電氣化供暖和生活熱水的作用

7000萬美國家庭和企業(yè)通過場地內(nèi)燃燒天然氣、石油或丙烷為建筑提供熱力和生活熱水，每年因此產(chǎn)生5.6億噸二氧化碳排放，這相當(dāng)于全美排放總量的10%。但在電網(wǎng)越來越清潔的今天，我們有機會用電力來滿足我們建筑的所有能源需求，消除建筑內(nèi)化石燃料的直接應(yīng)用，并淘汰大部分天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)，同時解決與之相關(guān)的成本和安全問題。在實現(xiàn)溫室氣體減排75%或超過75%“深度脫碳”目標(biāo)的進(jìn)程中，降低全美大部分供熱和熱水鍋爐二氧化碳排放將是各種減排手段當(dāng)中相當(dāng)重要的一項工作。此外，利用電力提供采暖和生活熱水的基礎(chǔ)上，還能利用智能化控制來改變用能時間，從而以經(jīng)濟(jì)可行的方式推動更大規(guī)模的可再生電力并網(wǎng)。

要實現(xiàn)這一愿景需要重大的市場轉(zhuǎn)變，包括終止燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的持續(xù)擴(kuò)張，在全美各地住宅和商業(yè)建筑中大量應(yīng)用新型電器，以及打造新的智能設(shè)備市場以向電網(wǎng)提供彈性用電需求。全美有1100萬戶家庭通過燃燒石油或丙烷這種二氧化碳強度和成本最高的燃料來供暖，另外的5600萬戶家庭則使用天然氣供暖。而熱泵這種最高效的電動設(shè)備，目前在供暖及生活熱水領(lǐng)域的市場占有率很低。許多住宅需要進(jìn)行額外電氣改造才能應(yīng)用這項技術(shù)，而且廣大消費者對這種供熱技術(shù)的了解也非常有限。

在落基山研究所的最新報告《建筑電氣化經(jīng)濟(jì)性分析》中，我們分析了實現(xiàn)住宅空間供熱和供水加熱電氣化在有無需求彈性（通過改變用能時間來支持電網(wǎng)需求的能力）情況下的經(jīng)濟(jì)性和碳減排影響。我們對加州奧克蘭、休斯頓、羅德島普羅維登斯和芝加哥等四座城市的新建住宅及改造住宅在不同電價結(jié)構(gòu)下，利用電能和化石燃料供暖和提供生活熱水的各種指標(biāo)進(jìn)行了對比。

情景分析

考慮到不同地域、住宅類型、電價結(jié)構(gòu)、電器類型和燃料種類，我們共分析了34種不同情景。針對每種情景，我們模擬了一幢獨棟住宅一年中在生活熱水、供暖及空調(diào)方面的能源用量，以此計算該建筑在這些方面的年度碳排放量以及15年期限的成本凈現(xiàn)值。

圖1：情景特征

成本分析

在許多情景中，尤其是大部分新建住宅情景中，我們發(fā)現(xiàn)電氣化供暖、生活熱水及空調(diào)的電氣化與使用化石燃料提供同樣服務(wù)相比，能夠為用戶在電器的壽命周期內(nèi)節(jié)約成本。在數(shù)個改造情景中，用戶同樣可以實現(xiàn)成本節(jié)約，包括用電力替代丙烷或燃料油的用戶，原本需要同時更換新鍋爐和空調(diào)的天然氣用戶，以及完成電氣化并同時安裝了屋頂太陽能的用戶。新建住宅和目前沒有天然氣供應(yīng)的已建住宅還可以通過電氣化避免天然氣管網(wǎng)、運維服務(wù)以及全電氣化街區(qū)所不需要的計量表所帶來的成本。

然而，對于許多目前正在使用天然氣供熱的已建住宅而言，在當(dāng)前的能源價格水平下，轉(zhuǎn)而使用電動熱泵將會提高用戶的成本。對于已經(jīng)在使用天然氣服務(wù)的用戶而言，安裝電氣化供暖和生活熱水系統(tǒng)的前期成本比安裝新燃?xì)庀到y(tǒng)的前期成本更高。同時，在寒冷氣候條件下，此類用戶需要為電氣設(shè)備支付的能源成本更高，而其他氣候條件下用戶所能節(jié)約的少量能源成本也不足以抵消前期系統(tǒng)投資成本的增量。下圖展示了各個情景中的成本分析結(jié)果。

