国际的太阳能,可再生能源的相关媒体杂志有哪些?
我司独家代理全球著名的太阳能光伏杂志:北美《太阳能工业》美国《LEDs》,奥地利《LED》,《澳大利亚太阳能》,西班牙《太阳能新闻》,欧洲《太阳能玻璃》,欧洲《太阳能与光伏》,韩国《光伏》,《亚洲太阳能》,欧洲《风能月刊》等。
目前,欧盟一次能源来源构成情况是:石油占41%,天然气占22%,核能占15%,固体燃料占16%,可再生能源占6%。其中,可再生能源的内部构成情况是:生物质和废弃物发电占63.6%,风能1.4%,地热能3.6%,水力发电31%,太阳能0.4%。可再生能源最重要的应用是在发电领域。据悉,欧盟已做出规定,要求在2010年之前,欧盟各成员国把电力的22%和所有能源的12%改为可再生能源。
欧盟各国能源安全战略体系的重要战略是立足国内,开发国内能源新源勘探、开发新能源/可再生能源,实行能源多元化的战略。所谓能源多元化,至少包括新能源的开发(比如氢能能)、可再生能源的开发(生物质能、水能等)、推动天然气为主的能源结构。多元化的核心就是“发展替代能源”,这是能源安全战略的一个重要方面,国际上的发展比较快,比如欧盟的氢能路线图等。
欧盟开发替代能源,实现能源种类多样化。欧盟对内能源战略的另一个主要内容是使能源种类多样化。在过去的几年中,欧盟全面审核了能源政策,制定了面向未来的战略规划。这些远景规划的主要方向是节能和开发替代能源,目标是:①到2010年将欧盟的能源消费从占世界总量的14—15%降低到12%。②把开发新能源作为政治上的优先目标。③到2030年将能源对外依存保持在70%。④可再生能源的使用达到12%。 ⑤达到《京都议定书》规定的标准。为了这些总体目标,欧盟还设立了具体的目标,例如:①整合内部市场。②审议能源税、能源节约和能源多样化计划。③推广新技术。④启动节约能源的计划。⑤发展使用清洁燃料的车辆。⑥复兴铁路交通、改善公路交通、提倡清洁的城市交通,实行污染赔偿原则等等。
欧盟也在由依赖外援逐步向独立自主方向发展,不断摆脱对外部能源的供应。欧盟强调开发自己的能源,主要是指多样化的能源。为了不受制于人,确保完全的行动自主,欧盟提出要提高能源效率,扩大核能利用规模,加强可再生能源的研发、应用和推广,大力发展低碳经济。目前,核能提供欧盟1/3强的电力。核能不仅供应稳定,而且价格稳定,特别是不排放CO2,问题在于要解决其安全性能和公众的接受程度。
目前,欧盟的电力生产已经达到了能源多样化的目标,欧盟在交通领域里也实现类似的能源多样化。欧盟有足够的技术能力开发生物燃料,热核燃料,以及氢燃料,但是这些开发都有一定的局限。
在欧盟国家,核电已有几十年的发展历史,核电已成为一种成熟的能源。核电是法国的动力之源。20世纪七八十年代的石油危机,促使化石能源匮乏的法国选择了发展核电的道路。法国目前拥有59座核反应堆,总装机容量超过63Gwe,每年提供4000亿千瓦时以上的电力。现在,法国80%的能源来自核能,15%来自水电,5%的调峰用电来自煤和石油。这得益于长期坚持的推进能源自主政策。法国还是世界上最大的电力净出口国,每年因此获得约26亿欧元的收入。为了发展核能,2002年10月10日欧洲法院颁布了一项条例,确认欧盟委员会对核安全负责。欧盟的扩大意味着将另外19个苏联设计的反应堆纳入欧共体。其中有些需要提前关闭。欧洲理事会决定拨款4.8亿欧元,用于欧洲原子框架计划(Euratom framework programme) (2002—06),并且考察如何更好地保障欧盟内部核能的高度安全,以及核裂变、核废料处理等技术性问题。
为了在技术上落实能源多样化战略,欧盟还于2003年启动了“欧洲智能能源”(EIE)项目,支持欧盟各项能源政策的落实,例如:在建筑和工业领域里提高能源的使用效率,促进新的可再生能源与当地环境和能源系统的整合,支持交通能源的多样化,如促进生物燃油的使用,以及支持发展中国家再生能源的开发和能源效率的提高,等等。
发展可再生能源和低碳能源战略
发展再生能源是欧盟能源政策的一个中心目标。可再生能源包括水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等,资源潜力大,环境污染低,可永续利用,是有利于人与自然和谐发展的重要能源。同时,从中长期来看,再生能源在经济上的竞争力可能不亚于传统能源。再生能源可以减少CO2的排放量,增加能源供应的可持续性,改善能源供应的安全状况,减少欧共体日益增长的对进口能源的依存度。
上世纪70 年代以来,可持续发展思想逐步成为国际社会共识,可再生能源开发利用受到欧盟各国高度重视,欧盟许多国家将开发利用可再生能源作为能源战略的重要组成部分,提出了明确的可再生能源发展目标,制定了鼓励可再生能源发展的法律和优惠政策,可再生能源得到迅速发展,成为各类能源中增长最快的领域。一些可再生能源技术的市场应用和产业,如光伏发电、风电等在近10 年的年增长速度都在20%以上,可再生能源发展已成为欧盟能源领域的热点。
各国可再生能源发展目标:
