当空气源热泵遇见锂电池,打开工业应用新空间
发布日期:2022-10-29 16:24:55

2022年的冷暖产业,如果要选一个最热门的产品,非“空气源热泵”莫属。在“双碳”战略背景下,空气源热泵作为一种高效、清洁、低碳的供热方式,目前已经被广泛应用于热水供应、供暖制冷和工农业烘干等领域。而在今年欧洲能源危机的刺激下,空气源热泵更是站上了时代的“风口”。

产业在线统计数据显示,在2021年,中国空气源热泵销售额为203.3亿元,同比增长达到29%,成长性居于冷暖产业各大产品首位,而在即将结束的2022年,空气源热泵的这一高成长性排名还将延续。

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无独有偶,受益于全球新能源汽车产业的迅猛发展,在“碳中和”背景下能源结构调整,风光电一体化发展趋势下,动力电池、储能电池等需求爆发,以及4680等新电池技术的推动,锂电池同样成为了时代的“宠儿”。

尽管上述两个产品看似分属不同的产业,实则背后有着千丝万缕的联系。那么,当空气源热泵“遇见”新能源的核心产品——锂电池,又会给“双碳”目标的实现与两大热门产业的发展带来哪些新的惊喜?


01
新能源的“减碳”困扰
近两年来,新能源产业迎来前所未有的变革。这其中以新能源汽车的发展最为突出。作为交通领域的主要“减碳”方向,随着行业从燃油车向纯电动汽车转型,使用阶段的碳排放已经大幅降低,但高能耗、高排放的汽车材料生产流程给整个行业的成功“脱碳”提出了新的挑战。
在大众观念中,新能源汽车是环保、节能的代表,但许多人没有意识到的是,新能源汽车的核心部件——锂电池,其生产制造本身则是典型的耗能大户,在制造、使用、回收等过程中还会产生较多的碳排放。经测算,现阶段1kWh三元锂电池和磷酸铁锂电池生产所需能耗分别为82.91kWh和85.78kWh,按碳排放量计算,可以分别达到5.06万吨/GWh和5.23万吨/GWh。
对此,中汽中心于2021年7月正式推出的《乘用车生命周期碳排放核算技术规范》,规定了动力电池在内的生命周期碳排放核算方法。此外,欧洲车企同样也已经针对电池全生命周期二氧化碳排放(LCA)当量提出要求。
截至2022年9月底,中国新能源汽车保有量已迈过1100万辆大关,其中,纯电动汽车保有量超900万辆。随着新能源汽车市场的爆发式增长,中国锂电池的市场容量也在大幅提高。2021年,中国锂电池市场规模为334GWh,同比增长110.9%。其中,动力电池装车量达到154.5GWh,主要动力电池企业的新增产能超过了1000GWh。
在政策和市场的双轮驱动下,行业实现了快速发展,与此同时,锂电池行业面临的“减碳”困扰也显而易见。因此,如何通过制造工艺改进、数字化智能化等手段降低锂电池生产能耗,实现原材料的低碳化和全生命周期的低碳发展,已经迫在眉睫,这既是锂电企业实现自身降本增效和绿色生产的核心痛点,也影响着新能源产业能否全面发挥节能环保价值。

