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生物質能高效產熱領域的現狀,挑戰和前景

來源:      發布時間:2020-06-18 12:01:41

生物質能

前言:從人類學會使用火開始,生物質能作為供熱源一直不斷推動著社會的進步與更迭,到后期在產電與燃料動力領域也大顯身手,相關應用在之前的系列文章中都做出了詳細介紹。今天我們將把重點放在生物質能的高效產熱領域,從現狀,面臨的挑戰與未來的前景三個方面展開介紹。


   在文章開始之前,先簡要介紹一下生物質能供熱領域一些關鍵數據信息。目前德國90%的可再生能源供熱都來自于生物質能,占到德國總熱能需求的11%。而在全球范圍內,對熱能的總需求占了能量總需求的一半左右,其中生物質能也承擔了約10%的比例,更是全球可再生能源熱力生產的主力軍,主要來源是生活垃圾以及工業廢棄物和沼氣。綜合來看,生物質能在許多國家和地區的生產生活以及發展中都起到了非常重要的作用,尤其在一些經濟相對落后的發展中國家,傳統的生物質能供熱仍然是十分重要的熱能來源。


    生物質能產熱領域的現狀

   在過去十幾年里,生物質能高效產熱領域最大的超新星毋庸置疑是基于氣態生物質能的熱電聯產設備,這類電廠在過去十幾年中發展勢頭非常強勁,也涌現出了很多的設備制造商。但不可否認的是,固態生物質能在生物質能產熱領域仍然占據重要的地位,在2015年時這個比例高達75%左右,主要應用于全世界各個地方的小型熱電聯產廠或鍋爐中(指熱量輸出低于1兆瓦的供熱設備)。


圖:生物質能熱電聯產設備

   目前德語區(即德國、瑞士、奧地利)是全球生物質能產熱效率最高,設備水平最先進的地區,這些國家有非常多高效的生物質能熱電聯產廠以及家用的高效壁爐等,也是綜合能源的整體布局的關鍵一環。以德國為例,目前很多較大型的生物質能供熱廠都可以通過四通八達的供熱網絡向能源消費終端尤其是建筑和工業領域提供熱能。有些生物質能供熱廠同時也會產生電能,但與以產電為主的生物質能發電廠相反,這里電能是次要的,為了保證產熱的高效性,設備均采用以熱定電的模式,即以優先滿足熱需求為前提。



圖:生物質能遠程區域供熱

 除了大型的生物質能熱電聯產設備外,近年來在德國市場上一些規模較小的熱電聯產設備也紛紛投入了市場,這里使用的固體生物燃料會通過熱化學氣化技術來處理,在德國的供熱系統中,直接使用沼氣和生物質燃油的比例并不高,因此這里不做詳細敘述。與大型的生物質能供熱廠相反,這些微型熱電聯產機組的主要目的是發電,但發電同時產生的有效余熱也被用來滿足用戶的熱需求,在政府各項補貼政策的推動下,近年來已經廣泛應用到了很多家庭,寫字樓以及工業生產中去,并激發出了很多商業模式。


    生物質能產熱領域的挑戰

    雖然生物質能產熱領域在過去的幾年里發展迅速,但在諸多方面仍然面臨著挑戰:

       

   生物質原料的有限性。雖然生物質能屬于可再生能源,但隨著全球人口的增長,人類對食物、飼料肥料和生物質材料的需求正在不斷增加,此外,由于開發限制以及自然保護等的原因,對生物質可用區域也有一定的預期限制,生物質將在未來的價格會上漲,從而影響到生物質能在能源供應領域的應用,如何合理分配這些有限的生物質原料是一個需要解決的問題。


    來自其他可再生能源技術的競爭。隨著住宅建筑供暖效率的提高(例如通過隔熱和控制通風可節省高達80%的成本),以及太陽能,環境能(地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵等)和可再生能源余電產熱應用的不斷擴張,勢必會對未來生物質能產熱技術產生擠壓的影響,如何提升生物質能在供熱領域的競爭性,占據更多的市場比例,開發出更多的商業模式,需要做好應戰準備。


