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江億院士：余熱回收——未來的“零碳熱源”
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作者:jewelry-60
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發布時間: 2022-04-19
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本文來源：科普中國」
2021年12月15日，中國生物多樣性保護與綠色發展基金會（簡稱“中國綠發會”）大氣治理與低碳發展工作委員會結合“雙碳”戰略和我國生態文明建設進程，組織召開PM2.5&CO2論壇，邀請20余位院士、專家共同參會，研討PM2.5居高不下的原因，深度解析降低 PM2.5的途徑和創新技術。
會上，中國工程院院士、清華大學建筑學院教授江億通過細致翔實的講解，對“余熱回收與減碳降污-進展與趨勢”進行了主題介紹。綠會融媒現將發言內容整理分享如下：
尊敬的各位專家，各位來賓，感謝有機會參加PM2.5&CO2論壇，今天就“余熱回收與減碳降污-進展與趨勢”為主題進行介紹。余熱，是未來中國社會在零碳環境下最主要的零碳熱源。生活生產中包括北方冬天的建筑采暖都是低品位熱源，大概一年40億GJ，有5.6億千瓦的最大熱需求強度，現在是熱電聯產，甚至于區域鍋爐房還使用著大量的化石能源，導致包括PM2.5的排放，也包括二氧化碳的排放，這是生活所用。
另外輕工業生產過程還需要大量的低品位熱量，像造紙、紡織、印染、皮革、制藥食品等等，它們有的需要熱水提供熱量，或者是低壓蒸汽，那么現在這些熱量也都是燃煤燃氣鍋爐，還有像江浙一帶的熱電聯產，目的也是為了給他們提供生產用熱，這些加起來據不完全統計，一年的需求量也在3億噸標煤左右，需要75億GJ的熱量。這兩項一年是5億噸煤，然后排放15億噸二氧化碳，同時這還是PM2.5的重要產生源。
供熱，除了城市還有農村的小散煤供熱，所以在零碳目標下，怎么解決這些熱源需求，能不能給他們提供零碳熱源？同時把污染物排放一起治理？我想這可能就是今天我們要討論的話題之一，那么未來的熱源從哪來？現在是化石能源社會，燃料燃燒就會得到熱量，各種低品位的熱量就出來了，將來零碳能源的時候指的是什么？風電、光電、水電、核電，但是這些還不足以滿足這么大的低品位熱源需求，而這些電它都是直接出電，不是先出熱，沒有燃料以后只能是生物燃料，我們可以拿熱電力去直接獲得熱量，通過電加熱來實現。但是這實際是特別好的。高品位能源轉變為低品位能源，成本高，讓很多人覺得這不合適，所以最合適的是用熱泵把電力熱量從低位熱源提起來，再加點電，然后產生熱量來滿足需求。這樣去做，一份電能夠出好幾份熱，從不同的角度下看低溫是多少度，高溫是多少度，接近的話效率就會特別高，能出8份-10份，相差較遠的話，也能出上2-3份。
今天我們不討論熱泵，就想說要用熱泵這是好事，但并不是拿點電就能出這么多熱的，它必須有一個低溫下的熱量，低溫下的熱量從哪里來？是否還有其他的比低溫要好得多的各類低品位熱源？哪里有這樣的余熱？除了自然的空氣、水、地底之外，像延安現在還有5000萬千瓦的裝機容量的核電，將來要搞到2億千瓦，這時大伙都覺得核電必須好好發展，就在北方就能有1億千瓦的核電，這核電發出電來，剩下的余熱就都排到海里去了。這就是為什么把那核電站建在海邊。將來要是北方有1000萬的核電，每年往海里就得排30億GJ的熱量。剛才說缺熱量,其實是缺40億GJ的熱，這樣一年就能排出30億GJ，未來一定還保留一部分調峰的火電。此外現在一說起來高能耗高碳排放的工業，像冶金鋼材、有色建材等，這些東西中國最后還一定會有，只是生產工藝、生產方式發生了變化，但是即使變了，它還需要排熱，生產過程能散出大量的熱來，這是一定的，因為它耗能，耗完能之后，做完產品，然后能源最后轉化成熱量，產生低品位熱量，估計的結果也得有20億GJ。
再就是各種生產生活排放的低品位余熱現在越來越多，比如說計算中心排熱，還有各種各樣的生活設施，有用蒸汽的地方，只要用蒸汽，他排出去的熱量初步估算也有10億GJ。要是這些熱量在冬天的功率都用起來，能用到70%，冬天能出5億千瓦，就能滿足120億平米的供熱要求，大概是未來北方城鎮供熱建筑面積需要的75%，也就是能滿足3/4。剩下的那些再拿空氣源熱泵、地源熱泵、水熱泵再解決，但是這是指的冬天滿足功率的要求，可是實際上全年排熱量要大得多，光冬天最多用了一小半，90億GJ的話，冬天才最多用了40億。
