1、城市可再生能源供熱和制冷

為了實現(xiàn)城市的100%可再生能源供熱和制冷，需要整合當?shù)啬茉聪到y(tǒng)的不同組成部分和參與者并建立協(xié)同效應，具體的技術(shù)目標是：①改善建筑物和區(qū)域的智能電器和能量管理系統(tǒng)，將其完全整合至整個能源系統(tǒng)中，實現(xiàn)以智能方式管理供熱和制冷的供應、儲熱、可再生能源電力及其輸送；②開發(fā)接口技術(shù)以連接（近）零能耗建筑，以建立零能耗建筑群和負能耗區(qū)域；③向城市提供可滿足所有供熱、制冷和熱水需求的可再生能源供熱和制冷技術(shù)及系統(tǒng)的相關(guān)信息。

2、區(qū)域可再生能源供熱和制冷

（1）發(fā)展目標。通過使用生物質(zhì)、太陽能、地熱能、余熱和環(huán)境熱以及非化石燃料發(fā)電，區(qū)域可再生能源供熱和制冷可實現(xiàn)完全脫碳。將可再生能源集成到區(qū)域供熱和制冷系統(tǒng)需要開發(fā)和示范以下解決方案：①將系統(tǒng)與當?shù)責o碳和低碳能源相匹配，建立具有較低和極低供應溫度的新型區(qū)域供熱和制冷網(wǎng)絡，降低現(xiàn)有網(wǎng)絡的溫度，系統(tǒng)設計和運行應適應更低溫度，并集成熱泵、制冷設備和儲能設備；②從能源系統(tǒng)整體角度，在不同規(guī)模上與不同終端用能部門（電力、熱/冷、燃氣、交通）相關(guān)聯(lián)，有效供應、管理和利用高比例可再生能源。

（2）數(shù)字化技術(shù)將起到關(guān)鍵作用。數(shù)字化技術(shù)對于實現(xiàn)100%區(qū)域可再生能源供熱和制冷起關(guān)鍵作用，需從4個方面發(fā)揮其作用：①供應，通過數(shù)字化技術(shù)獲得更低成本、更高效和使用更多可再生能源的系統(tǒng)，如通過智能網(wǎng)絡控制器等先進解決方案集成波動性可再生能源，通過削峰等智能控制手段提高可再生能源系統(tǒng)的運行效率；②區(qū)域，通過低成本、可靠且可擴展的數(shù)據(jù)收集和通信系統(tǒng)管理實時能源數(shù)據(jù)，通過機器學習和數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化能量分配，最大限度提升系統(tǒng)與溫度、流量、壓力、熱需求和電網(wǎng)損失相關(guān)的性能；③用戶，數(shù)字化技術(shù)可幫助用戶了解其用能情況，調(diào)整用能需求以提高區(qū)域供熱和制冷系統(tǒng)的效率，智能電表和遠程控制可以細化數(shù)據(jù)的時間顆粒度，供需雙向數(shù)據(jù)流將有助于改善系統(tǒng)運營；④設計與規(guī)劃，通過開發(fā)和應用數(shù)字解決方案優(yōu)化市政規(guī)劃，如大數(shù)據(jù)分析、映射算法、過程計劃工具、復雜優(yōu)化和仿真方法等，開發(fā)和測試技術(shù)和運行模型對多能源系統(tǒng)進行仿真和優(yōu)化。

3、100%可再生能源建筑

（1）發(fā)展目標。在建筑物中使用可再生能源供熱和制冷將最終實現(xiàn)如下目標：①通過能效措施將所需設備的尺寸/功率/容量降至最低；②盡可能使用太陽能或被動地熱供熱及制冷；③必要時使用生物能或可再生能源電力補充供熱和制冷需求。

（2）儲能和部門協(xié)同是關(guān)鍵因素。儲熱技術(shù)可優(yōu)化不同可再生能源的組合，顯著改善與可再生能源間歇性相關(guān)的問題。集成現(xiàn)場供熱和制冷、儲能、可再生能源電力和燃氣網(wǎng)的解決方案將提供更優(yōu)質(zhì)的能源服務，使用熱泵進行空間供熱和制冷，并將其與太陽能熱利用結(jié)合用于生活熱水和空間供熱將是一種選擇。

