家庭供暖的未来-热泵和氢气的作用报告（英文版）

家用暖气的未来 热泵和氢气的作用 能源期货实验室简报 AmyTraskRichardHanna博士AidanRhodes博士 2022年1月 审稿人: 罗布·格罗斯 英国能源研究中心 RichardLowes 监管援助项目 尼克松阳光 伦敦帝国理工学院 Acknowledgments 这份能源未来实验室简报由伦敦帝国学院的独立研究人员通过帝国咨询公司准备。该简报的撰写得到了英国全国范围内独立慈善机构MCS慈善基金会的支持，其使命在于加速可再生能源和低碳技术的广泛应用。该基金会监督着微生化认证计划（MCS），该计划定义、维护并提升建筑物规模下可再生能源的质量标准 。https://www.mcscharitablefoundation.org/ 能源期货实验室是伦敦帝国理工学院的七个全球研究所之一。该研究所 该机构旨在通过高质量的研究、证据和倡导积极变革来应对全球能源挑战，识别并引领新的机遇，为行业、政府以及更广泛的全社会服务。该研究所旨在促进能源创新，推动可持续能源未来的系统性解决方案，通过汇集帝国理工学院的科学、工程和政策专长，并与各种外部合作伙伴合作。能源未来实验室简报文件是一系列定期报告，旨在针对所有利益相关者。 能源期货实验室 在能源领域。他们汇集了帝国理工学院各方面的专业知识，为广泛能源议题提供清晰见解。更多信息，请访问： 目录 缩写列表44.3氢气27 1介绍 8 4.3.2 存储 27 1.1目标和方法 10 4.3.3 家庭成本 28 2技术和供应 11 4.3.4 安全问题 29 2.1热泵 11 4.3.5 成本竞争力 30 2.1.1热泵的类型 114.3.6蓝色氢 30 2.1.2热泵的工作原理 124.3.7绿色氢 31 2.1.3热泵的效率& 134.4场景比较 31 执行摘要54.3.1氢气供应27 安装费用 2.1.4英国热泵市场及国际比较 4.4.1基于系统方法31 144.4.2家用规模32 2.1.5Carbon强度15 2.2氢气15 2.2.1低碳的案例氢气15 2.2.2生产方法15 3分布和需求20 3.1Heat泵20 3.1.1Supply链条20 3.3Summary23 4BARRIERSTO实施24 5.1 4.5需要解决的关键障碍在34 未来十年 4.5.1General34 4.5.2Heat泵34 4.5.3氢气35 2.2.3英国的氢气生产和产业集群 16 2.2.4氢气试验在UK 18 2.2.5Carbon强度 18 2.3Summary 19 5政策支持和第36条 泵36 5.1.1费用36 5.1.2技术创新、成本reduction40 和行业增长 5.1.3法规、标准and42 认证方案 5.1.4消费者参与度,行为42 3.2 氢气 21 3.2.1 传输和分布 21 5.1.5 3.2.2 最终用途 23 5.2 变化和智能热 管理电力需求的策略and43 热泵对电网的影响 氢气44 5.2.1General44 5.2.2氢气46 4.1热泵和氢气加热部署的一般障碍245.2.3绿色氢气46 4.1.1建筑能源效率24 5.3 热泵和氢气as 47 4.1.3公众意识25 互补技术 4.2 热泵 25 5.4 主要政策和法规 48 4.2.1吸收的财务障碍 25 未来十年 4.2.2消费者偏好、安装 26 5.4.1 热泵 48 &维护 5.4.2 氢气 49 4.1.2行业技能和培训24 5.2.4热脱碳是否在建筑物46 氢气的最佳用途? 