Тепловые насосы уменьшают выбросы парниковых газов
Есть все основания полагать, что при всеобщей борьбе с выбросами углекислого газа тепловые насосы станут основой отопительных систем. Однако их применение будет зависеть от политической воли, финансирования и технологических инноваций.
Одним из основных вопросов, которые обсуждались в 2021 году на конференции ООН по климатическим изменениям COP26, стали соглашения о сокращении выбросов парниковых газов. Была поставлена цель — не допустить повышения температуры планеты более, чем на 1,5 °C. Основа для достижения этой цели — стимулирование инвестиций в возобновляемые источники энергии и постепенный отказ от ископаемых видов топлива. Технология тепловых насосов также рассматривается в качестве эффективного способа снижения выбросов углерода. Некоторые специалисты даже полагают, что тепловые насосы смогут изменить экологическую ситуацию не меньше, чем электромобили.
Преимущество тепловых насосов состоит в том, что они используют тепло из таких возобновляемых источников энергии, как воздух, вода, недра и промышленные тепловые отходы, при этом не производя непосредственных выбросов парниковых газов. Промышленные тепловые насосы и тепловые насосы в системах центрального отопления часто используют отработанное тепло пищевой, целлюлозно-бумажной, химической и нефтехимической промышленности, а также нефтеперерабатывающих заводов, цементного и кирпичного производства, и даже крупных компьютерных центров и центров обработки данных, которым требуются значительные мощности для охлаждения.
Отказ от ископаемого топлива и переход на выработку электроэнергии из возобновляемых источников имеет дополнительное преимущество в виде роста эффективности использования возобновляемой тепловой энергии. К тому же потребление электроэнергии становится более гибким, что, в свою очередь, повышает устойчивость работы энергосистемы.
Согласно прогнозам, тепловые насосы станут основной технологией отопления как в промышленности, так и в быту. Международное энергетическое агентство полагает, что при помощи тепловых насосов можно будет удовлетворить до 90 % мировых потребностей в отоплении помещений и горячем водоснабжении. В 2021 г. эта цифра была лишь 3–5 %. При этом менее 10 % тепла в мире поступало из возобновляемых источников.
Планы внедрения тепловых насосов
Как указано в стратегии ЕС по интеграции энергетических систем, по прогнозам Европейской комиссии, к 2030 г. 40 % жилых и 65 % коммерческих зданий будут отапливаться электричеством, что потребует монтажа 50 млн тепловых насосов. Великобритания тоже имеет амбициозные планы в отношении тепловых насосов — к 2028 г. планируется устанавливать по 600 000 тепловых насосов в год для отопления домов, школ и больниц.
В связи с глобальным стремлением к переходу на «зелёную» энергию технологию тепловых насосов неизбежно ждёт бурное развитие. В период с 2021 по 2027 гг. предполагается рост рынка промышленных тепловых насосов более, чем на 10 %. Рынок тепловых насосов для центрального отопления будет расти с уровня 2020 г, составляющего 450 млн долларов США (396 млн евро), с совокупными годовыми темпами роста в 7 % в период с 2021 по 2026 гг.
Стандартные варианты применения промышленных тепловых насосов
Инвестиции — проблемы и решения
Преимущество тепловых насосов состоит в том, что они получают тепло из целого ряда возобновляемых источников
Инвестиции — один из ключевых факторов в развитии отрасли тепловых насосов. Для достижения нулевых выбросов — цели, поставленной ЕС, — в течение десятилетий потребуются ежемесячные инвестиции в размере не менее 200 млн евро (свыше 227 млн долларов США). По оценкам, необходимые глобальные инвестиции к 2050 г. только в возобновляемые источники тепла для промышленности (солнечная, тепловая и геотермальная энергия, биомасса и переход на электрическое отопление, включая тепловые насосы) составят 3,7 трлн евро. 65 % от всей суммы приходится на внедрение электрического отопления.
Кроме того, электроэнергия дороже нефти и газа на таких рынках, как США, и дороже угля на таких рынках, как Китай. Это тоже препятствует росту, даже несмотря на экологический ущерб.
Технические препятствия
Помимо вышеперечисленных трудностей, существуют и чисто технические препятствия, особенно в случае установок высокой мощности, применяемых в промышленных и централизованных системах теплоснабжения. Один из примеров — использование аммиака в крупных тепловых насосах систем центрального отопления. Аммиак обеспечивает очень высокую термодинамическую эффективность, но сокращает срок службы подшипников в оборудовании.
Для теплоснабжения в промышленности требуются более высокие температуры, чем для бытового отопления. Чтобы достичь температур выше 100 °C (например, от 150 до 300 °C), необходимо преодолеть ряд технических и экономических препятствий.
Более высокие температуры вызывают проблемы со смазыванием и термодинамикой процессов, а КПД таких тепловых насосов относительно низок. В тепловых насосах применяются специальные хладагенты с большей химической активностью и коррозийностью, а высокие рабочие температуры предъявляют повышенные требования к материалам, уплотнениям и подшипникам.
Многообещающее будущее
Многие компании, в том числе и SKF, уже разрабатывают концепции, технологии и стратегии, которые помогут сделать тепловые насосы основой систем промышленного отопления. Институт низкоуглеродных технологических процессов Немецкого аэрокосмического центра (DLR) уже разработал образцы насосов, способных подавать тепло с температурой 500 °C.
Компания Envola GmbH выпустила первый тепловой насос со встроенными баками, что делает его одновременно экономичным и экологичным. Ещё один важный шаг — внедрение автоматизированных систем управления работой насосов. Они обеспечивают баланс спроса и предложения тепла и оптимизируют всю систему по потреблению электроэнергии, профилям нагрузки и эксплуатационным расходам.
Тепловые насосы станут сердцем экологичного будущего нашей планеты. Темпы внедрения этой технологии зависят от политических решений и финансирования, подкреплённых поддержкой промышленности.