（3）系統(tǒng)化方案和用戶參與將越來越重要。建筑物供熱和制冷將向系統(tǒng)化方案演變，根據(jù)建筑的設計標準進行優(yōu)化。系統(tǒng)將變得更智能和用戶友好，可進行遠程操作或控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能電表和建筑能量智能管理系統(tǒng)將使用戶更深入?yún)⑴c到能源系統(tǒng)中，成為產(chǎn)消合一者。

4、100%使用可再生能源供熱和制冷的工業(yè)

在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)完全使用可再生能源供熱和制冷需要設計新的工藝，以及對現(xiàn)有設備進行改造。通過創(chuàng)新過程技術(shù)實現(xiàn)持續(xù)的過程管理，可實現(xiàn)在120℃以下使用可再生能源，并能極大降低能源需求。儲熱對于整合不同的供熱和電氣至關(guān)重要，可應對價格波動和季節(jié)性變化。到2050年，可再生能源可以完全滿足工業(yè)的供熱和制冷需求，太陽能、地熱能等將用于低溫過程熱，可再生能源電力則將主要用于高溫過程熱，通過可再生能源生產(chǎn)的氫氣和氨可用于生產(chǎn)鋼鐵、水泥等高溫過程。用于制造的工業(yè)能量管理系統(tǒng)主要針對單一供應，只能在有限范圍內(nèi)對需求和供應（熱、電）的波動做出響應，因此需利用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化工業(yè)能量管理系統(tǒng)的設計和運行，利用基于過程需求和供應的（近似）實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和預測數(shù)據(jù)，開發(fā)整體優(yōu)化方法。將利用數(shù)字化模型，針對實例開發(fā)和驗證高效過程的解決方案，并在制造行業(yè)（如印刷電路板行業(yè)）中實施。

1、太陽能熱利用

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。太陽能熱利用技術(shù)具有極強的可擴展性，目前用于供熱和制冷主要提供40-70℃范圍的生活熱水和空間供熱，太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)功率可超過100兆瓦（熱）。光熱發(fā)電已經(jīng)在工業(yè)過程供熱方面有了大規(guī)模的應用，其成本低于燃氣鍋爐且在整個生命周期中基本恒定，因此可避免燃油價格波動的風險。主動式太陽能房屋將太陽能用于生活熱水，可實現(xiàn)70%-80%的能源需求由太陽能供應。工業(yè)過程太陽能供熱可滿足150℃要求的供熱，需要進一步示范和可行性驗證。

（2）開發(fā)潛力。太陽能區(qū)域供熱是一種創(chuàng)新的解決方案，比基于燃氣的區(qū)域供熱成本更低。太陽能熱利用可實現(xiàn)夏季的需求削峰和補充冬季熱量供應，與季節(jié)性儲熱和其他低溫熱源集成能夠發(fā)揮良好的效果。工業(yè)過程太陽能供熱將需要解決標準化、系統(tǒng)驗證和風險評估等問題以實現(xiàn)規(guī)模化應用。數(shù)字化將有助于不同技術(shù)和設備間的集成，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、智能家居及電力和熱力設備的整體集成將使太陽能熱利用解決方案更為智能。

2、生物質(zhì)能

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。目前生物質(zhì)占歐盟終端用能的10.5%，占可再生能源消耗量的59%，75%的生物質(zhì)被用于供熱。生物質(zhì)用于空間供熱的典型規(guī)模是千瓦級，而幾十兆瓦的生物質(zhì)鍋爐則用于集中供熱，并且用來供應熱水。沼氣和生物燃料可在鍋爐中直接燃燒供熱也可用于熱電聯(lián)產(chǎn)，生物甲烷則可注入天然氣網(wǎng)中。生物能可提供工業(yè)過程所需低溫熱、蒸汽和高溫熱，是最便捷的解決方案之一。燃燒木柴、木片或生物質(zhì)顆粒的小型加熱系統(tǒng)易于使用、成本低，正取代歐洲許多地區(qū)的燃油取暖。生物質(zhì)既可用于區(qū)域供熱又可用在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)電，能源利用效率高達85%-90%。用于家庭的微型熱電聯(lián)產(chǎn)尚處于起步階段，但具備增加使用生物質(zhì)的潛力。

