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中欧生物质清洁供热调研—瑞典篇

作者: admin 日期:2020-06-30 点击:

原创 宋晨晨 生物质能观察

课题组介绍


中欧生物质清洁供热路径及政策研究

为助力打赢蓝天保卫战,进一步响应国家清洁能源供热的战略部署,中国产业发展促进会生物质能产业分会清华大学能源转型与社会发展研究中心共同组建成立中欧生物质清洁供热研究课题组”,旨在研究欧洲国家在生物质供热方面的相关政策和实际应用的成功案例,总结并借鉴其成熟经验,结合我国目前生物质供热发展情况,提出符合中国国情的生物质供热产业发展建议。中欧生物质清洁供热研究课题组主要成员有何继江、宋晨晨、杨守斌、杨中清、刘洪荣、王乐乐等人。

 研究内容:

一、调研欧洲国家生物质供热发展情况、成功案例和相关政策;

二、调研国内生物质供热发展现状,与欧洲国家进行汇总分析;

三、结合国内实际情况,拓宽并提出相关推广思路和建议。

欢迎国内专家以及行业人士提供国内外生物质供热相关资料,就研究课题提供意见建议。

联系邮箱:swzncch@126.com

 

瑞典概况


瑞典王国(瑞典语:Konungariket Sverige),简称瑞典(瑞典语:Sverige),是一个位于斯堪的纳维亚半岛的国家,北欧五国之一,首都为斯德哥尔摩。它西邻挪威,东北与芬兰接壤,西南濒临斯卡格拉克海峡和卡特加特海峡,东边为波罗的海与波的尼亚湾。瑞典与丹麦、德国、波兰、俄罗斯、立陶宛、拉脱维亚和爱沙尼亚隔海相望,海岸线长7624千米,总面积约45万平方公里,是北欧最大的国家,森林覆盖率为54%2018年,瑞典人口数量达到1011万人,人口密度24.7人每平方公里。

由于气候寒冷,农业比重较小。工业发达而且种类繁多,瑞典拥有自己的航空业、核工业、汽车制造业、先进的军事工业,以及全球领先的电讯业和医药研究能力。在软件开发、微电子、远程通讯和光子领域,瑞典也居世界领先地位。瑞典是欧洲最大的铁矿砂出口国。按人口比例计算,瑞典是世界上拥有跨国公司最多的国家。


1  瑞典国家地图

一、能源概况 

瑞典的能源供应以水电、核能和生物能源的高份额为特点,2017年,这些能源占国内能源生产的95%,占一次能源供应总量(TPES)的73%。瑞典的生物能源供应量很大,而且不断增加,主要来自国内森林资源。水电、核能和生物能源的生产使瑞典的能源总体自给率达到70%以上,尽管瑞典国内没有化石燃料生产(除了少量泥炭供应)。石油是最大的进口能源,占2017年瑞典能源进口总量的84%(不包括核电站的铀燃料)。天然气消费量很小,大多局限于流程工业和一些电力和热力生产。


2 2017年瑞典按燃料和行业分类的TPES和TFC能源生产资料来源:IEA (2019 

forthcoming), World Energy Balances 2019 preliminary edition注:TPES是能源总供应量。由生产量+进口量–出口量–国际海运和航空燃料库±库存变化组成。TFC是最终用户的最终能源消耗。

国内生物能源,核电和水电主导着能源供应。 除石油外,瑞典的能源主要是国内生产。由于水力发电和核电的大量生产,几乎不产生任何排放,水和核能各自占国内电力生产的40%,而风能,生物能源和废物占了其余大部分。近年来,风能发展迅速,使瑞典成为电力净出口国。大型区域供热(DH)部门也主要使用低碳能源,例如生物燃料和城市垃圾。

瑞典拥有大量的能源密集型工业部门,占最终消费总量(TFC)2的40%。能源强度高主要是由于加工了木材和铁矿石等国内资源。纸浆和造纸行业的能源使用量特别高,但由于将其副产品和废木材用于热能和发电,因此该行业几乎可以自给自足。运输是第二大能源消费领域。它也是唯一仍然主要依赖化石燃料的领域,并且近年来能源需求在增加。