4.2.3电网276摘要和建议50 6.1调查结果摘要50 6.2政策建议51 参考文献53 首字母缩略词列表 ASHP空气源热泵 BEIS商业、能源和工业战略部 CCC气候变化委员会 CCS碳捕获和储存 CCUS碳捕获利用和储存 CHP热电联产 CO2二氧化碳 CoP性能系数 DACCS直接空气碳捕获和储存 EFV过流量阀 EHPA欧洲热泵协会 EPC能源绩效证书 EU欧洲联盟 GSHP地源热泵 GW吉瓦瓦特 GWh吉瓦小时 GWP全球变暖潜力 H2氢气 HaaS热作为一种服务 HHP混合热泵 HP热泵 IMRP铁电源更换方案 kgCO2e每千克二氧化碳当量kgCO2ekWh千克二氧化碳当量 每千瓦时热能 kgCO2e每千克H2每千克氢气的二氧化碳当量 kW千瓦 kWh千瓦时 MCS微型发电认证计划 首字母缩略词列表 MtCO2百万吨碳捕获和储存 MW兆瓦 MWh兆瓦时 NO2二氧化氮 RHI可再生热激励 SMR甲烷蒸汽重整 SPF季节性业绩因素 UKUnitedKingdom 执行摘要 在这份简报中，我们对家庭供暖的未来前景进行了分析，重点是热泵和氢能供暖。报告基于对英国供热领域脱碳这一主题的广泛文献研究，并将讨论这两种技术的各种优势、挑战和技术细节。收集和讨论的证据最终形成了一套建议，优先关注未来十年内需要解决的关键领域。 热泵 热泵是一种已成熟的技术，通过电力运行以从外部来源（如空气、地面、水）转移热量，为建筑提供温暖和热水。尽管其效率高，且当由可再生能源供电时碳足迹低，但到目前为止在英国的推广有限，仅占安装热量容量的不到1%（BSRIA,2017）。当前有必要采取行动发展市场并降低低碳供暖成本（BEIS,2021f,p.11）。政府已设定目标，计划到2028年每年安装60万套热泵（HMGovernment2020），气候变化委员会估计这将几乎达到所需规模。 到2050年可能需要安装1900万个热泵才能实现净零（CCC，2019c，p.84）。满足这一需求应该是可行的， 通过可转移技能和互补技术（如锅炉和空调）的学习，制造基础得以增加。然而，消费者对热泵的意识较低，这限制了其市场潜力。 执行摘要 当前，安装成本相对较高。英国政府的《热能与建筑策略》通过与产业合作设定了目标，计划到2025年将热泵的安装成本降低至少25%至50%，并降低购买价格和运行成本。 到2030年，热泵与燃气锅炉的性能差距将缩小至接近等同（BEIS,2021f）。这将需要一种协调的方法来推动技术创新和消费者参与，并制定政策以扩大英国的热泵供应链（参见下文“政策与法规”部分 ）。 氢气 用氢气重新利用天然气网意味着在使用时不会排放二氧化碳（与热泵一样）。 然而，氢燃烧会产生氮氧化物（NOx）空气污染物——这需要通过排放控制进行仔细的监管。氢电器的标准。氢主要来自化石燃料 在能源密集型生产过程中。这意味着氢网格 净零目标下的可行策略，其生产需求需低碳。英国对此采取了“双轨”策略，专注于蒸汽甲烷重整结合碳捕捉（蓝色氢）或可再生能源驱动的电解（绿色氢）（BEIS,2021f,p.68）。氢气与天然气之间的差异意味着要安全地将氢气输送到家庭中，部分燃气管道可能需要进行改造。虽然铁质管道已通过铁管道更换计划进行了大量替换，但仍有钢制管路需要替换，如果传输管道重新用途。对于房屋内的氢气加热使用，对消费者来说可能会更为熟悉，类似于天然气加热的体验。 系统。然而，在这可行之前，还有几个障碍需要克服。 通过氢电网进行供热改造区域内的房产可能会面临一定程度的干扰，这包括家庭调查、现有天然气管道所需的任何更新，以及安装或适配适用于氢燃料的设备。 实施的障碍 无论未来家庭环境中哪种取暖技术占主导地位，每种选项都面临一些共同的采纳障碍。鉴于英国拥有建筑热能效率最低之一的情况， 欧洲股票(ACE，2015)，达到净零所需的苛刻时间尺度，以及 较低的公众对替代加热技术的认识（BEIS,2021f） ，提升能源效率，招聘员工并提升现有劳动力技能，以及提高公众意识，是向前推进所必需的措施。 针对地热泵而言，未来十年内，安装过程是面临的一些最紧迫障碍。例如，高昂的初期成本意味着它们的价格是燃气锅炉的数倍之多， 缺乏合格的安装人员，他们可能需要超大或更厚的散热器 与其一同安装，并且通常需要比现代燃气组合锅炉更多的空间。