Энергия для зданий: факты и прогноз

С. Шовкопляс

Какие виды энергии, на какие нужды и сколько именно будет использоваться в жилых и коммерческих зданиях – такой средне- и долгосрочный прогноз вплоть до середины века важен для понимания процессов, происходящих во всех секторах HVAC, он поможет уточнить тенденции развития и трансформации технологий, определить перспективы отрасли

В ежегоднике Energy Transition Outlook, вышедшем в сентябре 2019 г. и составленном большой группой экспертов, привлеченных аналитической группой DNV GL, приводятся данные, опирающиеся на самую свежую статистику для сектора энергетики, охватывающие все виды отрасли – от традиционных энергоресурсов до возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В отчете опубликованы скорректированные прогнозы энерготранзиции до середины века. Значительная часть отчета посвящена тенденциям энергопотребления в секторе недвижимости, охватывая коммерческие здания и жилье.

Комментируя данные отчета 2019 года, исполнительный директор DNV GL Реми Эриксен объясняет, что произойдет «быстрая энерготранзиция, которая состоится в течение одного поколения: к середине столетия энергетический баланс будет разделен почти поровну между ископаемыми и неископаемыми источниками энергии». Многие процессы ускоряются и усиливаются с бóльшей интенсивностью, чем прогнозировалось ранее. Однако: «…несмотря на то, что мы ожидаем ошеломительный рост электрификации, поскольку к 2050 г. ветряные и солнечные источники энергии обеспечат большую часть этой электроэнергии, прогнозы ожидающего нас будущего, показывают, что текущие усилия не приведут нас к достижению целей Парижского соглашения [о предотвращении климатических изменений – прим. ред.]. По оценке DNV GL, глобальные выбросы, связанные с энергетикой, достигнут максимума только в 2025 г. и к 2050 г. они все еще будут далеки от нулевых показателей».

Энергосистема будущего

Как видно из рис. 1, рост потребления энергии в секторе недвижимости и жилья будет только увеличиваться, и к середине века здания станут наибольшим потребителем первичной энергии, обогнав по отдельности расход энергии на производственные и транспортные нужды.

Рис. 1. Мировое потребление энергии конечными пользователями по секторам экономики ЭДж/ год.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook

Исторически спрос на энергию рос вместе с ростом населения и повышением уровня жизни. Это происходит и будет происходить в дальнейшем, несмотря на впечатляющие достижения в области энергоэффективности, достигнутые, например, за счет прогресса технологий диодного освещения и распространения тепловых насосов. Тем не менее, усилия по повышению эффективности, как оказалось, компенсируются быстрым ростом спроса на энергию в целом. Например, бытовые тепловые насосы (ТН) могут быть в пять раз более эффективными, чем системы, на замену которых они приходят, но влияние применения ТН на использование энергии часто ограничено, потому что расширение спроса и тенденция к общему росту уровня комфорта снижают влияние от повышения глобальной эффективности использования энергии в зданиях. Предстоящие три десятилетия, вероятно, все-таки станут другими: прогнозные оценки показывают, что повышение эффективности – в значительной степени благодаря ускоренной электрификации – начнет опережать экономический рост. Даже с учетом быстро растущего потребления энергетических услуг глобально растущим средним классом, ожидается, что конечный спрос на энергию в действительности достигнет пика в 2033 году и будет на уровне лишь на 12% выше, чем сегодня. После этого спрос на энергию до 2050 года будет постепенно снижаться (на 4% ежегодно).ние от повышения глобальной эффективности использования энергии в зданиях.

Пиковый спрос на конечную энергию будет наблюдаться в разных регионах в разное время мира, особенно это связано с неодновременным развитием экономики и роста уровня жизни в странах Индийского субконтинента, Юго-Восточной Азии или в Африке южнее Сахары.

Кроме того, спрос не будет одинаково пиковым в разных секторах. Например, в секторе зданий и недвижимости появится значительно больше новой жилой и коммерческой площади, и, следовательно, здания будут в 2050 г. в целом потреблять на 20% больше энергии, чем в 2017 г. В сфере производственных затрат энергии к 2050 г. будет потребляться на 26% энергии больше, чем сейчас, но именно спрос на энергию для зданий станет наибольшим показателем глобального энергопотребления.

Будущая энергосистема будет обходиться дороже сегодняшней: ежегодные глобальные расходы на энергию увеличатся на 22% с $4,5 трлн. в 2017 г. до $5,5 трлн. в 2050 г.