欧盟各国在推动可再生能源产业化的进程中,都强调了政府在可再生能源发展中的责任。通常是政府科技投入先行,随后进行市场开拓,以此来推动产业化进程。许多国家相继制定了阶段性的可再生能源的具体发展目标。1995年,欧盟发表了《能源政策绿皮书》,以此为基础,1997年通过欧洲议会白皮书——《未来能源:可再生能源》,确定了欧盟在能源结构中增加可再生能源比例的行动纲领,提出可再生能源在一次能源消费中的比例将从1996年的6%提高到2010年的12%,可再生能源电力装机容量在电力总装机容量中的比例也将从1997年的14%提高到2010年的22%,其中主要是生物质能发电和风力发电。根据 1997年欧盟制定的《可再生能源白皮书》,2010年欧盟可再生能源的发展目标是占整个能源的比重达到12%,比1998年的6%翻一番。
各个成员国也出台了各自的发展目标。德国和英国承诺,到2010年和2020年可再生能源发电量的比例将分别达到10%和20%。按照德国新的《可再生能源法》规定,到2020年把风能、生物质能、水能和太阳能的发电量提高10%,使其占德国总发电量的20%。
2006年2月初,英国一家专业公司向英国政府提供了一份有关能源安全的“2020远景计划”,提出英国应该在北海的油气枯竭之前,充分重视可再生能源的替代作用。21世纪以来,英国以“低碳经济”为目标,拟定了新能源战略。2003年其以《英国政府未来的能源——创建低碳经济体》发布的白皮书,宣布了英国未来半个世纪的能源战略:到2050年使英国转变为低碳经济型国家。为实现这一长远目标,英国将致力于研发、应用并输出先进技术,创造更多商业机会和就业机会,并在欧洲乃至全球能源科技和能源市场的稳定、可持续、有益环保中,发挥主导作用。
西班牙表示,2010年其可再生能源发电的比例将超过29%。北欧部分国家提出了以风力发电和生物质发电逐步替代核电的目标。
欧盟议会、欧盟委员会、欧盟理事会及欧盟首脑会议围绕能源供给、内部能源一体化市场的构建、国际能源市场的协调、加强节能技术、推动可再生能源的研发和推广以及实现减排目标等进行了不懈努力。
2006年通过了《欧盟未来三年能源政策行动计划》(2007至2009年),采取综合措施以确保欧盟中长期能源供应;2007年决定继续执行欧盟《第五个课持续发展规划》,制定二氧化碳排放税收制,设定减排目标,提高可再生能源在能源消费中的比重等;2007年欧盟确立《能源与运输发展战略》,在交通运输领域提高能效,支持替代能源和可再生能源的研究,鼓励广泛的节能与减排研究;2009年4月,出台了《气候行动和可再生能源一揽子计划》,将减排目标和可再生能源发展紧密结合,提出了更宏伟的目标和更具体的实施方案。
欧盟的能源环保政策上有欧盟跨国政策的鼎力推动、有各成员国政府的积极领导以及能源管理机构牵头,下有基础设施部门、能源企业和市民的广泛热情参与。一路走来,欧盟的能源环保政策紧密结合,日趋成熟。
欧盟在新能源领域的大手笔:欧盟不仅是能源消耗重地,也是能源进口大国。为确保稳定可靠的能源供应,欧盟一方面要开展紧密的能源合作,加强与能源出口国家和地区的战略合作伙伴关系,如俄罗斯、中亚、里海与黑海等,同时也要加强与能源组织的合作,如与欧佩克、经合组织及大型跨国能源集团等的合作。
《欧盟未来三年能源政策行动计划》:
2006年通过的《欧盟未来三年能源政策行动计划》(2007年至2009年)提出要提高能源效率,以达到欧盟至2020年减少能源消耗20%的目标,要求各成员国要明确节约能源的“责任目标”,依照各国的经济与能源政策特点,确定主要的节能领域以便迅速采取落实措施。如对民众家庭、公共场所、政府机构、旅游饭店及商业建筑、城市灯光景观和道路照明等电力消耗领域,鼓励尽快更换节能灯与节能器材。照此速度发展,仅2007年至2009年三年欧盟就可节省10%至20%的电力消耗。欧盟还进一步扩大对核能的利用与开发,增加安全性保障、减少核废料污染等技术研究的资金与人力投入。
《计划》还要求加大对研究新能源技术与开发绿色能源的力度,大力推动新型能源与绿色能源的使用工作,规定在2007年至2009年这3年要达到10%的可再生能源与自然能源的使用目标,并根据不同国家进行目标分解。从《计划》的执行情况看,目前在欧盟成员国内已经有上百家研究机构和企业重点从事绿色能源和可再生能源的研究与开发工作。风能、太阳能、地热等自然能源的使用已经由工业、农业向商业和民用领域普及,并逐渐进入到民众的日常生活中。有专家称,目前欧盟在通过植物分解以生产再生能源方面的技术已经日渐成熟,欧盟正在降低成本与技术推广方面采取更加积极的鼓励政策,通过给使用绿色能源与节能设备的用户以资金补偿或奖励来进行新技术的推广普及,相关措施已在大部分成员国开始实行。
欧盟促进可再生能源发展的主要政策措施:
欧盟指导可再生能源发展的政策文件,主要有4种类型:《能源政策白皮书》(其中有可再生能源发展方面的论述);《可再生能源白皮书》及其《行动计划》;《能源供应绿皮书》(在出版白皮书之前,先出版绿皮书;在某种程度上绿皮书是征询各成员国意见的文件);欧盟指令。欧盟指令是指导各成员国立法的具有法律约束力的文件,其对促进可再生能源发展的规定比较具体。涉及到可再生能源发展的欧盟指令有:2001/77/EC指令(关于可再生能源),2003/30 /EC指令(关于生物柴油),2003/96/EC指令(关于能源税收),2003/54/EC指令(关于电力市场自由化)等。欧盟可再生能源的发展,是政府政策和市场机制相互配合的结果。
