结论概览

1、供热行业需要逐步淘汰燃油：低成本、气候友好的建筑供暖组合很可能会包含40%的天然气、25%的热泵和20%的集中供热，几乎不含燃油。在此设定情景中，天然气的重要性与今天大致相同，但燃油供热几乎完全被热泵所取代。区域集中供热是另一个关键因素。到2030年，区域集中供热将主要依靠热电联产，但也将越来越多地依靠太阳能、深层地热能、工业废热和大型热泵。

2、能源效率是决定性因素：要实现2030年的目标，用于建筑供热的能源使用量必须较2015年的水平下降25%。能源效率是脱碳的一大支柱，因为它帮助气候保护在经济上可负担的。提高建筑物的能源利用率需要每年2%的绿色改造率并结合较高的改造深度。但当前建筑现代化改造的趋势远远达不到这些目标。

3、热泵缺口：根据目前的趋势，到2030年将安装约200万台热泵，但实际需要高达500万到600万台。为了缩小这一差距，热泵必须尽早安装，不仅仅是新建筑，也包括老建筑在内的，例如，为了满足高峰需求，可采用含化石燃料锅炉的双系统。如果热泵可以灵活管理，到2030年将现有的蓄热式热水器换成高效的供热设备，则500万到600万台的热泵将只会带来需要火力发电厂满足的高峰需求的微小增加。

4、用于热泵的可再生电力：到2030年，可再生能源必须至少占总电力消耗的60%。为了实现2030年的气候保护目标，供暖和交通部门的额外电力消耗必须由不会产生二氧化碳的能源来替代。但德国2017年的可再生能源法(eeg)中展望的新可再生能源容量不足以做到这一点。

要实现2050年的能源转型目标，我们必须在2030年达到什么样的水平？

按照2050年的目标，德国的温室气体排放量将在1990年的基础上减少80%到95%，任重而道远。如果只关注2050年，政客们就更有可能拖延采取必要措施。截止目前，德国2030年的中期气候目标主要集中在相对于1990年减少55%的温室气体总量，以及对未被欧盟碳排放交易体系(eu ets)所涵盖的部分，相对于2005年减少38%。

这项研究为实现2030年目标提供了强有力的“保障”，为重要的目标数字制定了更清晰的框架，以及助力在2030年前的时间框架内启动必要的措施。它重点关注在2030年之前在电力和供热部门的交叉领域必须达到最低的关键技术应用水平。这些技术集中于建筑能效、供热网络和热泵方面。在本研究中，我们将深入分析最后两项。

为了确定最低的应用水平，我们比较了温室气体减排80%至95%的目前目标情景(图1)。得出2030年和2050年所需完成的任务范围，然后根据预测趋势进行评估，以识别缺口，尤其是可行的能源发展路径。也就是说，到2030年德国必须完成哪些任务，才有机会在2050年将温室气体排放量减少95%？

第二步，使用能源系统优化模型进行2030年敏感性分析。这些敏感性分析用来确定，当关键技术表现不佳并需要在其他领域采取措施作为补充时，到2030年能否实现温室气体排放减少55%的最低目标。基准情景包括2%的绿色改造率，考虑到高绿色改造深度、700万辆电动汽车、有轨电车的使用、热泵和电动汽车的部署，使整个能源系统受益。在敏感性计算中，参数的变化涉及建筑保温、电动汽车的普及以及热泵、电动汽车和电动卡车的灵活性。另一个条件是，到2030年，交通、农业和分散供热能源供应领域的温室气体排放减少38%，这些领域都不受eu ets的约束。

2050年的气候中性建筑存量必须依赖于能源效率、分布式可再生能源和脱碳热网

德国目前关于建筑供暖的政治讨论集中在联邦政府提高建筑能效的战略上。这些讨论试图评估可再生能源的潜力和减少能耗的措施，以找到可行的解决方案，使建筑存量趋于实现“气候中立”。具体目标是，到2050年将不可再生的一次能源消耗量在2008年的基础上减少80%。

