工业过程热能的替代热技术：障碍与机遇

《Energies》：Alternative Thermal Technologies for Industrial Process Heat: Barriers and Opportunities

　　

能源短缺及随后的全球燃料市场冲击已成为美国的一个重大关切。工业中的过程加热占工业总能源使用的一半以上，且几乎完全（>95%）由天然气、煤炭和副产品燃料供给。许多现有替代方案、技术和策略可减少对此类化石燃料的依赖，以促进能源安全与竞争力。替代方案的采用受限于资本投资。研究人员开展了一项工作小组探索性练习，以评估制造业部门采用替代过程热技术当前面临的障碍。尽管工作小组的发现强调电技术（electro-technologies）因其成为讨论的核心议题而突出，但研究人员通过提供与其他几种替代热技术选项的公平且一致的比较，将这些结果置于具体背景中。报告最多的问题是缺乏财政激励，工程师和制造业决策者面临的第二个关键问题是对可用替代方案缺乏认识或理解。本文旨在提供多种替代方案平准化热成本（Levelized Cost of Heating, LCOH）的分析，作为应对探索性练习中报告的新兴模式所引发关切的一部分，并为克服进一步采用的障碍提供指导。平准化热成本分析考虑了将热量传递给产品或工艺的各种系统的资本投资、运营与维护、寿命以及燃料流成本，作为每兆瓦时（MWh_th）交付热量的通用成本。分析表明，在2024年美国平均天然气和电价下，生物质燃烧器（biomass burners）、工业开式热泵（industrial open-loop heat pumps）和中央接收器定日镜场（central-receiver heliostat fields）与优化良好的天然气燃烧器相比已达到成本平价，但为进一步持续采用，仍需降低成本。

**工业过程热能的替代热技术：障碍与机遇——论文解读**

**研究背景与问题**

21世纪美国经济面临的关键问题之一是能源安全。高度发达的经济不仅依赖燃料和电力的稳定供应，人均国内生产总值（GDP）与人均能源消费之间存在强相关性。工业过程加热占美国制造业能源使用量的50%以上（7.6 quads），其中约三分之一（2.5 quads）以废热形式损失。近95%的美国工业热需求由天然气（55%）、副产品燃料（36%）和煤炭（5%）满足。这种对化石燃料的依赖使美国暴露于显著的燃料价格和供应不确定性中，例如2022年俄乌冲突导致美国总经济产出缩减1.4%。因此，工业部门对能源供应安全、韧性和可靠性的需求日益增长。为此，美国能源部（DOE）于2022年提出了“工业热射计划”（Industrial Heat Shot），旨在开发具有成本效益的工业热替代来源，以促进能源安全和清洁工业。DOE的“更好工厂计划”（Better Plants Program）团队开展了一项工作小组探索性练习，以识别工业采用替代热技术的主要障碍。本文旨在分析该练习的结果，解决工业界对替代热技术成本的看法，详细说明实际工程限制与挑战，并为研究方向提供信息。

**研究内容与结论**

研究人员利用工作小组探索性练习的结果，识别出障碍模式，并进行了平准化热成本（LCOH）分析，比较多种替代过程热源的经济性。分析表明，在2024年美国平均天然气和电价下，生物质燃烧器、工业开式热泵和中央接收器定日镜场已达到成本平价，但进一步降低仍需持续努力。该研究发表在《Energies》期刊上，其重要意义在于为工业界提供了替代技术经济可行性的客观比较，并为研究重点指明了方向，有助于弥合研究与工业之间的知识与需求差距。

**主要关键技术方法**

研究人员采用了以下主要技术方法：首先，通过工作小组探索性练习（样本来源：来自美国各地领先制造企业的代表，共17至26人，于2022年8月至2023年3月举行七次月度会议）收集对障碍和替代技术认知的定性数据。其次，运用平准化热成本（LCOH）分析方法（公式：LCOH = (TCI × Crf + M + ACE) / Q_D，其中TCI为总资本投资，Crf为资本回收因子，M为运维成本，ACE为年能源成本，Q_D为年热能需求），对天然气燃烧器、氢燃烧器、电技术、生物质燃烧、小型模块化反应堆（SMRs）、工业热泵、地热和太阳能集热等技术进行量化比较。LCOH分析考虑了资本投资、运维、寿命和燃料成本，以每兆瓦时（MWh_th）交付热量的通用成本进行对比。

