Мерч AW-Therm інтернет магазин

Энергонезависимость зданий и декарбонизация тепла. Активные технологии

Бабаджанян Аркадий Аршавирович к.ф.-м.н., Бабаджанян Аршак Аркадьевич

Объекты строительства и здания – крупнейший потребитель энергии в ЕС – именно поэтому уделяется особое внимание данному критически важному сектору в долгосрочной стратегии Европейской Комиссии по сокращению выбросов парниковых газов. В Украине эта доля намного выше, и необходимость сокращения потребления энергии в зданиях и сооружениях стоит еще острее. Меры по теплоизоляции или пассивные технологии, требующие громадных средств и времени, безусловно, важны, тем не менее, кардинально сократить, а до 2050 г. «обнулить» потребление первичной энергии по силам лишь благодаря ускоренной имплементации активных технологий

Часть 1. Что происходит?

Объекты строительства, здания и сооружения потребляют для отопления примерно 40% общей генерации энергии и эмитируют около 36% выбросов CO2 в ЕС. В Украине этот процент намного выше, т. к. удельная теплозащита зданий в 3 раза хуже среднеевропейской. В домохозяйствах ЕС только на отопление и горячую воду приходится 79% общего конечного потребления энергии; около 70% населения ЕС живет в частных жилых домах, а «энергетическая бедность» затрагивает в ЕС 50 млн. человек (Евростат). В Украине же основная часть населения имеет низкий уровень доходов и отягощена существенными коммунальными платежами. Это охватывает 6,5 миллионов домохозяйств, примерно 100 тыс. жилых многоэтажных домов и примерно столько же коммерческих, общественных и промышленных зданий.

Европейские цели

ЕС стремится к созданию устойчивой, конкурентоспособной, безопасной и декарбонизированной энергетической системы к 2050 году. В рамках «Европейского Зеленого Соглашения» («European Green Deal») Еврокомиссия анонсировала в марте 2020 г. первый европейский закон о климате, который закрепит цель по «нейтрализации климата» к 2050 году [1]. Для достижения этой цели Еврокомиссия с государствами-членами пересматривают и разрабатывают меры, направленные на достижение долгосрочной цели Парижских соглашений по климату и по выбросам парниковых газов (GHG), а также «обезуглероживанию» строительного фонда к 2050 г., где уже в 2030 г. предполагается двукратное уменьшение выбросов парниковых газов (40% относительно уровня 1990 г.). Предполагается довести этот показатель до 50-55% в рамках «Зеленого соглашения». К 2050 г. Еврокомиссия декларировала намерение о сокращении выбросов парниковых газов в секторе отопления / охлаждения (H&C) зданий на 80-95% от уровня выбросов 1990 г. Вся тепловая энергия ЕС, а это около 50% всей вырабатываемой энергии, к 2050 г должна быть получена из возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Эта цель – декарбонизация тепла – согласована в рамках обновленной директивы ЕС 2019 г., а сам показатель с 2021 г. будет расти на 1,3% каждый год в соответствии с объявленными целями развития ВИЭ. Для реализации «Зеленного соглашения» и дополнений к нему (включая корректировку в связи с нейтрализацией последствий пандемии COVID-19), ЕС выделяет бюджет в триллионы Евро [2].

Первый шаг – термомодернизация

Вызов всестороннего отказа от применения углеводородных источников энергии не может быть преодолен без надлежащей термоизоляции жилых, общественных и промышленных зданий. Строительный сектор сегодня критически важен для декарбонизации европейской экономики к 2050 г., что особо отмечено директивой EPBD о массовой термомодернизации существующих жилых зданий ЕС, которая устанавливает уже к 2020 г. достижение уровня «пассивного» стандарта для новых домов – удельное теплопотребление 15-30 кВт·ч/м2 ·год, а к 2050 г. – «почти нулевое» (NZEB) энергопотребление для всех зданий [3].