Однако они становятся существенно меньшими в относительном выражении, то есть энергия в целом станет более доступной. По сравнению с ростом мирового ВВП на >130% к 2050 г., доля глобальных расходов на энергию будет последовательно уменьшаться.

Как показано на рис. 2, доля мирового ВВП, израсходованного на энергетику, сократится к середине столетия вдвое: с 3,6% в 2017 г. до 1,9% в 2050 г. Предпосылки для этого состоят в уменьшении расходов на ископаемое топливо и росте недорогой, эффективной местной электрогенерации из ВИЭ, что приведет к общему сокращению эксплуатационных расходов в энергетической отрасли. Появление недорогой местной энергии полностью скомпенсирует рост значительных текущих капитальных затрат (CAPEX) на развитие электросетей. Это стимулирует массовый переход направления инвестиций от «ископаемой энергетики» к возобновляемым источникам энергии и в развитие локальных энергосетей.

Рис. 2. Мировые затраты на производство энергии как доля глобального ВВП, %.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook

Структура энергопотребления в зданиях

В 2017 г. около 29% мировой энергии потреблялось в секторе недвижимости, причем большая часть использовалась для отопления (см. рис. 3), а около трех четвертей потреблялось именно в жилых зданиях.

Рис. 3. Мировое потребление энергии конечными пользователями в зданиях и жилье, ЭДж/год.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook

В целом энергия в зданиях больше всего расходуется по пяти главнейшим направлениям: для бытовых приборов и освещения, приготовления пищи, охлаждения помещений, отопления помещений и нагрева воды. Энергопотребление, связанное с приготовлением пищи, более характерно для жилых зданий, а не для коммерческой недвижимости.

Другие инженерные системы (например, лифтовое хозяйство, системы безопасности, связи прочее) потребляют намного меньше энергии, и их можно включить в расходование энергии для бытовой техники.

Затраты на повышение энергоэффективности в зданиях обычно имеют короткий срок окупаемости, но строительные компании и те, кто занимается ремонтом, реновацией и модернизацией жилья часто не реализуют их, по меньшей мере, в полном возможном объеме. Поэтому в этом секторе продолжит развиваться тенденция углубления энергоэффективности.

Развивающиеся страны будут стремиться сократить как сжигание твердой биомассы для приготовления пищи, так и использование нефтепродуктов в быту (например, керосина).

В основе перехода к разумному энергопотреблению лежат совместная эволюция роста жизненного уровня, электрификации и улучшения использования биоэнергии, что в итоге и является смыслом перехода на более экологически чистое топливо, а это, в свою очередь, в огромной мере повлияет на замедление разрушительных климатических изменений.

По мере продвижения глобального прогресса, для многих людей на планете улучшатся условия проживания, что можно выразить в росте площади капитальных зданий. В свою очередь, увеличение площади станет одним из наиболее важных факторов увеличения спроса на энергию в строениях, в том числе для отопления и охлаждения.

Бытовая техника и освещение

Подсектор бытовых приборов и освещения (см. рис. 3) охватывает все: от ламп для чтения, зарядных устройств для компьютеров и смартфонов до холодильников и стиральных машин с сушилками, и прямое потребление электроэнергии этими устройствами будет продолжать увеличиваться.

Несмотря на повышение энергоэффективности бытовых приборов и устройств для освещения, исторические данные свидетельствуют о том, что с ростом ВВП на душу населения растет и количество электроэнергии на человека, используемой для бытовых приборов и освещения. Для людей с более низкими доходами этот сдвиг потребления может произойти, когда располагаемый доход достигнет уровня, достаточного, чтобы позволить себе иметь, скажем, стиральную машину вместо стирки одежды вручную, посудомоечную машину или телевизор. На другом конце шкалы потребления увеличенный доход может проявиться через покупку мощной домашней развлекательной аудио-видео системы или подсветку крыльца на всю ночь.

Потребность в энергии благодаря приборам, установленным в коммерческих зданиях, также увеличивается во всех регионах планеты, хотя и с разными темпами. Вырастет также потребление электроэнергии центрами обработки данных и компьютерами, которые вместе составляли в 2017 г. около 4% спроса на электроэнергию в коммерческих зданиях; они будут в среднем ежегодно увеличиваться на 2,5%, достигнув к 2050 г. 1,6 ЭДж/ год, или 5% спроса на всю электроэнергию, потребляемую в коммерческих зданиях. В целом, совокупный спрос на энергию для бытовых приборов и для освещения как жилых, так и коммерческих зданий в период между 2017 и 2050 годами удвоится.

