2030年供暖轉型——實現建筑領域中長期氣候目標的關鍵技術

結論概覽

1、供熱行業需要逐步淘汰燃油：低成本、氣候友好的建筑供暖組合很可能會包含40%的天然氣、25%的熱泵和20%的集中供熱，幾乎不含燃油。在此設定情景中，天然氣的重要性與今天大致相同，但燃油供熱幾乎完全被熱泵所取代。區域集中供熱是另一個關鍵因素。到2030年，區域集中供熱將主要依靠熱電聯產，但也將越來越多地依靠太陽能、深層地熱能、工業廢熱和大型熱泵。

2、能源效率是決定性因素：要實現2030年的目標，用于建筑供熱的能源使用量必須較2015年的水平下降25%。能源效率是脫碳的一大支柱，因為它幫助氣候保護在經濟上可負擔的。提高建筑物的能源利用率需要每年2%的綠色改造率并結合較高的改造深度。但當前建筑現代化改造的趨勢遠遠達不到這些目標。

3、熱泵缺口：根據目前的趨勢，到2030年將安裝約200萬臺熱泵，但實際需要高達500萬到600萬臺。為了縮小這一差距，熱泵必須盡早安裝，不僅僅是新建筑，也包括老建筑在內的，例如，為了滿足高峰需求，可采用含化石燃料鍋爐的雙系統。如果熱泵可以靈活管理，到2030年將現有的蓄熱式熱水器換成高效的供熱設備，則500萬到600萬臺的熱泵將只會帶來需要火力發電廠滿足的高峰需求的微小增加。

4、用于熱泵的可再生電力：到2030年，可再生能源必須至少占總電力消耗的60%。為了實現2030年的氣候保護目標，供暖和交通部門的額外電力消耗必須由不會產生二氧化碳的能源來替代。但德國2017年的可再生能源法(eeg)中展望的新可再生能源容量不足以做到這一點。

要實現2050年的能源轉型目標，我們必須在2030年達到什么樣的水平？

按照2050年的目標，德國的溫室氣體排放量將在1990年的基礎上減少80%到95%，任重而道遠。如果只關注2050年，政客們就更有可能拖延采取必要措施。截止目前，德國2030年的中期氣候目標主要集中在相對于1990年減少55%的溫室氣體總量，以及對未被歐盟碳排放交易體系(eu ets)所涵蓋的部分，相對于2005年減少38%。

這項研究為實現2030年目標提供了強有力的“保障”，為重要的目標數字制定了更清晰的框架，以及助力在2030年前的時間框架內啟動必要的措施。它重點關注在2030年之前在電力和供熱部門的交叉領域必須達到最低的關鍵技術應用水平。這些技術集中于建筑能效、供熱網絡和熱泵方面。在本研究中，我們將深入分析最后兩項。

為了確定最低的應用水平，我們比較了溫室氣體減排80%至95%的目前目標情景(圖1)。得出2030年和2050年所需完成的任務范圍，然后根據預測趨勢進行評估，以識別缺口，尤其是可行的能源發展路徑。也就是說，到2030年德國必須完成哪些任務，才有機會在2050年將溫室氣體排放量減少95%？

第二步，使用能源系統優化模型進行2030年敏感性分析。這些敏感性分析用來確定，當關鍵技術表現不佳并需要在其他領域采取措施作為補充時，到2030年能否實現溫室氣體排放減少55%的最低目標?；鶞是榫鞍?%的綠色改造率，考慮到高綠色改造深度、700萬輛電動汽車、有軌電車的使用、熱泵和電動汽車的部署，使整個能源系統受益。在敏感性計算中，參數的變化涉及建筑保溫、電動汽車的普及以及熱泵、電動汽車和電動卡車的靈活性。另一個條件是，到2030年，交通、農業和分散供熱能源供應領域的溫室氣體排放減少38%，這些領域都不受eu ets的約束。

2050年的氣候中性建筑存量必須依賴于能源效率、分布式可再生能源和脫碳熱網

德國目前關于建筑供暖的政治討論集中在聯邦政府提高建筑能效的戰略上。這些討論試圖評估可再生能源的潛力和減少能耗的措施，以找到可行的解決方案，使建筑存量趨于實現“氣候中立”。具體目標是，到2050年將不可再生的一次能源消耗量在2008年的基礎上減少80%。