2003年5月,经过艰难的谈判,欧盟通过了一项促进在交通领域使用生物燃油的指令。按照这项指令,到2005年底,欧盟境内生物燃油的使用应当达到燃油市场的2%,到2010年底达到5.75 %。到2020年,用于交通的燃料要有20%是新型燃料。
欧盟决策者认识到,再生能源的开发和使用问题不在于技术,而在于强大的政治支持,没有政治支持,就会因为费用问题而被搁置。政治支持不是口号,还包括提供土地,把传统能源作为备用(因为再生能源可能会间断),容忍比传统能源高得多的价格,以及投资未来、鼓励创新、监督共同措施的执行等管理措施,需要政府和企业配合,干预市场行为,甚至干预社会生活。非如此,难以实现欧盟能源供应安全的长远目标。
强调发展绿色能源与节能技术并举是欧盟能源可持续发展战略的组成部分。欧盟要领导新的全球技术革命。打开欧盟光辉卓越的能源环保历史成绩单,我们不难得出结论:欧盟无论是在能源环保战略还是具体的实施细则、法律法规上,都可以说是遥遥领先,基础雄厚,实力不容小觑。欧洲有很多的煤,而且很便宜,问题在于怎样通过技术革命,用经济实惠的方法使它变得更加清洁。研发能源清洁技术,如对传统的煤、薪柴等的洁净化处理,提高了能源利用效率;努力研发新能源技术,加速生物能、氢能、太阳能、风能等技术的转让、试验与应用;同时,在当前经济危机的狂风暴雨中,以及世界各国愈演愈烈的能源大战的形势下,欧盟在能源和环保领域的这两项大计划可谓是雄心万丈、面面俱到,相比奥巴马的能源新政也更全面系统、具有可操作性,难怪欧盟声称“要引领一场新的全球技术革命”。
国际能源机构是总部设于法国巴黎的国际间政府组织,由经济合作与发展组织为应对能源危机于1974年设立。
起初国际能源机构致力于预防石油供给的异动,同时亦提供国际石油市场及其他能源领域的统计情报。国际能源机构对28个成员国起到了政策顾问的作用,也为一些非成员国,例如中国,印度和俄罗斯等国进行工作。
该组织目前(截至2012年)的委托责任拓展并集中在良好的“3E”能源政策,即能源安全,经济发展以及环境保护,后者致力于减轻气候变化。国际能源机构在提升可替代能源(包括可再生能源),理性能源政策以及国际间能源技术合作等起到了作用。
国际能源机构成员国要求总石油库存保持在至少相当于前一年90天净进口量的水平。
2009年7月底,国际能源机构成员国共持有综合库存约43亿桶原油。
R.Curtis(英)、J.Lund(美)、B.Sanner(德)、L.Rybach(瑞士)、G.Hellström(瑞典)
徐巍(译)郑克棪(校)
摘要:1995年在意大利佛罗伦萨举行的世界地热大会上,一篇论文引起了世界地热界对地热热泵增长状况的广泛关注。随着降低建筑能耗压力的增加,以及减少建筑物二氧化碳排放指标的提高,安装地热热泵的趋势正在逐渐兴起。应用地热热泵的国家数量也不断上升,其中一些国家并没有传统意义上的地热资源,但现在他们有了生气勃勃的地热热泵项目。另外,还有一些国家正在探索其应用潜力。从小的家庭安装到大功率的系统安装,各种型号的地热热泵都在增加。这篇文章主要对近10年这些高效率、长寿命、低污染的可再生能源系统的发展和安装进行评价。
1 介绍
地热热泵是世界上发展最快的可再生能源利用技术之一,在过去的10年里,大约30个国家平均增长速率达到10%。它主要的优点是可以利用平常的地温或地下水的温度(5~30℃)就可以运行,而这些资源全世界各个国家都可以获得。在1995年的佛罗伦萨世界地热大会上,人们尝试着总结了当时的这项技术状况和发展水平,到2005年,地热热泵已经进一步提升为新能源和可替代能源的重要角色。它们尤其已经被作为一种高效的可再生供热装置,而且更重要的是它们在减少二氧化碳方面得到认可。来自加拿大的一篇文章中提到:“当前在市场上不可能有任何其他的单项技术比地热热泵在减少温室气体排放和导致全球变暖效应方面的潜力更大。”这句话同当前流行的一种认识相一致:热泵作为供热装置可以减少全球6%以上的二氧化碳排放量,它是目前市场上可获得的减少二氧化碳排放量最大的单项技术之一。这样的说法正好适合当前提倡的把更多的注意转移到可再生热能的利用上来,就像现在提倡可再生电能一样。2005年9个欧洲组织和贸易协会共同提倡采用可再生能源进行供热和制冷的行动。三个主要的技术被提到:生物能、太阳能和地热能。过去10年已经进行的工作,说明正确设计的热泵系统,无论是对单孔安装还是多孔安装,都可以确保从地下汲取的热能是真正可再生和永久可持续的。最近,世界能源组织公布了多种可再生技术的生命周期分析,对于加热技术,地热热泵的生命期二氧化碳排放量是第二低,仅次于木屑。
在这篇文章里,我们简短介绍了地热热泵技术,提出当前流行的一些综合信息。读者会发现2005年世界地热大会论文集第14章收集了比以前大会论文集更多的关于地热热泵的论文,反映了它在世界范围内的快速增长。尽管地热热泵有比较高的应用潜力,但在一个国家或地区的优势条件取决于当地的经济生存能力、应用能力和增长率。我们介绍了几个不同地理区域和国家的发展情况。一些地区已经安装了很多的地热热泵,而且显示了不断增长的趋势,有些地区才刚刚开始。开发利用较好的国家有美国、北欧、瑞士、德国,尤其是瑞典。刚开始开发利用的国家包括英国和挪威。其他有大量装机的国家还有加拿大和奥地利,法国、荷兰也显示了比较快的增长速度。中国、日本、俄罗斯、英国、挪威、丹麦、爱尔兰、澳大利亚、波兰、罗马尼亚、土耳其、韩国、意大利、阿根廷、智利、伊朗等国开始意识到地热热泵技术。论文集第一部分里许多国家介绍了他们的开发利用状况。
