理特咨询-脱碳工业热量以应对气候变化（英译中）

2024是热能储存吗欧洲工业脱碳战略缺失的环节？2RY33GY1ION1SAVERIOCALDANI管理合伙人，罗马和马德里LUISDELBARRIOCASTRO合作伙伴，马德里IRENEMACCHIARELLI合作伙伴，罗马顾问,罗马我们要感谢所有在审查本报告中作出贡献的人，特别是：佛罗伦萨·卡洛特，文森佐·伊波利托。AmauryKlossa,ChiaraLoreti，DanielMonzon，AndreaRomboli，LeonardoRosetto和ChristianWeberARTHURD.LITTLE3脱碳工业热量消耗对于减少碳排放和减轻气候变化的影响至关重要。目前，欧盟五大热量需求行业-化工和石化;非金属矿物;食品、饮料和烟草;纸浆、纸张和图形艺术;和钢铁-占热量消耗的80％以上，迫切需要脱碳策略。直接和间接电气化，碳捕获，利用和存储（CCUS）以及生物质是工业热脱碳的主要技术之一。热能存储（TES）是直接电气化的潜在解决方案，特别是对于过程温度高达500°C的行业。TES技术的主要优势包括存储机会（即存储热量以供以后使用的能力并集成光伏和风能等非可编程可再生系统易于安装，模块化和成本竞争力。公用事业可以抓住机遇，成为这个市场的先驱，专注于测试技术，并与供应商建立合作伙伴关系，以加快此外，他们可以与欧洲和地方当局一起实施宣传战略。像TES这样的创新解决方案可以帮助工业客户实现脱碳目标，为低碳经济做出贡献。4~2,500~2,500去中心化是必须的欧洲的监管机构正在加速向低碳经济转型，推动工业部门降低二氧化碳足迹。欧盟设定了雄心勃勃的目标，到2030年将温室气体排放量至少减少55％，到2050年实现碳中和。然而，尽管可再生能源扩张和对氢经济的日益关注，这些目标预计将无法实现。需要新的战略来实现气候目标，通过创新技术实现工业热量消耗的脱碳将发挥关键作用。工业耗热量占全球能源使用量的很大一部分，占工业能源需求的三分之二根据国际能源署（IEA）的数据，全球能源消耗的近五分之一归因于此。大多数工业热量是通过天然气，化石燃料和汽油的燃烧产生的，导致大量二氧化碳的排放。因此，脱碳工业热量消耗对于减少碳排放至关重要。欧洲可处理市场在欧洲，工业热量消耗的脱碳为能源参与者和供应商提供了一个机会，以开发创新的解决方案来替代非绿色燃料，并进入未来几年将面临增长的市场。图1.按燃料类型划分的欧盟工业能源消耗总能耗的总能耗的72%（热量消耗的60%）能源消耗非耗热量耗热量天然气汽油化石燃料电力可再生能源热不可再生残留物注1）不包括炼油厂和建筑业，也不包括人造气体燃料；（2）不可再生的废物直接燃烧产生热量来源：ArthurD.Little，欧盟统计局5ARTHURD.LITTLE根据欧盟统计局的数据，欧洲工业部门每小时消耗约2500太瓦（TWh）来自不同来源的能源（见图1）,其中约1800太瓦用于产生热量（占市场的72%)前5个需热行业工业耗热量高度集中在五个行业，占消费量的80％以上：化学和石化；非金属矿物；食品，饮料和烟草;纸浆，造纸和图形艺术；和钢铁。这些行业使用天然气，化石燃料和汽油等燃料来产生热量。如图2所示bedecarbonizedoftenexceeds60%ofthetotalsourcesoffuelusedforheatgeneration.Together,theseindustriesshowanaddressablemarket（即，用于产生要脱碳的热量的天然气，化石燃料和汽油的总量）等于~930TWh。。用于产生热量的天然气，汽油和化石燃料的份额约占总量的60产生了约1,100TWh的脱碳市场。图2.