Как тепловые насосы борются с глобальным потеплением (пер. с анг.)

Многие штаты поставили перед собой амбициозные цели по сокращению выбросов париковых газов в попытке достичь целей, установленных Парижским климатическим соглашением. Калифорния хочет устранить углеродный след к 2025, Нью-Йорк стремится полностью урезать выбросы в период с 1990 года до 2050, а Флорида взяла на себя обязательство сократить их на 80% за тот же период времени.

Но если у нас есть хоть какой-то шанс достичь этих целей и предотвратить некоторые из худших последствий изменения климата, нам нужно обратить внимание на наши здания. Здания являются источником 40 процентов выбросов парниковых газов в США, более трети этих выбросов приходится на отопление, охлаждение и вентиляцию. На отопление внутренних помещений приходится десятая часть ежегодных выбросов. Большинство зданий сегодня используют природный газ, нефть или пропан для обогрева, создавая миллионы мелких источников углеродного загрязнения с большим кумулятивным эффектом.

К счастью, этому есть альтернатива: тепловые насосы. Одни забирают тепло из воздуха, другие – из земли, и все они более эффективны и меньше загрязняют окружающую среду, чем громоздкие газовые котлы.

Теплопередача по своей сути энергоэффективнее, чем производство тепла, поэтому тепловые насосы потребляют гораздо меньше энергии, чем обычные котлы. Фактически, все тепловые насосы эффективны более чем на 100 процентов, что означает, что они производят больше энергии в виде тепла, чем потребляют электроэнергии. Между тем, даже особенно эффективный газовый обогреватель может достигать лишь 90 процентов. По этой причине, согласно данным Министерства энергетики США, тепловые насосы могут сократить счета за электроэнергию минимум на 65% по сравнению с традиционными системами ОВКВ.

Поскольку геотермальные тепловые насосы имеют благоприятный температурный градиент: зимой грунт теплый относительно поверхности, а летом прохладный относительно поверхности – они могут быть даже более эффективными, чем насосы с воздушным источником. “Это соломинка, которая всасывает тепло, и это очень, очень эффективно, потому что температура земли постоянна и всегда умеренная”, – говорит Кэти Ханнун, президент и соучредитель компании Dandelion, устанавливающей геотермальное отопление в домах. “Вот почему геотермальные тепловые насосы – самый эффективный способ отопления и охлаждения”. Она говорит, что эффективность геотермальных тепловых насосов составляет от 400 до 500 процентов, обеспечивая в четыре-пять раз больше тепловой энергии, чем вы покупаете электроэнергии.

В ходе одного эксперимента Джефф Спитлер, профессор машиностроения из Университета штата Оклахома, изучающий энергопотребление зданий, установил, что геотермальная система более чем на 60% эффективнее обогревает и охлаждает коммерческое здание, чем тепловой насос с воздушным источником энергии. Он добавляет, что необходимо проводить больше исследований эффективности различных систем тепловых насосов.

Расширение масштабов использования тепловых насосов открывает большие перспективы ограничения выбросов, вызывающих потепление климата. В исследовании 2018 года, подготовленном для Совета по защите природных ресурсов, ученые подсчитали, что переход на тепловые насосы для отопления помещений и нагрева воды может сократить выбросы от калифорнийских домохозяйств примерно наполовину. Учитывая огромное количество энергии, используемой по всей стране для обогрева и охлаждения домов, переход на тепловые насосы в глобальных масштабах также будет способствовать значительному сокращению выбросов парниковых газов. В “Стратегии глубокой декарбонизации США до 2050 года”, официальном документе от 2016 года, в котором изложены пути выполнения страной Парижского соглашения (до выхода США из соглашения администрацией Трампа), тепловые насосы упоминаются как часть стратегии по сокращению выбросов от зданий. “Геотермальные тепловые насосы используют электроэнергию для обеспечения отопления, охлаждения и нагрева воды в зданиях с более высокой энергоэффективностью, чем обычные системы отопления и кондиционирования воздуха”, – говорит Сяобинг Лю, исследователь геотермальных тепловых насосов в Национальной лаборатории Оук-Ридж. “Даже если мы будем продолжать использовать электроэнергию, вырабатываемую на электростанциях, геотермальные тепловые насосы смогут сократить выбросы, связанные с электроэнергией, благодаря своей эффективности”.

