Концепция возобновляемого отопления и охлаждения в Европе

Перевод выполнен энергосервисной компанией
“Экологические Системы”, 2020

Введение

Декарбонизация сектора отопления и охлаждения является важной вехой в достижении амбициозных целей Европейского Союза в области климата и энергетики. Фактически, на отопление и охлаждение приходится около половины общей потребности в энергии в Европе, и это, несомненно, самый крупный сектор, потребляющий энергию. Последние данные показывают, что годовое потребление тепловой энергии в Европе составляет около 5.600 ТВт-ч против 2.700 ТВт-ч электроэнергии и 4.000 ТВт-ч, используемых в транспортном секторе (EUROSTAT, 2017). Однако в 2017 году только 19,5% тепловой энергии в Европе производилось из возобновляемых источников, и между странами-членами ЕС (ЕВРОСТАТ) существуют значительные различия.

В сообщении «Стратегия ЕС по отоплению и охлаждению» (COM (2016) 51 final), опубликованном в феврале 2016 года, Комиссия особо подчеркнула роль сектора отопления и охлаждения в процессе декарбонизации. Этот новый аспект привел к 1,3% среднегодовому приросту возобновляемой энергии в секторе отопления и охлаждения, как это предусмотрено в обновленной Директиве 2018 года о возобновляемых источниках энергии (Директива 2018/2001). В целом, по прогнозам, около 40% от 32% доли возобновляемой энергии в общем энергопотреблении, установленной в директиве, будет приходиться на сектор отопления и охлаждения. Таким образом, эволюция политики, связанной с климатом, придает новый импульс технологиям возобновляемого отопления и охлаждения (RHC).

Для эффективной декарбонизации сектора отопления и охлаждения необходимо действовать быстро, так как окно возможностей достаточно узкое. Фактически, технологии сектора (как традиционные, так и возобновляемые источники энергии) рассчитаны на относительно долгий срок службы, в среднем 15-20 лет, поэтому решения, которые будут приняты к 2030 году, окажут глубокое влияние на перспективы развития сектора к 2050 году.

Вместе с тем, в связи с высоким уровнем децентрализации решений в области отопления и охлаждения, низким уровнем осведомленности об альтернативах технологиям, использующим ископаемое топливо, отсутствием экономии за счет эффекта масштаба и большим разнообразием технологий возобновляемого отопления и охлаждения, стимулирование энергетических сдвигов в этом секторе является сложной задачей.

Концепция призвана обеспечить ясную перспективу для сектора отопления и охлаждения к 2050 году. Помогает понять потенциал различных технологий возобновляемой энергетики и показывает, используя междисциплинарный подход, каким образом добиться того, чтобы к 2050 году сектор отопления и охлаждения стал декарбонизированным.

Обсуждаются как технические, так и нетехнические вопросы, а также представляются соответствующие наилучшие примеры.

Эта Концепция была разработана Европейской технологической и инновационной платформой по возобновляемому отоплению и охлаждению (RHC ETIP); она является результатом совместных усилий группы экспертов из промышленности и ученых, разделенных на четыре многопрофильных рабочих группы, соответственно, сосредоточенных на отдельных зданиях, районах, городах и отраслях промышленности. Этот подход был принят для рассмотрения сектора отопления и охлаждения с системной точки зрения, подчеркивая необходимость интеграции различных технологий и перспективных решений для различных условий использования. Технологические панели Платформы поддержали это мероприятие, предоставив соответствующую информацию о состоянии технологий.

Европейская технологическая и инновационная платформа по возобновляемому отоплению и охлаждению (RHC-ETIP) объединяет заинтересованные стороны из секторов биомассы, геотермальной энергии, солнечных тепловых и тепловых насосов, а также смежных отраслей, таких как централизованное теплоснабжение и охлаждение и хранение тепловой энергии. определить общую стратегию расширения использования технологий использования возобновляемых источников энергии для отопления и охлаждения.