到目前为止，政策制定者已经确定，家庭和企业的热端能源消耗平均可以减少40%到60%，但考虑到目前的技术限制，再进一步减少将非常困难。政府将对常见的三种可再生能源进一步发掘“现实可行”的潜力：环境热能、太阳热能和生物质能。根据最新估计，如果运用环境热能和热泵发电的潜力来扩充能源，常见可再生能源每年产生的热量可达197至447太瓦时。剩余的热能消耗必须通过脱碳热能网络来实现。在建筑采暖行业，减少温室气体排放的三大支柱都图2以减少40%的建筑采暖能耗为例进行了说明。偶有偏颇可能在所难免，因为常见的一部分可再生热源可以合并在一起，成为小规模分布式供暖系统的一部分，在德语中称为“临近供暖(nahwärme)”。

建筑热效率和热网的当前进展还远远不够

能源效率是脱碳的支柱。实现气候政策目标的关键在于现有建筑的绿色改造。在进行比较的目标情景中，几乎所有的假设都是，到2030年，与2008年的水平(温度调整后)相比，热能消耗将大幅减少40%，到2050年将减少60%。但是，目前对热能的利用还达不到这些目标，距离温室气体排放比2008年的水平下降95%的目标更加遥远。

热网在人口密集地区最有用，那里分散的可再生能源部署非常有限。在情景比较中，区域供热网络(德语所谓的远程供暖“fernwärme”)的扩展，从今天占最终能源使用的10%左右，[6]到2050年占最终能源使用的23%左右，可以得到显著的改善(图3)，但还是非常有限，因为在所有情景中，大部分的供热市场的主流仍是分散式锅炉。在减排80%情景下，必要的热网共享可能会覆盖更大的范围。在减排95%情景下，回旋余地则小得多。到2030年，热网在建筑最终能源需求中的占比必须大大增加，以便到2050年前温室气体排放相对于1990年的水平降低95%能够实现，但要从2030年的低水平一蹴而至2050年的高水平，并不现实。

为了使热网长期脱碳，必须降低供暖温度，使用深层地热能、大型太阳能热能装置和/或使用环境热能/废热利用(排水、工业、河流、污水等)和大型热泵。2030年的敏感性计算表明，热网需要扩大到最终建筑能源使用的15%到21%之间。最明智的做法是，将这些能源与大规模太阳能热能结合，这在很大程度上取决于当地情况。(还需要更多的研究。)大型热泵系统对同时需要加热和冷却的系统有利可图，它们对热网的巨大潜能有待发掘。特别是，如果可以实现更高的热源温度和更高的效率，这些系统将很快能取得经济效益。目前在深层地热能领域有多个项目。相比之下，工业废热的利用则极为有限。

到2030年，德国需要500万到600万台热泵来减少55%的温室气体排放，到2050年至少减少80%的温室气体排放

在所有的目标情景中，用于建筑供暖的分散式热泵是一项具有高/非常高的市场渗透率的关键技术。通过比较，趋势情景介绍了在当前监管框架下所面临的障碍。这导致在趋势情景水平与所需的500万至600万热泵目标值之间存在大约300万至400万热泵的缺口(图4)。

在趋势情景下，相对于如今的水平，热泵的销售额每年增长约60%。为了达到平均目标情景，热泵的销量必须增长5倍。此处，我们必须区分新建筑和现有建筑。在新建筑项目中，必须按照节能规定满足一次能源标准(化石能源)，使热泵在2016年以来市场电价上涨的情况下仍能发挥重要作用。在现有的建筑存量中，热泵在所有供暖系统中的份额目前仅占2%。通常，热泵市场的一部分也可以由小型分布式供暖系统覆盖，以供应较小的区域(例如，通过使用地面探测场)。在这里，分散式和网格式热泵之间的界限是模糊的。

考虑到目前的惯性和改变现有供暖系统的局限性，将温室气体的排放量从80%减少到95%仍有很长的路要走。图5中的圆点虚线表示转型的机会窗口。如果在设备的机械寿命结束之前没有更换供暖系统(这是供暖系统价值减计的一种措施)，则需要在2030年制定更大的最低热泵数量水平。通过对iswv-83和iswv-95的示例情景比较，可以看出，2030年必须瞄准情景路径的上限，即大约810万台热泵。对于气候保护情景ksz 80和ksz 95中的类似考虑，表明到2030年约需要580万台热泵。总而言之，要实现到2050年温室气体排放量减少95%的目标，2030年的最低热泵数量大约是600万到800万台。