По европейским данным, доведение теплопотребления здания с 60 кВт·ч/м2 ·год до «пассивного» стандарта потребует в центральной Европе увеличения бюджета строящегося здания на 5-15%. По оценкам EC [4], климатические цели Европы, намеченные на 2030 г., могут быть достигнуты лишь привлечением инвестиций в размере до €200 млрд. в год только на строительные материалы и увеличением объема модернизированных зданий на 3% в год, а не на 1%, как сейчас.

Согласно климатическим целям до 2050 г. энергетика ЕС станет полностью возобновляемой (100% ВИЭ), а к 2030 г. доля ВИЭ должна составлять 32% – и это, прежде всего, солнечная PV-энергия. Сразу отметим, что в долгосрочной стратегии (LTS) Европейской комиссии ЕС солнечная тепловая энергия (Т-энергия) не занимает центрального места, а декарбонизация тепла основана на энергоэффективных мероприятиях, основным из которых становится строительный стандарт NZEB, или стандарт «декарбонизации» ЕС, т.е. совершенная пассивная теплозащита строительного фонда и «электрификация» тепловой части.

PV-энергетика – драйвер энергетической трансформации

Энергетический переход на ВИЭ в ЕС и мире «совершит глобальную социально-экономическую революцию 2050 г.» (SWC-19). Из-за своей конкурентоспособности солнечные PV-системы станут доминирующим источником выработки электроэнергии в ЕС по всем сценариям энергетического перехода. PV-энергия обеспечит наибольшую долю мощности, достигнув 4,7-8,8 ТВт в 2050 г.; с 2040 года солнечная PV-энергия будет представлять наибольшую долю генерации, а к 2050 г. она достигнет в разных сценариях от 50% до 80% общего производства энергии. К 2050 г. другой опорой энергетического перехода станет энергия ветра, на которую, в зависимости от сценария, будет приходиться 28-33% генерации или 1,1-1,9 ТВт мощности.

Прогноз Bloomberg New Energy Finance 2018 [5] прогнозирует небольшое увеличение спроса на электроэнергию в Европе (ЕС, Исландия, Норвегия и Швейцария) с 3454 ТВт·ч в 2017 г. до 3566 ТВт·ч в 2030 г., а дальнейшее наращивание выработки электроэнергии к 2050 г. будет обусловлено замещением ВИЭ PV-энергией – наиболее дешевым видом ВИЭ.

В случае, если солнечных PV-установок окажется недостаточно, то в силу низкой стоимости по сравнению с другими технологии ВИЭ для обеспечения необходимого количества «чистого» электричества этот пробел должны заполнить ветроустановки на суше и в море. Тем не менее, предполагается, что в 2030 г. наземные ветровые установки уже будут занимать долю более 350 ГВт и любое дальнейшее их увеличение будет проблематичным.

Согласно долгосрочной стратегии (LTS) Европейской комиссии, доля электрического отопления на 2050 г. составит 22-44% в жилом секторе и 44-60% в сфере услуг, остальное придется на ВИЭ. Другие исследования показывают, что электричество удовлетворит 35-75% конечной потребности населения в отоплении, а такие авторитетные организации как IEA и финский университет LUT рассматривают в своем совместном докладе и «ускоренный» сценарий – вплоть до 100% «электрификации» отопления.

В структуре мирового производства энергии (рис. 1) и, в частности, электроэнергии ВИЭ обеспечивают более 26% на 2017 год, но только 10% энергии, используется для отопления и охлаждения. Многие факторы способствуют более медленному использованию ВИЭ в отоплении, охлаждении и на транспорте, см. рис. 1. Эти секторы по-прежнему существенно зависят от ископаемого топлива, которое во многих странах хорошо субсидируется.