 

 二、能源供应情况 

3 1973-2017年瑞典能源总供应量的组成

资料来源:IEA (2019 forthcoming),World Energy Balances 2019 preliminary edition

近几十年来,生物能源和废物供应迅速增长,并在2015年取代石油成为仅次于核电的第二大主要能源。

1973年至1986年引入核电以来,TPES一直保持在约5000万吨油当量(Mtoe)。但是,能源结构发生了变化,从石油转向固体和液体生物燃料,而且近年来风能也有了快速增长。

2007年到2017年,供热和发电,纸浆和造纸工业以及住宅和运输等部门的生物质燃料和废物供应量增长了24%。石油供应量下降了20%,主要由运输部门的生物燃料和住宅取暖中的生物量替代。

2007年到2017年十年间,瑞典核电下降了6%,但核电仍是瑞典主要能源来源。近年来关闭了两个核反应堆,并计划在2020年之前关闭另外两个核反应堆。相比之下,可再生能源在发电领域继续占有一席之地。近年来,瑞典在电力证书系统的支持下,尤其是风能有了显着增长。

2017年,化石燃料在瑞典TPES中的份额为30%,是迄今为止国际能源署(IEA)成员国中最低的国家。如今,煤炭(占TPES的4%)主要用于钢铁和水泥行业,而天然气(占TPES的1.4%)主要通过仅覆盖该国西南地区的网络供应。TPES中的核电份额仅次于法国,位居第二,生物质燃料和废物所占份额仅次于丹麦和芬兰,位居第三。

 

 三、能源消费情况 

自从1996年达到36.8 Mtoe的峰值以来,瑞典最终能源消费在2007-2017十年中缓慢下降至33 Mtoe左右。2017年,TFC为33.5 Mtoe,比2007年减少了3%,但比2014年增加了5%。尽管能耗基本稳定,但根据温度和商业周期的不同,其年度同比有所变化。例如,2008年金融危机后工业能源需求下降,以及2010年寒冷的冬天住宅能源需求达到峰值。


4  1973-2017年瑞典按行业划分的最终能源消费量

工业是最大的能源消耗者,约占TFC的40%,其中将近一半用于纸浆和造纸。电力是TFC的最大来源,2017年占三分之一,其次是石油,生物质燃料和废物以及DH.

5 2017年瑞典不同行业中不同类型能源消耗占比

2017年,瑞典电力、DH和生物燃料是除交通运输部门外其他部门中最大的能源消耗,尽管最近生物燃料增加,而交通运输部门中石油仍占主导地位。工业是最大的能源消费国,占TFC的40%。2017年,行业总能源消耗为13.4 Mtoe。迄今为止,纸浆和造纸是最大的工业子行业,占2017年工业总消费的42%。在过去的二十年中,工业能源使用量已从近16 Mtoe降至约13 Mtoe。这主要是由于某些工业分支机构的结构变化,例如 从机械纸浆生产转向化学纸浆,再转向更节能的制造工艺。近年来,工业能源的使用一直很稳定。在住宅和商业部门中,电力占总消耗量的一半以上,这不仅是因为在建筑物中使用了热泵和电暖气。DH是另一个主要的热能来源,在住宅能耗中,它是所有IEA成员中最高的。但是,天然气在住宅领域的份额是仅次于挪威的IEA成员国中第二低的国家。与大多数国家一样,运输部门对石油产品的高度依赖也使其脱颖而出。2017年,柴油占道路交通能耗的50%,汽油占31%。但是,近年来,生物燃料在运输领域迅速增长,瑞典是IEA成员国中可再生运输燃料中份额最高的国家。氢化植物油是一种生物柴油,在瑞典运输部门中占最大份额。