到2030年，使用热泵脱碳可以弥补建筑保暖材料和电动汽车的不足

与1990年的水平相比，温室气体排放减少55%；与2005年的水平相比，eu-ets范围之外的排放减少38%，这两个目标是否可行，取决于各个行业的贡献。在供热领域，建筑保温起着决定性作用；在交通领域，电动汽车发挥着重要作用。在2030年的基准情景中，我们假设绿色改造率提高到2%，且实现高绿色改造深度、高电动汽车普及率——到2030年将达到700万辆，无轨混合动力电车也将早日推出。此外，新的电力消费者更具灵活性，因为热泵安装了蓄热装置，电动汽车采用有利于整个电力系统的充电方式。

要区分以下结果，我们必须首先注意到，在脱碳目标的背景下，热泵的快速普及是随时间发展的供热组合中的一部分。至2030年这一目标年份，在计算的基准情景中，除热泵外，还将大量增加分散式燃气锅炉，因为优化算法会尽力确定实现温室气体排放目标的最经济的解决方案。

根据基准线计算(“基准kk”)，到2030年，要实现减排目标，大约需要安装400万台热泵(图6)。如果采用较低的绿色改造深度(“dämm(-)”)，则热量消耗会增加。在这种情况下，分散供热的脱碳将是一项巨大挑战。现有锅炉的排放水平是固定的，限制了可用co2的预算，特别是在非ets地区，而高热量需求可以通过增加锅炉来满足。一方面，这种压力将迫使区域供热项目增多，将排放从分散的设施(eu-ets范围之外)转移到ets覆盖范围。另一方面，脱碳将越来越多地通过热泵实现，特别是双气源热泵(在需求高峰期与燃气锅炉结合使用)。这将使热泵的数量需求超过400万台。相应地，新装燃气锅炉的数量将会减少。

如果电动汽车(“emob(-)”)普及率较低，eu-ets区域以外的二氧化碳预算将进一步受到限制。因此，建筑供暖将需要更多的脱碳。燃气锅炉的增加数量将大大减少，取而代之的是更多的区域集中供热和越来越高效的热泵，即增加地源热泵的比重。到2030年，热泵的数量将增加到500万台，以确保满足eu-ets以外的排放目标。

如果热泵和电动汽车缺乏灵活性(“flex(-)”)，热泵的数量将降至300万台以下。通过这种方式，优化模型避免将缺乏灵活性的消费者纳入考量。相反，该模式中的新集中供热解决方案将来自非eu-ets区的排放转移到eu-ets覆盖范围，在那里通过增加燃气发电厂的部署更容易补偿排放。然而，要实现更宏伟的减排目标，这些供暖系统的电气化就变得不可或缺，这种短期成本优化在长期时间内不会产生效益。从长远来看，热泵和电动汽车等动力装置的灵活性对整合波动的可再生能源至关重要。灵活使用双热泵系统和无轨电车有助于减少高峰需求。

通常，热泵会增加高峰需求。在此处考虑的敏感性分析中，热泵所需的最高输出量范围介于10吉瓦到21吉瓦之间。总而言之，敏感性分析计算表明了实现2030年气候目标所需满足的条件。鉴于建筑保温和电动汽车的发展前景存在不确定性，德国必须力争在2030年将热泵安装数量稳定在最低水平，以弥补这些领域的不足。500万台热泵代表稳定的最低水平。

到2030年，气候友好型建筑的供暖组合将由40%的天然气、25%的热泵和20%的热网组成。

在采取节能措施后，通过组合使用天然气、热泵、小型分布式供暖系统和区域供暖，对家庭和商业建筑供暖所需的547太瓦时能源实现气候友好型覆盖。

根据2030年500万热泵的emob(-)敏感性计算，得出以下供热能耗占比(图7)：40%来自燃气锅炉，其中约一半必须在2030年之前加装到位；22%来自热泵，其中一半以上为地源热泵，不到三分之一为双气源热泵；20%来自分布式供热系统；10%来自生物质，包括生物源分布式加热系统；8%来自锅炉。与2015年的分布情况相比，供暖总能耗约730太瓦时，占比变化最大的是燃油供暖，其二氧化碳的排放量最大。燃油占比从2015年的25%下降到2030年的8%。同期，燃气供暖系统的二氧化碳排放量仅下降5%，低于燃油。热泵和热网呈现最大的增加。

