低品位廢熱回收，就是浪費(fèi)時間

工業(yè)熱量消耗占據(jù)了全球工業(yè)碳排放的四分之三，因此實(shí)現(xiàn)工業(yè)熱量的脫碳對于減排和保持制造業(yè)競爭力至關(guān)重要。當(dāng)前挑戰(zhàn)在于需要找到能夠替代化石燃料燃燒、可規(guī)模化推廣的高效電氣化供熱技術(shù)。盡管回收利用工業(yè)過程中產(chǎn)生的廢熱以提高能效的理念已存在數(shù)十年，但其實(shí)際應(yīng)用，尤其是針對低溫廢熱，往往因投資回報率低而難以推行。

工業(yè)熱泵領(lǐng)域初創(chuàng)公司AtmosZero的聯(lián)合創(chuàng)始人Addison Killean Stark評論文章指出，無論是將廢熱轉(zhuǎn)化為電力，還是通過熱泵進(jìn)行升溫再利用，在低溫條件下（通常低于100°C）通常都缺乏經(jīng)濟(jì)可行性。文章認(rèn)為，問題的核心并非物理定律的限制，而是工程經(jīng)濟(jì)學(xué)和部署邏輯上的困境：低品位廢熱往往分散、間歇且位置不便，導(dǎo)致每個回收項(xiàng)目都成為定制工程，成本高昂且難以規(guī)模化。相關(guān)論文以“Waste heat is mostly a waste of time”為題，發(fā)表在Joule上。

文章首先回顧了現(xiàn)有研究，指出廢熱發(fā)電僅在熱源溫度高且穩(wěn)定時才具有經(jīng)濟(jì)性。對于低溫廢熱，其轉(zhuǎn)換的卡諾效率低，單位發(fā)電量的資本成本過高。那么，將廢熱用于供熱本身，例如通過工業(yè)熱泵將其提升至工藝所需的溫度（如飽和蒸汽），是否更可行呢？理論上，熱移動比熱轉(zhuǎn)換受熱力學(xué)第二定律的限制更小，但技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）揭示了相似的困境。

為了量化比較，研究人員對一個年收入1億美元、熱負(fù)荷為1兆瓦、需要150°C蒸汽的制造工廠的電氣化方案進(jìn)行了分析。對比方案包括電阻電鍋爐、標(biāo)準(zhǔn)化空氣源蒸汽熱泵以及不同廢熱源溫度的廢熱驅(qū)動蒸汽熱泵。表1定性地比較了幾種電氣化解決方案的關(guān)鍵特征：空氣源熱泵和電鍋爐的安裝復(fù)雜性、占地面積、資本支出（CAPEX）和潛在運(yùn)營中斷風(fēng)險都較低或中等；而廢熱熱泵在這些方面均處于劣勢，尤其是安裝復(fù)雜性和對運(yùn)營的潛在干擾風(fēng)險很高。

分析中采用的成本數(shù)據(jù)基于美國能源信息署（EIA）的報告，表2詳細(xì)列出了廢熱集成項(xiàng)目的各項(xiàng)成本假設(shè)，包括熱回收設(shè)備、人工材料、項(xiàng)目施工、工程設(shè)計等，總計每千瓦熱回收成本高達(dá)1788美元（廢熱溫度>30°C時）。圖1直觀展示了經(jīng)濟(jì)對比結(jié)果。圖1A比較了各系統(tǒng)的增量資本支出（包含安裝廢熱捕獲系統(tǒng)可能導(dǎo)致1-5天停產(chǎn)造成的收入損失）和年度運(yùn)營成本?？梢钥闯?，熱泵系統(tǒng)雖然運(yùn)營成本遠(yuǎn)低于電阻鍋爐，但其資本支出也顯著更高。圖1B則顯示了各廢熱驅(qū)動熱泵系統(tǒng)相對于空氣源熱泵系統(tǒng)的增量投資回收期范圍。結(jié)果顯示，對于低于30°C的低溫廢熱，其回收期相對于空氣源系統(tǒng)超過10年；即便是60°C的廢熱，如果工廠因安裝而停產(chǎn)5天，回收期也可能長達(dá)15年。這清晰地表明，考慮到集成成本、停產(chǎn)損失以及廢熱可用性與工藝需求可能不同步等問題，利用廢熱驅(qū)動的熱泵在經(jīng)濟(jì)上常常不具備吸引力。

圖1. 一個年收入1億美元、電價為80美元/兆瓦時的工廠中，150°C蒸汽鍋爐電氣化項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)比較。 （A）增量資本支出成本（堆疊柱狀圖）的原始比較，包含了在制造車間安裝廢熱捕獲系統(tǒng)導(dǎo)致的1-5天停產(chǎn)相關(guān)的收入損失。運(yùn)營成本（折線）是運(yùn)行該系統(tǒng)相關(guān)的年度電費(fèi)。 （B）與空氣源系統(tǒng)相比，廢熱驅(qū)動熱泵系統(tǒng)用于提供150°C蒸汽的增量投資回收期范圍（包含0到5天的安裝停產(chǎn)時間）。

文章進(jìn)一步深入探討了“為何廢熱回收難以規(guī)模化”。關(guān)鍵在于，能夠規(guī)?；募夹g(shù)依賴于規(guī)模化制造帶來的成本下降，例如鍋爐、太陽能光伏板和鋰離子電池，它們具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、易于部署的特點(diǎn)。相反，廢熱回收每個項(xiàng)目都需定制，如同每次都要新建一個化工廠，無法享受標(biāo)準(zhǔn)化帶來的成本紅利和快速部署優(yōu)勢。此外，除了經(jīng)濟(jì)因素，實(shí)際部署中還面臨空間限制、廢熱與工藝需求時間不同步、監(jiān)管負(fù)擔(dān)、維護(hù)復(fù)雜以及制造商風(fēng)險厭惡等多重障礙。

綜上所述，盡管在少數(shù)特定高溫、高負(fù)荷因子且廢熱易于獲取的場景中，廢熱回收可能具有經(jīng)濟(jì)價值，但這并非普遍規(guī)律。該評論文章的核心結(jié)論是，為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)熱量快速、經(jīng)濟(jì)有效的脫碳，業(yè)界和政策制定者應(yīng)將資源和注意力轉(zhuǎn)向可規(guī)?；⒖蓮?fù)制、模塊化的解決方案。這意味著優(yōu)先發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化制造的技術(shù)（如空氣源熱泵），在可能的情況下直接電氣化供熱，并對那些盡管工程上精巧卻無法通過大規(guī)模部署現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)的方案持審慎態(tài)度。未來的道路在于聚焦于能夠廣泛應(yīng)用的解決方案，而非執(zhí)著于難以駕馭的“廢熱”。

還有哪些方向，也是浪費(fèi)時間？歡迎評論！