Европейские технологические и инновационные платформы являются одним из основных механизмов реализации Плана стратегических энергетических технологий (SET) ЕС, который был создан для ускорения внедрения низкоуглеродных энергетических технологий в Европе.

СЕКТОР ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ — КЛЮЧ К УСТОЙЧИВОЙ ДЕКАРБОНИЗАЦИИ

Сектор возобновляемого отопления и охлаждения обеспечивает значительные выгоды как для общества, так и для энергетических систем

Отопление и охлаждение наших домов и предприятий, а также производство технологического тепла и холода составляют более половины потребности ЕС в энергии. Отопление преобладает в охлаждении с точки зрения потребности в энергии, но спрос на охлаждение значительно возрастает и, как ожидается, станет еще более актуальным в будущем. Использование возобновляемых источников, а также избыточного тепла и холода для отопления и охлаждения является ключевым элементом на пути к обществу, не содержащему ископаемых углеводородов. Прямое использование этих ресурсов приносит значительные выгоды обществу и энергетической системе, в том числе:

  • Эффективность: значительную часть энергопотребления можно сэкономить, содействуя более рациональному использованию первичной энергии и способствуя внедрению технологий RHC. В соответствии с эксергическим анализом, уровни качества энергоснабжения и потребности в энергии должны быть согласованы, чтобы потери энергии были минимальны. Для существующих систем отопления и охлаждения характерны низкие уровни эксергии (за исключением некоторых промышленных процессов), которые могут сравниваться с потерями энергии и низкой стоимостью тепловой энергии из возобновляемых источников, тепла окружающей среды и сбросного тепла (например, для низкотемпературного отопления в жилых и коммерческих зданиях). Повышение эксергии систем приводит к более эффективному использованию энергии и позволяет высвободить источники энергии, такие как электричество, для других целей.
  • Декарбонизация: технологии RHС играют важную роль в развитии углеродно-нейтрального фонда зданий и промышленных объектов в Европе, обеспечивая тем самым фундаментальный вклад в достижение климатических целей ЕС. Существующие технологии, в том числе тепловые насосы и системы централизованного теплоснабжения и охлаждения, имеют огромный потенциал для поддержки безуглеродной экономики, эти источники вносят значительный вклад в общий портфель возобновляемых источников энергии и, таким образом, избавляют от ограничений возобновляемых источников энергии, таких как ветер и фотоэлектричество, в пользу, например, мобильности и применения в городах и промышленности.
  • Гибкость: экономичные решения для хранения тепловой энергии и тепловая инерция зданий позволяют компенсировать временное несоответствие между потребностью в обогреве / охлаждении и доступностью источников обогрева / охлаждения. Они обеспечивают большую степень гибкости в системах отопления и охлаждения, позволяя покрывать спрос в разных масштабах (до уровня городов или промышленных процессов) и во времени (почасово или на сезонных интервалах). Кроме того, преимущества накопления тепловой энергии выходят за рамки сектора отопления и охлаждения и распространяются на весь сектор энергетики; аккумуляция тепловой энергии помогает обеспечить гибкость и сбалансировать электросеть, когда существуют высокие уровни изменений генерации в системах возобновляемой энергетики.
  • Надежность и безопасность поставок: решения RHC в значительной степени основаны на высоких технологиях, которые обеспечивают надежное тепло- и холодоснабжение при низких затратах на техническое обслуживание и эксплуатацию. Кроме того, они базируются на общедоступных ресурсах и могут быть оптимизированы практически для любых климатических условий в Европе. Следовательно, технологии RHC позволяют не только добывать местные ресурсы, но и освобождать страны-члены ЕС от импорта ископаемого топлива в стратегически важных секторах.
  • Добавленная стоимость: многие возобновляемые технологии отопления и охлаждения доступны как одной стране, так и в других европейских странах, их массовая интеграция приводит к росту социально-экономической ценности благодаря спросу на новые рабочие места, необходимые для разработки, производства, внедрения и технического обслуживания.

