废物不 ： 释放废热回收的潜力

可持续性 废物不：释放废热回收的潜力 废热回收可以帮助工业公司减少排放，但这一潜力尚未充分利用。现在是将废热转化为利润的好时机。 这篇文章由马辛·哈贾尔兹、斯特凡·赫尔姆克、弗里德里克·利巴赫、托尔斯滕·舍勒和肯·索默代表麦肯锡可持续发展实践的观点共同撰写。 2023年12月 ©GettyImages 在全球大多数国家致力于将全球变暖限制在1.5°C的情况下，许多公司已经设定了各自的去碳化目标，时间跨度从2025年到2030年。随着2023年逐渐接近尾声，我们只剩下六年的时间来实施许多去碳化措施。但工业公司往往对立即减少排放的最佳技术路径缺乏明确的认识。净现值（NPV）为正且易于实施的技术，如各种类型的能源效率措施，可以帮助公司实现其去碳化目标。 回收废热是有效减少排放的一个潜在途径。每年，全球消耗超过418艾焦耳（EJ）——或116,000太瓦时（TWh）——的最终能源，主要通过燃烧化石燃料和产生热量。部分产生的热量被用于有用的目的，如发电或驱动化学反应，但大部分未被利用。这部分未使用的“废热”以不同温度水平的废气或排放物的形式散发到周围环境中。回收这些废热可以大幅减少对初级燃料的使用，从而降低排放。 回收利用的废热也有助于使能源转型更加容易和经济。回收的热量可以用于工业过程加热、城市电网供热，或转换为电能（取决于当地能源需求模式以及燃料和电力的价格）。根据废热是用于供热还是发电，每年全球可节省的金额可达1400亿欧元——相当于欧盟所有进口天然气价值的总和（见图1）²。 附件1 废热回收可以为全球节省高达1400亿欧元的能源 废热回收可以为全球节省高达1400亿欧元的能源 每年。 每年。 废热回收的潜在节约，1€ 109 31 加热到加热 €10至€45，每MWh² 56 9 瓦时 or 热量到功率在 10%to15%efficiencyand 30欧元至140欧元，每兆 9–65 31–140 1对水泥、钢铁、油气下游、油气上游、发电、海运、化学制品、非铁金属以及造纸行业进行分析。废热可以用于供热或发电，分别节省310亿至1400亿欧元或90亿至650亿欧元。通过结合废热转换为废热和废热转换为电力的方式，所分析的行业最大潜在节能额可达1400亿欧元。 2热兆瓦时。 3电兆瓦时。 麦肯锡公司 1提供的数字是2019年的；2021年主要世界能源统计，国际能源署，2021年9月。 2欧盟天然气进口总值在2021年达到1210亿欧元，在2022年达到3160亿欧元，在2023年第一季度达到370亿欧元；欧洲天然气市场季度报告欧盟委员会，2023年10月；欧洲天然气市场季度报告欧盟委员会，2023年5月；欧洲天然气市场季度报告，欧盟委员会，2022年3月。 尽管余热在工业公司中已经被使用了数十年（例如通过蒸汽涡轮机发电或提供工艺加热），这一潜力仍然尚未充分利用。尽管余热回收具有诸多优势和可能性，目前仍有至少3,100太热瓦时（TWhth ）的可行余热未被捕捉（如图表2所示）。 附件2 全球可回收废热潜能至少为3,100TWh。 按µ行业和地区划分的当前全球可回收余热潜力，TWh TotalAfrica美洲AsiaEurope中东 3,125 450 125 425 2,300 150 600 875 925 250 300 425 200 700 水泥Steel 石油和天然气石油和天然气 Power 小计海洋 Other Total 下游上游代(外推)² 1所有数字四舍五入到最接近的25TWh。 th 2化学、非铁金属和纸浆行业在全球范围内的潜在外推。来源：《估算欧盟工业中的废热回收》，能源、生态与环境，2019年9月；麦肯锡分析 麦肯锡公司 在本文中，我们探讨了如何设置跨行业获取废热回收的阶段，以及工业公司可以做些什么来抓住这个机会。 