    高質量生物質原料的短缺。生物質原料不僅可以作為食物和能源材料,還可以用來解決由化石能源作為各種材料來源造成的污染問題。例如生物塑料即有機塑料,是由來自于淀粉或微生物群等生物質原料生產的環保材料,預計到2020年生物塑料可占塑料市場的25%以上。得益于技術的改進,這些高質量的生物質材料未來會被廣泛應用于汽車,醫療和電子行業,很多國家也相繼出臺政策激勵在材料領域的轉型。出于經濟性的考量,會導致高質量的生物質越來越多地從能源使用轉向更有價值的材料使用,這也成為了生物質在產熱領域的挑戰之一。


    供暖需求下降。隨著溫室效應的日益加劇,全球變暖將導致供冷需求的增加,相應地供暖需求的比例也會下降,對生物質能供熱也會產生一定的影響。


    日益嚴格的排放要求。盡管生物質原料尤其是生物能作物可以幫助減少或抵消溫室氣體的排放,但科學研究發現,與石油相比,不同的生物燃料在溫室氣體平衡的作用差異很大,視生產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產生的溫室氣體還要多,例如氮肥釋放的氧化亞氮這種溫室氣體,其損害是二氧化碳的30倍。因此未來各國對于生物質燃燒的排放要求也越來越嚴格。

以上挑戰對于生物質產熱來說,意味著要采用更高技術的設備,不僅是在工廠、工業園區的供熱設備上,也包括居民社區的供暖設備,更高效的熱電聯產機組等等??偟膩碚f,最終還是需求決定了生物質能的應用。而生物質能應用的關鍵在于效率的提高、排放的減少以及如何更好的集成到可再生能源供應系統中等等。


    生物質能產熱領域的前景

    短期預測(未來5年)

    工業界和研究機構之間會密切合作,使用CFD(計算流體力學)進行有針對性的燃燒室優化,使用改進的傳感器(例如針對一氧化碳或者碳氫化合物的傳感器)改進燃燒控制,進一步整合次級粉塵和減排措施,發展中央控制的供熱網絡,從而既可以減少排放,又可以提高建筑物和附近地區的供熱效率。通過成本高,但質量也高的一些材料處理方式例如分選,洗滌,混合,壓實,將促進日益不均勻的生物質的可用性。由于生物質和生物質原料應用的多樣性,在不能保證足夠的生物質能原料的情況下,能夠使用多種生物質原料,以及既使用生物質原料也可以使用其他能源的設備會得到進一步的研發。


    長期預測(未來5年以后)

    與其他可再生能源相比,生物質能的成本太高從而無法提供基本的熱負荷。因此,將來,生物質能必須進一步提升效率,縮小工業中高溫熱量的供熱缺口,同時向電網提供穩定電網的平衡資源。具有高發電比例和高靈活性的小型微型制熱設備是目前的一大研究趨勢。此外,從綜合能源系統的角度出發,未來能夠優化擁有不同供應商、用戶的熱/電網絡的控制設備、系統和算法等也是一大熱點,這些系統在運行時間方面高度的靈活性,可以盡可能地適應電熱的需求,可以歸類為智能化生物質能供熱,即Smart-Biomass-Heat。


圖:Smart-Biomass-Heat的一個假想設計

    總結

   未來能源社會徹底轉型為100%可再生能源時,熱能將由比今天更高比例的太陽能熱、熱泵和廢熱產生的環境熱、以及多余的電熱組成,但各種生物質能解決方案也將為建筑物的穩定,安全和低排放的供暖/制冷供應方面繼續做出重大貢獻。尤其是那些原本難以使用的生物殘留物和廢料會因為生物質能被再次大量利用,同時也可以解決高熱需求的問題,在工業領域中也會產生更多的應用案例。此外,通過生物質-制熱-制冷-發電的耦合與更好的系統控制,生物質能將會在提升供熱領域可再生能源系統的穩定性方面扮演更重要的角色。

參考資料

https://www.ruralenergy.co.uk/product/biomass-chp

Dr. Volker Lenz,Effiziente W?rme aus BiomasseStand, Herausforderungen und Perspektiven

聯合國糧食及農業組織WFO,生物能源:前景、風險和機遇

BETA實驗室,生物塑料的世界

https://rwt-jagdt.de/cms/website.php?id=/de/index/vertrieb/fernwaerme_uebergabestationen.htm