Изображение потребление энергии по секторам Рис. 1. Возобновляемая энергия в общем конечном энергопотреблении, по секторам, 2016 г. Источник [6]

Кроме того, политические усилия, направленные на развитие этих секторов, были недостаточными по сравнению с электроэнергетикой. По состоянию на 2018 год только 20 стран имели регулирующую политику в отношении ВИЭ в теплоснабжении, по сравнению со 135 странами, которые имели регулирующую политику в отношении ВИЭ в электроэнергетике [6]. По оценке IRENA, доля ВИЭ в установленной мощности мировой электроэнергетики по итогам 2019 года достигла 34,7% и превысила 2500 ГВт.

Солнечная генерация на крышах

Распределенные солнечные фотоэлектрические (PV) системы на домах, коммерческих зданиях и промышленности продолжат ускоренный рост установленной мощности, что приведет к значительным изменениям в энергосистемах. Быстрый рост способности потребителей вырабатывать собственную электроэнергию открывает новые возможности и создает проблемы для поставщиков электроэнергии и политиков во всем мире. Прогнозируется, что по основному сценарию развития мощности распределенных PV-станций в среднесрочной перспективе увеличится на 320 ГВт, что составляет почти половину от общего роста PV-мощности и сопоставимо с приростом наземных ветряных станций, см. рис. 2.

Изображение рост мощности ВИЭ Рис. 2. Рост мощности возобновляемой энергетики в период 2019-2024 по технологиям. Источник – IEA, 2019 г.

На рис. 2 представлены данные статистики и прогноз на среднесрочную перспективу Международного энергетического агентства (IEA) о росте мощности ВИЭ в период 2019-2024 г., по технологиям, где выделена доля распределенных PVстанций среди всей PV-генерации.

В мире, согласно прогнозу IEA [7], количество солнечных крышных систем на домах уже к 2024 г. увеличится более чем вдвое и составит около 100 млн. единиц – благодаря усовершенствованной политикой поддержки, более низким инвестиционным затратам и относительно быстрой имплементации, однако это составит всего 6% имеющегося мирового технического потенциала, как видно ниже на рис. 3.

Изображение общая установленная мощность распределенных PV-установок Рис. 3. Общая установленная мощность распределенных PV-установок, прогноз и потенциал в мире. Источник – IEA, 2019 г.

Страны самостоятельно стремятся задействовать пока неиспользованный потенциал PV-крыш. Министерство энергетики Израиля сообщило о решении выделить $1,85 млрд на развертывание по всей стране солнечных панелей совокупной мощностью 2 ГВт. Основная часть этих денег будет направлена на предоставление льгот обычным домовладельцам, устанавливающим PV-панели на своих крышах, что охватит около 100 тыс. крыш. Австралия в марте 2020 г. предоставила $10 млрд. на стимулирование своей экономики, выделив существенно увеличенные субсидии для компаний, устанавливающих PV-панели на крышах своих зданий.

При этом в IEA прогнозируют, что более всего вырастет применение распределенных промышленных/коммерческих PV-станций, см. рис. 4. Здесь очевидна экономия инвестиций от масштабного фактора, плюс лучшее соответствие между производительностью PV-систем и местным спросом на электроэнергию в коммерческих/промышленных целях за счет более высокого уровня самопотребления на этих объектах. Экономия на счетах за покупную электроэнергию в этом сегменте распределенной генерации будет больше, чем в жилом секторе считает IEA.

Изображение рост распределенной PV-генерации Рис. 4. Рост распределенной PV-генерации по направлениям. Источник – IEA, 2019 г.

Европейская Комиссия более жестко изложила инициативу «Волна реновации», нацеленную на установку солнечных крыш в ЕС [1] в принципиальном плане «Зеленое соглашение», имеющим ключевое значение для солнечной энергетики ЕС. Недавний доклад Объединенного исследовательского центра (JRC) Европейской Комиссии о преимуществах и потенциале солнечной энергии на крышах демонстрирует, что использование потенциала крышных PV-систем Европы будет иметь к 2050 г. ключевое значение для достижения климатически нейтральной Европы [8].

