Тепловые насосы против возобновляемых источников энергии – дилемма для выхода Германии из газовой ситуации
Исследователи изучили вопрос о том, может ли Германия заменить больший объем газа тепловыми насосами, работающими на возобновляемых источниках энергии, или возобновляемой электроэнергией, чтобы сократить часы нагрузки на газовых электростанциях. Авторы утверждают, что тепловые насосы – самый быстрый способ сократить потребление газа в Германии.
Использование новых мощностей возобновляемых источников энергии для питания тепловых насосов или сокращения часов нагрузки газовых электростанций
Изображение: Nature communications earth & environment, Creative Commons License CC BY 4.0
Международная группа ученых выдвинула гипотезу о том, что тепловые насосы, работающие на возобновляемых источниках энергии, могут стать одним из кратчайших путей сокращения импорта российского газа в Германию. Для проверки гипотезы они исследовали, можно ли заменить большее количество газа путем замены газовых котлов тепловыми насосами, работающими на возобновляемых источниках энергии. Они также рассмотрели возможность использования возобновляемой электроэнергии для сокращения часов нагрузки существующих газовых электростанций.
Исследование основывается на сравнении коэффициента эффективности (COP) тепловых насосов с эффективностью газовых электростанций. COP определяется как количество тепла, перемещаемого тепловым насосом, деленное на электрическую мощность, необходимую для его работы. Ученые использовали эффективность газовых турбин комбинированного цикла (CCGT) в качестве эталона, поскольку они обеспечивают основную часть газовой электроэнергии в Германии.
“Их среднегодовая эффективность в 2020 году представляет собой соотношение между выработкой электроэнергии, которая составила 95,0 ТВтч, и потребленным газом, который составил 171,4 ТВтч, что дает 55%”, – сказали они. “Для учета потерь в сетях мы снизили это значение до 50%”.
Для промышленных тепловых насосов, используемых в химической, бумажной и перерабатывающей промышленности, они приняли COP равным 2. Для отопления жилых помещений они взяли COP для “широко продаваемого” теплового насоса “воздух-вода”: GMLW 14 PLUS от немецкого производителя отопительного оборудования Ochsner. Его COP варьируется между 3,4 и 5,3 для нагрева воды до 35 °C. Для нагрева воды до 50 °C и 60 °C, COP составляет 3,1 и 2,8, соответственно, согласно техническому описанию продукта. Академики приняли среднее значение COP 2,5 для теплой воды.
Они смоделировали немецкую электроэнергетическую систему, используя почасовые данные о генерации всех электростанций, ветряных электростанций, децентрализованных фотоэлектрических установок и мощностей хранения электроэнергии в 2020 году – базовом году. Для моделирования выработки электроэнергии в ближайшем будущем они включили дополнительные мощности фотоэлектрических станций, а также наземных и морских ветряных электростанций в соответствии с установками Федерального министерства экономики и защиты климата Германии. Они предположили, что Германия проведет достаточное расширение сети для управления этими дополнительными мощностями.
В модели представлены четыре сценария: сценарий “обычная дорожная карта установщика”, “ускоренный” сценарий, а также “быстрый” и “очень быстрый” сценарии. Результаты показывают, что в период с 2022 по 2024 год новые солнечные и ветровые мощности в основном сокращают часы нагрузки газовых электростанций.
“Наше моделирование с почасовым разрешением показывает, что это происходит потому, что в эти первые годы есть много часов, когда светит солнце и/или дует ветер, но не установлено достаточно ветряных электростанций и фотоэлектрических мощностей, чтобы полностью покрыть спрос в сети”, – говорят исследователи.
Однако в “быстром” и “очень быстром” сценариях тепловые насосы потребляют наибольшую часть новой возобновляемой энергии в период с 2024 по 2030 год. По мнению ученых, они представляют собой самый быстрый способ сокращения импорта газа в Германии.
В “очень быстром” сценарии к 2025 году экономия газа составит около 30%. Это эквивалентно 290 ТВт-ч или 28 млрд. кубометров, учитывая, что в 2020 году Германия импортировала 971 ТВт-ч газа.
“Учитывая, что в 2020 году около 50% газа было импортировано из Российской Федерации, очень быстрый сценарий может сэкономить около 60% этого газа к 2025 году”, – утверждают они.
Сценарии “быстрый”, “ускоренный” и “дорожная карта установщиков” обеспечивают общую экономию газа в размере 22%, 18% и 15% к 2025 году соответственно.
“Сценарии, разработанные здесь для Германии, должны быть скорректированы с учетом специфики других стран, но они предлагают четкие, ощутимые пути снижения волатильности цен и рисков поставок ископаемого газа”, – заключили ученые.
Они поделились своими выводами в статье “Замена газовых котлов тепловыми насосами – самый быстрый способ сократить потребление газа в Германии”, недавно опубликованной в журнале Nature Communications Earth & Environment.