工业热泵 ： 未来发展的五大考虑因素

工业与电子实践 工业热泵：未来发展的五大考虑因素 工业热泵可以帮助工业部门和区域供暖脱碳。为了开发新的解决方案并提高使用率，热泵OEM和最终用户可以在关键领域开始对话。 本文是HaraldBauer，JohannesEhrmaier，LuigiGigliotti，FriederikeLiebach，ThorstenSchleyer和AlessandroSimoncini的共同努力，代表了麦肯锡工业电气化平台的观点。 March2024 th 工业热泵-功率尺寸超过200千瓦的热泵（kW）-在能源转型中发挥关键作用。热泵使用电力而不是煤炭或天然气作为其燃料来源。因此，它们有潜力 由完全可再生能源提供动力。热泵在技术上也非常有效 。 它们在低温和中等温度下的效率是传统的三到五倍 锅炉，允许减少能源使用，成本和排放。1尽管这不是一项新技术，但工业热泵的技术优势开始得到更广泛的认可。最近的趋势，如推动热的脱碳和电气化、经济因素以及政府通过监管和激励措施的支持，意味着工业热泵市场将飙升，预计到2030年将以每年15%以上的速度增长。 早期进入市场是这场比赛成功的关键。然而，一些技术，如 高温工业热泵仍在成熟。随着工业部门和区域供热需求的增长，制造和安装这些热泵的原始设备制造商将需要开发新产品。 我们已经确定了在开发新的热泵产品时要考虑的工业热泵的五个未讨论的方面：不同最终用户的需求，热泵组件，制冷剂 需求，加热和冷却的机会以及创建新解决方案的方法。通过了解和探索这些领域，热泵OEM及其客户将变得更好 有能力开始对话和合作，以实现技术进步，扩大市场 ，并帮助世界脱碳。 当前和未来的市场动态 为了使工业部门达到脱碳目标，它需要解决与加热相关的燃 料消耗和排放问题。工业部门占全球二氧化碳排放量的三分之一； 在这些排放中，大约三分之二用于取暖。2因此，工业加热占全球二氧化碳排放总量的20％以上。这是因为工业过程加热仍主要基于化石，天然气，煤炭和燃油锅炉提供了超过85％的加热能源，而生物质则约为10％。3 尽管具有经济优势和减少排放的能力，但当今的热泵仍未得到充分代表，仅提供全球工业热量的5％。但是 ，它们具有巨大的工业潜力。工业热泵使用来自海水，污水等主要来源的电力和低温热量 水和多余的热量，以有效地为建筑物和工业过程提供热能 。他们可以提供三到五4与传统加热器相比，每单位电力消耗的热能多倍。工业热泵还可以在比住宅热泵更高的温度范围内提供热量-在某些情况下高达200ºC- th 以及超过10兆瓦的热容量(兆瓦，大约等于1000倍 1“2023年全球能源展望”，麦肯锡，2023年10月18日。 2AuburnBell和MikeWilliams，《工业脱碳之路》，美国进步中心，2022年10月26日；ElieBellevrat和KiraWest，《工业清洁高效供热》，国际能源署 ，2018年1月23日。 3“过程加热”，TrustEE，2024年2月8日访问；“有哪些不同类型的过程加热系统？”，美国能源效率和可再生能源办公室，2024年2月8日访问。 4换句话说,3到5的性能系数(COP)是通过加热或冷却输出与运行机器的电力输入的比率计算的效率的量度。 10 在家庭中部署的热泵规模，假设千瓦平均）。由 th 于其高效率，热泵可以比传统供暖更具成本效益，特别是在天然气价格高或波动的环境中。 随着世界脱碳，工业热泵可以应用于一系列用例。食品和饮料、纸浆和造纸以及化学工业由于其高能量需求而特别适合于热泵使用。这些行业的能源相关排放量也相对较高 （根据麦肯锡的分析，约占全球能源相关工业二氧化碳排放量的15％），热泵可以帮助减少。热泵也可以在区域供热中发挥重要作用。该部门约占二氧化碳排放总量的1 ％，目前的燃料组合占90％以上的化石燃料。在中国，区域供暖是最重要的。 和俄罗斯以及多个欧洲国家（奥地利、丹麦、芬兰、法国、德国、意大利、挪威、波兰、瑞典和乌克兰）。低成本的传统供热导致欧盟区域供热中化石燃料的份额高达65％，在德国和波兰等一些国家甚至更高，这些国家的化石燃料用于区域供热的份额超过80％。这种化石重质燃料的混合意味着热泵为区域供热提供了强大的减排潜力，并且最近宣布了许多在区域供热中使用工业热泵的脱碳项目。 Thankstotheirabatementpotentialandincreasinglypositiveeconomy,industrialheatpumsareexpectedtoexperiencestrongeconomicgrowththisdecade(Exhibit1).Governentsareincreasinglyissuingregulationsandsupport 用于工业和地区的热脱碳 附件1 到2030年，全球热泵市场预计将以每年15%以上的速度增长。 全球工业热泵市场(硬件),$billion 0.3 1–2 0–1 非洲，独联体，1和中东其他亚洲大中华区 拉丁美洲北美 Europe 2023 0.3 0.9 0.9 0.7 0.9 ~4.0>15%p.a. 2030 ~11–21 5–8 2–4 2–4 1–2 1独立国家联合体。 资料来源：麦肯锡全球能源视角2023年当前轨迹和已实现承诺情景；麦肯锡工业电气化平台 麦肯锡公司 供暖。与此同时，公司正在承诺净零排放目标，并正在寻找使其能源使用脱碳的方法，特别是他们的供热。 因此，在全球范围内，工业热泵预计将提供超过 10%的工业和区域供暖需求 到2030年，温度低于200°C。在EU-27加上英国，当今最大的热泵需求中心，热泵预计将占约15％ 在2030年，总区域供热和20％的工业供热过程中，温度高达200°C（图表2）。这比2023年增加了超过十个百分点。 到2030年，全球工业热泵投资预计将达到120亿美元，在全球能源视角2023年的当前轨迹情景中，5与2023年相比，增长了四倍，每年增长超过15%。