Охлаждение и отопление зданий

В 2017 г. на охлаждение помещений в строительном секторе тратилось лишь 4,6% энергии, но к 2050 г. эта доля увеличится до 11% (рис. 3), примерно поровну распределенной между коммерческой и жилой недвижимостью. Спрос на энергию, потребляемую на охлаждение помещений, формируется за счет:

увеличения рынка кондиционеров, обусловленного повышением уровня жизни и увеличением количества ГДО (градусо-дней на охлаждение), вызванного глобальным изменением климата;
увеличения охлаждаемой площади, связанного с улучшением уровня жизни людей, которые могут позволить себе кондиционирование больше и дольше;
разработок в области теплоизоляции ограждающих конструкций, снижающих потери холодного воздуха из зданий наружу;
улучшением эффективности самих кондиционеров.

Когда увеличение рынка кондиционеров достигнет среднего показателя >86% по всему миру, тогда произойдет превышение экономии потребляемой энергии из-за улучшения теплоизоляции и повышения эффективности охлаждающего оборудования. Результатом этого станет увеличение энергопотребления на охлаждение на 10,5 ЭДж/год с 2017 по 2050 гг. (рис. 4). Это состоится за период 2017-2050 гг., несмотря на повышение эффективности охлаждающей техники в среднем на 71% и снижение потерь энергии на 17% из-за улучшенной теплоизоляции.

Рис. 4. Влияние на изменение мирового потребления энергии для охлаждения помещений, ЭДж/год.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook

Отопление помещений видится более зрелым видом потребления с точки зрения проникновения на рынок и имеет более значительный потенциал повышения эффективности, чем сектор охлаждения в зданиях. Чтобы понять изменение динамики потребности в энергии для отопления помещений, нужно сделать различие между конечной потребляемой энергией и полезной (эффективно используемой) энергией.

Конечная энергия – это энергия, содержащаяся в энергоносителе, используемом для целей отопления. То есть, это количество поступающей (фактически затрачиваемой) энергии для использования на отопление зданий.

Полезная энергия – это количество тепла, полученное после всех потерь при преобразовании энергии ресурса в тепло и его распределение в здании.

Представьте себе жилой дом, в котором для отопления помещений используется газовый котел. Конечная энергия – это энергосодержание природного газа, приобретенного у местной газопоставляющей компании; полезная энергия – это тепло, которое поступило в квартиру или комнату от радиаторов и других тепловыделяющих устройств после потери в котле, трубопроводах и на самом отопительном приборе. Сужение цветной полосы (см. рис. 5) показывает рост эффективности использования энергии на разные нужды.

Рис. 5. Потери тепла: фактическое и полезное потребление энергии конечными пользователями, ЭДж/год.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook

К 2050 г. из-за увеличения населения и отапливаемой площади спрос на полезную энергию для отопления помещений будет продолжать расти. Два других фактора, уменьшающих эту тенденцию, – это улучшение теплоизоляции и уменьшение количества дней отопления из-за климатических изменений, которые снижают потребность в полезном тепле на 13% и 6% соответственно.

Соотношение полезной и конечной потребности в энергии показывает среднюю эффективность установленного отопительного оборудования. Эта эффективность широко варьируется в зависимости от технологии производства тепла: от <10% для традиционного открытого сжигания древесины до >300% для тепловых насосов. В связи с постоянным совершенствованием отдельных технологий и переходом к технически и экономически более эффективному оборудованию, средняя эффективность отопления помещений возрастет с, примерно, 59% в 2017 г. до >90% в 2050 г. (рис. 5). А, следовательно, снизится глобальный конечный спрос на энергию для отопления помещений с 50 ЭДж/год в 2017 г. до 44 ЭДж/год в 2050 г, при этом такая тенденция будет более или менее равномерной по разным регионам планеты.

Подготовка горячей воды

Потребление горячей воды на человека сильно варьируется по всему миру.

В развитых регионах резервуары с горячей водой часто используются непрерывно для удовлетворения различных потребностей, от ежедневного душа до стиральных и посудомоечных машин. В некоторых менее развитых странах вода нагревается по требованию неэффективными методами и используется только для основных нужд. Что касается жилых зданий, то ВВП на душу населения является самым значительным фактором, определяющим спрос на горячую воду на человека; более холодный климат также стимулирует использование. Потребность в водонагревании коммерческих зданий занимает около 10% от общей конечной энергии, используемой для нагревания воды.