到目前為止，政策制定者已經確定，家庭和企業的熱端能源消耗平均可以減少40%到60%，但考慮到目前的技術限制，再進一步減少將非常困難。政府將對常見的三種可再生能源進一步發掘“現實可行”的潛力：環境熱能、太陽熱能和生物質能。根據最新估計，如果運用環境熱能和熱泵發電的潛力來擴充能源，常見可再生能源每年產生的熱量可達197至447太瓦時。剩余的熱能消耗必須通過脫碳熱能網絡來實現。在建筑采暖行業，減少溫室氣體排放的三大支柱都圖2以減少40%的建筑采暖能耗為例進行了說明。偶有偏頗可能在所難免，因為常見的一部分可再生熱源可以合并在一起，成為小規模分布式供暖系統的一部分，在德語中稱為“臨近供暖(nahw?rme)”。

建筑熱效率和熱網的當前進展還遠遠不夠

能源效率是脫碳的支柱。實現氣候政策目標的關鍵在于現有建筑的綠色改造。在進行比較的目標情景中，幾乎所有的假設都是，到2030年，與2008年的水平(溫度調整后)相比，熱能消耗將大幅減少40%，到2050年將減少60%。但是，目前對熱能的利用還達不到這些目標，距離溫室氣體排放比2008年的水平下降95%的目標更加遙遠。

熱網在人口密集地區最有用，那里分散的可再生能源部署非常有限。在情景比較中，區域供熱網絡(德語所謂的遠程供暖“fernw?rme”)的擴展，從今天占最終能源使用的10%左右，[6]到2050年占最終能源使用的23%左右，可以得到顯著的改善(圖3)，但還是非常有限，因為在所有情景中，大部分的供熱市場的主流仍是分散式鍋爐。在減排80%情景下，必要的熱網共享可能會覆蓋更大的范圍。在減排95%情景下，回旋余地則小得多。到2030年，熱網在建筑最終能源需求中的占比必須大大增加，以便到2050年前溫室氣體排放相對于1990年的水平降低95%能夠實現，但要從2030年的低水平一蹴而至2050年的高水平，并不現實。

為了使熱網長期脫碳，必須降低供暖溫度，使用深層地熱能、大型太陽能熱能裝置和/或使用環境熱能/廢熱利用(排水、工業、河流、污水等)和大型熱泵。2030年的敏感性計算表明，熱網需要擴大到最終建筑能源使用的15%到21%之間。最明智的做法是，將這些能源與大規模太陽能熱能結合，這在很大程度上取決于當地情況。(還需要更多的研究。)大型熱泵系統對同時需要加熱和冷卻的系統有利可圖，它們對熱網的巨大潛能有待發掘。特別是，如果可以實現更高的熱源溫度和更高的效率，這些系統將很快能取得經濟效益。目前在深層地熱能領域有多個項目。相比之下，工業廢熱的利用則極為有限。

到2030年，德國需要500萬到600萬臺熱泵來減少55%的溫室氣體排放，到2050年至少減少80%的溫室氣體排放

在所有的目標情景中，用于建筑供暖的分散式熱泵是一項具有高/非常高的市場滲透率的關鍵技術。通過比較，趨勢情景介紹了在當前監管框架下所面臨的障礙。這導致在趨勢情景水平與所需的500萬至600萬熱泵目標值之間存在大約300萬至400萬熱泵的缺口(圖4)。

在趨勢情景下，相對于如今的水平，熱泵的銷售額每年增長約60%。為了達到平均目標情景，熱泵的銷量必須增長5倍。此處，我們必須區分新建筑和現有建筑。在新建筑項目中，必須按照節能規定滿足一次能源標準(化石能源)，使熱泵在2016年以來市場電價上漲的情況下仍能發揮重要作用。在現有的建筑存量中，熱泵在所有供暖系統中的份額目前僅占2%。通常，熱泵市場的一部分也可以由小型分布式供暖系統覆蓋，以供應較小的區域(例如，通過使用地面探測場)。在這里，分散式和網格式熱泵之間的界限是模糊的。

考慮到目前的慣性和改變現有供暖系統的局限性，將溫室氣體的排放量從80%減少到95%仍有很長的路要走。圖5中的圓點虛線表示轉型的機會窗口。如果在設備的機械壽命結束之前沒有更換供暖系統(這是供暖系統價值減計的一種措施)，則需要在2030年制定更大的最低熱泵數量水平。通過對iswv-83和iswv-95的示例情景比較，可以看出，2030年必須瞄準情景路徑的上限，即大約810萬臺熱泵。對于氣候保護情景ksz 80和ksz 95中的類似考慮，表明到2030年約需要580萬臺熱泵?？偠灾?，要實現到2050年溫室氣體排放量減少95%的目標，2030年的最低熱泵數量大約是600萬到800萬臺。