Тепловые насосы также могут решить важнейшую проблему коммунальных систем, основанных на использовании ветра и солнца: непостоянство энергоснабжения, вызванное колебаниями ветра и солнечного света. Лю объясняет, что системы геотермальных тепловых насосов могут быть спроектированы таким образом, чтобы хранить дополнительную энергию в виде тепла под землей, сохраняя ее для тех случаев, когда ветряные мельницы и панели не справляются со спросом на энергию. “Система будет не только нагревать и охлаждать, она может подключаться к сети”, – говорит он. “Таким образом, сеть не будет испытывать скачков от переменного производства энергии”.

В настоящее время 10 процентов американских домохозяйств используют тепловые насосы, большинство из которых – воздушные. Геотермальные тепловые насосы составляют всего один процент рынка ОВКВ.

В исследовании 2017 года Лю и его коллеги определили основные препятствия для увеличения этой доли рынка. Наиболее значимым из них является высокая стоимость. В коммерческих помещениях геотермальная система может стоить 20,75 доллара за квадратный фут площади здания, а стоимость дома с тремя спальнями, по оценкам Лю, составляет от 9 000 до 15 000 долларов. Это связано с тем, что бурение отверстий в земле для трубопроводов стоит дорого, как и сама система трубопроводов. “Это может быть вдвое дороже обычной системы”, – говорит Лю. “Это самое большое препятствие”.

Кроме того, Лю объясняет, что существует “проблема курицы и яйца” из-за небольшого рынка насосов с наземными источниками энергии. Поскольку инвестиций мало, исследований по улучшению и расширению технологии проводится мало. А поскольку рынок мал, люди не инвестируют в его развитие. “Все новые технологии всегда имеют высокую стоимость”, – говорит он, добавляя, что хотя геотермальные тепловые насосы не являются новинкой, в последние годы было очень мало разработок по этой технологии. “Но они становятся дешевле благодаря усовершенствованию”. Кроме того, существуют “мягкие затраты” на просвещение потребителей и обучение подрядчиков работе с тепловыми насосами.

Хотя движение все еще малочисленно, несколько компаний начали решать эти вопросы. Ханнун из компании Dandelion Energy говорит, что им удается снизить первоначальные затраты, по сути, объединив то, что раньше было отдельными операциями – бурение и водопровод – в одну. Без такой компании, как Dandelion, домовладельцу пришлось бы работать с несколькими подрядчиками, чтобы выполнить установку. Это похоже на то, как солнечная энергетика стала дешевле после того, как стала отдельной профессией, объединив навыки кровельщиков и электриков, чтобы создать единые компании, которые могли бы предоставлять весь комплекс услуг. Компания Dandelion также предлагает финансирование, и Ханнун говорит, что типичный домовладелец в Нью-Йорке платит 135-140 долларов в месяц в течение 20 лет за установку геотермальной системы, которая прослужит 25 лет. На северо-востоке это зачастую меньше, чем домовладельцы платят за топливо для отопления, поэтому их ежемесячные расходы на обогрев снижаются после установки, после чего они платят только за небольшое количество электроэнергии для работы теплового насоса.

Частные коммунальные компании, которые уже эксплуатируют подземные системы для природного газа, также могут сыграть свою роль в переходе на электрическое отопление и охлаждение. В штате Массачусетс радиостанция WBUR недавно сообщила, что некоммерческая организация по борьбе с изменением климата Home Energy Efficiency Team работала с местным коммунальным предприятием, чтобы рассмотреть вопрос о замене устаревших газовых линий на геотермальные трубопроводы. Теперь коммунальная компания предложила три пилотных проекта для тестирования “сетевой системы”, в которой они управляют трубами под землей, а домовладельцы и предприятия владеют собственными тепловыми насосами в зданиях. Такая система может снизить затраты для владельцев недвижимости и упростить подключение к геотермальному отоплению и охлаждению.

Однако в большинстве мест сейчас по-прежнему дешево и легко использовать природный газ для отопления. Например, в Нью-Йорке коммунальные службы обязаны подключать дома в радиусе 100 футов от газопровода бесплатно для домовладельца. “Если вы представляете собой новую технологию, трудно конкурировать с бесплатной”, – говорит Ханнун. “Мы должны изучить политику, которая действует сегодня, и убедиться, что мы стимулируем то, что хотим”.

При наличии государственных стимулов и политики, а также большего объема инвестиций и подготовки рабочей силы, тепловые насосы имеют большое будущее, чтобы помочь нам достичь целей по сокращению выбросов СО2. Ханнун, со своей стороны, считает, что мы находимся в начале революции. “Я основала компанию Dandelion три года назад, и даже за то время, что она существует, мы увидели огромные изменения”, – говорит она. “Поэтому я чувствую, что движение набирает обороты”.

Источник: https://www.popsci.com/story/environment/heat-pumps-emissions-climate-change/ .