 四、生物质能情况 

6 2016年瑞典生物质能源的重要程度

瑞典的生物质生产总量为1302亿千瓦时,2016年度时已经在一次能源中占比达33.6%,远远超过石油、核电和水电,成为第一大能源品种。


7  1983-2017年瑞典生物质能在不同部门的消费情况

在瑞典,生物质的来源包括未压缩的木质燃料、压缩的木制燃料、黑液、城市生物质、妥尔油等。2017年,生物质第一大来源是未压缩的木质燃料为550亿千瓦时,压缩的木制燃料为84.6亿千瓦时,黑液排名第二达442亿千瓦时,城市生物质废弃物105亿千瓦时,其它固体生物质燃料11亿千瓦时。

石油是唯一在瑞典的能源供应中占很大比重的化石燃料,占一次能源供应总量(TPES)的21%和最终消费总量(TFC)的30%。但是,石油的消耗量已经减少了几十年:最初是用电锅炉或区域供暖取代了家庭中的燃油锅炉,而最近随着生物燃料取代了运输和工业中的石油。2016年,液体生物燃料占交通部门能源消耗的17%,是国际能源署(IEA)国家中迄今为止最高的份额。尽管瑞典拥有大量的国内生物质资源,但其所有原油以及大多数生物燃料仍进口。

瑞典是国际能源署将生物燃料用作运输燃料的领先国家。2017年,液态生物燃料占交通部门能源总供应量的17%。最初,生物乙醇是最常见的生物燃料,用于汽油中的低掺混物或专用车辆中的E85燃料。近年来,生物柴油已成为主要的生物燃料。

8  2013-2017年瑞典液体生物燃料供应量

近年来,在生物柴油(主要是氢化植物油HVO)进口大幅增长的带动下,液体生物燃料的总供应量迅速增加。

生物柴油的优势在于可以直接在现有基础设施中使用以替代化石柴油。所使用的生物柴油的主要类型为脂肪酸甲酯和HVO。近年来,HVO已成为瑞典主要的液态生物燃料,主要通过进口提供。

2017年,生物柴油净进口量占瑞典液态生物燃料总供应量的75%。生物燃料使用量的增长是一项专门政策的结果,该政策取决于多项措施,例如免税和混合义务。更广泛地说,政府的目标是到2030年实现与化石无关的运输部门。

 

 五、生物质供热 


建筑物中空间供暖和热水的能耗:6.9 Mtoe / 80.5 TWh(区域供暖57.6%,电力25.9%,生物燃料和废物14.2%,石油1.3%,天然气1.0%),自2006年以来下降了0.3%。
通过燃料进行区域供热生产:5.3 Mtoe / 62.0 TWh(生物燃料和废物76.2%,工业余热7.8%,热泵7.2%,煤和泥煤3.0%,天然气3.0%,石油2.3%,电锅炉0.5%), 自2006年以来增长5.6%。2017年,瑞典生物质成形颗粒,供应独立住宅供暖的总量为25亿千瓦时。瑞典独立住宅以外的供应量为47亿千瓦时,瑞典的生物质成形颗粒还需要进口,2017的总量为4亿千瓦时。相比1997年,瑞典独立住宅以外的供应量为21千瓦时增长到47千瓦时,增长了一倍多。而供应独立住宅的生物质成形颗粒总量为2亿千瓦时增长以25千瓦时,增长12倍。这主要是替代燃油和燃煤的供热锅炉。

电热泵供热在瑞典的独立住宅供暖中也非常普遍,而瑞典的电力93%来自非化石能源,故瑞典的电供热是非常清洁的。

 

1. 建筑物中的热源

建筑物中的空间和热水供暖占住宅部门总能耗的三分之二,并且在商业和公共建筑物中占主要份额。 区域供热(DH)是瑞典供热的重要组成部分,因为它可以满足多户家庭建筑供热需求的90%和建筑总供热需求的近60%。DH生产中从石油,煤炭到固体生物质燃料的过渡已使瑞典的能源系统脱碳。大部分DH是用热电联产系统生产的,因此DH部门也为该国的电力供应做出了贡献。