此外，如果英国大部分家庭都安装了热泵，电力电网将需要加强以管理总电需求和峰值电需求；智能、灵活地操作热泵可以帮助平滑需求高峰并减少部分物理加强的需求。 氢加热场景将面临一系列特定问题，因为目前低碳氢的来源非常有限。尽管已规划到2030年实现5吉瓦的低碳氢产能（英国政府，2020年）， 执行摘要 这注定会成为行业趋势，因为更难去碳化的行业领域将优先考虑。此外，氢气使用还存在若干安全问题，这些问题需要解决，以便其大规模应用得以实现。在高需求期应对的存储设施也必须建立起来。特别是绿色氢气当前在成本竞争力方面并不具备优势，且有限的碳捕获部署意味着蓝氢在商业层面尚不可行。 政策和法规 锅炉升级计划，为期三年， 政府宣布的4.5亿英镑计划将支持约9万个热泵的安装，这是最近一次政府推出的旨在增加英国（BEIS,2021f）热泵部署的补助机制。然而，鉴于先前计划实施的有限成功，这一举措可能不足以刺激市场增长至所需水平，尤其是在可承受性被视为热泵采用的主要障碍的情况下。政府的支持可以促进技术创新、成本降低和本地就业机会的增加，从而扩大英国的热泵市场和国内供应链。这可能包括建立一个国家的，专门的测试 中心 政府最近公布了关于提议的“基于市场的机制”的咨询方案，该方案旨在促进地热泵的开发与性能监测，并为互补制造商提供激励，促使他们从已确立的化石燃料供暖技术转向使用地热泵。 "低碳加热机制"，这可能要求化石燃料锅炉制造商逐步增加其热泵销售相对于燃气和油锅炉销售的比例。 创建一个热泵委员会，将国家和地方政府、监管机构、行业以及民间社会汇集在一起，通过消费者参与和通过推荐的国家级热泵测试中心确保质量保证 ，以采取协调方法发展热泵市场，显得尤为重要。随着未来十年预期中大量热泵安装量的增加，需要实施需求管理政策来限制对高峰电力需求的影响并保持电网平衡。 在未来十年里，有多个政府规划的举措旨在支持低碳氢经济，并努力克服与其相关的障碍。 部署。2.4亿英镑的净零氢基金已被设立为共同投资 进入氢经济体系并构建一种氢业务模式，旨在提升低碳氢的性价比。这种氢将在不久后由标准定义，以监测其全生命周期排放。预计未来几年将开始进行社区规模的氢试用，这能为气体的使用提供安全案例。同时，有关是否在当前燃气网络中混合一定比例的氢以降低排放、并可能提供向完全氢气燃气网络过渡的平滑途径的决定，预计在2023年由政府做出（HM政府，2020；BEIS，2021f）。政府计划于2026年基于地方试验和研发证据，对氢在建筑物供暖领域的角色作出战略性决策（BEIS，2021f）。 考虑氢能在难以电气化的领域（如工业和航运）中的应用以及是否应优先考虑其使用至关重要。针对氢在建筑热能脱碳方面的潜在应用，我们发现氢气在工业集群中战略部署或作为混合热泵系统中的（氢气锅炉）组件将最为合适。将氢设施战略性地部署在已有需求的工业集群附近，有助于推动低碳氢的发展。通过这种方式，在靠近集群的地区，如果氢试验证明它是一个可行且安全的选择，居民可以从中转离天然气供暖转向氢气供暖。 我们对家庭供暖的未来建议如下 ： •能源税应该从电力转移到碳密集型燃料； •通过政策支持和针对英国本土制造商的激励措施，支持英国热泵制造的发展。 补充技术(如燃气锅炉、空调)将生产转向热泵或使生产多样化； •建议长期赠款（至少10年），以增加热泵行业的收入确定性； •为国内可再生能源和能源效率措施引入绿色融资计划和产品； •建立一个由国家和地方政府、监管机构、行业以及民间社会成员组成的热泵委员会，以协助协调消费者参与热泵部署工作。 •投资于国家研究，测试 以及热泵培训设施，以进一步监测和开发技术； •提出利用混合热泵技术以利用分时电价差异，并通过“供热即服务”商业模式参与用户活动 ； •在难以电气化的行业如工业和航运中战略使用低碳氢被推荐； •低碳氢应被明确界定，并需制定标准以确保市场能为建筑供暖脱碳化的发展。 (政府最近完成