 Планирование и управление переходом

Переход от традиционных (на основе ископаемого топлива) к RHC-решениям неизбежен для достижения климатических целей ЕС, но он должен тщательно управляться, так как требует глубокого планирования, высокого уровня знаний и осведомленности, а также постоянных инвестиций в модернизацию зданий, адаптацию промышленных технологий, установку, хранение и системы передачи данных. Будущее сочетание возобновляемых технологий отопления и охлаждения должно быть, как можно менее разрушительным, чтобы гарантировать плавный и всеохватывающий переход, и оно должно быть сосредоточено как на готовых к внедрению и быстро внедряемых технологиях (в краткосрочной перспективе), так и на инновационных технологиях и системах (в среднесрочной перспективе). Кроме того, высокий потенциал масштабируемости имеет важнейшее значение для обеспечения успеха энергетического перехода.

Переход на возобновляемую энергию в секторе отопления и охлаждения городов и зданий является сложной задачей, поскольку RHC сильно зависит от местных условий, не существует универсальных решений, подходящих для всех. Однако при наличии сильной политической воли, адекватного планирования, высокого уровня осведомленности и сбалансированного сочетания стимулов и обязательств возможно полностью осуществить декарбонизацию отопления и охлаждения в Европе. Для этой цели важно обеспечить значительное изменение парадигмы, в том числе:

  • переход от централизованных к децентрализованным структурам, которые основаны на использовании местных возобновляемых источников энергии;
  • интеграция с электроэнергетикой, обеспечиваемая внедрением систем централизованного теплохолодоснабжения на базе ТЭЦ и тепловых насосов, а также широкое внедрение интеллектуальных систем управления энергоснабжением;
  • оптимизация спроса и предложения энергии посредством интеллектуального учета и локальных систем снабжения зданий холодом, теплом и электричеством.

Большое разнообразие технологий: решение на любой вкус

Биоэнергия, солнечная, геотермальная энергия, в сочетании с возобновляемой электроэнергией (ветер и фотоэлектричество), станут основой возобновляемого отопления и охлаждения в энергетических системах 2050 года. Широкий спектр технологий, в том числе эффективные тепловые насосы и системы централизованного теплохолодоснабжения, основанные на солнечной энергии и биомассе, позволят извлечь максимум пользы из имеющихся местных ресурсов во всех европейских регионах. Эти технологии будут дополнять друг друга, так как все источники и компоненты необходимы для создания рентабельной, надежной и безопасной энергетической системы, а также декарбонизации сектора отопления и охлаждения к 2050 году. Фактически, различные технологические приложения позволят надлежащим образом удовлетворять спрос на энергию в отдельных зданиях, городских районах, городах и промышленных процессах. Сочетание технологий будет различаться в зависимости от города (местный уровень), региона (региональный уровень), страны (национальный уровень) или промышленного сектора в зависимости от наличия местных источников, сочетания спроса, нормативной базы и существующей инфраструктуры.

Ключевая роль гибридных системных решений

К 2050 году центральную роль будут играть гибридные системы, представляющие собой интегрированные системы, объединяющие две или более технологии возобновляемого отопления и охлаждения. Фактически, интеграция различных технологий в системы позволяет преодолеть технологические ограничения и достичь более высоких эксплуатационных характеристик. Таким образом, гибридные системы будут ключевыми факторами для круглогодичного надежного и доступного отопления и охлаждения, а также тепла и холода для промышленных процессов в различных масштабах. Ряд энергоэффективных и недорогих, удобных в использовании и конкурентоспособных продуктов и услуг повысят спрос на технологии RHC.

Утилизация отходов тепла и холода

Избыток тепла от промышленных и коммерческих объектов, центров обработки данных и другой городской инфраструктуры, который поступает, например, в канализационные каналы, или, может использоваться в дополнение к возобновляемым источникам для отопления и охлаждения помещений прямо (по возможности) или опосредованно с помощью тепловых насосов.  Многие решения, включая системы зданий, позволяют эффективно использовать избыточное тепло и холод в сетях централизованного теплоснабжения (DHC) и создают новые экономические выгоды и добавленную стоимость для местных сообществ. Действительно, избыточное тепло может напрямую направляться через сети DHC для отопления или преобразовываться тепловыми насосами для охлаждения помещений или для других низкотемпературных процессов.