（2）開發(fā)潛力。除立法、監(jiān)管和產(chǎn)業(yè)等因素，生物質(zhì)能在供熱市場的發(fā)展?jié)摿θQ于：開發(fā)高品質(zhì)生物燃料；發(fā)展技術(shù)以降低成本；智能系統(tǒng)集成，通過數(shù)字和人工智能技術(shù)降低規(guī)劃、安裝和運行的復雜性。預計2050年以后歐洲利用生物質(zhì)進行能源生產(chǎn)的潛力為7-30艾焦。

3、地熱能

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。目前地熱能用于供熱和制冷主要用在從幾千瓦級的家庭熱水到500千瓦以上的大型熱水供應，以及區(qū)域供熱。一些創(chuàng)新的應用如地熱制冷、融化冰雪以及海水淡化已經(jīng)得到驗證。地源熱泵和地熱區(qū)域供熱系統(tǒng)可提供住宅所需的低溫熱。地熱區(qū)域供熱將越來越多地應用于現(xiàn)有建筑物和舊城區(qū)，地熱能和小型熱網(wǎng)可能是單個建筑物的最佳選擇。

（2）開發(fā)潛力。未來幾十年的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是地熱區(qū)域供熱和地源熱泵的可靠設計、工程和控制能力，以保持全年將地熱可持續(xù)地用于供熱和制冷。對熱電聯(lián)產(chǎn)地熱系統(tǒng)和新一代地熱系統(tǒng)（如增強型地熱系統(tǒng)）的進一步開發(fā)也將發(fā)揮關(guān)鍵作用。地熱將與其他可再生能源整合用于建筑的能源系統(tǒng)，地熱能存儲（如地下儲熱、埋管儲熱、含水層儲能）將被用于季節(jié)性儲能，并可用于工業(yè)余熱和太陽能的存儲。還將進一步發(fā)展地熱供熱用于農(nóng)業(yè)。增強型地熱系統(tǒng)作為一項突破性技術(shù)將大規(guī)模發(fā)展，通過熱電聯(lián)產(chǎn)可同時提供電力和熱量。預計到2050年，地熱供熱和制冷系統(tǒng)將在歐洲隨處可見。

4、熱泵

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。隨著部署的增加，熱泵技術(shù)正成為使供熱和制冷脫碳的能源組合的基石。同時，熱泵也是提高白色家電甚至電動汽車能效的首選技術(shù)。除了利用可再生能源，當前的熱泵技術(shù)可以利用工業(yè)余熱、建筑和工業(yè)過程中的廢氣等。將儲熱集成到熱泵系統(tǒng)中可以彌補能源生產(chǎn)和消費的時間差。熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)50-70℃的溫差，將多個壓縮機組合則將克服更大的溫度差，從而將源頭溫度提升至需要的水平。壓縮循環(huán)熱泵（電驅(qū)動）將低溫可再生熱能轉(zhuǎn)化為高溫熱能。熱驅(qū)動熱泵（如吸附式冷卻器）基于熱吸附循環(huán)，利用廢熱或可再生熱能進行制冷，其性能提升可實現(xiàn)驅(qū)動溫度高達250℃。工業(yè)熱泵通常供應溫度水平在30-50℃或55-65℃的熱量，當前研究目標是提供溫度為200-250℃的熱量。熱泵技術(shù)的創(chuàng)新和研究正專注于改進組件、產(chǎn)品和系統(tǒng)，而新技術(shù)（如磁熱泵）尚處于概念/實驗階段。

