生物质能高效供热现状及未来发展预测
发布者:xylona | 来源:交能网 | 0评论 | 28959查看 | 2020-04-09 09:22:21    

前言:从人类学会使用火开始,生物质能作为供热源一直不断推动着社会的进步与更迭,到后期在产电与燃料动力领域也大显身手,相关应用在之前的系列文章中都做出了详细介绍。今天我们将把重点放在生物质能的高效产热领域,从现状,面临的挑战与未来的前景三个方面展开介绍。


在文章开始之前,先简要介绍一下生物质能供热领域一些关键数据信息。目前德国90%的可再生能源供热都来自于生物质能,占到德国总热能需求的11%。而在全球范围内,对热能的总需求占了能量总需求的一半左右,其中生物质能也承担了约10%的比例,更是全球可再生能源热力生产的主力军,主要来源是生活垃圾以及工业废弃物和沼气。综合来看,生物质能在许多国家和地区的生产生活以及发展中都起到了非常重要的作用,尤其在一些经济相对落后的发展中国家,传统的生物质能供热仍然是十分重要的热能来源。


生物质能产热领域的现状


在过去十几年里,生物质能高效产热领域最大的超新星毋庸置疑是基于气态生物质能的热电联产设备,这类电厂在过去十几年中发展势头非常强劲,也涌现出了很多的设备制造商。但不可否认的是,固态生物质能在生物质能产热领域仍然占据重要的地位,在2015年时这个比例高达75%左右,主要应用于全世界各个地方的小型热电联产厂或锅炉中(指热量输出低于1兆瓦的供热设备)。


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图:生物质能热电联产设备


目前德语区(即德国、瑞士、奥地利)是全球生物质能产热效率最高,设备水平最先进的地区,这些国家有非常多高效的生物质能热电联产厂以及家用的高效壁炉等,也是综合能源的整体布局的关键一环。以德国为例,目前很多较大型的生物质能供热厂都可以通过四通八达的供热网络向能源消费终端尤其是建筑和工业领域提供热能。有些生物质能供热厂同时也会产生电能,但与以产电为主的生物质能发电厂相反,这里电能是次要的,为了保证产热的高效性,设备均采用以热定电的模式,即以优先满足热需求为前提。


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图:生物质能远程区域供热


除了大型的生物质能热电联产设备外,近年来在德国市场上一些规模较小的热电联产设备也纷纷投入了市场,这里使用的固体生物燃料会通过热化学气化技术来处理,在德国的供热系统中,直接使用沼气和生物质燃油的比例并不高,因此这里不做详细叙述。与大型的生物质能供热厂相反,这些微型热电联产机组的主要目的是发电,但发电同时产生的有效余热也被用来满足用户的热需求,在政府各项补贴政策的推动下,近年来已经广泛应用到了很多家庭,写字楼以及工业生产中去,并激发出了很多商业模式。


生物质能产热领域的挑战


虽然生物质能产热领域在过去的几年里发展迅速,但在诸多方面仍然面临着挑战:


生物质原料的有限性。虽然生物质能属于可再生能源,但随着全球人口的增长,人类对食物、饲料肥料和生物质材料的需求正在不断增加,此外,由于开发限制以及自然保护等的原因,对生物质可用区域也有一定的预期限制,生物质将在未来的价格会上涨,从而影响到生物质能在能源供应领域的应用,如何合理分配这些有限的生物质原料是一个需要解决的问题。


来自其他可再生能源技术的竞争。随着住宅建筑供暖效率的提高(例如通过隔热和控制通风可节省高达80%的成本),以及太阳能,环境能(地源热泵、水源热泵、空气源热泵等)和可再生能源余电产热应用的不断扩张,势必会对未来生物质能产热技术产生挤压的影响,如何提升生物质能在供热领域的竞争性,占据更多的市场比例,开发出更多的商业模式,需要做好应战准备。


高质量生物质原料的短缺。生物质原料不仅可以作为食物和能源材料,还可以用来解决由化石能源作为各种材料来源造成的污染问题。例如生物塑料即有机塑料,是由来自于淀粉或微生物群等生物质原料生产的环保材料,预计到2020年生物塑料可占塑料市场的25%以上。得益于技术的改进,这些高质量的生物质材料未来会被广泛应用于汽车,医疗和电子行业,很多国家也相继出台政策激励在材料领域的转型。出于经济性的考量,会导致高质量的生物质越来越多地从能源使用转向更有价值的材料使用,这也成为了生物质在产热领域的挑战之一。


供暖需求下降。随着温室效应的日益加剧,全球变暖将导致供冷需求的增加,相应地供暖需求的比例也会下降,对生物质能供热也会产生一定的影响。


日益严格的排放要求。尽管生物质原料尤其是生物能作物可以帮助减少或抵消温室气体的排放,但科学研究发现,与石油相比,不同的生物燃料在温室气体平衡的作用差异很大,视生产原料和加工燃料所使用的方法不同,一些作物甚至比化石燃料产生的温室气体还要多,例如氮肥释放的氧化亚氮这种温室气体,其损害是二氧化碳的30倍。因此未来各国对于生物质燃烧的排放要求也越来越严格。


以上挑战对于生物质产热来说,意味着要采用更高技术的设备,不仅是在工厂、工业园区的供热设备上,也包括居民社区的供暖设备,更高效的热电联产机组等等。总的来说,最终还是需求决定了生物质能的应用。而生物质能应用的关键在于效率的提高、排放的减少以及如何更好的集成到可再生能源供应系统中等等。


生物质能产热领域的前景


短期预测(未来5年)


工业界和研究机构之间会密切合作,使用CFD(计算流体力学)进行有针对性的燃烧室优化,使用改进的传感器(例如针对一氧化碳或者碳氢化合物的传感器)改进燃烧控制,进一步整合次级粉尘和减排措施,发展中央控制的供热网络,从而既可以减少排放,又可以提高建筑物和附近地区的供热效率。


通过成本高,但质量也高的一些材料处理方式例如分选,洗涤,混合,压实,将促进日益不均匀的生物质的可用性。由于生物质和生物质原料应用的多样性,在不能保证足够的生物质能原料的情况下,能够使用多种生物质原料,以及既使用生物质原料也可以使用其他能源的设备会得到进一步的研发。


长期预测(未来5年以后)


与其他可再生能源相比,生物质能的成本太高从而无法提供基本的热负荷。因此,将来,生物质能必须进一步提升效率,缩小工业中高温热量的供热缺口,同时向电网提供稳定电网的平衡资源。具有高发电比例和高灵活性的小型微型制热设备是目前的一大研究趋势。此外,从综合能源系统的角度出发,未来能够优化拥有不同供应商、用户的热/电网络的控制设备、系统和算法等也是一大热点,这些系统在运行时间方面有高度的灵活性,可以尽可能地适应电热的需求,可以归类为智能化生物质能供热,即Smart-Biomass-Heat。


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图:Smart-Biomass-Heat的一个假想设计


总结


未来能源社会彻底转型为100%可再生能源时,热能将由比今天更高比例的太阳能热、热泵和废热产生的环境热、以及多余的电热组成,但各种生物质能解决方案也将为建筑物的稳定,安全和低排放的供暖/制冷供应方面继续做出重大贡献。尤其是那些原本难以使用的生物残留物和废料会因为生物质能被再次大量利用,同时也可以解决高热需求的问题,在工业领域中也会产生更多的应用案例。此外,通过生物质-制热-制冷-发电的耦合与更好的系统控制,生物质能将会在提升供热领域可再生能源系统的稳定性方面扮演更重要的角色。

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