2 装机
尽管许多国家都开始对热泵产生兴趣,但热泵的增长主要还是发生在美国和欧洲。据不完全统计,目前全世界范围内的装机容量可能接近10100MWt,年均利用的能量大约59000TJ(16470GWh)。实际安装的机组数量大约900000个。表1列举了地热热泵利用率最高的几个国家。
表1 利用地热热泵领先的国家
3 地热热泵系统
热泵系统利用相对不变的地下温度来为家庭、学校、政府和公共建筑供热、制冷和提供生活热水。输入少量的电能驱动压缩机后,可以产生相当于输入能量4倍的能量。这样的机器使热能从低温区流向高温区,实际上是一台能倒流的制冷机。“泵”说明已经做功,温差称为“抬升”,抬升越大,输入的能量越多。该项技术并不是一项新技术,1852年Lord Kelvin提出了这个概念,20世纪40年代Rober Webber修改成地热热泵,60、70年代获得商业推广。图1是典型的水-气型热泵系统。这样的热泵在北美应用很广泛,但在北欧家庭供暖市场主要利用水-水热泵。
热泵有两种基本的配置:土壤偶极系统(闭路系统)和地下水系统(开路系统),地下系统可以水平或垂直安装,取用井水或湖水。系统的选择依赖安装地点的土壤和岩石类型,能否经济施工水井或现场已有水井,还需场地条件。图2是这些系统的示意图。如前面的水-气型热泵所示,对于热水加热系统,家用热水交换器可以在夏天利用回灌的热量,冬天利用输出的热量来加热生活用水,水-水型热泵一般只能通过转换供热模式到生活热水模式,将输出温度提高到最大来加热生活热水。
图1a 制冷循环中的水-气型地热热泵
图1b 供暖循环中的水-气型地热热泵
图2a 密闭环路热泵系统
图2b 开放环路热泵系统
在土壤偶极系统里,一条封闭的管路被水平的或者垂直的埋在地下,防冻液通过塑料管循环,或者在冬天从地下获得热量,或者在夏天将热量灌入地下。开放环路系统利用地下水或湖水直接通过热交换器后灌入另一眼井(或者河渠、湖里,或者直接用于灌溉),主要按照当地法规执行。
其他种类的热泵系统正在兴起,如竖井和本次大会上提到的一种新类型。这些系统效率很高,但大多需要更加精细的水文地质信息和比闭路系统更加专业的设计。
热泵机组的效率在供暖模式通过运行系数COP来表示,在制冷模式下用能量效率比(EER)来表示,它是输出能量与输入能量(电能)之比,目前的设备基本在3和6之间变化。这样COP为4意味着输入每个单位的电能可以产生4个单位的热能。经过对比,空气源热泵的COP大约为2,取决于高峰供暖和制冷需要的备用电能。在欧洲,这个比率有时候作为“季节性运行参数”,即供暖季和制冷季的平均COP,同时要考虑系统特性。
4 地热热泵的可再生讨论
随着热泵装机的稳定增加,使人认识到它们对可再生能源利用的贡献。这只是部分的认识,因为它们只涉及了供暖和制冷的表面,所以没有可再生电能的考虑。然而,这里面有两个其他的因素——一个是关于地下能源的可持续问题,一个是基于空气源热泵的问题,在能量输出时没有纯能量的增加,所以它们仅仅是一种能量效率技术。
20世纪50、60年代,当空气源热泵风靡的时候,在城市里的化石燃料电厂发电的效率接近30%。当时空气源热泵的COP一般在1.5~2.5之间变化。表2显示了在建筑物里能量释放的情况,60%的能量来自于空气,而用来发电的原生能量只有75%作为有用的热能得到利用。这样,从空气中提取的可再生能量已经高效地释放了热能,但没有剩余能量。表2的第二列是当前的数据。新型的组合或联合循环发电厂发电效率已超过40%。土壤源热泵的SPF已超过3.5。这导致了140%的效率,其中最终能量的71%来自地下。更重要的是,超过40%的剩余量已高于发电消耗的原始能量。
表2 能量和效率对比表
水源热泵和新型发电效率的联合才构成剩余可再生能源的释放。
如果从一开始就用可再生能源发电,则所有传递的能量就都是可再生的。为了释放可再生的能量最多,建议应该尽快使可再生电能变得经济,并与地源热泵结合起来。
能量讨论可能是有争议的,但二氧化碳排放量的减少却很容易证实。举个例子,当前英国电网和地热热泵联合供暖相对于传统的化石燃料供暖技术可以减少50%的二氧化碳排放量。这归功于当前英国电网的联合。由于目前发电所排放的二氧化碳在减少,所以通过利用地热热泵而排放的二氧化碳会更少。随着利用可再生能源发电,建筑供暖将不再需要排放二氧化碳。
如果要计算一下世界范围内可节约的石油当量和当前地热热泵装机容量所能减少的二氧化碳排放量,则需要有几个假设条件。如果每年地热能被利用28000TJ(7800GWh),将此量与30%效率的燃油发电相比,则会节约15.4百万桶石油,或者2.3百万吨石油当量,减少700万吨二氧化碳的排放量。如果我们假想每年同样长时间的制冷,则这个数字会翻倍。
5 美国的经验