市政废物也是区域供热DH中重要的燃料,利用能量回收进行焚烧作为废物处理方法已得到很好的发展。但是,随着促进回收利用,作为燃料的废物可用量可能会下降。同样,其他部门对生物燃料的需求可能会增加,例如 用于化学工业和运输。因此,其他替代性低碳热源,例如工业废热,在DH的供应中可以发挥更大的作用。这些热源的温度通常低于当今DH系统中使用的温度。

9  1983-2016年瑞典按燃料分类的建筑供暖能耗

在最近的几十年中,瑞典的供热部门经历了一次巨大的变革。 在1970年代,燃料油在住宅部门的能源消耗中占主导地位。在1973年和1979年的石油危机之后,瑞典开始使用更多的电加热设备,可通过建设核电和DH来获得。在1980年代初期,燃油仍占建筑物总热量消耗的近一半,但DH却在稳步增长。1983-2016年间DH显着增加,并与热泵一起取代了建筑物中几乎所有的供暖油。

2016年,DH占建筑热需求的近60%,而十年前约为50%。DH为多户住宅提供了90%的供暖,77%的非住宅提供了供暖,17%的独立的一居和两居住宅供暖。


10  2016年按燃料和建筑类型划分的采暖能耗

DH在多户家庭建筑中占主导地位,而电力和生物燃料是独立式住宅中的主要热源。

固体生物质燃料(木材和颗粒)占建筑总热量需求的14%,占独立式住宅供暖的三分之一。数十年来,此类生物质燃料的使用一直相对稳定,在2009年和2010年的严冬期间需求高峰。天然气仅在少数几个城市提供一小部分建筑物,其余燃料油中仅少量于用石油锅炉,因为它比其他替代品贵得多。以前,通过特定的补贴计划支持燃油加热和直接电加热的转换。

11  1982-2017年瑞典的热泵装置

2006-2010年石油和电热转换的支持计划。2006年,政府引入了两个转换支持计划,以增加对更有效的低碳采暖替代品的使用。一种方案支持油加热器的转换(第2005-1256号法案),另一种方案支持直接电加热的转换(第2005-1255号法案)。该计划允许房主在转换为DH,地源热泵或高效生物燃料锅炉时申请高达总成本30%的投资支持。这两个计划原定要到2010年底才运行5年,但是由于许多应用,石油转换计划在2007年关闭,原因是预算用完了。在方案评估中,它们被认为加速了油和电加热的转化。但是,由于许多投资是在没有支持计划的情况下进行的,而是由于对燃油和电力征收高额税款而驱动的,因此它们的经济效率不高。

2. 区域供热(DH)能源供应

最初,DH是由石油提供的,但在1970年代的石油危机之后,燃料主要由政策决定驱动,首先是煤炭,然后是生物质燃料和废燃料。1991年,政府将二氧化碳税作为鼓励低碳燃料转化能源的主要政策工具。在2000-2004年,二氧化碳税迅速增加,此后缓慢增加。欧盟排放权交易系统中包含的设施最初免征二氧化碳税,但为了加快燃料转换并替换卫生区中剩余的化石燃料,2018年,二氧化碳税也扩大到了这些工厂。


12  1974-2016年按燃料划分的区域供热能源组成

2001年以来,禁止将有机和可燃无毒家庭垃圾填埋,自从DH以来,城市垃圾已成为DH中有吸引力的燃料。2016年,废物占DH产生总量的24%,其中大约一半是可再生废物。将近一半的家庭垃圾被焚化,其余通过材料回收或生物处理进行回收。不到1%的家庭垃圾被填埋。除了生活垃圾焚化之外,瑞典还进口废物在废物转化为能源的工厂中进行燃烧,其中大部分来自挪威和英国。

2016年,生物质和废燃料约占DH总产生量的三分之二。生物燃料和废物中最大的份额是主要的固体生物燃料(例如木屑),占2016年DH总产生量的一半以上。瑞典拥有大量的木材加工工业部门,副产品为木质燃料,以及森林采伐量会进一步增加。DH中还通过2003年引入的绿色电力证书制度间接支持了生物燃料的使用,该制度鼓励了可再生能源的热电联产。