02

超高温热泵的“用武之地”
研究表明,动力电池包制造过程中,有多个环节是能耗重点,主要包括正负极材料生产、电极涂布后的烘干以及锂电池生产中干燥间干燥机组运行等。其中,约38%的能耗用于过程干燥,43%的能耗用于维持干燥间的温湿度。
在锂电池原材料保存和电池制备过程中,环境湿度都需要严格控制,才能生产高性能的锂离子电池。锂电制造工艺所需的干燥间的超低露点(-30℃以下)是利用吸附技术对空气中的水分进行吸附除湿实现的,而转轮吸附除湿的方式已经逐步成为主流。
在这一过程中,通过低露点转轮除湿机进行除湿,使用高效除湿转轮,对处理风进行吸湿的同时,又需要大量的高温热对转轮进行脱湿再生,以实现转轮的循环除湿。低露点除湿机需要双转轮配合除湿,为达到超低露点的要求,需要两次高温烘干转轮。一级转轮需要120℃高温再生烘干,二级转轮需要130℃高温再生烘干,设备再生排风温度65℃左右,直接对外排空。
目前,常用再生加热源采用电加热或蒸汽加热,常规的热回收使用板式热交换,回收效率低,而且回收的热能只能用于再生风预热,不可以直接用在一级转轮再生中,这也使得在系统运行时会消耗大量的能源用于再生,成为企业生产制造成本的痛点。
而空气源热泵的出现完美弥补了这个缺陷,高温热泵将低温的再生排风热量高效回收,通过系统转化为高温热能(120℃+),可直接用于转轮再生加热系统,热泵的使用大大提高热能利用率,从而达到节能减排的效果。
值得一提的是,常规热泵的冷凝温度最高为70-80℃,但转轮除湿系统中再生温度为110-140℃,所以常规热泵无法满足再生要求。艾默生针对这一应用难点,其解决方案与应用团队和瀚润特环保设备公司团队通力合作,克服重重技术难点,创新地推出超高温涡旋压缩机和整体解决方案,使得热泵技术在转轮除湿系统中有了“用武之地”。
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艾默生超高温热泵整体解决方案
艾默生超高温热泵技术和整体解决方案,能针对具体行业定制化设计,由专家团队提供支持,全面覆盖80-130°C高温应用。可实现全自动系统控制,实时监控系统运行状况,同时提供数据存储及远程监控。效率比传统电加热提升30%以上,节省运行费用,降低系统配电规格,减少电网投入,并且能延长使用寿命,提高生产效率,降低全生命周期成本。
在实际应用中,通过将艾默生超高温涡旋压缩机和整体解决方案与转轮除湿系统完美结合,成功应用于锂电正极材料生产基地。经过长期的项目运行和数据监测,采用艾默生超高温涡旋压缩机后,对比采用纯电加热方案,一级转轮能耗降低38%,整套转轮设备能耗节省22%,整体碳排放量减少38%左右,节能减排效果显著。
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超高温热泵在转轮除湿机的应用
据悉,该项目于2021年7月份安装调试,投入使用一年来,始终运行良好,得到了用户的高度评价,并借此在2022“节能杯”第七届热泵系统应用设计大赛上“崭露头角”,成功入围热泵工农业最佳应用奖。

03
工农业应用或成热泵“第三增长曲线”
近几年,随着在生活热水和建筑供暖领域的市场积累和产品技术革新,空气源热泵在工农业(烘干)领域的应用正在不断扩大。据产业在线统计,2021年中国空气源热泵烘干主机实现销售16.1亿元,同比增长42.8%,2022年预计将继续保持40%以上增速。
2017-2022年空气源热泵烘干主机销售规模及增速(亿元)
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从政策层面来看,“十四五”时期,是我国应对气候变化、实现“碳达峰”目标的关键期和窗口期,也是工业实现绿色低碳转型的关键五年。在2021年11月发布的《“十四五”工业绿色发展规划》中提到:提升工业终端用能电气化水平,发展屋顶光伏、分散式风电、多元储能、高效热泵等。
据了解,我国50%~70%的工业能耗都以热能形式消耗,并且45%为中低温热量,大多在80℃~170℃之间。用热泵提供这部分热量将显著减少化石能源消耗和碳排放。由于许多工业过程是在高温下进行,因此高温热泵是解决工业能源脱碳的有效方案之一。
海外方面,欧盟超过25%的温室气体排放来源于工业,实现欧洲气候目标的关键是要进行脱碳。为了应对工业供暖脱碳,欧盟资助的SPIRIT项目于2022年9月1日启动,旨在到2030年让高温热泵成为欧洲工业供暖主要技术。
从产业发展周期的角度来看:“十二五”期间,空气源热泵通过热水应用的市场积累,实现了第一增长曲线;“十三五”期间,在国内“煤改清洁能源”政策刺激下,空气源热泵在民用和商用建筑采暖市场的需求得到充分释放,实现了第二增长曲线;“十四五期间”,在中国乃至海外热水和采暖市场需求持续释放的同时,工农业领域应用(热泵烘干等)开始展现出强劲的增长态势,或将成为空气源热泵的“第三增长曲线”。
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总之,在锂电池生产过程中使用热泵技术无疑是一次大胆的尝试,凭借产品端的技术创新,上下游的共同协作,最终取得了成功。这一举措不仅为空气源热泵在工业领域的应用打开了新的增长空间,同样也为企业在当下新旧能源产业结构转型中的良性发展提供了方向。


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