在美国,大多数系统都是根据高峰制冷负荷设计的,它高于供暖负荷(主要是北方地区),这样,估计平均每年有1000个小时满负荷供暖。在欧洲,绝大多数系统是根据供暖负荷设计的,所以经常据基础荷载设计,另加化石燃料调峰。结果,欧洲的系统每年可以满负荷运行2000到6000个小时,平均每年2300个小时。尽管制冷模式将热量灌入地下,它不是地热,但它仍然节省能量,有利于清洁环境。在美国,地热热泵装机容量能稳定在12%,大多数安装在中西部地区和从北达科他州到佛罗里达州的东部地区。目前,每年接近安装50000个热泵机组,其中46%是垂直闭路循环系统,38%是水平闭路循环系统,15%是开路系统。超过600个学校安装了热泵系统进行供暖和制冷,尤其在得克萨斯州。应该注意到这一点,热泵按照吨(1吨冰产生的制冷量)来分等级,这个吨相当于12000Btu/hr或3.51kW(Kavanaugh和Rafferty,1997)。一个典型的家庭需要的热泵机组应该是3吨或者是105kW的装机容量。
美国装机容量最大的热泵是在肯塔基州路易斯维尔市的一个宾馆。通过热泵为600个宾馆房间、100个公寓和89000m2的办公区(整个宾馆161650m2)提供冷热空调服务。热泵利用出水量177l/s、出水温度14℃的4口水井,提供15.8MW的冷负荷和196MW的热负荷。消耗的能量是没有热泵系统附近相似建筑的53%,每月节约25000美元。
6 欧洲的状况
地热热泵实际上可在任何地方既供热又制冷,可以满足任何的需求,具有很大的灵活性。在西欧和中欧,直接利用地热能对众多客户进行区域供暖受限于区域的地质条件。在这种情况下,通过分散的热泵系统采集到处都有的浅层地热是一个明智的选择。相应的,在欧洲各个国家,热泵正在快速增长和发展起来。热泵系统的市场正在蔓延,从事该项工作的商业公司也在增长,他们的产品已经进入“黄页”。
欧洲超过20年对热泵的研究开发为该项技术的可持续性建立了一个完善的概念,还解决了噪音问题,制定了安装标准。图3是一个典型的井下热交换器型热泵(BHE)。这个系统每输出1kWh的热或冷需要0.22~0.35kWh的电能,它比季节性利用大气做热源的空气源热泵少需要30%~50%的能量。
图3 中欧家庭中BHE热泵系统的典型应用,典型的BHE长度大于100m
根据欧洲许多国家的天气条件来看,目前大多数的需求是供暖,空调很少需要。所以热泵通常只是用于供暖模式。然而随着大型商业利用数量的增加,制冷的需要以及这项技术推广到南欧,将来供暖和制冷双重功效就会越来越重要。
在欧洲统计热泵安装的可靠数量是相当困难的,尤其是个人的利用。图4是欧洲主要利用热泵的几个国家安装热泵的数量。2001年瑞典大幅增加的热泵主要是空气源热泵,然而瑞典在欧洲也是安装地热热泵最多的国家(见表1)。总的情况,除了瑞典和瑞士,地热热泵的市场扩展在整个欧洲还不太大。
7 德国的经验
1996年之后,根据热泵的销售统计,德国各种热源的热泵销售情况各不相同(图5)。在经过1991年销售量小于2000台的低迷后,热泵的销售量呈现稳定的增长。地热热泵的份额从80年代少于30%上升到1996年的78%,2002年达到82%。而且从2001年到2002年,当德国的房地产由于经济萧条正在缩水的时候,地热热泵的销售量仍然有所增长。将来它在市场上仍然有增长的机会,因为有较好技术前景做保证。
图4 一些欧洲国家热泵机组的安装数量对比图
图5 每年德国热泵的销售数量对比图
德国地热热泵在住宅利用的数量是巨大的,许多小型系统安装在独立的房子里,而较大系统用于一些需要供暖和制冷的办公楼等商业区域。德国的大部分地区夏季的湿度允许制冷不带除湿,例如冷却顶棚。热泵系统就很适合直接利用地下的冷能,不需要冷却器,它们显示了非常高的制冷效率,COP能达到20以上。第一个利用井下热交换器和直接制冷的系统在1987年安装的,同时该项技术成为一个标准设计选择。一些最新的德国地热热泵的例子Sanner和Kohlsch有文章介绍。
在德国,地热热泵已经走过了研究、开发和开发现状阶段,当前的重点是选型和质量安全性。像技术准则VDI4640、合同规范以及质量认证等工作正开始被强制执行来保护工业和消费者,避免质量不合格和地热热泵系统无法长期运行等问题。
8 瑞士地热热泵的繁荣
地热热泵系统在瑞士已经以每年15%的速度快速增长。目前,有超过25000台热泵系统在运行。来自地下有三种热能供应系统:浅层水平管(占所有安装热泵的比例小于5%)、井下换热器系统(100~400m深,占65%)、地下水水源热泵(占30%)。仅仅在2002年,就施工钻孔600000m,并安装了井下换热器系统。
地热热泵系统非常适于开发到处都有的浅层地热资源。热泵系统长期运行的可靠性现在已经通过理论和实践研究以及通过在几个供暖季的测试得到证明。季节运行因素已大于3.5。
各种测试和模型模拟证明这种系统可以持续性的吸取热量。长期运行的可靠性保证了系统可以无故障应用。热泵系统所配备井下换热器的合理尺寸也有利于广泛的应用和选择。实际上,热泵系统的安装在1980年从零开始,经过快速发展,现在是瑞士地热直接利用里最大的部分。
地热热泵系统的安装自从20世纪70年代末期开始认识以来发展很快,这种印象深刻的增长可见图6和图7。
图6 1980~2001年瑞士地热热泵安装的发展趋势图
图7 1980~2001年瑞士井下换热装置和地下水的地热热泵系统装机容量发展趋势图