欧盟各行业耗热量欧盟热量消耗各行业的热量消耗TWh，2021年前5大行业：前5大行业：~1,800~465Total化学&非金属食品、饮料纸浆,铁和有色金属Other石油化工矿物&烟草纸和图形艺术钢金属化石燃料汽油电热不可再生残留物来源：ArthurD.Little，欧盟统计局6行业机会也可以根据温度来检查这五大行业的可寻址市场，如图3所示，揭示了它们之间的实质性差异，并表明某些行业比其他行业更适合脱碳（例如，具有较低温度生产过程的行业明显更适合比使用较高温度的脱碳）。在超过500°C的温度下,天然气，化石燃料和汽油的竞争非常高，电气化技术仍在开发中。根据热量需求分析前五大行业的生产工艺，可以发现以下有关其脱碳潜力的信息：-化工与石化-温度集中在100°C-500°C的范围内。由于其低温（不超过250°C工艺的适用性以及易于更换的技术（例如，燃气锅炉，主要用于造粒和熔融阶段制药子行业为试图推动脱碳的运营商提供了巨大的机会。--非金属矿物非常高的温度（通常超过1,000-三个主要的子行业包括：图3.每个温度前五大行业的可寻址市场TWh，2021年~300~250~160~95化工与石化非金属矿物食品、饮料和烟草钢铁纸浆，纸&图形艺术空间加热100°C-500°C超过空间加热100°C-500°C超过1,000°C来源：ArthurD.LittleMPTION1.混凝土-温度达到1,500°C（熟料制造阶段其中以天然气/石油为燃料的熔炉很普遍。但是，生物质和氢气的使用正在引起人们的注意。2.陶瓷-通过使用以天然气/石油为燃料的隧道窑，温度达到1,200°C（燃烧阶段）。该行业对氢气产生了浓厚的兴趣。短期内电气化可能面临障碍,但干燥阶段（最高200°C）可能采用绿色技3.玻璃-temperaturesrangefrom500°C(surface-heatingphase)to800°C(meltingphase),leavemoreroomfordecarbonizationcompositiontoconcreteandceramic.Thissubindustrymainlyusesgasthenonomicmineralsegment,glasspotentialfordecarb烤箱已经有很高的成熟度。7ARTHURD.LITTLE-食品、饮料和烟草-温度主要低于200°C。在这个行业中，肉类就工艺的规模和适用性而言，牛奶和乳制品最有潜力。烹饪(80°C-120°C)和巴氏灭菌(60°C-70°C)阶段可以很容易地电气化(目前主要使用燃气锅炉和板式换热器)。技术例如热泵已经获得了市场份额。-钢铁-所有工艺阶段的高温（主要超过1,000°C）(i.Procedres.、烧结、熔化和轧制)。行业参与者广泛采用燃气炉。然而，电气化技术(e。Procedre，电弧炉）是可能的，包括涉及使用氢气的混合配置。巨大的资本支出，改造成本和高电价是行业内电气化的主要障碍。监管机构在提供激励和补贴方面的坚定政治承诺可以在短期内促进电气化。-纸浆，纸张和图形艺术-温度主要低于200°C。工业由于所有工艺阶段的低温，非常适合电气化(即制浆、洗涤和漂白、压榨和干燥和压延）以及市场上已经存在的技术。但是，该行业的特点是广泛使用以天然气为燃料的热电联产，主要行业参与者为此投入了大量资金。此外，该行业正在研究使用黑液（一种从纸张加工中获得的天然副产品）来提供热电联产作为气体的替代品，并采用补充策略来使热量消耗脱碳。从短期到中期来看，电气化是可能的，但存在相当大的障碍（热电联产）和威胁（黑液的使总而言之，公用事业应首先关注三个主要行业，以推动工业热量消耗的脱碳：食品，饮料和烟草;化工和石化;以及纸浆，纸张和图形艺术。