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报告发布:建筑电气化脱碳

电气化供暖和生活热水的作用

     
Sherri Billimoria,落基山研究所咨询师;Leia Guccione,落基山研究所董事;Mike Henchen,落基山研究所项目总监
     
下载落基山研究所最新报告:《建筑电气化经济性分析》
     
7000万美国家庭和企业通过场地内燃烧天然气、石油或丙烷为建筑提供热力和生活热水,每年因此产生5.6亿吨二氧化碳排放,这相当于全美排放总量的10%。但在电网越来越清洁的今天,我们有机会用电力来满足我们建筑的所有能源需求,消除建筑内化石燃料的直接应用,并淘汰大部分天然气管网系统,同时解决与之相关的成本和安全问题。在实现温室气体减排75%或超过75%“深度脱碳”目标的进程中,降低全美大部分供热和热水锅炉二氧化碳排放将是各种减排手段当中相当重要的一项工作。此外,利用电力提供采暖和生活热水的基础上,还能利用智能化控制来改变用能时间,从而以经济可行的方式推动更大规模的可再生电力并网。
     
要实现这一愿景需要重大的市场转变,包括终止燃气管网系统的持续扩张,在全美各地住宅和商业建筑中大量应用新型电器,以及打造新的智能设备市场以向电网提供弹性用电需求。全美有1100万户家庭通过燃烧石油或丙烷这种二氧化碳强度和成本最高的燃料来供暖,另外的5600万户家庭则使用天然气供暖。而热泵这种最高效的电动设备,目前在供暖及生活热水领域的市场占有率很低。许多住宅需要进行额外电气改造才能应用这项技术,而且广大消费者对这种供热技术的了解也非常有限。
   
在落基山研究所的最新报告《建筑电气化经济性分析》中,我们分析了实现住宅空间供热和供水加热电气化在有无需求弹性(通过改变用能时间来支持电网需求的能力)情况下的经济性和碳减排影响。我们对加州奥克兰、休斯顿、罗德岛普罗维登斯和芝加哥等四座城市的新建住宅及改造住宅在不同电价结构下,利用电能和化石燃料供暖和提供生活热水的各种指标进行了对比。
  
情景分析
考虑到不同地域、住宅类型、电价结构、电器类型和燃料种类,我们共分析了34种不同情景。针对每种情景,我们模拟了一幢独栋住宅一年中在生活热水、供暖及空调方面的能源用量,以此计算该建筑在这些方面的年度碳排放量以及15年期限的成本净现值。



图1:情景特征

成本分析

在许多情景中,尤其是大部分新建住宅情景中,我们发现电气化供暖、生活热水及空调的电气化与使用化石燃料提供同样服务相比,能够为用户在电器的寿命周期内节约成本。在数个改造情景中,用户同样可以实现成本节约,包括用电力替代丙烷或燃料油的用户,原本需要同时更换新锅炉和空调的天然气用户,以及完成电气化并同时安装了屋顶太阳能的用户。新建住宅和目前没有天然气供应的已建住宅还可以通过电气化避免天然气管网、运维服务以及全电气化街区所不需要的计量表所带来的成本。
     
然而,对于许多目前正在使用天然气供热的已建住宅而言,在当前的能源价格水平下,转而使用电动热泵将会提高用户的成本。对于已经在使用天然气服务的用户而言,安装电气化供暖和生活热水系统的前期成本比安装新燃气系统的前期成本更高。同时,在寒冷气候条件下,此类用户需要为电气设备支付的能源成本更高,而其他气候条件下用户所能节约的少量能源成本也不足以抵消前期系统投资成本的增量。下图展示了各个情景中的成本分析结果。



图2:生活热水和空调系统15年净现值成本对比(单位:千美元)

未来,与天然气相比,许多因素能够进一步提高电气化供暖和生活热水供应的经济可行性。随着市场的发展和生产商实现规模经济效应,热泵的价格有望下降。随着电力系统中可再生能源占比的提高,电力需求弹性的价值也很有可能会提高。同时用户通过智能设备实现电力需求弹性的能力还能够进一步降低电气化的全生命周期成本,但这还将取决于新的市场结构、电价设计和电力公司规划。反过来,碳价或其他气候政策的影响可能会给天然气供应带来额外成本,天然气价格在未来也有可能升高。

碳减排分析
除燃煤发电比例最高的系统外,在当今所有其他电网系统中,电气化供暖和生活热水供应系统都有利于碳减排。即使在完全依赖燃气发电的电网系统中,住宅燃气设备的电气化也能够降低碳排放。在完全可再生能源电力系统中,电气化供暖和生活热水供应系统的碳排放为零。在奥克兰、休斯顿和普罗维登斯等地,电网已足够清洁,可以实现电气化减排。即使在如今燃煤发电机仍用作调峰的芝加哥,越来越多燃煤电厂的退役也将使电气化成为一种长期的低碳发展选择。



图3:供热案例中燃料用量和温室气体排放量的对比
 
除燃煤发电比例最高的系统外,在当今所有电网系统中,电气化供暖和生活热水供应系统都有利于碳减排。

五点建议
为了在近期内捕捉燃料转变带来的最大效益,并为长期内广泛推广经济可行的电气化做好准备,我们为监管部门、政策决策者和电力公司提出了5点建议:
   
1.    优先快速完成目前仍在使用丙烷和燃料油供暖和生活热水系统建筑的电气化改造。虽然这部分家庭在全美家庭中的占比还不足10%,但他们却贡献了超过20%的碳排放。电气化对丙烷用户而言具备明显的经济可行性,并且与燃料油成本相当(具体价格需取决于地方定价)。在短期内完成这些住宅的电气化改造将有助于推动市场成熟和规模化发展,从而支持电气化在未来的进一步推广。
  
2.    停止支持天然气管网系统的进一步扩张,包括新建住宅的供气系统。在高度电气化的未来,供气系统基础设施将被淘汰,并且燃气用户为当前供气系统扩张所进行的投资将面临极大的资产搁浅风险。此外,无论在新建住宅还是改造住宅中,与扩张天然气服务相比电气化都是成本更低且碳排放更少的解决方案。
   
3.    在需求弹性计划、新电价设计和能效措施中结合电气化行动,从而高效管理新增电力需求的峰值负荷影响,尤其是在因供热电气化而面临冬季电力需求峰值提高的寒冷气候区域中。
    
4.    扩大现存电力供暖和生活热水负荷中的需求弹性选项。在全美5000万现存电热水锅炉中,仅有1%参与电力需求响应计划。随着逐渐普及的电气化增加电力负荷,尤其是在冬季,高效的需求管理技术能够降低系统成本并有助于提高可再生能源并网。

5.   提高能效资源标准和相关目标,无论是基于电力(千瓦时)和天然气(千卡)用量降低目标,无论是基于电力(千瓦时)和天然气(千卡)用量降低目标,还是电气和天然气减排量目标。否则,即便具备成本和减排效益,成功的电气化仍将让不重视降低用电需求的电力公司受到惩罚。