每年的增长非常显著:新安装系统的数量以每年大于10%的速度增长。小型系统(<20kW)显示了最高的增长速度(大于15%,见图1)。2001年地热热泵系统的装机容量是440MWt,产生的能量为660GWh。2002年施工了大量的钻孔(几千个),并安装了双U型管的井下热交换器。井下换热器的平均深度大约150~200m;超过300m深度的钻孔也越来越多。平均每米的造价是45美元左右,包括钻井、下入U型管和回填。2002年,井下换热器的进尺达到600000m。
热泵快速进入瑞士市场的原因
热泵系统在瑞士市场上快速发展的原因主要是那里除了这种到处都有的地热以外,在地壳浅层没有其他地热能资源。另外,也有许多其他的原因,包括技术上的、环境上的以及经济上的原因。
技术原因
大多数人口居住的瑞士高原合适的天气条件:大气温度在0℃附近,冬天日照很少,
地下浅层温度在10~12℃之间,长供暖期。
恒定的地下温度通过正确选型尺寸,可以提供热泵最好的季节运行因素和长期使用寿命。
地热热泵以分散方式进行安装,适合于独立用户需要,避免了如同区域供暖系统的昂贵的热分配。
安装位置在建筑物附近(或建筑物地下),相对自由,在建筑物内对空间的要求也不高。
至少对小型系统来说,不需要进行回灌,因为在系统闲置期(夏天)地下的热能可以自动恢复。
环境原因
没有交通运输、储藏和运行的危险(与石油相比);
没有地下水污染的危险(与石油相比);
系统运行可以减少温室气体二氧化碳的排放。
经济原因
环境友好的地源热泵安装成本比得上传统(燃油)系统的安装(赖贝奇,2001);
比较低的运行成本(与利用化石燃料供暖进行比较,不需购买石油或天然气,和燃烧器控制);
对环境友好的热泵,当地给予对用电费用优惠。
二氧化碳的排放税预计要实施。
进一步快速推广地热热泵的刺激因素是公用事业的“能量合同”。它暗示了利用热泵的公司以自己的成本设计、安装、运行和维护地热热泵,同时以合同价格卖热能或冷能给合适的用户。
尽管绝大多数地热热泵是为单独住宅供暖(生活热水),但一些新的利用方式正在出现(包括各种井下换热器系统,联合太阳能进行热量采集和储存、地热供暖和制冷,“能量堆”)。对于每2km2一台机组,它们的地区密度是世界上最高的。这保证了瑞士在地热直接利用方面是有优势的(在世界上前五个国家中人均装机容量)。相信瑞士的地热热泵在相当长的一段时间内会兴盛下去。
9 英国的地热热泵
在英国,路特·开尔文努力发展了热泵理论,但利用热泵进行供暖却进展缓慢。第一个安装地热热泵的记载要追溯到1976年夏天。小型闭路系统的先锋设置是在90年代初期苏格兰的住宅进行安装的。英国花了很长时间发现为什么到目前为止在英国该项技术要落后于北美和北欧。首要的原因是相对温暖的天气、房屋材料的保温性较差、缺少适合的热泵机组和与天然气庞大管网的竞争。
在20世纪90年代中期,通过吸取加拿大、美国和北欧地区利用热泵的经验教训,英国的地热热泵开始缓慢发展。他们利用很长时间确定合理的技术来适用于本国的住宅材料,以及克服英国特有的各种问题。另外的一个难题就是英国的地质条件复杂。
过去的两年时间里,热泵已经被公认在几个英国政策里扮演着重要的角色,例如供热保障程序、可再生能源以及能源效率目标。
在英国,很少人知道其实热泵系统比起传统的那些系统可以大量减少二氧化碳的排放。利用英国电网的地热热泵系统将会立刻减少40%~60%的二氧化碳排放量。随着英国电网在将来几年变得越来越清洁,长寿热泵的排放量也会进一步下降。建筑师和发展商发现新的建筑评价标准正开始考虑二氧化碳这个新参数。
从非常小的起步,目前地热热泵系统已经出现在整个英国,从苏格兰到Cornwall。私人建筑家、房地产商和建筑协会现都成为这些系统的消费者。室内安装热泵系统一般在25kW到2.5kW之间,主要选择各种水对水和水对空气的热泵,安装在几种不同地质条件的地区。
最近宣称有拨款计划(清洁天空项目)会帮助建立该项技术的部门鉴定,会建立可信的安装队伍、技术标准以及适用于英国室内的热泵。随着去年英国主要的用户发起了热泵安装发展到1000家的活动,希望对于该项技术的兴趣能够快速增长,同时希望在将来几年能够大量涌现出室内地热热泵安装的成功案例。
另一个利用地热热泵的重要领域就是供暖和制冷都需要的商业和公共建筑。2002年国际能源协会热泵中心安排了首批国家级研究,对热泵可能减少二氧化碳的排放量进行研究(IEA,2002)。其中第一个就是在英国展开的,研究结论是热泵系统应用于办公室和小商店效果最好。第一个不在室内安装的热泵仅25kW,是在Scilly的Isles的健康中心。这个系统在接下来的2000年到今天得到迅速发展,设备尺寸和型号目前已经达到300kW。
热泵的利用已经发展到学校、单层或者多层的办公楼和展览中心。显著的一个例子就是Derbyshire的国家森林展览中心、Chesterfield、Nottingham、Croydon地区的办公楼以及Cornwall的Tolvaddon能源公园。一个大型的系统已经在Peterborough地区的新宜家销售中心进行安装。这些系统的安装采用了各种各样的类型,有简单利用地板供暖的,反循环热泵供暖和制冷的,也有复杂的整合机组同时进行供暖和制冷的。单独的或者是混合的配置都已经被采用,包括利用大型地下水平循环和其他相互联系的钻孔网。
10 瑞典的地热热泵