8电锅炉热泵烤箱/烘干机功率热(P2H)+TES炉/窑碳捕获、利用和储存生物质锅炉Industries参考T°范围化学&100°C-500°C超过1,000°C高达200°C超过1,000°C石油化工非金属矿物食品、饮料&烟草钢铁纸浆、纸张Upto200°C&图形艺术电锅炉热泵烤箱/烘干机功率热(P2H)+TES炉/窑碳捕获、利用和储存生物质锅炉Industries参考T°范围化学&100°C-500°C超过1,000°C高达200°C超过1,000°C石油化工非金属矿物食品、饮料&烟草钢铁纸浆、纸张Upto200°C&图形艺术公用事业的机会为了追求净零的情景，一些脱碳策略和许多绿色技术正在开发中。最佳绿色技术可能因工艺温度、工厂规模和位置、原料可用性、技术就绪水平(TRL)和效率水平而异。此外对于这些技术参数，市场参与者必须考虑监管和市场激励的影响。监管者可以在加速特定技术的成熟和经济竞争力方面发挥关键作用。表1提供了对市场上出现的主要脱碳技术的初步评估。它们的适用性衡量基于几个因素，包括行业参考温度范围，TRL和与替代脱碳技术相比的经济竞争力。如表1所示，正在出现各种使工业热量脱碳的策略，包括：-直接电气化。该部分包括几种技术，并提供有效的脱碳替代品，例如：-热泵-具有高性能系数的成熟技术(范围从2到4)，非常适合低温过程。它主要在食品,饮料和烟草行业中发现，并且可能适用于纸浆，纸张和图形艺术（但是在这里，生物质的竞争非常激烈，因为该行业通常会安装热电联产工厂）。然而，高昂的改造成本代表了技术扩散的障碍，因为它需要在生产过程中进行一些更改以替代气体技术（例如Procedre,燃气锅炉)。表1.各行业脱碳技术评估DIRECT直接-CCUSLECTRIFICATIONBIOMASSELECTRIFICATIONATIONH2H2作为燃料○.来源：ArthurD.Little9ARTHURD.LITTLE-电锅炉-可以达到比热泵更高的温度(高达300°C并适用于几个子行业。该技术已经成熟，但与其他技术相比效率较低，例如热泵。尽管成熟度相当高，但预计在规模和蒸汽压力方面会有进一步的改进。-烤箱和烘干机-主要用于食品，饮料和烟草行业烹饪(e.Procedre，电烤箱），巴氏灭菌和灭菌(例如Procedre，微波炉)和干燥(例如Procedre，射频干燥机)工艺。烤箱和电炉之间的主要区别是烤箱可以达到高达500°C的温度，而炉子可以高达1,600°C。尽管它们显示出良好的效率和高成熟度，但电烤箱和烘干机并不比燃气烤箱和烘干机更方便。只有在电价非常低（自产）和天然气成本高的情况下，它们才是首选。-炉窑-可应用于主要的热要求行业，尽管他们面临与氢（例如，陶瓷）和生物质（例如，混凝土）的竞争。他们将是最合适的在玻璃工业中，煤气炉产生的大部分热量以废气和耗散的形式从系统中耗尽，这使得电炉成为一个巨大的竞争对手，因为它们效率更高,不会产生废物。因此，电动玻璃熔炉可以被认为是经济上的此外，电炉可以在钢铁工业中与氢气结合使用,这可能会促进该技术在该领域的发展。-功率到热量(P2H)加TES-可以代表中高的关键解决方案温度过程（高达500°C其中当前的热泵性能吸引力较小。TES，由电力驱动使用加热器释放热量（P2H）来产生和存储热量，可以轻松集成到生产过程和模块化中，使其成为许多行业的交叉解决方案。目标行业包括化学和石化；食品，饮料和烟草；以及纸浆,纸张和图形艺术。-间接电气化。氢作为燃料对于难以减弱的行业来说是有意义的在其他电气化技术不适用的情况下。例如，钢铁工业正在密切关注使用氢气作为替代方案，以两种方式使用：1.作为一个injection材料而不是煤粉，以提高炉的性能。然而，这些炉内的绿色氢注入可以保证减少最大20%的气体CO2排放量。2.作为一个还原剂togastoproducedirect-reducedironthatthenisprocessedwithelectricalarkfuraces.Thereplacementofnaturalgaswithhydrogencombined使用电弧炉可以确保碳中性钢的生产。