（2）開發(fā)潛力。用熱泵代替化石燃料鍋爐可以節(jié)省約50%的一次能源，用熱泵替換電加熱系統(tǒng)則可節(jié)省2/3-3/4的終端或一次能源。從系統(tǒng)角度來看，熱泵的節(jié)能潛力更大，將高效熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的鍋爐替換為熱泵，還可使廢熱能夠用于區(qū)域供熱系統(tǒng)，將地熱或太陽能用于熱泵則可為熱泵創(chuàng)造更好的部署機會。

5、儲熱

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。在目前各種儲熱技術(shù)中，采用水作為儲熱介質(zhì)的顯熱存儲技術(shù)最簡單、成本最低，廣泛用于住宅、區(qū)域供熱和工業(yè)，采用液體和固體介質(zhì)的地下顯熱存儲也是常用的大規(guī)模儲熱方式。潛熱存儲方式能量密度更高，存儲溫度范圍更廣且可用于制冷。熱化學存儲基于放熱和吸熱的可逆化學反應，理論存儲密度比水基儲熱系統(tǒng)高十倍，且沒有熱量損失，但該技術(shù)較新，尚需開發(fā)各種適用于市場的產(chǎn)品。地下儲熱主要用于平衡季節(jié)性供需，還可儲存中溫余熱，提高可再生能源和廢熱的利用率以及能源系統(tǒng)的靈活性。

（2）開發(fā)潛力。未來將進一步開發(fā)或改進大規(guī)模儲熱技術(shù)，包括：長壽命、低成本的耐高溫襯里材料；不同地質(zhì)環(huán)境下大容量、深坑或儲罐存儲的施工技術(shù)；可降低熱損失并提高存儲性能的隔熱材料和技術(shù)；浮式或自帶蓋子的結(jié)構(gòu)，可有效利用儲罐的頂部空間；改進系統(tǒng)集成、液壓和控制，以優(yōu)化系統(tǒng)性能；開發(fā)工作溫度在5-15℃的相變材料，將冷庫集成到冷卻系統(tǒng)中；開發(fā)集成熱交換器的儲罐，縮小儲罐體積并提高能量傳輸率，如使用納米相變材料；通過材料開發(fā)（如中孔材料和復合材料）和組件優(yōu)化等，降低技術(shù)成熟度達到5-6級的緊湊型儲熱技術(shù)的成本；開發(fā)測試和評估方法，并將材料整合到反應器組件中；開發(fā)新型傳感器技術(shù)以優(yōu)化控制；進行下一代緊湊型儲熱技術(shù)的示范；開發(fā)新型相變材料和鈦復合材料、反應器和系統(tǒng)集成技術(shù)，用于工業(yè)中、高溫儲熱。

6、區(qū)域熱網(wǎng)

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。目前歐盟已部署了6000多個區(qū)域熱網(wǎng)，滿足歐盟11%-12%的供熱需求，北歐、東歐等氣候較冷國家對區(qū)域熱網(wǎng)的應用較多。第四代區(qū)域熱網(wǎng)正開始取代第三代技術(shù)，這是一種低溫區(qū)域熱網(wǎng)，其在熱量分配過程中可減少熱損失，改善熱量供應和需求的熱品質(zhì)匹配，降低熱應力和燙傷風險。低溫區(qū)域熱網(wǎng)還有助于提高熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的電熱比，并通過煙氣冷凝回收廢熱，提高熱泵效率，增強對低溫余熱和可再生能源的利用。

（2）開發(fā)潛力。預計到2050年，區(qū)域熱網(wǎng)可以滿足歐洲近一半的供熱需求。城市將是區(qū)域熱網(wǎng)的最佳應用地區(qū)，可收集城市景觀中的低等級廢熱作為區(qū)域熱網(wǎng)的熱源。區(qū)域制冷是技術(shù)成熟的新興行業(yè)，具備強勁的增長潛力。可再生能源電力驅(qū)動的大型熱泵將越來越多用于區(qū)域熱網(wǎng)。工業(yè)和商業(yè)產(chǎn)生的大量余熱也可作為區(qū)域熱網(wǎng)的熱源，提高能源利用率。區(qū)域熱網(wǎng)還可作為一種有效的儲能方案，吸收過剩的可再生能源電力以平衡電網(wǎng)。

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