更大的热泵目标——到2030年热泵安装数量达600万台——到2050年努力将温室气体排放量减少95%。此目标将进一步改变建筑物的供暖结构。下面，假设总热量消耗保持不变，用外推法来说明这些变化。如果从燃油和天然气中平均扣除额外热泵的额外能量，结果就是图7右侧的分布，其中6%来自燃油锅炉，38%来自燃气锅炉，26%来自热泵。

到2030年，我们需要实现可再生能源占总用电量至少60%的目标

德国的目标是到2030年将温室气体排放量在1990年的基础上减少55%。此外，欧洲目前关于应对气候变化的决议要求德国将其在eu ets之外的温室气体排放量在2005年的基础上减少38%。这里使用的模型考虑了这两个限制条件。还有其他一些输入参数可能影响2030年的结果。供应侧是燃煤发电站的产量要求、燃料价格假设和可再生能源成本。需求侧的主要因素是32太瓦时的净电力出口，其次是采暖和运输部门的新电力消费者，以及上述关于建筑能效和电动汽车方面的假设。

为了遵守规定的排放限制，可以在模型中使用各种脱碳方案，例如增加燃气发电厂和可再生能源。然后将根据这些方案选择最有利的组合。根据上述假设，2030年的敏感性计算得出成本最优的可再生能源占总电力消耗的比例在58%到62%之间(图8)。

结果显示，当前的可再生能源目标——到2025年从40%增加到45%，到2035年从55%增加到60%——不足以在降低成本的同时实现2050年的气候保护目标。因此，2030年可再生能源法案(eeg)的目标必须提高到至少60%。

热泵还是“绿色”天然气？

通过对能源系统目标情景的比较和敏感性计算得出相同的结论：热泵在未来供热中应发挥重要的作用。然而，能源政策讨论中的一些声音对此结论提出了质疑。一个被屡次提及的反对意见是快速、广泛地安装现代燃气冷凝锅炉将更快、更经济地减少二氧化碳的排放。为了解决这一争议，热泵面临的最重要挑战将会被再次提出，然后与燃气供暖系统进行比较。比较的标准是温室气体排放、能源效率和对峰值需求的影响。

虽然燃气锅炉的温室气体排放量不会随着时间的推移而改变，但随着可再生能源在发电行业中的占比日渐增加，热泵本已较低的排放强度也会更低。随着新的热能应用导致未来的电力需求上升，可再生能源发电量也需要相应地增加。为了跟上可再生电力的发展，天然气必须变得越来越“绿色”。因为生物质能的潜力有限，如果天然气要促进更广泛的脱碳，则不得不依赖于电转气。问题是在哪种应用中使用可再生电力：热泵还是电转气。

鉴于德国可再生能源的表观潜力有限，以及可预见的社会阻力，必须高度重视并充分利用来自可再生能源的每千瓦时电力，使其尽可能实现高能源效率。热泵(通过使用环境热)利用每千瓦时电能产生约3到4.5千瓦时的热能，但由于转换损失，“电转气”时，每千瓦时电能只能产生0.24到0.84千瓦时的热能。这些技术的产热率相差4到19倍。当然，电转气还有另外一个好处，就是可以长期储存。但即使考虑了热泵的季节性储热损失，结果也不会有很大变化。从效率的角度来看，在热泵系统中使用电力显然比使用电转气系统要好。

当同时运行大量热泵(或者，在未来，电动汽车)时，需要应对的一项重要挑战即峰值需求的增加。随着风电和光伏发电占比的增加，可再生能源发电的水平可能提高或降低(尽管风力涡轮机通常更适合在供暖期间满足热泵的电力需求)。这些波动包括无光伏和风电的时期，即所谓的“dunkelflauten”。此外，当温度很低时，供热需求较高，而热泵则显得效率很低。

本研究中的模型尽可能地捕捉这些关系，以确定对峰值需求的影响。对于2006年的气象年，该模型模拟了每小时间隔波动的可再生能源发电，以及动态、外部温度相关的热泵性能系数，这些系数因技术和建筑类型而异。

高峰需求增加时，务必区分供应安全问题，即年度关键时间的输出储备，以及热能电站在较长一段时间内的发电量，如无太阳能和风能期间。此处必须考虑三个相关案例：

1. 上述敏感性计算显示，到2030年，热泵发电需求的增加应该是可以承受的。事实上，热泵需要21吉瓦的额外峰值需求。但是考虑到目前直接电阻加热(尤其是流动加热器和夜间存储加热器)需要约35吉瓦的输出功率，将夜间存储加热器换成热泵或高效燃气锅炉可以使更多的热泵进入电力系统。

