城市中具有大量没有得到充分利用的热能，尤其是广泛存在的太阳能、地热、污水、江河水、空气中的低品位热能，以及钢铁、化工等工业过程中的热能。以工业热能利用为例，据估计，我国工业生产过程中排放的低品位热量（低于100℃）达到5亿吨标准煤以上，但利用率仅不足3%，由此带来的资源浪费与减排压力不容忽视。
城市作为能源的主要消费市场，有必要尽可能挖掘低品位热力资源利用潜能，这正应是城市节能降碳的必要路径。
而以“电热协同、跨网互济”为核心理念的城市清洁电热协同网解决方案，致力于通过一系列电热转换先进低碳技术的聚合建立新型电热互动关系，在打破热能产-用时空障碍、获取低成本灵活性资源、实现城市热能“应用尽用”的同时，有效提升城市能源系统平衡能力与综合能源利用效率，助力城市优化能源结构，最终支撑以可再生能源为主体的新型电力系统构建，服务碳达峰碳中和目标。
本文刊载于中国城市能源周刊公众号 | 作者李伟阳
低品位热能高质量利用迫在眉睫
工业部门是城市低品位热能资源最为丰富的领域。据国外研究机构统计，工业部门对化石能源的利用过程中，被有效利用的能源量仅占40%，其余60%都最终转化为了余热。
目前，热力供给中煤炭、天然气占比超过90%。由于大量低品位工业热能利用长期得不到重视，造成了大量的能源资源浪费与高碳、高污染物排放，也带来了环境治理成本的居高难下。
建筑用热和工业过程用热各占热力消费总量约50%。化石能源作为约束逐渐趋紧的高品位能源，用来供给建筑和非能源密集型行业所需的低品位热力无疑是能源品位上的浪费。因此，低品位热能利用已迫在眉睫。
从热力需求侧看，随着我国城镇化工作持续推进，城镇集中供暖建筑面积仍将不断增加，这正意味着未来巨大的热力消费增量市场。
但在供给侧，在我国存量煤电到期关停、严控新建煤电的发展战略下，仅依靠热电联产供热将较难以满足用热需求。与此同时，煤电转向电力灵活性调峰主体可能同时带来热力供应的波动性，使得电与热矛盾凸显，这就需要从目前的“以热定电”模式转向“电热协同”的多种制热蓄热协同互补模式。
不仅如此，未来，随着以新能源为主体的新型电力系统构建，以及供热电气化的逐步普及，热力消费的巨大需求和周期性变化意味着简单的电能替代将大大增加电力峰谷差，给电力稳定供应带来较大冲击的同时，也将带来用热成本的大幅上升。因此，有必要探索供热电气化支撑新型电力系统构建、协同降低用能成本的新路径。
笔者认为，随着技术进步，充分利用工业余热、太阳能、地热能等低碳的低品位能源供应低品位热力需求，是城市节能降碳的现实必要路径，将成为我国实现碳达峰碳中和目标的重要突破口。
“城市清洁电热协同网”正获得共识
虽然低品位热能利用存在较大复杂性，但以电力驱动为基础的新一代供热技术已经能够将这些低品位热能整合到热网中。
事实上，当下，以实现低品位余热“应用尽用”为目标的城市清洁电热协同网解决方案正形成多方共识。由于其在工业生产过程中适用范围广泛，可以说是一项具有颠覆性意义的技术革命。
所谓“城市清洁电热协同网”，是以数字化为引领，以高质量电气化为基础，以5D低碳技术（数字化管理、需求管理、分布式、热电解耦协同、脱碳）为驱动，实现对低品位热能高质量利用，提升能源综合利用能效的城市新型能源基础设施。
这里“电热协同”体现在，对于热网系统，在热用户终端采用电力驱动的高效热泵，以热网介质为热源制热，供热参数可以通过调节热泵的变频灵活调整；对于电网系统，依托热力系统的大惯性，为电力系统提供大量灵活性负荷，帮助可再生能源的消纳。
其具体包括以下三个层面：一是通过电力驱动为基础的新一代供热技术，将低品位热能整合到供能系统中；二是以“电制热+蓄热蓄冷”为补充，实现供能稳定的同时提供更低成本的电力灵活性资源；三是利用热系统的大惯性，结合直流柔性网关、“光储直柔”建筑，实现与建筑热系统协同互补，有力支撑分布式光伏就地平衡和友好并网。
我们测算，城市清洁电热协同网解决方案通过实现城市各种低品位热力资源的物尽其用，将有效推动行业节能增效，可有望使区域电气化水平提升约20%、降低区域负荷峰谷差率下降5%以上，同时帮助企业降低用能成本10%以上，并催生百亿级城市绿色新兴经济落地，对于城市发展绿色经济、降低区域碳排放、改善人民生活品质等都有非常好的应用价值。
全面商用条件已具备
可以说，在碳达峰碳中和目标已成全国各地发展硬约束的情况下，推动以低品位热能利用为代表的新一代节能技术应用向纵深迈进，必将成为各地寻求经济绿色、低碳、高质量发展的现实选择。
从当前实践看，清洁电热协同网解决方案已正逐步在苏州、天津等地探索落地示范项目。经过大量可研工作，我们认为项目投资运营模式清晰，投资回收期可低至五年以内，已具备全面商用条件。
以重工业城市——江苏省张家港市为例，我们经过调研发现，在张家港高铁新城具有低品位热能高质量利用技术系统级应用的巨大潜力。
张家港高铁新城周边永钢、沙钢等工业企业有大量低品位热能尚未被利用，如能在高铁新城规划的同时，统筹考虑低品位热能利用基础设施的建设及新技术的利用，则能够产生巨大的节能效益，助力当地节能降碳目标的实现。
经测算，在充分利用低品位热能的供热方案实施后，可使高铁新城区域能源系统运行成本降低20%，碳排放总量降低45%，同时为电网提供200MW功率调节资源，协助消纳1000MW光伏、风电资源。
但纵观全国，当前，低品位热能利用总体规模较小，目前的落地项目基本以单个企业级项目为主，缺乏系统统筹与规划。虽然城市清洁电热协同网建设已不存在技术上的障碍，但要真正落地实现还有待各方的有效协同。
在此笔者建议，相关部门积极组织展开广泛调研，尽快出台针对各行业的低品位热能利用指导性意见，加强政策引导，鼓励技术创新与试点示范，集聚产、学、研、政、融、协等各方力量，共同推动清洁电热协同网落地实践，并在实践中不断提升改进，使之更好服务碳达峰碳中和目标、助力我国经济社会高质量绿色低碳发展。
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