更多新技術。
第二階段聚焦于實現清潔工業熱能轉型——即通過電鍋爐、熱電池等方式滿足高溫熱能需求，實現去碳化。此階段將非常重視化石燃料的替代路徑。
第三階段要完成清潔鋼鐵及清潔原材料的轉型。即便是最先進的技術，也需降低成本并克服技術障礙，否則可能被其他技術取代。一些領先國家（如中國）若能率先達成目標，便可將其技術出口或知識產權許可給其他國家和地區，使其從技術領先國家的經驗中獲益。
從長遠看，工業用熱低碳化不僅是技術問題，更是系統工程。車陽表示，從國際工業低碳轉型經驗來看，最為關鍵的就是為低碳技術建立一套“目標引導—激勵約束—監測評估”的閉環政策體系，通過明確供熱低碳轉型戰略目標與技術路徑制定精準扶持政策，同時可通過經濟激勵機制和環保節能等政策的協同，確保對先進技術進行規范引導。