2.2050年，需求负荷的水平范围，取决于温室气体减排目标和剩余排放预算。由于到2050年的减排目标为80%，电力部门可能会继续排放(少量)二氧化碳，因此，额外的燃气轮机可以以相对经济的方式满足峰值需求。

3. 随着减排95%的更远大气候保护目标，电力部门可能不会在2050年排放更多的二氧化碳，因为剩余的排放预算必须预留给非能源排放，而非能源排放很难脱碳。为了满足高峰需求，燃气发电厂必须依靠电转气。但是，由于较高的电转气损失，这种形式比天然气更昂贵。尽管如此，与其他可能的脱碳方案相比，这些额外的成本是微不足道的，因为每年只有几个小时的负荷时间。

换句话说，热泵的需求峰值问题是可控的。相比之下，在天然气的应用过程中则不会发生此问题，因为天然气基础设施的尺寸足够大，可以承受这样的加热负荷。

对于热泵来说，最大的挑战可能是需要足够的建筑能效。也就是说，它们能否被广泛接受，取决于建筑物的热需求能否降低，尤其是现有建筑存量。在研究中，建筑热能的需求基于几个假设进行了模拟计算。例如，敏感性计算假定改造率上升到2%，同时具有较高的改造深度。如果在现实生活中不能相应地降低能耗，则技术要求也将无法满足热泵的大规模扩容。另一方面，完全的绿色改造无需在旧建筑存量中安装热泵。窗户和屋顶的现代化可以在这方面取得很大成就。如果安装了低温散热器，地暖也可有可无，因为低温散热器的性能只差一点点。此外，双气源热泵可以作为过渡型技术，与燃气或燃油锅炉相结合，在非常冷的时候，作为一种应对渐进式绿色改造的挑战的方法。为了避免锁定效应，安装设计应确保在广泛现代化建设后热泵输出足以为建筑供热。此外，还有更创新的热泵技术——冰储槽与太阳能吸收器、高效导流蒸发器等的组合。换句话说，有不同的方法使建筑材料与热泵兼容。

这项研究并未考虑许多热泵同时使用时可能对分配网络带来的影响。这可能导致在此使用的模型中未考虑在内的额外成本。然而，热能网络的扩张始终悬而未决，即使考虑到现有的天然气分配网络，也不太可能受到挑战。

总而言之，在建筑供暖行业迅速增加热泵，似乎是减少电力部门温室气体的一种高效节能方式，并在需求高峰期间可以加以控制。它的致命弱点是，老式建筑需要最低程度的能源现代化改造以配套，而天然气锅炉则不需要。然而，天然气作为一种能源，也必须有助于脱碳，并随着时间的推移变得越来越“绿色”。这将提高天然气的成本，使得即使在使用天然气供暖的建筑中，也能提供充分的保温性能。从长期来看，在建筑材料中使用低碳燃气而不进行绿色改造，从成本角度来看没有什么意义。当涉及到建筑外观的绿色改造时，从增加天然气应用脱碳着手可能更容易。但仅凭这一点并不能确保实现2050年气候目标的低成本路径。如果绿色燃气能在脱碳建筑行业发挥作用，这可能是因为消费者的偏好。如果一部分民众更愿意继续用天然气供暖，而不是进行绿色改造或安装热泵，应该也被允许。但是，就像电能一样，天然气必须越来越绿色，在此过程中，它将变得更加昂贵。

天然气可以通过两种方式实现绿色：(1)通过更严格的二氧化碳基准和供暖系统的一次能源因子，以及/或(2)通过利用有限数量的可用生物质和电转气技术来增加越来越多的二氧化碳中性气体。

未来研究的问题是：从长远来看，哪条道路对大多数现有建筑更好，热泵还是绿色燃气？鉴于德国在可再生能源领域的地理场地竞争相当激烈，答案将在很大程度上取决于未来在国外生产氢和合成天然气等电转气产品并将其进口到德国的成本。另一个决定性因素是交通和工业领域的电改气消费者，而建筑供暖部门将不得不与之竞争，因为在某些情况下，这些竞争对手将比建筑供暖更难实现电气化。未来的研究需要更深入地探讨这些问题。