这 5在当前轨迹情景中，可再生能源的成本继续下降。只有目前活跃的政策仍在发挥作用，预计不足以达到目标。预计全球变暖约为2.3°C。 附件2 到2030年，热泵预计将在欧洲区域供热和工业流程的技术组合中占据越来越大的份额。 区域供热技术混合过渡(欧盟27+英国)，%工业过程加热技术混合过渡（EU-27+UK），3% Other1 CHP2煤炭 煤锅炉天然气锅燃油 生物质锅 天然气锅炉 CHP2天然气热电联产2生物能源 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 生物质锅炉热电炉 厂热泵 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 锅炉 电锅炉或加热器 炉热泵 燃煤锅炉 0 2023 0 2023 2030 2030 复合年增长率2023-30，%复合年增长率2023-30，% 403–60–2–13–122 –5 0 –2 –3 –1 22 1包括电锅炉或加热器，太阳能热，燃油锅炉，地热，CHP核，CHP油，CHP其他可再生能源和CHP其他来源。 2热电联产。 3对于加热温度<200ºC，不包括空间和热水加热。来源：麦肯锡全球能源视角2023当前轨迹情景 麦肯锡公司 在实现承诺的情况下，可能达到210亿美元。6德国，法国，北欧，波兰和英国有望成为推动热泵在区域供热和工业中采用的首批动力。 这些投资的轨迹是朝着更大的装置发展。今天，大多数投资 th 在工业热泵装置中，朝向小型和中型应用(高达5兆瓦)和80°C至100°C的温度 因为低温应用更多 th likelytoprovideapositivebusinesscase.However,large-scaleindustrialheatpums(morethanfiveMW）温度高于100°C的区域供暖预计将在未来变得越来越重要。预计区域供暖仍将是工业热泵的重要组成部分，到2030年占市场的三分之一以上。 热泵生态系统的五个注意事项 工业热泵设置起飞。在工业热泵不是当今重要市场但却是 过程脱碳的可行解决方案的领域，例如食品和饮料，纸浆和纸张以及区域供热，预计将有更强的采用。正在进行大量投资，以减少工业组织和区域供热网络的碳足迹，因为它们脱碳并减少对化石燃料的依赖。随着工业热泵的部署越来越广泛，热泵OEM和最终用户在 工业热泵生态系统将需要对话和合作。 下面，我们提供了五个重要的主题，这些主题目前尚未讨论，但随着工业热泵技术的成熟，它们将发挥重要作用：对工业和区域供热的不同要求，组件考虑因素，类型 制冷剂，热泵的冷却机会，以及创建解决方案的协作结构。 1.工业和区域供暖没有一刀切的解决方案 当涉及到工业和区域供暖应用时，没有一个放之四海而皆准的解决方案。不同的应用在温度，容量，物理尺寸以及与现有设备的集成方面具有不同的规格。大型热泵通常对功率输出，利用率以及热源和散热器的温度水平有严格的要求。为了满足给定系统的要求,热泵可能需要定制或修改。 th th 行业。在工业中，给定应用的温度和容量要求决定了热泵是否合适（图表3）。小型本地啤酒厂通常需要50ºC至120ºC的温度，容量小于1兆瓦，而化学过程可能需要超过150°C且远远超过5兆瓦的蒸汽容量，这是现有热泵解决方案难以满足的要求。预计规格要求较低的应用 能够使用“标准”热泵，其中可能包括更经济的系统 和模块化。对热量要求更高的行业（例如化学品）可能需要更多的热泵研发才能适用。 区域供暖。区域供热（包括加压水系统）通常需要温度范围从60ºC到约135ºC，使其成为工业热泵的良好候选者。同时，区域供热需要符合现有基础设施。工业 区域供热应用中的热泵需要考虑诸如网络的大小和温度等因素。它们还需要平衡供热组合以控制能量波动，例如通过使用多个热源（例如，废热，废物焚烧和太阳能） 。 在工业和区域供热应用中，最终用户主要关注优化可靠性 6在“已实现的承诺”情景中，主要国家通过有目的的政策实现净零承诺，而追随者则以较慢的速度过渡。预期的全球变暖约为1.6°C。 附件3 工业热泵可以为各种行业及其应用提供热量。 热泵的主导领域 食物和b 区域供热 化学品和石化 产品 纸张、纸浆和木材 温度,max°C 200 150 100 50 0 13510 th 电源,最大兆瓦热(兆瓦) 来源：AgoraEnergiewende；欧洲热泵协会 麦肯锡公司 特别是对于工业最终用户来说，最重要的标准通常是最大限度地减少停机时间以保证连续的生产过程；第二个最重要的标准通常是优化热量成本。 Forbothindustrialandlocalheatingapplications,tailoringthedesignandinstallationoflargeheatpumpinstallationsrequiresspecifiedknowledgeandexpertise.ThiscanbeanadoperationbarriertoheatpumpOEMs,whichhavelimitedknowledge ofusingcases,andendusers,whichhavelimitedknowledgeofheatpumptechnology.Forexample,localheatingprovidersusuallyhaveexpertisewithcombinedheatandpowerplantsbecause Districtheatingnetworkshavehistoricallybeenconnectedtocoal-andgas-poweredenergyplants.However,regionheatingprovidersmayhavelimitedunderstandingofalternativeenergyo