В настоящее время в ЕС в год монтируется чуть менее 100 тыс. PV-крыш для жилых зданий. Чтобы избежать худшего сценария изменения климата, предлагается увеличить их установку до ≥3 млн. в год. Всего в ЕС оборудованы PV-модулями <10% доступного пространства крыш, общая установленная мощность которых составляет около 80 ГВт. Тем не менее, по данным ЕК, рентабельный потенциал солнечных PV-панелей на крышах существующих зданий в ЕС огромен. По оценкам JRC [8], он составляет 680 ТВт·ч/год или 25% от потребляемой электроэнергии, и это будет занимать несколько десятков миллионов крыш. Наконец, к 2050 г. солнечные PV-модули должны быть установлены на каждой подходящей крыше, чтобы все граждане стали активными потребителями именно PV-энергии.

В ЕС ведутся исследования по разработке общеевропейского инструмента пространственного высокоточного анализа существующих зданий для количественной оценки потенциала фотоэлектрических крыш. Чтобы решить эту проблему, был разработан [8, 9] геопространственный метод, использующий для количественного определения доступной площади крыш, подходящих для установки PV-систем, современную пространственную информацию о строительном фонде ЕС с учетом изменения инсоляции в зависимости от широты и времени года.

Чтобы обеспечить надежную оценку технического потенциала для производства электроэнергии PV-системами на крышах, по всему ЕС комбинируются спутниковые и статистические источники данных с машинным обучением и с пространственным разрешением не хуже, чем 100 м. Система оценивает приведенную стоимость электроэнергии (LCOE) с использованием параметров конкретной страны и сравнивает ее с последними ценами на электроэнергию для домашних хозяйств в данной местности. Результаты показывают, что крыши ЕС могут потенциально производить 680 ТВт·ч солнечной электроэнергии в год (что составляет 24,4% от текущего потребления энергии), две трети из которых по стоимости окажутся ниже, чем нынешние тарифы для населения.

В целом же, PV-энергия в быту в большинстве регионов мира уверенно становится дешевле, чем нынешняя цена за электричество из общей сети, см. рис. 5.

Изображение стоимость электроэнергии (LCOE) на распределенных PV-станциях Рис. 5. Приведенная стоимость электроэнергии (LCOE) на распределенных PV-станциях сравнительно с розничной ценой электроэнергии для населения от общей сети.Источник – IEA, 2019

Энергостратегия Украины – узаконенное отставание

Энергетическая стратегия Украины до 2035 г. изложена в распоряжении Правительства от 18 августа 2017 г. «Безпека, енергоефективність, конкурентоспроможність», где ВИЭ к 2035 г. будут составлять 25% всей выработки электроэнергии в 195 ТВт·ч, а 75% придется на ископаемые ресурсы, в основном газ и атомная энергия. Планы до 2020 г. предусматривали достижение 11% электрогенерации из ВИЭ, однако фактически достигнутый уровень на начало 2020 г. не превышает 3,6%, а по оптимистичным экспертным оценкам по итогам 2020 г. может составить 6-7% (без ГЭС и ГАЭС).

В целом PV-генерация на крышах как приватная инициатива домов худо-бедно продолжает развиваться за счет пока еще высокого «зеленного» тарифа (15 июня 2020 года Кабмин уже внес в парламент законопроект № 3658 про реструктуризацию «зеленого» тарифа). По данным «Укрдержэнергоэффективности» прирост PV-станций (СЭС) на крышах частных домов в Украине в последние годы составил 25-30% в год, и к 2020 г. их насчитывается около 24 тыс. (на 6,5 миллионов домохозяйств). Общая мощность СЭС, установленных на украинских крышах, составляет сейчас 618 МВт.