到2030年，使用熱泵脫碳可以彌補建筑保暖材料和電動汽車的不足

與1990年的水平相比，溫室氣體排放減少55%；與2005年的水平相比，eu-ets范圍之外的排放減少38%，這兩個目標是否可行，取決于各個行業的貢獻。在供熱領域，建筑保溫起著決定性作用；在交通領域，電動汽車發揮著重要作用。在2030年的基準情景中，我們假設綠色改造率提高到2%，且實現高綠色改造深度、高電動汽車普及率——到2030年將達到700萬輛，無軌混合動力電車也將早日推出。此外，新的電力消費者更具靈活性，因為熱泵安裝了蓄熱裝置，電動汽車采用有利于整個電力系統的充電方式。

要區分以下結果，我們必須首先注意到，在脫碳目標的背景下，熱泵的快速普及是隨時間發展的供熱組合中的一部分。至2030年這一目標年份，在計算的基準情景中，除熱泵外，還將大量增加分散式燃氣鍋爐，因為優化算法會盡力確定實現溫室氣體排放目標的最經濟的解決方案。

根據基準線計算(“基準kk”)，到2030年，要實現減排目標，大約需要安裝400萬臺熱泵(圖6)。如果采用較低的綠色改造深度(“d?mm(-)”)，則熱量消耗會增加。在這種情況下，分散供熱的脫碳將是一項巨大挑戰?，F有鍋爐的排放水平是固定的，限制了可用co2的預算，特別是在非ets地區，而高熱量需求可以通過增加鍋爐來滿足。一方面，這種壓力將迫使區域供熱項目增多，將排放從分散的設施(eu-ets范圍之外)轉移到ets覆蓋范圍。另一方面，脫碳將越來越多地通過熱泵實現，特別是雙氣源熱泵(在需求高峰期與燃氣鍋爐結合使用)。這將使熱泵的數量需求超過400萬臺。相應地，新裝燃氣鍋爐的數量將會減少。

如果電動汽車(“emob(-)”)普及率較低，eu-ets區域以外的二氧化碳預算將進一步受到限制。因此，建筑供暖將需要更多的脫碳。燃氣鍋爐的增加數量將大大減少，取而代之的是更多的區域集中供熱和越來越高效的熱泵，即增加地源熱泵的比重。到2030年，熱泵的數量將增加到500萬臺，以確保滿足eu-ets以外的排放目標。

如果熱泵和電動汽車缺乏靈活性(“flex(-)”)，熱泵的數量將降至300萬臺以下。通過這種方式，優化模型避免將缺乏靈活性的消費者納入考量。相反，該模式中的新集中供熱解決方案將來自非eu-ets區的排放轉移到eu-ets覆蓋范圍，在那里通過增加燃氣發電廠的部署更容易補償排放。然而，要實現更宏偉的減排目標，這些供暖系統的電氣化就變得不可或缺，這種短期成本優化在長期時間內不會產生效益。從長遠來看，熱泵和電動汽車等動力裝置的靈活性對整合波動的可再生能源至關重要。靈活使用雙熱泵系統和無軌電車有助于減少高峰需求。

通常，熱泵會增加高峰需求。在此處考慮的敏感性分析中，熱泵所需的最高輸出量范圍介于10吉瓦到21吉瓦之間?？偠灾?，敏感性分析計算表明了實現2030年氣候目標所需滿足的條件。鑒于建筑保溫和電動汽車的發展前景存在不確定性，德國必須力爭在2030年將熱泵安裝數量穩定在最低水平，以彌補這些領域的不足。500萬臺熱泵代表穩定的最低水平。

到2030年，氣候友好型建筑的供暖組合將由40%的天然氣、25%的熱泵和20%的熱網組成。

在采取節能措施后，通過組合使用天然氣、熱泵、小型分布式供暖系統和區域供暖，對家庭和商業建筑供暖所需的547太瓦時能源實現氣候友好型覆蓋。

根據2030年500萬熱泵的emob(-)敏感性計算，得出以下供熱能耗占比(圖7)：40%來自燃氣鍋爐，其中約一半必須在2030年之前加裝到位；22%來自熱泵，其中一半以上為地源熱泵，不到三分之一為雙氣源熱泵；20%來自分布式供熱系統；10%來自生物質，包括生物源分布式加熱系統；8%來自鍋爐。與2015年的分布情況相比，供暖總能耗約730太瓦時，占比變化最大的是燃油供暖，其二氧化碳的排放量最大。燃油占比從2015年的25%下降到2030年的8%。同期，燃氣供暖系統的二氧化碳排放量僅下降5%，低于燃油。熱泵和熱網呈現最大的增加。

