原創(chuàng)

2023-4-21 07:35 · 來自北京

隨著熱泵的大量使用，不僅一氧化碳2排放，但也節(jié)省了天然氣進口然而，為了可持續(xù)地滿足額外的電力需求，必須擴大可再生能源。2030年的模型計算顯示了電力部門需要做些什么來管理向熱泵的轉(zhuǎn)換從宏觀經(jīng)濟的角度來看，與轉(zhuǎn)換相關(guān)的成本很低，高天然氣價格甚至可以節(jié)省成本政策制定者應(yīng)通過雄心勃勃和協(xié)調(diào)的計劃推進轉(zhuǎn)型

“熱泵不僅可以幫助減少二氧化碳排放并減少對俄羅斯天然氣進口的依賴;如果天然氣價格居高不下，它們也會降低經(jīng)濟成本。亞歷山大·羅斯

由于俄羅斯對烏克蘭的侵略戰(zhàn)爭，德國和歐盟都在努力快速但可持續(xù)地減少對俄羅斯能源進口的依賴。信息天然氣在這里發(fā)揮著特殊作用。一方面，基于管道的天然氣進口在短期內(nèi)比從其進口的其他能源更難替代。信息另一方面，俄羅斯對德國天然氣供應(yīng)的重要性是巨大的。信息

天然氣在德國的能源供應(yīng)中發(fā)揮著核心作用。2021年，天然氣占一次能源消費的近27%。信息除工業(yè)（37年占德國天然氣銷售額的2021%）外，天然氣主要由私人家庭用于提供空間供暖（31%）。各有 <>% 用于制冷、區(qū)域供熱和電力供應(yīng)。信息

因此，用熱泵取代燃氣加熱系統(tǒng)——這在氣候保護方面無論如何都是有意義的——可以為減少對天然氣進口的長期依賴做出重要貢獻。但是，這種開關(guān)伴隨著更高的功耗。在DIW柏林開發(fā)的開源電力部門模型的幫助下，正在研究2030年德國更多地使用熱泵對電力部門的影響。信息此外，將電力部門熱泵造成的額外成本與天然氣供暖系統(tǒng)的節(jié)省成本進行比較。

目前熱泵增長強勁，但水平較低

使用電力部門模型研究不同的熱泵場景

在基本假設(shè)下，電力部門影響溫和

敏感性分析：電力部門效應(yīng)在很大程度上取決于情景假設(shè)

如果考慮到節(jié)省的天然氣加熱系統(tǒng)，整體經(jīng)濟成本甚至可以降低。

結(jié)論：在電力部門，幾乎沒有什么可以阻止轉(zhuǎn)向熱泵

目前，德國一半的公寓使用天然氣供暖，只有約3%使用熱泵供暖。信息然而，天然氣對于新建公寓的重要性越來越低：2021 年，燃氣鍋爐的安裝率略低于 27%。相比之下，近年來熱泵的重要性持續(xù)增加;2021 年，近 44% 的新建公寓安裝了它們。

熱泵通過從地面、地下水資源或空氣中提取環(huán)境熱量并將其帶到更高的溫度水平來提供空間供暖，該溫度水平可用于電力加熱（框1）。結(jié)合節(jié)能建筑翻新，在許多未來情景中，它們的使用被視為減少供暖部門天然氣消耗和減少該地區(qū)溫室氣體排放的基本戰(zhàn)略。信息由于資源潛力，使用其他可再生熱發(fā)生器（如生物能源）的可能性仍然有限，純電加熱系統(tǒng)的能源效率明顯低于熱泵。在城市地區(qū)，可再生能源的區(qū)域供熱也可以發(fā)揮重要作用。大型熱泵也可用于區(qū)域供熱系統(tǒng)。

德國政界人士已經(jīng)將熱泵確定為供暖行業(yè)氣候保護的關(guān)鍵技術(shù)。2021年，德國安裝的熱泵數(shù)量約為1萬臺。信息在聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)和能源部的“氣候保護開放報告”中，提到了到2030年安裝4.1至6萬臺熱泵的走廊。該數(shù)字來自當前的氣候保護情景（圖1）。這基本上是指用于在獨立式和半獨立式房屋中提供空間供暖和熱水的熱泵。信息