Термомодернизация старых и новых зданий в Украине не имеет целевых установок, т. к. отсутствует законодательно защищенный строительный стандарт удельной минимальной теплозащиты зданий (хотя предполагается его принятие). Посредственно отремонтированные здания с сомнительными характеристиками могут стать упущенной возможностью на десятилетия, отмечают в IEA. Однако именно это практикуется в Украине, где не производится аудит модернизированного здания.

Энергетические аудиты жилых и бюджетных зданий Украины, проведенные в разных регионах, показывают, что удельные теплозатраты существующих зданий находятся в пределах 180- 240 кВт·ч/м2 ·год и выше, что в 3 раза хуже среднеевропейских показателей. Проекты глубокой термомодернизации в Украине даже до уровня 35-45 кВт·ч/м2 ·год для зданий бюджетной сферы имеют срок окупаемости 8-11 лет и, если они еще являются коммерчески привлекательными, то для жилых зданий расчетный срок окупаемости 35-45 лет не интересен для бизнеса и требует огромных финансовых вложений со стороны государства. С 2014 г. года за 5 лет на теплые кредиты из бюджета выделено всего около 3 млрд гривен.

Энергоэффективные мероприятия в зданиях, тем не менее, следует считать как движение в сторону декарбонизации тепла. Министерство Энергетики в 2019 г. огласило достижение Украиной целей Парижских Соглашений по климату лишь к 2070 г.

Активная технология возобновляемой теплогенерации

Солнечная тепловая энергия начала широко использоваться намного раньше появления PVсистем, как пассивным способом (теплоизоляция всего здания, создание буферной полости на фасадах), так и активным – сбор и целенаправленное использование тепла тепловыми (Т-) коллекторами, строительство «на солнце», стеклянных веранд по солнечной стороне.

Гелиосистемы в Украине и мире, использующие воздушные или жидкостные солнечные коллекторы, на сегодня используются в виде частичной поддержки отопления и ГВС, т. к. солнечное круглогодичное отопление считается невозможным из-за низкой солнечной радиации в зимнее время.

Примеры 100% «моно»-технологии отопления зданий (100% RE Building), использующие тепловые насосы «воздух-вода», не могут быть в нынешнем виде предложены для массового применения, т. к. тотальная «электрификация» отопления за счет имеющихся электросетей в нынешних условиях неприемлема ввиду многократного превышения допустимой нагрузки на сеть в пиковые зимние часы, что потребует глубокой модернизации сетевой инфраструктуры. При этом способы управления реактивной мощностью имеют ограничения, и их отдельное применение может быть неэффективным для поддержания напряжения в желаемых пределах. Поэтому примеры 100% ВИЭ отопления здания или района (100% RE Building, 100% RE Districts) [10] совместно используют различные технологии получения тепловой энергии. Здесь вместе задействуются разные ВИЭ-технологии: геотермальная, биомасса, рекуперация тепла от различных процессов преобразования энергии, низкотемпературные отходы, тепловые коллекторы с/без концентрацией солнечной энергии, создание больших теплоаккумулирующих емкостей, использование теплонасосов и центрального отопления 4-го и 5-го поколения с низкотемпературным теплоносителем и т. д.

Охват всех доступных технологий для 100% REотопления – именно этого направления придерживаются в ЕС до 2050 г. В этом случае гибридное использование любого набора технологий для 100% RE отопления/охлаждения существенно повышает капитальные затраты (CAPEX) таких систем, а значит и цену тепловой энергии, рассчитанной по приведенной стоимости LCEO. Все упомянутые выше европейские организации, а также эко-энергетические платформы RHC, EUREC, Bioenergy Europe, EGEC, Solar Heat Europe и EHPA видят успех только в смешении технологий для отопления, предполагая достижение цели 70% RЕ до 2030 г. и 100% RЕ до 2050 г. (программы 100% RE Cities, 100% RE Districts, 100% RE Buildings, 100% RE Industries). Оценка положения в мире на сегодня видна по рис. 1.

