“共益电气化：确保电气化实现公共利益”系列报告之《共益电气化：供暖》
执行摘要 睿博能源智库认为，有效益的电气化，或者说实现社会利益最大化的电气化，需要达到以下一个或多个条件，且对另外两个条件不产生反作用： 从长期看可以为消费者省钱； 促进电网的更好管理； 减少对环境的消极影响。 由于供暖在普通美国家庭的能耗中占据了相当大比例，因此它是共益电气化（beneficial electrification,简称BE）工作的关键。电供暖，尤其是利用新的热泵技术，通常会满足上述一个或多个条件。大多数家庭供暖目前依赖于化石燃料，例如家用燃油，丙烷和天然气。供暖的共益电气化将带来多种机遇：消费者可以通过切换到更有效的供热技术来节省总能源费用（取决于房屋类型和区域，报告正文将做详细探讨）;电力公司和电网运营商可以增加宝贵的电网管理效益; 此外，还可以大幅减少温室气体排放。 本文探讨了供暖电气化的多种技术选择，考虑了它们在各种环境中的应用，列举了适用于供暖的共益电气化条件，并提供了实现这些效益的策略。报告原文为英文（可点击下载），此文为执行摘要。 供暖电气化的应用考虑 为了说明共益电气化面临的机遇，我们研究了目前可用于供暖电气化的四种基本技术选择：空气源热泵，空气源热泵联合其他热源，地源热泵和电阻加热器供暖。所有这些技术都有可能在未来电气化中占有一席之地。 空气源热泵是美国各地常用的技术。在采暖季节，他们将热量从室外传递到室内空间; 在制冷季节，则将热量从室内传递到室外。它们可以是管道式或无管道式，可以设计用于较温和的环境或较冷的气候。管道式系统依靠管道将空气均匀地移动到较大的房屋周围，因此通常安装在管道系统已经就位的地方。无管道系统需要较少的结构，并且通常具有两个主要部件：室外冷凝器和室内通过导管连接的空调箱。 地源热泵将地热移入和移出陆地浅层（在地表以下几米处，温度相对恒定）。大多数地源热泵通过水平铺设的塑料管循环液体，并依靠热交换器将地下温度转移到生活空间。 电阻加热器，已经应用了几十年，最常见的情况是装在陶瓷蓄热体中。然而，在美国，通常应用在具有低成本非高峰用电的农村地区。这些加热技术可以在电网供电的边际资源碳排放较低时，或者这些设备可以集中在非用电高峰时段的时候，提供有益的电气化，电价低于平均电价。 适当的供暖选择因地而异。随着室外温度下降和供暖需求增加，空气源热泵的加热能力和效率降低，不过新系统已经提高了在较冷气候下的效率。在较温暖的地区，电阻加热器加热不具优势，因其不如热泵那样还可以提供空气调节的作用。 另一个考虑因素是房屋类型。需要综合考虑提供供暖服务的设备数量，住宅单元的年份和建筑类型（单户，公寓，移动房屋）等，才有助于确定哪种类型的空间供暖效果最佳。 供暖的共益电气化条件 消费者经济性 如上所述，电气化是否会使消费者在经济上受益取决于若干因素，包括区域气候变化和建筑类型。其他经济因素包括是否也同步安装了制冷设施，电器本身的安装成本，以及与化石燃料相比的相关电力成本。美国能源效率经济委员会（ACEEE）发布了一项研究，计算将现有燃油和丙烷炉和锅炉转换为高效热泵的能源，带来的财务和排放影响。该研究的结论是，在美国大部分地区，屋主可以在更换炉子时，用空气源热泵替换掉油或丙烷炉来节省全生命周期成本。美国可再生能源实验室预计，在全国平均的基础上，最晚到2050年，在替换设备时空气源热泵技术（包括寒冷气候热泵）与燃气炉相比具有成本竞争力。落基山研究所针对供暖和热水电气化组合的分析发现，对于四个案例研究地点，基于15年的净现值可以得出，空气源热泵对新建筑更具成本效益。在较冷的气候条件下，热泵可以通过提高建筑效率，依靠补充热源或增加储能系统来成为更经济的选择。 电网管理 因为每天和每季的电力需求都有所不同，电网需要一定的灵活性。将越来越多的可再生能源并入电网也需要更大的电网灵活性。电网运营商现在认识到，需求侧管理可以帮助实现电力平衡，共益电气化提供了一些优化负荷曲线的最佳方法。 温暖地区的电网运营商能够利用空气源热泵的电网管理优势。在较冷的地区，客户更有可能使用电阻加热器或带有辅助加热的热泵，电网运营商可以从这些技术提供的管理方案中受益。 电阻加热器可以为电网运营商提供服务，因为它可以满足需求（在容易获得时或低价时吸收能量）和供应（在系统存在用电压力和高电价成本时释放储存的能量）。 它还为风力资源丰富的地区提供了非常实际的经济机会。可以在每秒钟或者每分钟的基础上控制电阻加热器的加热元件，使其可以向电网提供辅助服务，例如频率调节和电压支持。