為了進行分析，DIW柏林開發(fā)的開源電力部門模型DIETER開發(fā)信息使用。它可用于確定給定目標年份的發(fā)電廠部署和投資決策，從而以盡可能低的成本滿足電力需求。這里使用的模型版本包含一個詳細的空間加熱模塊信息并考慮了扇區(qū)耦合的其他備選辦法（方框2）。

框注2開源電力部門模型DIETERkeyboard_arrow_up

該模型計算了 2030 年的各種情景，這些情景主要在熱泵存量方面有所不同。在參考場景中，更新了不同建筑類型中熱泵的歷史份額（圖1）。信息根據(jù)這些假設(shè)，到2030年將安裝1萬臺熱泵，僅比現(xiàn)在略多。在“較低目標”情景中，安裝的熱泵數(shù)量為7萬臺，其中擴建僅在能源效率最高的兩個建筑類別的獨立式和半獨立式房屋中進行。在“上限目標”情景中，3年將安裝9萬臺熱泵，與之前的情況相比，效率較低的獨立式和半獨立式房屋也將進行擴建。在“上目標+”場景中，系統(tǒng)也安裝在各種效率等級的多戶住宅中;到2030年，熱泵總數(shù)將達到6萬臺。在這種情況下，熱泵提供幾乎四分之一的空間供暖和熱水。

在所有情況下，可再生能源將按照交通燈聯(lián)盟的目標實現(xiàn)80%的電力消耗份額。這包括電動汽車的功耗和電解氫。在所有情況下，熱泵的額外電力需求必須在一年內(nèi)通過額外的可再生能源供應(yīng)來完全滿足。

根據(jù)上述基本假設(shè)（方框2），下文所述的模型結(jié)果特別適用于天然氣價格和儲熱。

由于熱泵的使用增加，德國的電力需求正在增加，尤其是在供暖季節(jié)。如果要完全通過可再生能源來滿足額外的需求，則必須擴大發(fā)電廠的產(chǎn)能（圖2）。由于風能已經(jīng)達到了2030年假設(shè)的110吉瓦（GW，陸上風電）或30吉瓦（海上風電）的擴展極限，沒有熱泵，因此光伏發(fā)電尤其必須擴大。信息與參考情景相比，在較低的目標情景中必須創(chuàng)建不到18GW的額外容量，在較高的目標情景中甚至必須創(chuàng)建1GW的額外容量。這相當于每個熱泵 7.3 或 8.37 千瓦。

第二種情景中的較高需求可以解釋為，除其他外，“較低目標”情景中的額外熱泵仍然可以部分由參考情景中可用的可再生能源剩余電力供電。在較高的目標情景中，這些盈余已基本用完，需要更多的發(fā)電能力。在“上限目標+”情景中，對光伏的額外需求明顯更高，略低于6吉瓦（每熱泵3.23千瓦）。與參考情景相比，這相當于光伏容量增加了約2%（圖<>）。信息這不僅是因為熱泵的數(shù)量更多，還因為多戶住宅中使用的熱泵加熱面積更大，因此比獨立式和半獨立式住宅具有更高的能源需求。此外，在這種情況下，燃氣輪機和電池存儲系統(tǒng)將在一定程度上安裝（分別為四吉瓦和略低于兩吉瓦）。這些有助于彌補供暖季節(jié)熱泵造成的額外峰值負荷。信息電池存儲系統(tǒng)的最佳存儲容量也略有增加，在“上限目標”場景中增加了約22吉瓦時（GWh），在“上限目標+”場景中增加了<> GWh。

發(fā)電也出現(xiàn)了類似的情況（圖3）。與參考情景相比，額外熱泵引起的電力需求主要由光伏發(fā)電的能源覆蓋。此外，風力發(fā)電的電力較少，這在安裝的熱泵較少的場景中不使用。此外，在上述兩種情況下，開放式燃氣輪機的發(fā)電量也有所增加。與此同時，從國外進口的電力，在參考情景中約為31太瓦時（TWh），在某些情況下將下降20%以上。在“上限目標+”情景中，與參考情景相比，熱泵的電力需求增加了近52%，達到<> TWh。

