【低碳解决方案】重工业要实现热能替代有哪些低碳解决方案?

引言

重工业是二氧化碳排放的重要排放源，工业温室气体占大约22%的全球年度排放，主要来源于水泥、钢铁、冶炼、化工等行业。大约42%的工业温室气体（约10%的全球温室气体）实际上源于为了满足工业制造条件而使用化石燃料燃烧产生的热能。事实上，工业制造过程中燃烧产生的温室气体甚至比全球汽车所产生的排放总和（约占全球总排放6%）还高。

现如今，大部分重工业仍然依赖于化石燃料以提供热能并且需要非常高的温度维持运行，例如，传统钢铁高炉运行温度大约为1100摄氏度，而传统水泥窑运行温度大约为1400摄氏度。由于不同行业对于温度、热通量、持久性要求不同，市场上可选的其他解决方案较少，在重工业减排道路上，实现热能供应低碳化将成为更深程度减排道路上的重大考验与挑战。

由于重工业对于热能的特殊要求，目前市面上可以满足水泥制造、钢铁生产、玻璃生产条件的高温、高热通量、高热能的解决方案主要有以下几类：

• 生物质与生物燃料燃烧
• 氢燃烧（包括蓝氢（从天然气中产出的氢气配合89%的碳捕集），绿氢（通过可再生能源供能的电解水产生的氢气））
• 电力加热（包括电阻加热以及辐射加热）
• 核热能（包括传统以及先进系统）
• 燃烧后碳捕集与封存（CCUS）在工业热能供应中的应用

表1：热能主要选项 （来源：哥伦比亚大学国际能源政策中心）

除了传统热能替代，碳捕集与使用、封存（CCUS）也是较为可行且具有吸引力的选择方式。现阶段，实施CCUS将大幅增加生产成本与货物价格，且储存二氧化碳也将受到地理环境的限制，韩国、日本等国家将面临缺少封存的限制。所以在广泛应用的愿景下，低碳、可供选择的替代传统化石能源燃烧解决方案是亟需的。

在寻找可行热能解决方案的过程中，将主要考虑以下两方面的因素：1. 热质量 2. 可行性。

温度要求方面：

不同工业过程所需的温度均不同，从200℃到2000℃（典型的燃烧火焰温度）。理论上，对于特定工业，热能替代解决方案的温度需要达到的是材料的反应温度而不是火焰温度。尽管如此，很多热能替代技术仍无法提供足够的高温。比如传统核反应堆所产生的热能对于大多数工业过程而言是完全不够的，同样的燃烧木屑、秸秆等所产生的温度对于钢铁制造、水泥生产是不充足的。在哥伦比亚大学发布的研究报告《Low-carbon Heat Solutions For Heavy Industry: Sources, Options, and Costs Today》中，对现可行技术与工业制造要求温度进行了对应（见图1）。从该图可以看出，对于水泥制造、钢铁制造、玻璃制造工业而言，仅有生物燃料、电阻加热、以及氢燃烧可以满足工业热能需求。

热通量要求方面：

热通量要求是指单位时间通过某一面积的热能，是具有方向性的矢量，其在国际单位制中的单位为焦耳/秒，工业生产过程中，热通量需要保持在较高的水平来保证有效的生产和产品质量。

可用性方面（主要考虑解决方案的主要限制）：

核反应堆在现有设备基础上替代热能的限制主要体现在地理限制上；水泥窑内一般由固体燃料加热，如果在外表面进行电阻加热将会使得在窑中加热不均；如果电力供应是间歇性的（比如路上风能），电能储存系统与绿色电力则需要被考虑；如果使用生物质能（能量密度较低）则需要大量的储存空间以及相应的设备。

就可行性方面而言，工业设备的资本与运行寿命一般均在数十年以上，典型的固定设备周转率在20-50年左右。若要有效地完成热替代，需要在现有的设施上提供足够高的温度和热通量，改造费用和资本支出是基本成本。其他地理、物理空间要求、运输限制等等也将成为需要考虑的因素。

图1:低碳热能替代解决方案可实现的最高温度与工业技术温度要求（来源：哥伦比亚大学国际能源政策中心）

具体探讨三大热能替代解决方案

氢燃烧：

氢气不是温室气体，并且燃烧产物仅有水。但是生产氢气的过程中一般会产生温室气体。制氢常用的方式中，甲烷重整（SMR）相对应用较为广泛，该工艺要求700-1000℃的蒸汽与甲烷混合，该过程将产生二氧化碳和氢气，如果配合CCUS，那么该项技术也可实现碳中和。