自从引入二氧化碳税,垃圾填埋法案和绿色证书制度以来,生物燃料和废物已成为区域供热的主要能源。

13  2016年按处理方法分类的城市垃圾

2016年,按处理方法分类的城市垃圾中填埋仅占0.7%,能源化利用占48.5%,城市垃圾回收34.6%。焚烧和发电焚化是城市生活垃圾的最常见处理方法,随着回收利用的增加,焚化率可能会下降。

剩余的大部分DH由工业废热和热泵提供,两者在DH生产中相对稳定。工业废热与垃圾焚烧一起通常在DH产生中具有最低的运行成本,因此被优先考虑作为DH系统的基本负荷。当电价足够低以支持大规模的热能发电时,可使用热泵。

随着生物燃料和废热的增长,瑞典的DH脱碳生产已基本脱碳。2016年,化石燃料(包括天然气,煤炭,石油和一些泥炭)的份额为8%。化石燃料的份额正在进一步下降。在与该国西南部的天然气输送网相连的城市中,少数几个热电厂使用天然气,主要是在马尔默和哥德堡。煤炭主要用于剩余的一些热电厂中的峰值发电,以及斯德哥尔摩Värtaverket企业的基本负荷,该企业已决定在2022年之前逐步淘汰燃煤。燃油锅炉主要为某些DH系统提供峰值负荷,此外, 在某些地方,生物油已经替代了化石燃料油。

区域供热已成为瑞典建筑能耗的重要组成部分。它为多户住宅提供90%的热量,为非住宅建筑物提供77%的热量。从1970年代的石油优势到如今主要使用生物燃料和废物的积极政策,在最近几十年中已经改变了DH的供应。

1991年开始征收二氧化碳税,是向可再生和安全能源系统转型的主要动力。瑞典旨在使运输和工业等其他部门脱碳的目标可能导致对可用生物质资源的竞争加剧。但是,仍然有未开发的森林残留资源和进一步提高能效的潜力,以及新的DH供应技术可以平衡对生物质原料需求的增长。在DH发展和2001年《垃圾填埋法》的推动下,DH系统中的垃圾焚烧发展迅速。

瑞典还进口了废物,主要是从挪威和英国进口的。由于这些国家正在开发更多的国内废物能源解决方案,因此对此类废物的竞争可能会加剧。此外,欧盟的废物等级制度优先考虑减少废物和材料回收,而不是焚化,这促使政府评估了可能引入的废物焚化税。政府尚未决定税收或其他政策措施,以促进更高程度的材料回收。

 

瑞典生物质供热思考

1. 随着城市化进程继续增加生活在城市中并使用区域供热的人口,建筑物的能源效率也不断提高。因此,预计未来对区域供热的需求将保持稳定或略有下降。2. 区域供热公司适应来自其他技术的竞争,例如 热泵,可容纳更多的废热和低温热源,并通过集成热电系统提高灵活性。但是,与此同时,低廉的电价正在挑战区域供热市场的发展。对新的区域供热系统和技术的更多研究和开发可以支持基础设施的现代化,并将区域供热保持为瑞典能源系统的重要组成部分。3. 垃圾焚烧在区域供热中的长期作用,并使区域供热发展战略与废物处理政策保持一致,以实现无化石DH的产生。 4. 鼓励使用价格对话系统来提高价格设定的透明度,并评估需要支持以进一步扩展该系统。 

 

 瑞典生物质供热总评 

1. 瑞典的生物质能源比例相当高,欧盟国家排名第一;2. 生物质成形颗粒在居民供暖中的重要性非常突出,独立住宅的供暖方式主要是两种,第一种是电热泵供暖,第二种是生物质成形颗粒锅炉。淘汰燃油燃气锅炉,主要是这两种方式。3. 瑞典的生物质能源木制燃料居绝对主导地位,秸秆所占比例很少。4. 城市生物质垃圾的充分利用值得中国学习。