Не только здания: промышленные процессы отопления и охлаждения

Промышленные процессы нагревания и охлаждения являются важной частью производства во многих отраслях. Они отличаются большим разнообразием температурных интервалов для различных секторов и стран. Технологическое отопление и охлаждение может применяться как на прямом топливе, так и на электричестве, на основе жидкой среды (вода, масло-теплоноситель, хладагент) или газообразной среды (пар, воздух) распределительной системы или их комбинации. Независимо от метода, производство тепла всегда требует большого количества энергии. С одной стороны, промышленности необходимы технологии, позволяющие снизить температуру процессов, с другой стороны, достижения в области технологий высокотемпературного теплоснабжения развивают их спрос в энергоемких отраслях промышленности. Кроме того, всегда нужно рассматривать вопрос о комбинации технологий процесса/процесса или технологий процесса/поставки. Нужно стимулировать компании к переосмыслению существующих технологических процессов, к переходу на новые технологии и последующему гибридному использованию возобновляемых источников тепла и охлаждения.

Накопление тепловой энергии: ключевое средство для развития RHC

Как упоминалось выше, накопление тепловой энергии станет ключевым фактором для внедрения возобновляемых технологий в секторе отопления и охлаждения, как в системах централизованного теплоснабжения, так и в отдельных зданиях. Повышение потенциала термоаккумуляции зданий и использование больших подземных хранилищ, совместно используемых несколькими системами выработки тепла, вместо большого количества небольших индивидуальных хранилищ, откроет дополнительные возможности для повышения эффективности. Сочетание накопителей тепловой энергии, алгоритмов прогностического управления и технологий, таких как «энергия-тепло» и «энергия-газ», поможет увеличить долю возобновляемого тепла и в то же время стабилизировать работу электрической сети. Фактически, эти технологии позволят перекрестно использовать потенциалы гибкости для управления и смягчения временного дисбаланса спроса и предложения в электросетях с высокой долей возобновляемых источников энергии. В результате будет достигнута экономически эффективная декарбонизация и одновременно повышена надежность, безопасность и эффективность энергоснабжения. Термоаккумулирование — это гораздо более надежная, дешевая и эффективная технология по сравнению с технологиями хранения электроэнергии.

Умное управление и новые бизнес-модели

К 2050 году интеллектуальные системы управления энергией будут широко внедряться как на централизованном, так и на децентрализованном уровне. Эти системы позволят оптимизировать производство и эксплуатацию систем тепло- и холодоснабжения. Локальные рынки тепло- и холодоснабжения, объединяющие частных, коммерческих и промышленных потребителей, производителей и потребителей, позволят им активно участвовать и наилучшим образом использовать местные генерирующие и конверсионные потенциалы и также аккумулирующий потенциал. Кроме того, радикально новые бизнес-модели будут

Способствовать быстрому развитию сектора отопления и охлаждения. Операторы рынка, скорее всего, будут продавать комплексные услуги, а не их компоненты, распределяя тем самым авансовые расходы для клиентов на длительный период (в рассрочку или по лизинговым схемам) и создавая беспроигрышную ситуацию для владельцев зданий и поставщиков энергетических услуг. Компании будут вступать в партнерские отношения для обеспечения более эффективного комбинированного «пакета» продуктов и/или услуг.

Зачем нужны исследования и инновации?

Исследования и инновации по технологиям, инфраструктурам и системным аспектам, наряду с ростом экономии за счет эффекта масштаба, приведут к радикальному снижению затрат, повышению эффективности, новым проектным решениям и интеграции систем отопления, охлаждения и вентиляции, развитию рынков и повышению их устойчивости, а также надежности поставок. Для этого необходим комплексный подход, учитывающий интересы всех участников нового рынка.

Источник — https://www.euroheat.org/wp-content/uploads/2019/10/RHC-VISION-2050-WEB.pdf