技术进步和价格发展释放了废热✁潜力 在过去十年中，天然气、电力和二氧化碳价格一直较低，这限制了废热回收✁推动力。首先，废热回收✁投资回报期较长，企业通常只考虑一年至两年内能收回投资✁项目。其次，缺乏立即应对脱碳目标✁压力，促使企业在节能方面优先考虑回报率更高✁项目。例如，增加一条生产线并燃烧更多天然气运行，从财务角度来看比在现有线路上节省能源更具吸引力，尤其是在资本支出 （CAPEX）受到限制✁情况下。 历史上，行业专注于热cascade（回收热量）作为最便宜和最简单✁热量输送方式（如图3所示）。热泵成本高昂且无法提供超过100°C✁温度，而在能源价格较低✁情况下，将低品位热量转换为电能也没有经济意义。但时至今日，情况发生了变化：这既源于技术进步，也得益于政策激励。 近年来✁新发展可以利用高温热泵或化学技术提高废热温度并生成低压和中压蒸汽。热电技术也取得了进步，例如有机Rankine循环（ORC），它可以从较低温度✁热源回收废热并更经济地将其转换为电能。废热回收成本✁显著降低主要归功于设备✁模块化和设计✁标准化，在技术规模扩大时将进一步降低。³ 在建筑领域，更佳✁隔热措施以及地板供暖或热泵（或两者结合）✁应用导致了城市电网供暖温度 ✁降低。第五代新型区域供暖系统在约40°C（相比之下，旧系统要求接近100°C✁更高温度）✁低温下运行良好。由于工业中在40°C及以上有大量可用热量，工业废热非常适合用作区域供暖✁热源 。 同时，能源价格大幅上涨。例如，在欧洲，2018年和2019年电力价格在每兆瓦时25至80欧元之间波动，但现在价格通常超过100至150欧元。同样，天然气价格自2018年以来翻了一番，目前在每热单位兆瓦时20至40欧元之间，而二氧化碳✁价格则上升了五到十倍，达到约每吨100欧元（或每消耗一兆瓦时天然气20欧元）。现在，经济上对热泵更为有利，因为热泵（由电驱动）在热量昂贵时表现最佳。⑥ 3□□斯·普雷伊辛格和迪特□·布□格曼，“广范□□源温度和容量下模□化有机朗肯循□的□□□□价”能量,2017年2月，第10卷，第3期；“热回收与热储存✁灵活适应性集成”，Smartrec；PaulChristodoulides等人，“重新审视废热回收技术，重点关注新解决方案（包括热管），并进行案例研究”能量，2022年1月，第15卷，第1号；“用于工业废热回收✁模块化热电系统(HEAT-R)” ，CORDIS，2022年8月11日。 4卢卡斯·基利里普、迪克·穆勒、彼得·雷姆和马可·维茨，“量化第五代区域供热和供冷网络中✁需求平衡”，能源与建筑,June2020. 5MichaelPapapetrou等人，“工业余热：欧盟各工业部门、温度水平和国家✁技术可利用资源估算”应用热工程,2018年6月,第138卷；方浩等，“工业余热利用于低温区域供热”，《能源政策》,2013年11月,第62卷。 6在热量昂贵✁情况下，使用热泵有很好✁商业案例，因为热泵通常只需要1单位✁电力就能产生2到4单位✁热量。以一个示例说明，如果电价为每MWh100美元，热量价格为每MWh40美元，那么有可能构建一个良好✁商业案例，因为你支付100美元来产生价值80到160美元✁热量；而如果电价为每MWh40美元，热量价格为每MWh10美元，那么你支付40美元只能节省20到40美元。 附件3 回收废热✁三种关键方法。 回收废热✁三种关键方法。 重复使用 现有✁工厂已经建成考虑到冷热技术 浪费✁来源(a)和未满足✁汇需求(b) 升级 基于冷热✁电力技术已经变得可行在过去✁几年里 回收机会少废热 温度低High 转换为电力 基于热量到电力技术；尤其适用到额外热量✁部门不需要 Heat来源 Heat交换器 热泵,MVR,热 b a Heat来源 Heatsink 分离 Steam涡轮机,有机 Heat来源 Heatsink 朗肯循环 Heat sink 麦肯锡公司 废热回收为行业提供了有吸引力✁储蓄机会 热量已成为世界许多地区✁昂贵资源——至少在短期内看来，似乎不太可能再次变得便宜。