當余熱資源成為特別寶貴的寶貝的時候，是不是就應該發展跨季節儲熱方式，把全年的熱量都存起來，這樣不僅可以供應建筑采暖，還有剛才說到的那些輕工業生產過程的用熱，通過直接用或者拿熱泵給提到它想要的點上去，這時候把這些個余熱資源都充分用起來，就會變得特別好玩了。
所以以后配合低碳能源發展，大規模的跨季節儲熱，就變得非常之重要。實際上各國都在加速這方面開發，尤其像歐洲，比如北歐這十幾年來一直在做，中國也在開始做，對各種技術方案都進行了深入的技術經濟分析和一些實驗。
前幾年，在內蒙古一整個山頭地下都埋上了100多米的管來出熱，通過直接往地底下灌水，多數情況下溫度品位損失較大，所以最后還是一個大的熱水池，跟熱水庫似的加保溫蓋飄在上面，防止它的熱量從表面飄走，這大概是目前技術經濟比起來最可行的辦法，在歐洲已經有了實際運行的裝置，比如在西藏、張家口也有。
那么關鍵問題就是經濟問題和土地問題，到哪里找合適的地理條件，充分利用自然的地形地勢使得儲熱成本能在一立方米的熱水量少于100塊錢人民幣，要是能夠辦成就特別好，它可以采集全年各個季節的各種低品位余熱，給它熱量的溫度調成一致，從而解決我們未來熱源不足的問題。下一步就能實現熱源和熱需求之間的解耦。
那怎么解決這二者之間時間上的矛盾？有大規模跨界儲能的事就可以解開了，包括跨季節的時間不一致，夏天處理冬天用。這樣一來，利用余熱的熱量采集設備是一筆大的投入，而且比較復雜，但是以前光冬天滿足采暖要求，一年只有1/3的時候用，利用率就比較低。所以儲熱裝置就要讓它全年都利用起來，從而加快這塊投入的回收期，并且提高供熱的可靠性，因為供熱總得安全可靠，總得什么時候都得有，但是我有跨界儲備裝置，這時候心里就踏實了，不用再備用熱源，也不會影響供熱。
一般意義上跟各種其他能源相關的事比起來，這并不是非常大的投資，同時我們還發現可以好好把沿海核電搞好，不光是把余熱收集起來，是拿余熱做海水淡化，這樣每年除了供熱以外還能產生100億立方米的淡水，以此來解決淡水不足的問題。我們如果是在北方地區實施，春夏秋一共得存25億焦的熱量余熱，要是90度存起來，放熱放到20度，用70度溫差，那么需要90億立方米的總的出水容量，一共1萬億，一萬億跟各種其他的跟能源相關的比起來，這并不是非常大的投資，同時通過這個事情我們發現，還可以好好把沿海核電搞好，不光是把余熱收回來，而是拿余熱做海水淡化，做出熱淡水，每年除了供熱還能產生100億立方米的淡水，解決水的淡水不足的問題，因為中國是一個缺水國家，這就跟南水北調的總量差不多，每年也就是100億立方米。
同時，避免沿海的核電導致的熱污染，我們可以把全年的工業排熱得以回收，從而還可以減少大量的工業用冷卻水，進一步緩解北方的水資源短缺問題。那么要實現這些，跨界儲能在里頭起的非常重要的作用，因為它可以調蓄平衡關系，讓全年這些熱都能好好使用。所以暢想一下未來的系統該是什么樣的，有大的集中的管網，這種各種熱量：像核電的余熱、電廠的余熱、工業余熱、數據中心的余熱，都能通過熱泵升溫都到大管網里。
大管網連著大規模的一個或者兩個跨季節儲熱的裝置，實際就是巨大的熱水池子，然后春夏秋冬都可以滿足各個時候的工業用熱，它通過熱泵可以整合，當然還能滿足冬天建筑的采暖需要。這就是一個全面采集各種余熱，為各種不同需求提供服務，未來支撐我們零碳能源系統的一個非常重要的補充。讓零碳能源系統除了有電的供應，還有熱力的供應。
中國已經在北方絕大多數除了青海之外的縣級以上建立，而且很多北方的省會城市也正在陸續建造大規模、跨區的幾十公里長距離的熱網，除了北京之外，其他的各大城市像天津、石家莊、保定、蘭州、西安等，在旁邊100公里以內都能找到足夠的余熱熱源，所以這個供需關系是平衡的。這幾年在長距離輸送的基礎上得到了明顯的突破，使得我們熱水循環輸送的經濟距離就能達到100公里左右。如果輸熱淡水的經濟距離能到200公里，這樣的話就要把沿海核電余熱充分挖掘利用。
我們國家發展零碳余熱系統，有很好的條件，一個是國內各省會已經正在建大熱網，具備豐富的熱電聯產經驗，好些電廠都實現了熱電聯產余熱的深度回收，也有大量工業余熱回收的成功案例，相關的關鍵設備和技術現在都已具備。當然還有些關鍵技術還需進一步開發完善。
謝謝大家。謝謝主持人。希望大家多提建議，共同把中國的余熱工程做起來，配合零碳能源系統，配合零碳電力系統發展，實現碳達峰碳中和目標，還我藍天。
（本文根據作者口述整理，文字未經其本人核對。直播內容及相關視頻、圖文傳播版權為綠會融媒所有，如需轉發，請聯系授權）
整理/阿西葉 審/Tammy
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