Альтернатива электрической экспансии

В отличие от документов Европейской Комиссии, отчетов, прогнозов и дорожных карт от JRC оf ЕU, IEA, IRENA, RHC-ETIP, Solar Heat Europe и др., рассматривающих электрификацию тепловой энергии – решающей компоненты для достижения климатической нейтральности, компания ООО «ASunenergy» предлагает иную парадигму, а именно: решение «100% + SE Buildings» – прямую генерацию тепловой солнечной энергии для полной энергонезависимости здания.

Поскольку любая точка земной поверхности является источником энергии для технологии «100% + SE» (где: 100% есть 100% H&C, «+» – дополнительная электрогенерация, SE – солнечная энергия), которая использует только солнечную «моно»-технологию, то она «априори» является распределенной энергетической системой. Распределенная же энергосистема, как известно, «дает гораздо больший доступ к энергии гораздо большему количеству людей и оказывает гораздо большее влияние на то, как производится и используется их энергия, что ведет как к установлению «энергетической справедливости», так и к восстановлению и улучшению окружающей среды во всем мире» [1], причем решение «100%+ SE Buildings» масштабируемо и быстро окупаемо.

Суть инновации «100% + SE Buildings» в том, что для 100% RE отопления зданий, предлагается использовать солнечную тепловую энергию рассеянной солнечной радиации в течении всего дня, которая больше, чем прямое излучение зимой и, дополнительно, генерировать электрическую и тепловую энергию в солнечные часы с помощью масштабного гелиопокрытия всей поверхности кровли (возможно и фасадов) вне зависимости от ориентации.

Рассеянная солнечная радиация достигает до 75% от средней дневной радиации декабря с 30-ю солнечными часами для г. Киева. Для центральной и южной Европы поток суммарной радиации несравнимо выше – среднесуточная дневная радиация декабря в Центральной Европе в два раза выше, чем в г. Киев, причем, в зависимости от географии района, больше и число солнечных дней. В северных странах ЕС месячная доля рассеянной радиации декабря доходит до 95%.

Поэтому инновация «100% + SE Buildings» уже сейчас применима для географического региона, который охватывает всю Европу.

(Продолжение следует)

Литература:
[1] The European Green Deal, Brussels, 2019, COM (2019) 640 final. www.eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/ TXT/?qid=1588580774040&uri=CELEX:5201 9DC0640
[2] The EU budget powering the Recovery Plan for Europe, 27 May 2020. www.ec.europa.eu/info/ sites/info/files/factsheet_1_en.pdf
[3] Филиппиду Ф., Хименес Наварро Дж. И Сэйлз Агут С., Журнал SETIS: Энергоэффективность зданий, Издательский офис Европейского Союза, Люксембург, 2019, JRC №118104.
[4] COMMISSION STAFF WORKING DOCUMENT, SWD (2016) 405 final.
[5] Bloomberg, New energy Outlook 2018, New Energy Finance (2018).
[6] REN21- RENEWABLES 2019 GLOBAL STATUS REPORT. www.ctc-n.org/sites/www.ctc-n.org/files/ resources/gsr_2019_full_report_en.pdf
[7] Renewables 2019, IEA. Market analysis and forecast from 2019 to 2024, October 2019. www.iea.org/reports/renewables-2019.
[8] K. Bódis, T. Huld, I. Pinedo Pascua, N. Taylor, A. Jäger-Waldau. Technical potential of rooftop photovoltaics in EU member states, regions and cities. - JRC Technical Report, JRC №110353, European Commission (2017).
[9] K. Bódis, I. Kougiasa and etc. A high-resolution geospatial assessment of the rooftop solar photovoltaic potential in the European Union. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.114, October (2019). [10] www.euroheat.org/wp-content/ uploads/2019/08/RHC-ETIP_District-andDHC-Vision-2050.pdf

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі AW-Therm. Підписуйтесь!

Просмотрено: 2 201

Вас может заинтересовать:



Оставьте комментарий

Telegram