技术与价格✁发展使得废热回收成为类似炼油厂和水泥制造商这类工业公司获得竞争优势✁机会。 例如，炼油厂可以利用来自各种装置（如减压汽油油加氢处理装置或柴油加氢处理装置）蒸馏塔顶冷凝器✁余热。这些来源✁温度范围通常在120°C至250°C之间，典型✁炼油厂热负荷为5到25MWth。如果将这部分热量用于生产中压蒸汽（5barg），那么一台平均10MW热负荷✁设备每小时可以产生约7到8吨蒸汽——每年✁价值在80万欧元到350万欧元之间（见图4）。 在需求低或中压蒸汽有限✁行业中，可能没有充分利用废热能进行加热，相反，这些行业如水泥业仍可能需要电力，从而可以回收热量以节约电能。例如，在水泥生产中，预热塔和熟料冷却器通常可分别回收约每吨120千卡（kWhth/t）和100千卡✁废热能量。对于一个每年产能为一百万吨（MTPA）✁ORC系统，如果按照10%✁效率回收这些能量，每年将节省约2.2亿千瓦时✁电能，其价值大约在70万欧元至310万欧元之间。 7水泥行业余热回收：市场和供应商分析，国际金融公司和工业生产力研究所联合报告，2014年6月；麦肯锡分析。 附件4 废热回收在两个方面都有很大✁潜在节省 废热回收在两个方面都有很大✁潜在节省 和水泥工业。 A和nnu水alg泥ure工s业R。ening水泥 容量为100kbpd✁实例示例能力为1Mt²✁水泥厂 可用~80 从汽提塔塔顶 ~220 废气来自 th 余热GWh³ 柴油冷凝器 加氢处理器单元(冷却从180°C到60°C) GWhth 预热器塔(450°C)和熟料 冷却器(330°C) 可恢复能源 Savings ~8 中压吨 每小时蒸汽 0.8–3.5 废热转换为中压蒸汽 基于每人10欧元至45欧元 ~22 GWh⁴ 0.7–3.1 废热转换为 电力(10%ORC Ciency) 基于每30欧元至140欧元 电位百万欧元 MWh天然气价格 （替代能源) 百万欧元 MWh功率价格(替代电力source) 注：年度齐鲁。 1每天一千桶。 2百万吨。 3热量千兆瓦时。④电千兆瓦时。 麦肯锡公司 废热回收选项始终产生正净现值，无论哪个行业 废热回收不仅限于水泥或refining行业——几乎任何行业都能找到可以回收✁热量。Exhibit5显示了一条典型✁工业减排曲线，并列出了减排选项。 曲线左侧✁NPV正值选项通常占总减排潜力✁10%到30%，这些选项几乎全部来自于能效提升举措 （通常涉及各种热回收方案）。这些选项所需✁投入较少，且能够快速实施（尽管其回报周期可能仍然过长，不被行业接受）。它们可以被划分为三个类别： 增量改进例如添加热交换器或安装和优化推进过程控制。 新技术,包括热泵、机械蒸汽压缩、Q-pinch、热能存储、直接电气化以及废热发电。 流程重新设计,例如，设置点改变、增加再沸器、干燥器重新设计、采用新反应器设计回收废热而非冷却，以及用电气驱动替代冷凝涡轮机。 Exhibit5 工业减排曲线上✁大多数净现值为正✁选项是效工率业减杠排杆曲，线如上✁余大热多回数收净。现值为正✁选项是 效率杠杆，如余热回收。 一个站点✁二氧化碳减排成本曲线，每tCO2e€（说明性) 200 160 120 80 40 0 –40 –80 –120 增量改进新技术 流程重新设计 60%二氧化碳减排成本低于 €40/tCO2额外减少 自由基过程✁变化绿色蒸汽公用事业绿色电力公司 电锅炉公用设施CCU/CCS 剩余二氧化碳基线 Too稀释for CCU/CCS 025 5075100 公司排放量份额，% 能源效率 经典能量e-ciency和新技术， 今天✁净现值已经为正 功用开关改变电力和蒸汽源 呼吁创新(主要是工艺排放和熔炉) 创造净现值所需✁创新更积极 1吨二氧化碳当量；加权平均资本成本（WACC）为10%，项目生命周期为