20世纪80年代初期,地热热泵在瑞典开始盛行。到1985年,已有50000台热泵机组被安装。随后较低的能源价格和技术质量问题使热泵市场萎缩,在接下来的10年里,平均每年安装2000个热泵机组。1995年,由于瑞典政府的支持和补贴,公众对地热热泵的兴趣开始增强。根据占住宅销售市场约90%的瑞典热泵机构(SVEP)统计的销售数据显示,2001年和2002年大约有27000个热泵机组被安装(见图8)。因此,安装的机组数量估计达到200000台。
目前,热泵是瑞典小型住宅区最流行的采用液体循环的供暖方式,由于当前的油价,它替代了烧油;由于电费高昂,它又替代了电;由于方便而替代了木炭火炉。直接利用电加热的发展速度已相当减慢。除了住宅方面,还有一些大型的系统安装(包括闭路和开路循环)用于区域供暖网。所有热泵机组平均输出的热能估计大约10kW。
瑞典地热热泵的安装通常建议占标称负荷的60%,即每年大约3500~4000个小时满负荷运行。整合在热泵里的电加热器提供剩余的负荷,有将热泵负荷增加到80%~90%的趋势。大约80%的热泵采用的是垂直类型(钻孔类型)。在住宅里,钻孔的平均深度大约125m,水平类型平均循环长度大约350m。开式、充满地下水的单U型管(树脂管,直径40mm,压力正常6.3bar)几乎用于所有的热泵安装。当热量需要被回灌入地下时,双U型管有时候被采用。热反应测试已经显示自然对流在充满地下水的钻孔中比填满砂(砾石)的钻孔热交换更强烈。地源热泵的盛行已经使人们逐渐关注相邻钻孔之间长期热影响的问题。
图8 每年瑞典热泵销售数量对比图
用于客户住所的大型系统正在变得越来越流行。用来制冷的垂直式安装正在占据市场,但在住宅方面仍然没有引起人们的兴趣。在商业和工业上制冷的需求为地热热泵打开了一个崭新的市场。
热泵技术上的发展有由涡轮式压缩机逐渐代替活塞式压缩机的趋势,它的优点是运行平稳、设计简洁。另外人们对各种容量控制也产生了兴趣,例如在同一个机组里分别安装一个小型压缩机和一个大型压缩机,夏天,生活热水可以通过小型压缩机来供给。绝大多数进口的热泵利用的工质是R410A。瑞典生产商仍然利用的是R407C,但有向R410A转变的趋势,还有的对丙烷也感兴趣。目前正在研究利用极少量的工质来组建热泵。一些生产商通过利用废气和土壤作为热源的热泵抢占市场。废气可以被用来预加热从钻孔开采出来的热运移流体,或者热泵闲置时灌入地下。
在大型钻孔型热泵系统里,为了确保系统长期运行,不得不考虑地下热能的平衡。如果主要是满足热负荷,则在夏天必须向地下回灌热能。自然界的可再生能源,如室外空气、地表水和太阳能都应该被考虑。在Nasby公园,在建筑物下面安装了一套系统,施工了48个200m深的钻孔,利用400kW的一个热泵基本提供热负荷,每年运行6000个小时。夏天,从附近的湖引来的地表温水(15~20℃)通过钻孔灌入地下。
11 挪威的例子
在奥斯陆的Nydalen,180个基岩井将会是给一个接近20万m2的建筑进行供热和制冷的关键。这是欧洲这种类型的系统里最大的项目。
一个能量供应站将为Nydalen的这个建筑供暖和制冷。通过利用热泵和地热井,热能既可以从地下采集,也可以将能量储存地下。夏天,但有制冷需要时,热能可以灌入地下。基岩的温度可以从平常的8℃上升到25℃。在冬天,热能可以用来供暖。供暖的输出功率是9MW,而制冷是7.5MW。与电、石油和天然气供暖相比,每年供暖的成本可以减少60%~70%。供暖和制冷的联合调用确保了能量站的高效利用。
这个项目最独特的地方是地热能量储藏。这里的180个井,每个都深200m,可以提供4~10kW能量。整个储热基岩的体积是180万m3,主要在建筑物的下面。塑料管形成封闭环路,用来传递热能。
该项目总投资是6千万挪威克朗(相当于750万欧元)。这比起传统方式(即没有能量井和收集装置)多投资1700万挪威克朗。然而,每年购买的能量减少约400万挪威克朗,项目还是有利润的。这个项目由政府实体Enova SF和奥斯陆能源基金拨款支持了1100万挪威克朗。
能量站按计划在2003年4月开始建设,包括施工一半的基岩井。剩下的井可能安排在2004年的建设中。
该项目的细节可以在项目组www.avantor.no和热能储存www.geoenergi.no两个网站上查询。
结论
地热热泵是一个刚兴起的技术,有能力利用地下巨大的可再生贮存能量,提供高效率的供暖和制冷。它们正逐渐被认为是替代化石燃料的一种选择,在许多国家,它们在对建筑进行供暖和制冷时可以极大地减少二氧化碳的总排放量。相信安装热泵系统的数量和国家都会快速增长起来。
参考文献(略)
尽管欧盟2021 2027年财务预算谈判正陷入僵局,但是欧盟委员会(下称“欧委会”)仍表示将全力投资新能源领域。
欧委会日前公布一份“近海可再生能源战略”,旨在大幅度提升可再生能源使用率,预计到2050年欧盟整体海上风电产能将增加至300千兆瓦。欧盟将向该领域投资7890亿欧元,约三分之二用于电网基础设施建设,另三分之一用于发电设施建设。
欧委会副主席蒂默曼斯(Frans Timmermans)称,欧盟海上可再生能源投资项目已是全球性成功案例。目前欧盟正面临更大的机会,发展清洁能源产业、推动可持续发展。
欧盟缘何推广海上风电投资?