除了此类需要大量热能制氢的技术以外，电解水（Water electrolysis）制氢将不会产生温室气体，所以电力使用以及设备支出将是主要成本来源。如果使用绿色电力，则制氢过程实现低碳，进一步的氢燃烧也实现了清洁、环保。

图2：SMR（甲烷重整）技术流程

生物质能：

生物质能配合CCUS移除燃烧过程中的二氧化碳将是另外一种热能低碳解决方案。但是不同种类的生物燃料，由于气候、农业生产方式不同，碳足迹差异很大。

电能加热：

电能加热主要分为直接加热（一般需要材料可以导电，限制非常大）和间接加热（电热在外部产生再转移到需要加热的材料上）。电阻加热是最为常见的方法之一，根据最新的研究显示，该项技术可实现的温度已达到1800℃。对于大多数工业过程来说，已经满足了温度要求。电力生产的碳足迹主要依赖于燃料、转换效率、平衡间歇电力的技术。如果使用绿色能源产电，那么该项技术也可以实现绿色、低碳。

成本比较

根据报告调研，成本最低的仍然是通过SMR制氢，燃氢产生热能，如果配合CCUS将大幅提升成本，但相比其他方式，成本相对来说较有优势。可再生能源供能的电解水制氢的能本较高。生物质能与电力加热方式成本较为相近，但电力加热仅考虑了美国工业用电市场。所以在考虑技术方面（热质量与可行性）可行的情况下，使用SMR配合CCUS制氢燃氢替代传统热能将是性价比较高的方式。

表2：热能替代解决方案 （来源：哥伦比亚大学国际能源政策中心）

结语

综上所述，现阶段，重工业中实现化石燃料的热能替代是非常艰巨的，同样也是深度减排道路中不可缺少的一环，重工业对于热质量方面的条件较高，目前现行很多热能技术无法保证所需的正常生产要求。在较为可行的几大技术中，氢燃烧成为了具备技术与经济可行性的技术，但使用氢作为燃料的同时，也需要考虑不同的制氢过程所带来的影响。如果使用甲烷重整技术（SMR）制氢，连同产生的副产品为二氧化碳，所以该项技术可以配合CCUS以实现低碳供热。现阶段使用SMR配合CCUS的成本是远高于SMR不配套CCUS制氢，仍然会使得企业有较大的压力。如果在未来政策趋严、碳市场不断推进的假设下，或许会实现配合CCUS的减排成本低于碳市场配额的成本，从而激励企业减排。

此外，“电力加热”在我国推动可再生能源不断减排的政策道路上，可再生能源电力成本会不断降低，或许可以成为较为可行的另一种选择。中国节能皓信是一家可持续发展战略咨询机构，致力于根据企业和金融机构的可持续发展需求提供多元化的咨询服务和智能化产品，包括ESG与气候变化的管治、战略、风险管理、可持续金融、信息披露、环境技术咨询及EnvAI管理系统等。作为香港证监会气候变化技术专家组成员、香港绿色金融协会创会单位及ESG工作组主席，我们持续参与协助中国内地及香港两地ESG与可持续金融政策制定和闭门咨询，对企业和金融机构的可持续发展具有深刻理解。如希望了解更多相关内容，欢迎与我们联络！

宋菁

中国节能皓信副总经理

香港绿色金融协会ESG披露及整合工作组联席主席

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参考文献

1.Edenhofer et al., Summary for Policymakers

2.“World Energy Outlook 2018: The Gold Standard of Energy Analysis,” International Energy Agency 2018, https://www.iea.org/weo2018/

3.“Turning Points: Trends in Countries’ Reaching Peak Greenhouse Gas Emissions over Time,” World Resources Institute (November 2017), https://www.wri.org/publication/turning-points-trendscountries-reaching-peak-greenhouse-gas-emissions-over-time

4. “LOW-CARBON HEAT SOLUTIONS FOR HEAVY INDUSTRY: SOURCES, OPTIONS, AND COSTS TODAY”, THE CENTER ON GLOBAL ENERGY POLICY (October 2019)

5.https://wenku.baidu.com/view/72dddbe56ad97f192279168884868762cbaebb82.html

6.Thermcraft, Electrical Resistive Heating Elements: An Overview (2018), https:// thermcraftinc.com/wp-content/uploads/2018/01/Heating_Element_Seminar_ Nov_2_2016.pdf

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