智能技术还可以让电网运营商使用电阻加热器来帮助调节系统高峰负荷。 由于热泵产生大量的暖热，而不是少量的高温，因此它们通常不太适合于夜间充电和接下来在白天使用。然而，当与智能恒温器连接时，热泵可以通过在下午预供暖或预制冷，并在傍晚早高峰时段减少运行来帮助调节系统需求。 能源与排放效率 供暖电气化是否对环境有益取决于电力技术的排放效率和化石燃料选择 – 即单位能量的排放。通过将终端设备的效率与其能源供应的碳含量相结合，我们可以将电气化的排放效率与化石燃料替代品进行比较。本报告正文中第44-45页所示的计算表明，只有当电力系统有大量的燃煤发电时，热泵才会产生更高的碳排放。在所有其他系统中，热泵比化石燃料的同类产品更具排放效率。而且由于电网可能会在今后变得更加清洁，电子技术在其使用寿命期间也将变得更加清洁。 共益电气化三大条件的互相影响作用 按照我们对共益电气化的定义，只需要满足三个条件中的一个，且不会对另外两个产生不利影响就属于共益电气化。但是，每种条件的实现将根据具体情况而变化。这些情况以及这三个条件之间的相互作用意味着，决策者如果希望推动实现政策目标或获得预期成果，就需要制定并实施相应策略。例如，如果州内有减少排放的目标，那么在现有技术尚未为消费者提供经济利益的情况下，可能需要政策干预 – 例如通过退费项目来降低新投资热泵的前期成本。 潜在的电网管理效益将因地区和所使用的技术类型而异。在努力减少排放和为客户节约成本的同时，不会自然而然的收获这些利益，可能需要政策制定者和电网运营商的规划和管理。 供暖负荷将与风电很好地结合起来，风电在许多地区的夜间处于过剩状态，太阳能发电则会在夏季和下午达到出力峰值。 在许多情况下，热泵等节能电气技术已经在排放效率的基础上受到优先考虑，但对消费者来说可能还不具备成本效益。此外，即使电网的排放量足够低以创造环境效益，也需要有效管理新的电气化负荷，以降低电网运行成本。随着电加热和储能技术的提高，新的电气化带来的成本下降，发电产生的排放减少，这些问题会变得不那么明显。采用温室气体减排等气候政策的国家，可以通过提高建筑能效和供暖效率来减少排放。 将共益电气化用于供暖 通过改变居民供暖的方式，可以为消费者，电网管理实现显著效益，同时达到减排目的。但是，采用哪种技术和实施方案将取决于上述许多因素，以及辖区的政策优先性。 在本节中，我们将讨论实施供暖共益电气化的一些想法。 新建筑规范：新建建筑是实施新技术的理想机会，因为供暖和制冷系统以及水加热系统的全部成本是递增的。由于空气源热泵的成本竞争力不断提高，在大多数需要高效电气供暖和制冷系统的地区新建建筑时，是适合采用新的建筑规范的。鉴于紧密的建筑物围护结构对电气化供暖功效的重要性，规范也应该要求建筑物本身具有高热效率。 各州能源政策：当前的能效标准和激励措施可能会减少发电用燃料和其他燃料的消费，或者在能效政策中排除或免除其他非电力燃料。这可能不利于电气化发展。各州可以通过在其能效政策中加入电气化要求或通过调整政策来减少一次能源使用及温室气体排放，而不是减少千瓦时来解决这个问题。 还可以考虑在可再生能源配额制中加入电气化政策。为了降低热泵相较于化石燃料的前期资本成本，各州可考虑为低收入家庭制定融资和援助计划。 电价设计：电价设计的改革是共益电气化的关键要素。 实现在一天中的某些时间（例如，刮风时）带来的减排和节省成本的好处，需要良好的电价设计 – 包括分时电价 – 以激励客户转移其负荷。 激励措施：美国在全国范围内广泛推广了鼓励消费者采用各种终端技术的财政激励项目，这些激励措施包括电力公司的退费措施，第三方能效提供商或政府机构提供的退费，贷款或税收优惠。对于共益电气化来说，这些项目可能是重要驱动因素，也可能是障碍。应对所有燃料类型的激励项目进行评估，以确保它们不会在彼此冲突。 结论 本文旨在激发讨论，以及更进一步思考如何做到供暖实现共益电气化。我们讨论了各种气候条件和住房类型的技术选择，并得出结论，电气化供暖可以满足共益电气化的所有三个条件。随着技术的持续改进，特别是对于热泵和蓄热，在更复杂的情况下，例如非常寒冷的气候，将提供更具成本效益的电气化机会。为确保实现电网管理和减排效益，监管和政策的参与至关重要。我们建议重新评估建筑规范，各州能效计划以及各州和电力公司提供的财务激励措施，同时评估电价设计。目前可提供可行且通用的低成本电力供暖，以降低客户成本，提高电网灵活性，并大幅减少碳污染，预计未来还会呈现更多优点。