В целом, спрос на полезную энергию для нагревания воды вырастет с 9,4 ЭДж/год в 2017 г. до 14 ЭДж/год в 2030 г. (пик глобального спроса на энергию), и до 20 ЭДж/год в 2050 г. (рис. 5). Средняя эффективность нагревания воды увеличится с 50% в 2017 г. до 59% в 2030 г., достигнув 78% к 2050 г.

Приготовление пищи

Потребность в энергии для приготовления пищи определяется главным образом количеством домохозяйств, но среднее число человек на домохозяйство также играет свою роль. Средний размер домашнего хозяйства в мире в настоящее время составляет около 3,5 человека.

Типичная семья (3,5 чел.) для приготовления пищи нуждается в 2,1 ГДж полезного тепла в год, при средней глобальной энергоэффективности для приготовления пищи 15%. Ожидается, что к 2050 г. средний размер домохозяйства уменьшится до 2,4 чел., что снизит потребность в полезной энергии для приготовления пищи на одно домохозяйство до 1,8 ГДж/год. Учитывая это в оценке глобального спроса на полезную энергию дляприготовления пищи, получается, что между 2017 – 2050 гг. полезное энергопотребление на эти цели в целом вырастет с 4,5 ЭДж/год до 7,0 ЭДж/год, рис. 5.

Хотя в 2017 г. на приготовление пищи приходилось 25% мирового конечного спроса на энергию в жилых зданиях, ожидается, что к 2050 году его доля сократится до уровня ниже 16% из-за значительного повышения эффективности процессов. Пока же во всем мире 31% населения использует традиционные методы приготовления пищи, сжигая биомассу (отходы животного происхождения, древесный уголь, дерево) с эффективностью около 5-10%. Это включает в себя около 2 миллиардов человек, большинство из которых расположены в странах Африки к югу от Сахары и на Индийском субконтиненте. К 2050 г. число тех, кто неэффективно использует первичную энергию для приготовления пищи сократится на 56%, и данный эффект усилится по мере перехода с угля на газ или с газа на электричество, что будет происходить повсюду в мире.

Смесь энергоресурсов

Если проанализировать структуру энергопотребления в зданиях, то ее можно разделить на две большие группы конечного использования:

охлаждение помещения вместе с приборами и освещением, которые используют электричество;
и конечное использование, связанное с отоплением (обогрев помещения, подогревание воды и приготовление пищи), на что сейчас расходуется энергия из диверсифицированных источников – смесь энергоносителей.

Для многих регионов мира источником энергии для охлаждения помещений, приборов и освещения является электричество из общей электросети. За исключением стран Африки южнее Сахары и Индийского субконтинента, более 90% людей уже могут получить доступ к такому источнику энергии. Для тех двух регионов, где электрическая нагрузка мала и стоимость подключения к сети высока из-за больших расстояний, будут экономически целесообразными автономные солнечные фотоэлектрические системы. Это относится главным образом к приборам и освещению, а не к охлаждению помещений.

Тем не менее, в 2050 году мировой спрос на солнечные фотоэлектрические системы достигнет уровня 520 ТВт•ч, удовлетворяя потребность в энергии для охлаждения помещений, бытовой техники и освещения на 45% для стран Африки, южнее Сахары, и 9% потребности стран Индийского субконтинента.

Электрификация и уменьшение распространенности неэффективного использования биомассы – два масштабных изменения, повлияющие на спрос на другие энергоресурсы, используемые в зданиях. Изменения, в первую очередь, затронут традиционные методы приготовления пищи и нагревания воды. К 2050 г. люди, не имеющие доступа к современной кулинарии и методам экономичного нагревания воды, будут составлять всего 9% населения мира.

Сокращение использования биомассы для отопления помещений, нагревания воды и приготовлении пищи путем сжигания в неэффективных приборах или на открытом пламени костра, в основном сопровождается увеличением потребления электричества и прямого солнечного нагрева, то есть солнечными водонагревателями (рис. 6). Это не означает, что каждый, кто отказывается от использования биомассы, немедленно перейдет на электричество; многие перейдут на природный газ, что сделает его крупнейшим источником энергии для этих трех составляющих конечного потребления, связанного с теплом.