建模得出發(fā)電成本，即所有發(fā)電和存儲技術(shù)的固定成本和可變成本的總和。信息它們隨著安裝的熱泵數(shù)量而增加（圖 4）。在下限或上限目標情景中，與參考相比，基本假設(shè)下的成本每年分別增加約0億歐元和6億歐元。這相當于每個熱泵每年 2 歐元或 6 歐元。成本的增加是由于對可再生能源發(fā)電能力的需求增加。在“上限+”情景中，每年的電力部門成本增加了近295億歐元。這相當于每個熱泵534歐元。這一增長是由于公寓樓中的熱泵提供了更多的空間熱量。

如果額外的電力部門成本與產(chǎn)生的總空間供暖有關(guān)，則三種情景中的值相對相似。在“下限目標”情景中，它們最低，約為每千瓦時3.07美分（kWh），在“上限目標+”情景中最高，為每千瓦時3.37美分。在所有情況下，電力部門通過熱泵提供熱量的成本都相對較低，這一事實可以解釋 - 除了大部分空間供暖來自自由環(huán)境熱量的事實 - 通過使用廉價電力。以冬季為例，發(fā)電和用電量數(shù)據(jù)顯示，熱泵在一定程度上是靈活運行的，即基于批發(fā)價格。即使在太陽能有限的冬季，正午供應(yīng)的高峰也因此被大量利用（圖5）。

敏感性分析：電力部門效應(yīng)在很大程度上取決于情景假設(shè)

如果偏離上述基本假設(shè)，額外熱泵對電力部門的影響有時會發(fā)生重大變化。例如，如果陸上風能可以擴展到2030年假設(shè)的110吉瓦擴展限制之外，它也將被更大程度地使用，并且額外熱泵產(chǎn)生的電力需求將主要由風能覆蓋（圖6）。這是因為風能的季節(jié)性分布比光伏更適合熱泵的電力需求。信息然而，在這種情況下，熱泵引起的電力部門成本增加幾乎與光伏容量的擴大一樣高。因此，如果風能的膨脹可能性有限，熱泵也可以與太陽能的膨脹很好地結(jié)合起來。

在進一步的敏感性分析中，考慮了極端惡劣天氣事件，其中1月的整整一周（即在供暖季節(jié)）不可能通過太陽能或風能發(fā)電。在這種歐洲“黑暗平靜”的情況下，光伏發(fā)電的擴張程度高于基本假設(shè)。在“上限目標+”情景中，伴隨著電池和長期電力存儲系統(tǒng)的更大擴展，每個系統(tǒng)約為5GW（提取容量）和略低于<>.<> TWh（長期電力存儲系統(tǒng)的存儲能量）。此外，還有大約四吉瓦的褐煤產(chǎn)能可用，一年來使用量很少。由于需要額外的投資，與基本假設(shè)的情景相比，熱泵造成的額外電力部門成本略高。然而，即使在黑暗的平靜中，發(fā)電成本仍然很低，德國也受益于歐洲鄰國的發(fā)電能力。擴展靈敏度計算還表明，如果與熱泵耦合的儲熱容量從兩小時（基本假設(shè)）增加到十二小時，則額外的電力存儲需求接近于零。

在天然氣價格較高（60歐元而不是每兆瓦時30歐元，兆瓦時）的情況下，與基本假設(shè)相比，對光伏發(fā)電的投資以及（在較小程度上）對固定電池存儲系統(tǒng)的投資顯著增加是最佳的。這既適用于燃煤電廠在2030年仍然可以使用的情況，也適用于屆時煤炭淘汰已經(jīng)完成的情況。

如果將德國建模為一個與鄰國沒有任何電力交換的島嶼，那么更多地使用熱泵發(fā)電所需的額外容量明顯高于基本假設(shè)。最重要的是，對光伏和電池存儲系統(tǒng)的投資正在增加。這一發(fā)現(xiàn)說明了歐洲電力交易所的優(yōu)勢。

如果考慮到節(jié)省的天然氣加熱系統(tǒng)，整體經(jīng)濟成本甚至可以降低。

該模型側(cè)重于熱泵擴張對電力部門的影響，從而也對發(fā)電成本的影響。如果再加上熱泵的必要投資成本以及消除的燃氣加熱系統(tǒng)中節(jié)省的天然氣成本，則可以估計總體成本效應(yīng)。為簡單起見，假設(shè)每增加一個熱泵就取代一個燃氣加熱系統(tǒng)。與燃氣加熱系統(tǒng)相比，熱泵的額外投資成本存在不確定性，它們還取決于系統(tǒng)的大小和熱泵的類型。信息