圖2：生活熱水和空調(diào)系統(tǒng)15年凈現(xiàn)值成本對比（單位：千美元）

未來，與天然氣相比，許多因素能夠進(jìn)一步提高電氣化供暖和生活熱水供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)可行性。隨著市場的發(fā)展和生產(chǎn)商實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，熱泵的價格有望下降。隨著電力系統(tǒng)中可再生能源占比的提高，電力需求彈性的價值也很有可能會提高。同時用戶通過智能設(shè)備實現(xiàn)電力需求彈性的能力還能夠進(jìn)一步降低電氣化的全生命周期成本，但這還將取決于新的市場結(jié)構(gòu)、電價設(shè)計和電力公司規(guī)劃。反過來，碳價或其他氣候政策的影響可能會給天然氣供應(yīng)帶來額外成本，天然氣價格在未來也有可能升高。

碳減排分析

除燃煤發(fā)電比例最高的系統(tǒng)外，在當(dāng)今所有其他電網(wǎng)系統(tǒng)中，電氣化供暖和生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)都有利于碳減排。即使在完全依賴燃?xì)獍l(fā)電的電網(wǎng)系統(tǒng)中，住宅燃?xì)庠O(shè)備的電氣化也能夠降低碳排放。在完全可再生能源電力系統(tǒng)中，電氣化供暖和生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)的碳排放為零。在奧克蘭、休斯頓和普羅維登斯等地，電網(wǎng)已足夠清潔，可以實現(xiàn)電氣化減排。即使在如今燃煤發(fā)電機仍用作調(diào)峰的芝加哥，越來越多燃煤電廠的退役也將使電氣化成為一種長期的低碳發(fā)展選擇。

圖3：供熱案例中燃料用量和溫室氣體排放量的對比

除燃煤發(fā)電比例最高的系統(tǒng)外，在當(dāng)今所有電網(wǎng)系統(tǒng)中，電氣化供暖和生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)都有利于碳減排。

五點建議

為了在近期內(nèi)捕捉燃料轉(zhuǎn)變帶來的最大效益，并為長期內(nèi)廣泛推廣經(jīng)濟(jì)可行的電氣化做好準(zhǔn)備，我們?yōu)楸O(jiān)管部門、政策決策者和電力公司提出了5點建議：

1.   優(yōu)先快速完成目前仍在使用丙烷和燃料油供暖和生活熱水系統(tǒng)建筑的電氣化改造。雖然這部分家庭在全美家庭中的占比還不足10%，但他們卻貢獻(xiàn)了超過20%的碳排放。電氣化對丙烷用戶而言具備明顯的經(jīng)濟(jì)可行性，并且與燃料油成本相當(dāng)（具體價格需取決于地方定價）。在短期內(nèi)完成這些住宅的電氣化改造將有助于推動市場成熟和規(guī)模化發(fā)展，從而支持電氣化在未來的進(jìn)一步推廣。

2.   停止支持天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)張，包括新建住宅的供氣系統(tǒng)。在高度電氣化的未來，供氣系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施將被淘汰，并且燃?xì)庥脩魹楫?dāng)前供氣系統(tǒng)擴(kuò)張所進(jìn)行的投資將面臨極大的資產(chǎn)擱淺風(fēng)險。此外，無論在新建住宅還是改造住宅中，與擴(kuò)張?zhí)烊粴夥?wù)相比電氣化都是成本更低且碳排放更少的解決方案。

3.   在需求彈性計劃、新電價設(shè)計和能效措施中結(jié)合電氣化行動，從而高效管理新增電力需求的峰值負(fù)荷影響，尤其是在因供熱電氣化而面臨冬季電力需求峰值提高的寒冷氣候區(qū)域中。

4.   擴(kuò)大現(xiàn)存電力供暖和生活熱水負(fù)荷中的需求彈性選項。在全美5000萬現(xiàn)存電熱水鍋爐中，僅有1%參與電力需求響應(yīng)計劃。隨著逐漸普及的電氣化增加電力負(fù)荷，尤其是在冬季，高效的需求管理技術(shù)能夠降低系統(tǒng)成本并有助于提高可再生能源并網(wǎng)。

5.   提高能效資源標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)目標(biāo)，無論是基于電力（千瓦時）和天然氣（千卡）用量降低目標(biāo)，還是電氣和天然氣減排量目標(biāo)。否則，即便具備成本和減排效益，成功的電氣化仍將讓不重視降低用電需求的電力公司受到懲罰。

作者：Sherri Billimoria，落基山研究所咨詢師；Leia Guccione，落基山研究所董事；Mike Henchen，落基山研究所項目總監(jiān)