解读德国与欧洲高温热泵发展经验——潜力、应用场景及政策支持

工业供热为什么必须脱碳

欧洲和德国的气候目标对工业部门提出了硬约束。欧盟"绿色协议"要求2030年净排放较1990年减少55%，2045年实现气候中和；德国《气候保护法》则规定2030年总排放减少65%，同年工业直接排放要在2019年基础上减少三分之一。工业直接排放约占欧洲和德国温室气体排放总量的20%，其中三分之二是与能源有关的。

工业领域三分之二的能源需求来自高温加热，这意味着供热零碳转型是实现气候目标的关键环节。报告指出，对于高温工艺应优先考虑直接电气化，而对于较低温度的工艺，则应完全电气化并尽可能使用热泵。

热泵在工业中的减排潜力有多大

热泵的工作方式是从环境或余热中提取能量，用一个单位的电力产生多个单位的热量，其一次能源消耗远低于其他供热方式。据估计，工业部门中高达60%的能源需求可被电气化，包括99%的供热和制冷需求。

一项自下而上的研究估计，仅在造纸、化工、食品、炼油这四个热泵应用最多的工业部门，热泵就可提供178 TWh/年的工业用热。其中食品和饮料加工行业尤其适合大规模使用热泵，因为该行业热量需求温度相对较低，且往往同时有制冷需求，热泵可以同时进行冷热联供。

热泵技术的温度边界与适用场景

目前，供应100°C中高温热量的热泵技术已经比较成熟，温度高达150°C的热泵系统正进行试点，而200°C的热泵正在实验室测试中。在工业部门，约10%的工业用热是100℃以下的低品位热，另外26%则在100至200℃之间。

热泵的效率用COP衡量，它与温差成反比。在大多数应用中，热泵的COP在2（当温差为100度）和6（温差较低）之间。在实际应用中，热泵在温差为60度时COP可以达到3，这是可以保证热泵经济性运行的极限。最适合使用热泵的行业是有大量低品位热需求的行业，如造纸的蒸汽制备和干燥、化学的蒸馏、食品加工的杀菌冷却等。

四个欧洲最佳实践案例

报告分享了四个成功应用高温热泵的欧洲案例。奥地利Agrana Stärke淀粉干燥项目于2020年投运，制热量375kW，COP为2.9-3.2，热源为76°C-80°C的余热，每年可减排约600吨二氧化碳。奥地利Wienerberger砖块干燥项目2019年投运，实现160℃运行温度，预计可节省高达84%的能源，减排高达80%的二氧化碳。

丹麦Skjern造纸厂项目2014年投运，热泵总容量5.3MW，COP为6.5-7，2021年该造纸厂的余热可以为Skjern市69%的家庭供热。芬兰Snellman肉类加工项目2019年安装了两台奥林公司的高温热泵，制热量1,090kW，COP为3.5，可提供95°C的热量用于工具消毒。

德国如何用政策撬动热泵市场

德国联邦经济与气候保护部在2019年出台了"工业能源和资源效率（EEW）"资助计划，每年有高达十亿欧元的预算，资金来源是碳排放定价的收入。该计划面向不同的能效措施，其中模块2专门针对用可再生能源供应工艺用热，支持热泵，要求COP大于2和效率系数大于0.4，每个投资项目最高补贴额为1500万欧元，最高为投资成本的55%。

模块4为所有能效相关的措施提供支持，最高为投资成本的50%。此外，德国还在实施碳定价、工业用电免税、碳差价合约等政策。欧盟碳市场的二氧化碳价格已经从2018年的每吨10欧元上升到2021年的近100欧元/吨。

推广热泵面临哪些障碍

高温热泵的进一步推广面临多重挑战。在已运行的工厂中安装热泵系统可能需要对工艺流程进行全面优化，因为热泵系统通常不能直接替换旧的供热方案。在许多国家，使用电力比直接使用化石燃料要贵几倍，因此即使能效高，热泵也不一定拥有成本优势，特别是考虑到热泵前期投资资本也较高。

热泵在工业部门仍然是一个相对"小众"的解决方案，市场份额较低，规模经济有限，企业和设备供应商对热泵的了解也不够充分。此外，高温热泵技术近年来才趋于成熟，仅有少数的示范项目并缺少大规模的成熟系统，这使得高温热泵的发展仍不具备规模效应。

政策建议与中国的机会

报告提出了一系列政策建议：建立碳定价机制并不断提高碳价，保证电力和天然气之间的公平竞争，停止对化石燃料解决方案的补贴，支持企业使用低价的可再生能源电力如绿电长期购电协议，为企业提供运营成本支持如碳差价合约。同时，政府应支持热泵技术的研发，为早期应用高温热泵的工厂提供支持，为工厂安装热泵系统和使用可再生能源提供投资成本补贴。

报告特别指出，根据IEA的2050年净零排放场景，热泵覆盖的中低品位热量的份额将从现在的不到1%增加到2030年的约15%，到2050年将达到30%。中国拥有强大的设备制造业以及庞大的轻工业部门，将从热泵的推广中获得巨大收益，可以通过扩大高温热泵的使用，"跳过"天然气而直接转型升级为低碳解决方案。

这组数据勾勒出欧洲工业部门热泵应用的基本盘。100℃以下的低品位热占工业用热的10%，100-200℃的中品位热占26%，两者合计超过三分之一。而热泵在造纸、化工、食品、炼油四个行业的可提供热量合计达到178 TWh/年，说明技术可行的市场空间已经相当可观。 分行业看，化学行业的低温用热需求最大（82 TWh），造纸紧随其后（63 TWh），这两个行业是热泵替代化石燃料的重点突破口。食品加工和炼油厂的用热规模相对较小，但食品加工因冷热联供的特性，在实际项目中的经济性可能更优。

四个案例的运行数据揭示了高温热泵在实际项目中的性能表现。Skjern造纸厂项目的COP高达6.5-7，远高于其他案例，原因在于其热源是55℃的潮湿空气，温差相对较小。而Wienerberger项目在160℃高温下COP降至2，体现了COP与温差成反比的物理规律。 从减排效果看，Agrana Stärke和Wienerberger两个项目的年减排量分别为600吨和590吨二氧化碳，规模相近。Skjern造纸厂项目2015年的减排量达到8200吨，是四个案例中最大的，这与其5.3MW的大容量和造纸厂持续稳定的余热供应密切相关。这些数据说明，热泵项目的减排效果和经济效益高度依赖于具体的热源条件和运行工况。

德国推动热泵发展的激励政策力度在数据中一目了然。EEW计划每年有高达十亿欧元的预算，资金来源于碳排放定价收入。模块2对可再生能源供应工艺用热的项目最高补贴投资成本的55%，模块4为50%，单项目最高补贴额均为1500万欧元。 碳价信号同样强烈。欧盟碳市场的二氧化碳价格已经从2018年的每吨10欧元上升到2021年的近100欧元/吨，德国国家燃料碳排放交易体系的二氧化碳价格将从2022年的30欧元上升到2025年的55欧元/吨，之后将由市场交易决定。碳价的持续上升将逐步缩小热泵与化石燃料之间的运行成本差距，使热泵的经济性优势更加明显。