與參考情景相比，所有三種情景的年度總成本略高，在80萬歐元至380.30億歐元之間。這適用于天然氣的進口價格為每兆瓦時<>歐元和一氧化碳2-價格為每噸130歐元。信息如果假設(shè)天然氣價格更高，為每兆瓦時60歐元，則在所有考慮的情景中，計算的總成本較低，因為節(jié)省的天然氣和排放成本超過了額外的投資和電力部門成本。在最雄心勃勃的擴張情景中，在這些假設(shè)下，每年可以節(jié)省近 3 億歐元。

因此，從宏觀經(jīng)濟的角度來看，熱泵的加速擴張似乎沒有問題，或者在天然氣價格長期高企的情況下，甚至明顯有利。但是，僅包括電力和供熱的純成本，并且（CO2成本）不考慮稅收、關(guān)稅或征稅。由于電力和天然氣的成本比較不同，因此從單個家庭的角度來看，熱泵和天然氣供暖系統(tǒng)之間的成本比較可能不同。信息

由于熱泵的使用增加，2030年這里模擬的情景中的天然氣消耗量比參考情景低16 TWh（“下限目標”）和113 TWh（“上限目標+”）。這分別相當于15年德國從俄羅斯進口天然氣的2021%和<>%。

結(jié)論：在電力部門，幾乎沒有什么可以阻止轉(zhuǎn)向熱泵

熱泵的使用增加會增加電力消耗。到 2030 年，它將增加近 23%，增加近 15 萬臺設(shè)備。因此，擴大可再生能源發(fā)電是必要的。這可以通過將光伏容量增加多達<>%來實現(xiàn)?？紤]到天然氣供暖系統(tǒng)節(jié)省的成本，整體經(jīng)濟成本幾乎不會增加，如果天然氣價格長期居高不下，甚至會大幅下降。與此同時，天然氣將節(jié)省今天從俄羅斯進口的<>%。

熱泵和風能的擴展相結(jié)合將更具成本效益，因為季節(jié)性特征非常適合供暖季節(jié)。原則上，對電力部門其他技術(shù)，特別是電力儲存的模擬影響仍然溫和。這也適用于其他假設(shè)，即使考慮到特定時期的惡劣天氣。其原因包括盡可能靈活地使用熱泵以及與鄰國的電網(wǎng)平衡作用。因此，從電力部門的角度來看，熱泵的顯著加速擴張沒有重大障礙;就總成本而言，它甚至可以具有顯著優(yōu)勢。

本研究的重點是電力和熱能的純發(fā)電成本。然而，終端客戶的電費在相當程度上包含稅收、征稅和征稅。對于政治家來說，以不妨礙合理和時間靈活的熱泵使用的方式設(shè)計這些熱泵仍然是一項 - 絕非微不足道 - 的任務(wù)。信息除了已經(jīng)決定取消腦電圖附加費外，還可以進一步減少對熱泵的電費征稅。信息

計劃中的《建筑能源法》修正案可以為熱泵的擴張?zhí)峁┻M一步的積極動力。特別是，計劃的創(chuàng)新是，最早在2024年，新安裝的供暖系統(tǒng)必須實現(xiàn)65%的可再生熱量，這在許多情況下可能會導致事實上的熱泵需求。信息此外，政治家應(yīng)該采取支持措施，大大加快熱泵的擴張。這涉及擴大熱泵的生產(chǎn)能力，專家的資格認證，監(jiān)管措施，為業(yè)主和租戶提供信息和協(xié)調(diào)服務(wù)，以及在必要時采取其他財政支持措施或融資模式。此外，這里沒有深入研究其他方面，例如混合熱泵技術(shù)的過渡解決方案，將大型熱泵集成到本地和區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)中，以及提高現(xiàn)有建筑物的能源效率。通過協(xié)調(diào)這些措施，可以啟動一種“阿波羅計劃”，將供熱轉(zhuǎn)向熱泵，這將在中長期內(nèi)顯著減少對天然氣的進口依賴，為氣候保護做出重大貢獻，最后但并非最不重要的是，提供重要的產(chǎn)業(yè)政策推動力。

編譯 陳講運