**研究结果**

**4.1 技术表征结果**

**4.1.1 天然气燃烧器**：天然气（NG）燃烧器作为基准，因其高绝热火焰温度（1937°C）和广泛工业应用而有效。但NG燃烧产生NO_x排放，且经济受全球生产与地缘政治影响波动。系统效率依赖维护，寿命10-15年。

**4.1.2 氢燃烧器**：氢气（H₂）燃烧器具有更高的火焰温度（2182°C）和重量能量密度，但体积能量密度低，需更高流速。存在回火风险、氢脆和NO_x排放问题。当前绿氢供应有限，成本较高，但高能耗工艺（如金属冶炼）具有可行性。

**4.1.3 电技术**：包括电阻加热（COP=1）、电感加热（效率50-80%）、红外加热（IR，≥2000°C）和微波加热（50-70%效率）。电阻加热受电价限制，电感加热受几何形状限制，红外加热受发射器寿命限制（<10,000 h），微波加热受非均匀加热和选择性加热限制。研究指出电力基础设施（变压器、输电线路）是瓶颈，变压器价格已上涨400-900%。

**4.1.4 生物质**：生物质燃烧可达1500°C，但钾灰导致高温腐蚀和沉积。物流瓶颈（运输距离、固废处理）和腐蚀性（高硫氯）是主要障碍。

**4.1.5 小型模块化反应堆（SMRs）**：核燃料能量密度极高，但成本高度前置（安装为主要成本）。面临核不扩散、规模经济、监管认证和保险问题。当前仅NuScale US600设计获美国核管会认证。

**4.1.6 工业热泵（IHPs）**：IHPs通过热源提升温度，COP常大于2.5。高温热泵（HTHP，>100°C）和极高温度热泵（VHTHP，≥140°C）已出现，开式热泵（OLHP）可产生350°C蒸汽。成本竞争力高度依赖电价与气价比。

**4.1.7 地热**：地壳热量巨大，但钻探成本高、风险大，且存在H₂S和CO₂腐蚀。增强型地热系统（EGS）面临地震诱发和矿物溶解问题。主要用于低温工艺。

**4.1.8 聚光太阳能（CSP）**：包括抛物面碟式（PDR，300-750°C）、抛物槽式（PTC，400-550°C）、线性菲涅耳式（LFR）和中央接收器定日镜场（CRHF，可达1150°C）。热能储存（TES）可应对间歇性。Synhelion已实现1500°C太阳能熟料生产。

**4.2 平准化热成本结果**：LCOH分析显示，在2024年美国平均价格下，生物质燃烧器（约$27.68/MWh_th）、工业开式热泵（IHP-OLHP）和中央接收器CSP具有与天然气燃烧器持平或更低的成本。敏感性分析表明，资本密集型技术（如SMR、地热）对资本投资、寿命和运维成本变化更敏感；高COP技术对燃料价格波动不敏感。

**总结与结论**

讨论部分指出，虽然工作小组练习中“缺乏财政激励”是最常报告的问题，但LCOH分析表明，部分替代技术已具有成本竞争力，因此该认知并不完全正确。研究结论翻译如下：

**5. 结论**

本研究旨在汇编参考信息以帮助解决知识缺乏问题（如工业探索性练习所详述），并为替代过程热技术的研究提供方向，以弥合研究与工业之间的知识与需求差距。研究人员编制或计算了当前温度范围和LCOH，讨论了一般研究路径，并针对每种方法的独特挑战进行了阐述。

从本研究中提出以下结论：

- 关于缺乏财政激励的结论对于标准天然气燃烧器、生物质燃烧器和工业热泵而言是合理的，因为这些是唯一具有强大经济竞争力的技术，但两者均存在显著适用条件限制。
- 成本前置的技术（如小型模块化反应堆[SMRs]、地热或聚光太阳能[CSP]）可通过补贴或折扣变得具有竞争力，因其生命周期内燃料成本低或接近于零，或通过大幅降低部署系统成本来实现。
- 几乎所有其他技术都需要显著降低燃料流价格才能获得强竞争力。电技术对此最为敏感，因为电阻加热虽然安装成本低，但全国平均LCOH远高于低效天然气燃烧器。
- 尽管技术限制/成熟度担忧并非完全有据可依，但部署中确实存在挑战，阻碍进一步采用。氢处理与基础设施就是典型例子。
- 虽然本研究侧重于比较单个过程加热替代方案，但研究人员认识到，多种技术的整合（如将地热与间歇性太阳能热耦合）可产生更高的经济性能和系统级优化。然而，多技术混合系统的设计高度依赖于具体地理和运营环境，这为未来研究提供了一个有吸引力的机会。