但是，请注意，如果没有公共激励措施，大多数当前的配置仍然不可行。由于整个价值链中的不成熟技术和昂贵的长途运输，生产，运输和储存氢的成本目前高于常规化石燃料的成本。此外，生产和储存氢的技术仍在发展，并且目前尚不清楚如何最好地优化工艺以获得最大效率。然而，一些循环模型正在出现，一般来说,氢可以成为高温工艺（例如，钢铁，陶瓷)的竞争对手。ONOMIC-CCUS。用于从工业（和发电厂）中捕获碳的技术在产品或永久存储方面，CCUS可以充当发展氢经济的桥梁，减少难以减少的行业的短期排放，并在替代解决方案（例如，可再生能源，氢气）的领域提供长期解决方案不提供有效的脱碳。非金属矿物（尤其是混凝土和玻璃）和钢铁工业对CCUS技术感兴趣。技术对于在其生产过程中使用CO2的行业也是感兴趣的,例如用于生产碳酸饮料和用于蛋白质合成的食品、饮料和烟草行业。-生物质。生物质锅炉（或生物质作为燃料）是有吸引力的技术，因为它们低燃料价格。然而，与电气化相比，这些锅炉更昂贵技术，由于其复杂的燃料存储和处理系统。原料可用性是生物质锅炉使用的另一个障碍。但是，生物质作为燃料引起了两个行业的关注：纸浆，造纸和图形艺术，它正在将黑液用于热电联产，以及混凝土,在水泥熟料窑中使用生物质作为燃料可以显着降低其碳强度。在这场比赛中，TES正在成为一种有吸引力的解决方案，可以将工业热量消耗脱碳，因为它可以应用于许多行业，它允许集成非可编程的可再生能源发电，并且有望在短期到中期内具有经济竞争力。11TES是指允许存储和传递热能以供以后使用的技术，它由电力作为燃料以产生热量。TES包括多种技术类型,基于用于存储和释放热量的过程/方法，有两种主要类型：1.Sensible-通过加热或冷却存储介质（液体或固体)而不改变其相来存储热能2.潜伏-使用潜热来存储热能，这意味着改变所用介质的相所需的能量市场上还有两种额外类型的TES，但由于其安装复杂性和成熟度低，它们尚未找到工业应用：机械（压缩空气储能和液态空气储能）和热化学（化学循环，盐水合和吸收系统）。表2综合了敏感和潜在类型的八种主要TES技术，分别报告了所覆盖的温度范围和存储持续时间。根据覆盖的温度和存储持续时间，用于工业应用的两种最有前途的TES技术属于明智类型，包括：1.水箱TES-由于其技术成熟度高，适用于低温（高达90°C）的工业过程，因此有可能被广泛采用。该技术在储水器中收集热量，并将其用作替代碳氢燃料的替代热源。2.固态-由于其覆盖的宽温度范围和长存储时间，这是一项关键技术。Thematerial(primarilythroughmetalpipesintothesystemduringthechargingphaseandoutoutofthesysteminthedischargephase.Thetechnologyhasalreadyachievedahighdegreeofmaturity在高达600°C-700°C的温度下，并且在短期到中期内有望进一步改善以达到更高的温度。表2.TES技术分析AABB潜伏来源：ArthurD.Little234456788熔盐盐水合物PCM有机材料PCMARTHURD.L此外，熔盐正在获得行业关注，尽管必须进一步评估行业适用性。使用该技术，室温固体（盐）保持在高于其熔点的温度下，以便它们处于液体形式并可以达到更高的温度（高达500°C左右）。高度分裂的TES价值链TES价值链仍在开发中。供应商生态系统的特点是几个小型公司与工业客户一起从事试点项目，而一些大型能源公司则将自己定位在市场中。尽管市场具有高度分散的性质，但供应商仍主要投资于合理的TES开发，尤其是固态技术，因为它更实用且适用于不同类型的行业。图4总结了目前市场上的五个项目。