更大的熱泵目標——到2030年熱泵安裝數量達600萬臺——到2050年努力將溫室氣體排放量減少95%。此目標將進一步改變建筑物的供暖結構。下面，假設總熱量消耗保持不變，用外推法來說明這些變化。如果從燃油和天然氣中平均扣除額外熱泵的額外能量，結果就是圖7右側的分布，其中6%來自燃油鍋爐，38%來自燃氣鍋爐，26%來自熱泵。

到2030年，我們需要實現可再生能源占總用電量至少60%的目標

德國的目標是到2030年將溫室氣體排放量在1990年的基礎上減少55%。此外，歐洲目前關于應對氣候變化的決議要求德國將其在eu ets之外的溫室氣體排放量在2005年的基礎上減少38%。這里使用的模型考慮了這兩個限制條件。還有其他一些輸入參數可能影響2030年的結果。供應側是燃煤發電站的產量要求、燃料價格假設和可再生能源成本。需求側的主要因素是32太瓦時的凈電力出口，其次是采暖和運輸部門的新電力消費者，以及上述關于建筑能效和電動汽車方面的假設。

為了遵守規定的排放限制，可以在模型中使用各種脫碳方案，例如增加燃氣發電廠和可再生能源。然后將根據這些方案選擇最有利的組合。根據上述假設，2030年的敏感性計算得出成本最優的可再生能源占總電力消耗的比例在58%到62%之間(圖8)。

結果顯示，當前的可再生能源目標——到2025年從40%增加到45%，到2035年從55%增加到60%——不足以在降低成本的同時實現2050年的氣候保護目標。因此，2030年可再生能源法案(eeg)的目標必須提高到至少60%。

熱泵還是“綠色”天然氣？

通過對能源系統目標情景的比較和敏感性計算得出相同的結論：熱泵在未來供熱中應發揮重要的作用。然而，能源政策討論中的一些聲音對此結論提出了質疑。一個被屢次提及的反對意見是快速、廣泛地安裝現代燃氣冷凝鍋爐將更快、更經濟地減少二氧化碳的排放。為了解決這一爭議，熱泵面臨的最重要挑戰將會被再次提出，然后與燃氣供暖系統進行比較。比較的標準是溫室氣體排放、能源效率和對峰值需求的影響。

雖然燃氣鍋爐的溫室氣體排放量不會隨著時間的推移而改變，但隨著可再生能源在發電行業中的占比日漸增加，熱泵本已較低的排放強度也會更低。隨著新的熱能應用導致未來的電力需求上升，可再生能源發電量也需要相應地增加。為了跟上可再生電力的發展，天然氣必須變得越來越“綠色”。因為生物質能的潛力有限，如果天然氣要促進更廣泛的脫碳，則不得不依賴于電轉氣。問題是在哪種應用中使用可再生電力：熱泵還是電轉氣。

鑒于德國可再生能源的表觀潛力有限，以及可預見的社會阻力，必須高度重視并充分利用來自可再生能源的每千瓦時電力，使其盡可能實現高能源效率。熱泵(通過使用環境熱)利用每千瓦時電能產生約3到4.5千瓦時的熱能，但由于轉換損失，“電轉氣”時，每千瓦時電能只能產生0.24到0.84千瓦時的熱能。這些技術的產熱率相差4到19倍。當然，電轉氣還有另外一個好處，就是可以長期儲存。但即使考慮了熱泵的季節性儲熱損失，結果也不會有很大變化。從效率的角度來看，在熱泵系統中使用電力顯然比使用電轉氣系統要好。

當同時運行大量熱泵(或者，在未來，電動汽車)時，需要應對的一項重要挑戰即峰值需求的增加。隨著風電和光伏發電占比的增加，可再生能源發電的水平可能提高或降低(盡管風力渦輪機通常更適合在供暖期間滿足熱泵的電力需求)。這些波動包括無光伏和風電的時期，即所謂的“dunkelflauten”。此外，當溫度很低時，供熱需求較高，而熱泵則顯得效率很低。

本研究中的模型盡可能地捕捉這些關系，以確定對峰值需求的影響。對于2006年的氣象年，該模型模擬了每小時間隔波動的可再生能源發電，以及動態、外部溫度相關的熱泵性能系數，這些系數因技術和建筑類型而異。

高峰需求增加時，務必區分供應安全問題，即年度關鍵時間的輸出儲備，以及熱能電站在較長一段時間內的發電量，如無太陽能和風能期間。此處必須考慮三個相關案例：

1.?上述敏感性計算顯示，到2030年，熱泵發電需求的增加應該是可以承受的。事實上，熱泵需要21吉瓦的額外峰值需求。但是考慮到目前直接電阻加熱(尤其是流動加熱器和夜間存儲加熱器)需要約35吉瓦的輸出功率，將夜間存儲加熱器換成熱泵或高效燃氣鍋爐可以使更多的熱泵進入電力系統。