Рис. 6. Использование солнечной термальной энергии в зданиях по регионам, 1980- 2050 гг., ЭДж/г.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook

Солнечные водонагреватели используются как в жилых, так и в коммерческих целях, начиная от подачи горячей воды и нагревания бассейнов, и заканчивая отоплением помещений. При поддержке правительства и устоявшихся ноу-хау в разработке и установке солнечных фототермальных вакуумных панелей, сейчас Китай, например, занимает 70% мирового рынка солнечных водонагревателей. Ожидается, что в период до 2050 г. получение тепловой энергии от солнечных водонагревателей в мире примерно удвоится, в основном благодаря их применению на континентальном Китае, в Северной Америке, Европе, на Индийском субконтиненте, а также на Ближнем Востоке и в Северной Африке (см. рис. 6).

Водород также вскоре проявится в качестве нового источника энергии для конечного использования, связанного с получением тепла. Особенно это станет характерно для зданий в четырех регионах (Северная Америка, Европа, Большой Китай и в развитых странах Тихоокеанского региона), где имеющиеся газораспределительные сети для природного газа, делают транспортировку водорода жизнеспособной альтернативой (рис. 7) и дополняют возможности увеличения использования электричества и прямого солнечного тепла в «энергетической смеси».

Рис. 7. Использование водородных технологий в зданиях по регионам мира, 1980-2050 гг., ЭДж/г.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook

Итоговый прогноз

На рис. 8 показаны данные мирового конечного потребление энергии в зданиях за период 1920- 2050 гг. по видам энергоресурсов, ЭДж/год. Виден очевидный сдвиг в сторону применения ВИЭ из-за электрификации, однако он не будет тотальным. Это объясняется тем, что во главе угла будет поставлена экономическая целесообразность – например, там, где уголь, древесина или нефтепродукты окажутся дешевле и доступнее, они продолжат активно применяться.

Рис. 8. Мировое конечное потребление энергии в секторе недвижимости по видам энергоресурсов, 1980-2050 гг., ЭДж/год.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook

Подводя итоги экспертной оценки Energy Transition Outlook 2019 от аналитической группы DNV GL, опубликованной в сентябре этого года, можно выделить пять основных моментов.

1. Нынешний уровень технологий может обеспечить достижение экологических показателей и остановить мировое потепление на уровне +1,5°С, но только при строгом выполнении странами своих обязательств на национальном уровне в соответствии с Парижским соглашением. Сейчас ситуация иная.

2. Трансформация глобальной энергетической модели на ВИЭ произойдет довольно быстро, в течение смены одного поколения, при этом:

доля электроэнергии в структуре конечного спроса более чем удвоится по сравнению с сегодняшним уровнем;
к 2032 г. половина легковых автомобилей, проданных по всему миру, будет электромобилями;
потребление нефти резко упадет после 2030 г., но спрос на газ продолжает расти;
лишь к 2050 г. потребление природного газа в глобальном энергетическом балансе стабилизируется на уровне 29%.

3. При нынешнем подходе к выполнению национальных экологических обязательств по Парижскому соглашению, прогнозируется, что:

глобальные выбросы, связанные с энергетикой, достигнут максимума только в 2025 году;
к 2050 году выбросы парниковых газов не уменьшатся настолько, чтобы глобальное потепление упало до уровня существенно ниже + 2°C.

4. Глобальное использование энергии достигнет пика потребления к 2030 г.:
пик потребления энергии станет поворотным моментом, после чего темпы роста энергоэффективности будут опережать темпы глобального экономический роста; благодаря развитию возобновляемых источников электрификация станет основной причиной снижения стоимости энергии.

5. Энерготранзиция на ВИЭ оправдана и выгодна. Благодаря ей весь мир будет тратить все меньшую долю ВВП на энергию, при этом инвестиции для дальнейшего ускорения перехода на новую энергетическую модель экономики планеты будут продолжать увеличиваться, вытесняя устаревшие технологии.

Мы на пороге эпохальных изменений энергетической модели. В свое время переход на угольную экономику вызвал появление паровых машин и «техническую революцию», что повлекло изменения феодального уклада и появление буржуазного строя. Внедрение в угольную энергетику повсеместного использования нефтегазового топлива вызвало революцию на транспорте и последующее широкое распространение летательных аппаратов тяжелее воздуха. Нынешняя энерготранзиция с «ископаемой энергетики» на ВИЭ обязательно изменит и стиль жизни, и повлечет существенные изменения в экономике всей планеты. И все это произойдет буквально на наших глазах.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!