为什么TES是一个有吸引力的解决方案TES是允许长时间存储能量的新一波技术的一部分，并且它将在未来的脱碳能源世界中发挥关键作用，在这个世界中，能源将由非可编程可再生系统生产并储存以满足最终能源需求。Infact,renewableenergysystems(RES)penetrationhascreatedadue-shapednetelectricitydemandcurve,whichbecomesmoreadjectiveeachyearassolarcapacityincreases.Whilenetdemandislowestatmidday,demandintheeveningorearlymorningincreasesassolarproductionsignificantlydecrease.Thisresultsindemandexceedingenergy,leadingtoanimpleasurebetweensupplyanddemand,which,inturnly,resultsinhigherprices.可以通过在白天对TES充电并在晚上/清晨释放存储的热能来利用太阳能。图4.TES项目示例enelx..YaraInternational是一家专.TES向自己收取过量的蒸.生物炼油厂Calgren将在其加.该技术将是温度最高的.TES将用于直接在生产工艺.PhilipMorris与Brenmiller签署了供应TES技术bGen的协议.该协议对菲利普莫里斯罗马.百事可乐将采用基于可再生电力生产芯片在荷兰的网站.Kraftblock将实现其明智的TES类型的2个模块来源：ArthurD.Little因此，将TES与P2H技术相结合的解决方案是一种将热量消耗脱碳至500°C的有前途的技术。鉴于所涉及的温度和工艺，主要目标行业是食品，饮料和烟草;化学和石化（尤其是制药）;和纸浆，纸张和图形艺术。与燃气锅炉相比，均衡的热成本（LCOH）分析证明了集成光伏加TES解决方案的经济竞争力，即使没有激励系统。考虑到有利的监管环境（政府开始建立专门的资助计划以支持TES部署）以及预期的技术成本降低，我们预计会取得越来越令人鼓舞的结果。生产过程和研发活动的产业化。总体而言，TES技术显示了四个主要优势，可以总结如下（见图51.存储机会2.易于安装3.模块化4.成本竞争力制作TESThRIVE解决方案如果工业参与者广泛采用，TES代表了一种有前途的工业热消耗脱碳技术。三个关键推动者可以实现:1.RES的大规模渗透。随着RES部署的增加，该技术将在平衡能源供应和需求方面发挥关键作用，通过确保能源可以在高峰时间储存并在短缺时释放，以确保持续的工业热生产。此外，增加RES将降低能源价格，使电力技术更具竞争力。2.政府和政策制定者的支持。当局应通过促进辅助服务市场，引入降低绿色电价的机制以及分配公共资金以使TES业务案例在短期内也有利可图来支持技术部署。3.供应商放大。TES供应商应继续投资于研发，以促进资本支出的减少。具有更有效存储容量的新材料，隔热效果的改进以及改进的设计可以在短期内降低技术成本。此外，产量的增加将增加学习曲线，以进一步实现生产过程的工业化。私募股权和基金应将资本分配给最有前途的供应商，以支持最有价值的技术解决方案的发展。图5.TES关键优势来源：ArthurD.LittleP2H+TES技术在成功实现低碳经济方面发挥着至关重要的作用。然而，它的生态系统仍在发展中，获胜的技术还不清楚。一些初创企业正在出现，能源参与者开始评估机会，但它们在价值链上的定位并不明确。为了抓住将在快速增长的市场中发挥关键作用的技术的机会，公用事业公司应专注于：1.技术和供应商智能。虽然技术有很好的程度在成熟的情况下，公用事业公司必须继续通过侦察活动来监控市场，以发展/巩固其在技术方面的专业知识并捕获突破性的创新，同时还测试进入市场的新供应商。公用事业公司应向多家供应商提交