Тепловые насосы могут помочь сократить выбросы углекислого газа от отопления. Мари Коуэн, директор Геологической службы Северной Ирландии (GSNI), и Нил Хьюитт, директор Центра устойчивых технологий Ольстерского университета, рассказывают, как работают эти системы, и о возможностях для развития отрасли.
Цели Великобритании и Северной Ирландии
Великобритания стала первой крупной экономикой, законодательно закрепившей цель прекратить свой вклад в глобальное потепление. Закон об изменении климата обязывает страну сократить выбросы парниковых газов до чистого нуля к 2050 году относительно уровня 1990 года.
По последним оценкам, возобновляемые источники обеспечивают от 45 до 50% потребляемой в Северной Ирландии электроэнергии. Однако на отопление по-прежнему приходится более половины выбросов в энергетической системе региона, который в значительной степени зависит от ископаемого топлива. Закон Северной Ирландии об изменении климата закрепляет цель достичь чистого нуля к 2050 году и промежуточную цель — сократить выбросы на 48% к 2030 году.
В энергетической стратегии исполнительной власти Северной Ирландии «Путь к энергетике с нулевыми выбросами» и связанных с ней планах действий геотермальная энергия признана источником низкоуглеродной энергии, который может использоваться напрямую для достижения целей по сокращению выбросов.
Переход на электрическое отопление
Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) отмечает, что энергетические системы с нулевыми выбросами будут включать переход на электрическое отопление, в значительной степени основанное на тепловых насосах. Ожидается, что охлаждение помещений и нагрев воды также будут преимущественно электрифицированы. Электрификация зданий с помощью тепловых насосов позволит сократить выбросы благодаря снижению потребности в тепле и повышению эффективности.
Доступ к низкоуглеродной электроэнергии открывает Северной Ирландии значительные возможности для электрификации отопления. Тепловым насосам и тепловым сетям предстоит сыграть в этом основополагающую роль.
Обмен знаниями и деловые контакты
Геологическая служба Северной Ирландии — подразделение Министерства экономики — и Ольстерский университет организовывали мероприятие «Тепловые насосы: обмен знаниями и деловые контакты». Оно было призвано поддержать развитие отраслевого кластера и сосредоточиться на инновациях, предпринимательстве, стандартах и профессиональных навыках.
Мероприятие предназначалось для малых и средних предприятий, предпринимателей, учёных, разработчиков политики, управляющих недвижимостью, крупных компаний, инвесторов и представителей третьего сектора, заинтересованных в цепочке поставок для проектирования, производства и установки тепловых насосов.
Инициативу поддерживает консультативный комитет Северной Ирландии по геотермальной энергии, предоставляющий профессиональные научные и технические консультации.
Консультативный комитет по геотермальной энергии
Задача комитета — содействовать развитию геотермальной энергетики как стратегического низкоуглеродного источника тепла, охлаждения, энергии для хранения, электричества и рабочих мест в Северной Ирландии.
В числе его задач — изучение способов развития геотермальной отрасли и связанных с ней рабочих мест, повышения производительности и конкурентоспособности, а также развития навыков. Комитет также помогает выяснять потребности бизнеса и определять важнейшие меры политики, необходимые для создания отрасли в регионе.
Почему тепловые насосы выгодны
Ян Розеноу, директор европейских программ в Regulatory Assistance Project и почётный научный сотрудник Оксфордского университета, анализирует, как меняются расходы на эксплуатацию тепловых насосов по сравнению с газовыми котлами.
Розеноу объясняет, что расходы на эксплуатацию теплового насоса могут быть сопоставимы с расходами на газовый котёл, хотя электричество дороже газа. Причина — более высокая эффективность насоса:
«Тепловые насосы особенно интересны именно благодаря высокой эффективности. Примерно на одну единицу электроэнергии, поступившую в насос, он производит три единицы тепла. Это гораздо эффективнее типичного газового котла, КПД которого обычно составляет около 90%. Средний КПД теплового насоса — 300%, что делает его очень привлекательным вариантом и позволяет уменьшить энергетическую систему в целом».
Как работает тепловой насос
Тепловой насос работает по тому же принципу, что и холодильник. Холодильник забирает тепло из изолированной камеры и отводит его на кухню, а тепловой насос забирает тепло снаружи и передаёт его внутрь дома.
Для этого используется хладагент, который закипает при более низкой температуре и давлении, чем, например, наружный воздух. Компрессор, обычно работающий от электричества, сжимает газ и повышает его температуру и давление выше уровня в доме. Газ конденсируется в жидкость и отдаёт тепло помещению. Затем жидкость под высоким давлением расширяется, давление падает, и цикл начинается заново.
Геотермальные тепловые насосы, или тепловые насосы с грунтовым источником тепла, используют тепло почвы, горных пород и водоносных горизонтов. Воздушные тепловые насосы получают тепло из окружающего воздуха. Зимой геотермальные системы обычно обеспечивают более высокую температуру подачи тепла, чем воздушные, и требуют меньше электроэнергии для работы компрессора. Это снижает нагрузку на существующие распределительные сети. Однако такие системы обходятся дороже: например, из-за затрат на грунтовые контуры или вертикальные скважины.
Какой производительности можно ожидать? Для типичного дома в Северной Ирландии коэффициент преобразования тепла воздушного теплового насоса составляет примерно от 2 до 3: на каждый киловатт электроэнергии он подаёт в здание от 2 до 3 киловатт тепла. Геотермальный насос выдаёт от 3 до 4 киловатт тепла на каждый киловатт потреблённой электроэнергии.
Если дому требуется 12 000 кВт·ч тепла в год, расходы на отопление воздушным тепловым насосом составят от £1 200 до £1 800 в год, а геотермальным — от £900 до £1 200. Для сравнения: эксплуатация жидкотопливного котла обойдётся в £880 в год, а газового — в £1 280. При этом выбросы CO₂ у тепловых насосов могут быть до четырёх раз ниже, чем у жидкотопливного котла.
«Северная Ирландия обладает доступным геотермальным ресурсом. Если использовать тепловые насосы, его коэффициент преобразования тепла может достигать почти девяти. Чтобы доставлять это ценное тепло в дома, понадобятся низкотемпературные тепловые сети пятого поколения.
Исследования в Ольстерском университете помогли разработать такие тепловые насосы. Они способны обеспечивать и гораздо более высокие температуры — например, необходимые молочной промышленности Северной Ирландии. Появляются пути к декарбонизации отопления, и, несмотря на сохраняющиеся трудности, у компаний региона возникают возможности для разработки таких систем», — объясняет Нил Хьюитт, профессор энергетики и директор Центра устойчивых технологий Ольстерского университета.