2.2050年，需求負荷的水平范圍，取決于溫室氣體減排目標和剩余排放預算。由于到2050年的減排目標為80%，電力部門可能會繼續排放(少量)二氧化碳，因此，額外的燃氣輪機可以以相對經濟的方式滿足峰值需求。

3.?隨著減排95%的更遠大氣候保護目標，電力部門可能不會在2050年排放更多的二氧化碳，因為剩余的排放預算必須預留給非能源排放，而非能源排放很難脫碳。為了滿足高峰需求，燃氣發電廠必須依靠電轉氣。但是，由于較高的電轉氣損失，這種形式比天然氣更昂貴。盡管如此，與其他可能的脫碳方案相比，這些額外的成本是微不足道的，因為每年只有幾個小時的負荷時間。

換句話說，熱泵的需求峰值問題是可控的。相比之下，在天然氣的應用過程中則不會發生此問題，因為天然氣基礎設施的尺寸足夠大，可以承受這樣的加熱負荷。

對于熱泵來說，最大的挑戰可能是需要足夠的建筑能效。也就是說，它們能否被廣泛接受，取決于建筑物的熱需求能否降低，尤其是現有建筑存量。在研究中，建筑熱能的需求基于幾個假設進行了模擬計算。例如，敏感性計算假定改造率上升到2%，同時具有較高的改造深度。如果在現實生活中不能相應地降低能耗，則技術要求也將無法滿足熱泵的大規模擴容。另一方面，完全的綠色改造無需在舊建筑存量中安裝熱泵。窗戶和屋頂的現代化可以在這方面取得很大成就。如果安裝了低溫散熱器，地暖也可有可無，因為低溫散熱器的性能只差一點點。此外，雙氣源熱泵可以作為過渡型技術，與燃氣或燃油鍋爐相結合，在非常冷的時候，作為一種應對漸進式綠色改造的挑戰的方法。為了避免鎖定效應，安裝設計應確保在廣泛現代化建設后熱泵輸出足以為建筑供熱。此外，還有更創新的熱泵技術——冰儲槽與太陽能吸收器、高效導流蒸發器等的組合。換句話說，有不同的方法使建筑材料與熱泵兼容。

這項研究并未考慮許多熱泵同時使用時可能對分配網絡帶來的影響。這可能導致在此使用的模型中未考慮在內的額外成本。然而，熱能網絡的擴張始終懸而未決，即使考慮到現有的天然氣分配網絡，也不太可能受到挑戰。

總而言之，在建筑供暖行業迅速增加熱泵，似乎是減少電力部門溫室氣體的一種高效節能方式，并在需求高峰期間可以加以控制。它的致命弱點是，老式建筑需要最低程度的能源現代化改造以配套，而天然氣鍋爐則不需要。然而，天然氣作為一種能源，也必須有助于脫碳，并隨著時間的推移變得越來越“綠色”。這將提高天然氣的成本，使得即使在使用天然氣供暖的建筑中，也能提供充分的保溫性能。從長期來看，在建筑材料中使用低碳燃氣而不進行綠色改造，從成本角度來看沒有什么意義。當涉及到建筑外觀的綠色改造時，從增加天然氣應用脫碳著手可能更容易。但僅憑這一點并不能確保實現2050年氣候目標的低成本路徑。如果綠色燃氣能在脫碳建筑行業發揮作用，這可能是因為消費者的偏好。如果一部分民眾更愿意繼續用天然氣供暖，而不是進行綠色改造或安裝熱泵，應該也被允許。但是，就像電能一樣，天然氣必須越來越綠色，在此過程中，它將變得更加昂貴。

天然氣可以通過兩種方式實現綠色：(1)通過更嚴格的二氧化碳基準和供暖系統的一次能源因子，以及/或(2)通過利用有限數量的可用生物質和電轉氣技術來增加越來越多的二氧化碳中性氣體。

未來研究的問題是：從長遠來看，哪條道路對大多數現有建筑更好，熱泵還是綠色燃氣？鑒于德國在可再生能源領域的地理場地競爭相當激烈，答案將在很大程度上取決于未來在國外生產氫和合成天然氣等電轉氣產品并將其進口到德國的成本。另一個決定性因素是交通和工業領域的電改氣消費者，而建筑供暖部門將不得不與之競爭，因為在某些情況下，這些競爭對手將比建筑供暖更難實現電氣化。未來的研究需要更深入地探討這些問題。