欧盟在全球海上风力发电领域占据重要地位,目前全球42%的海上发电能力分布在欧洲沿海,北海是世界海上风电的最佳位置。
自本届欧委会上台以来,绿色经济成为了其产业政策重要抓手。欧委会相继出台加强传统行业绿色转型、扶持新能源 汽车 等细分产业政策,并通过调整能源税、推动碳排放交易机制改革等方式提供资金支持。
此次欧委会再推海上风力发电政策,首要原因在于,海上风电是欧盟实现中长期减排目标的主导因素。
国际能源署执行主任罗尔(Fatih Birol)认为,如果顺利实施海上风力发电的大规模部署,欧盟有望在2050年实现净零排放的目标。2025年后,核电、光伏等发电方式将保持相对稳定发展态势,欧盟希望到2050年全面消除煤炭市场,剩余的能源转型重担将由海上风电完成。
陈晓径也认为,欧盟于3月首次将“绿色协议”写入气候法案,要求重工业部门实现“零排放”,能源系统实现“去碳”与“绿色电力”的要求迫在眉睫,海上风电将在新能源转型中扮演重要角色。
其次,欧盟具有海上风电领域的先发优势。1991年,丹麦设立全球首个海上风力发电场。过去十年,欧盟海上风能技术日益成熟、实现规模化生产,成本大幅下降。
陈晓径表示,欧盟在海上浮动风力发电、波浪能与潮汐能利用、漂浮式光伏系统等方面优势明显,也享有北海、波罗的海、地中海、大西洋、黑海等丰富的海洋资源。欧盟推出该计划,预计仅需占用3%的海上空间即可达到大幅生产可再生能源的效果。
再次,欧盟正在海上风电领域受到其他国家的挑战。拜登曾宣布,将带领美国重回《巴黎协定》,并加大在新能源领域的投资。英国上月提出“全民风电”目标,计划2030年利用海上风电为全英所有家庭供电。2018年,全球近一半的海上风电投资都发生在印度等亚洲国家。
欧洲能源专员西姆森(Kadri Simson)称,欧盟要保持海上可再生能源的领导者地位,必须激发在海上风能领域的所有潜力,并通过发展波浪、潮汐和浮动太阳能等不断提高技术水平。
欧委会:希望私有部门加大投资
欧委会称,该计划不仅可以推动欧盟在新能源领域更进一步,还可以推动经济复苏,预计该计划可以为欧盟创造6.2万个就业机会。但是,正如欧盟在其他领域的投资一样,如何筹措资金成为目前投资的首要难题。
国际能源机构(IEA)称,海上风电行业的效益正以每年2.2%的速度增长,未来两年至少需要吸引8400亿美元的投资。未来达到2050年气候目标,各方必须加速投资。过去十年,欧盟每年对电网基础设施的投资约为300亿欧元。
欧洲风能协会(Wind Europe)称,欧盟首先要加强在海上风电基础设施的投资,同时还要兼顾陆上电网方面。未来十年,欧盟的港口也需要65亿欧元的投资。
欧委会称,将从“恢复基金”中拿出1500亿欧元投资该领域,并将重点放在碳密集中度和化石燃料使用率最高的地区。此外,各成员国政府也将为此提供支持。
但是,目前因匈牙利和波兰两国反对,“恢复基金”迟迟未获批。即使未来最终获批,该计划也将面临6500亿欧元的资金缺口。
欧委会寄希望于欧盟的私有部门,希望公共事业和能源领域的巨头能向其提供支持。
欧委会称,预计私有部门将提供投资中的大部分资金,公有部门将发挥战略催化剂的作用。那么,私有部门是否愿意响应欧盟机构的号召,该方案是否具有可行性?
对此,陈晓径认为,私人资本占大多数符合欧盟惯例与“绿色协议”要求,公私合作解决资金需求是当前形势下的可行做法。
她进一步解释称,一方面,公共资金相对充足,但受疫情影响并不宽裕。预计2020年欧盟国内生产总值(GDP)将下降7.4%,欧盟的理念是公共资金要发挥引导、杠杆、“战略催化剂”作用,而非融资为主。其功能是帮助成熟技术尽快进入市场、实现规模化并降低成本,帮助起步技术创造市场并引导私人融资、降低不确定性等。
另一方面,对于私人资本而言,欧盟已建立《可持续金融分类方案》为代表的成熟框架,对如何引领私人融资有着详细规定,这可以协助其达成长期减排与发展目标。
1、天然气市场自由化并不是由供应安全驱动的
与推动公平、低价供应相比,能源供应安全完全是次要目标。
牛津能源研究所高级研究员 Adi Imsirovic指出,自由化本身并不是由供应安全驱动的,而是由效率和更低的价格推动的。
欧洲能源研究联盟研究员Ganna Gladkykh表示,与20世纪90年代各国独立的市场、垄断和保护主义能源政策相比,现在欧洲有一个一体化的市场和监管机构、灵活的定价,从这方面而言,欧洲成功了。然而,Gladkykh承认,所谓被认为是成功的事情现在也是导致欧洲目前所面临的能源供应问题因素之一。
2、监管失灵
欧洲国家面临的不是市场失灵,而是监管失灵。
Bros曾参与法国市场的自由化及其与欧洲内部能源市场的整合,他指出,市场需要先自由化,然后再需要将控制权交给完全独立的监管实体。目前,各国只能依靠自己的设备,能够对自己的能源做出各种不同的决定,只要其大致符合欧盟的指导方针。但如果缺少监管,可能就会止步于此。
一些国家更喜欢便宜的天然气而不是多样化的天然气。欧盟能源指令规定,每个国家都应该至少有三种不同的天然气供应来源,其理念是各国尽可能平均地分配天然气供应,但包括德国在内的一些国家由于其廉价而依赖俄罗斯作为主要供应商。Bros认为,做出这一决定时,德国知道,如果出现问题,欧洲其他国家将弥补这一不足。“这不是自由化,这简直是随心所欲,肆意妄为。”
3、统一战线往往并不那么和谐
还有一个问题是,统一战线往往并不那么和谐。北溪2号是对原北溪管道的扩建,该管道将天然气从俄罗斯输送至欧洲大陆,目的地是德国,这得到了德国和奥地利的支持,但遭到了其他欧洲国家的反对,包括波兰、乌克兰和波罗的海国家。最终,这一计划被搁置。
4、未考虑不可预测的外部因素
当然,其中一个问题似乎不可避免:没有考虑到欧洲以外的任何干扰。“它涵盖了内部的一切,”Gladkykh说,它并没有涵盖所有不可预测的外部因素,包括俄乌冲突和由此引发的经济制裁。
5、可再生能源投资不足
欧洲内部能源市场在确保供应安全方面存在的部分问题是,可再生能源转变的实际情况比其预测更快,长期存在投资不足的问题。
最后,Gladkykh指出,他不确定是否有任何市场结构能够让欧洲免受类似的外部冲击,尚不清楚这种方式是否能使欧洲各国在即将到来的寒冬中幸存下来。
Gladkykh补充说,德国并不是唯一一个陷入困境的国家,所有欧洲国家都感到寒意,当形势变得艰难时,各国往往不那么团结。Gladkykh称,
这场危机最终将阻碍欧洲天然气市场自由化和一体化进程,可能导致欧洲统一天然气市场理论的终结