Интелигентни топлоснадбителни мрежи

Tемата за интелигентното топлоснабдяване обхваща областите, свързани с отоплението с енергия, получена от възобновяеми енергийни източници, използването на решения за съхранение на топлинна енергия, повишаването на енергийната ефективност от гледна точка на доставка и потребление, прилагането на информационни и комуникационни технологии в сектора, както и интегрирането с други енергийни мрежи.

Топлопреносните мрежи от ново поколение са оптимизирани чрез използването на съвременни топломери и топлинни подстанции, които могат да осъществяват мониторинг и управление на енергията през интернет или чрез цифрови радио технологии.

От потребителска страна, в системите за гореща вода и радиаторите, също се изисква прилагането на иновативни устройства, като например радиаторни помпи с променлива скорост. Тези системи, снабдяващи с топлинна енергия предимно жилищни сгради и райони, предоставят възможност за разграничаване на флуктуациите в потреблението и мрежовите условия - с други думи те изравняват пиковете в консумацията, без да се нарушава чувствително комфорта на потребителите.

Това позволява стабилизиране на потреблението на ниво мрежа, подобряване на енергийната ефективност и редуциране на топлинните загуби. Първите топлоснабдителни мрежи, оборудвани с интелигентни топломери и топлообменници, вече са внедрени основно в жилищния сектор в Швеция, Дания и Германия. С непрекъснатия процес на реновиране на сградния фонд и свързаната с него инфраструктура се очаква ръст в изграждането на интелигентните мрежи за топлинна енергия.

Интелигентните топлоснабдителни мрежи управляват доставката на топлоенергия чрез използването на технологии за съхранение на топлина съвместно с подходящи системи за обмен на информация. Тези системи балансират енергията с настоящото потребление, като отчитат наличната съхранена енергия, отпадната топлина от индустрията, топлинната енергия от когенерационни централи, чието количество варира в зависимост от консумацията на електроенергия, и слънчевата топлина.

Бъдещото развитие в областта е свързано с оптимизация на системите за управление, подобряване на топлоснабдяването чрез интегриране на възобновяема и отпадна енергия, използването на усъвършенствани технологии за съхранение и прилагането на тригенерация (комбинирано производство на електроенергия и енергия за отопление и охлаждане).

Нискотемпературно централно отопление

Следващият етап в развитието на традиционното топлоснабдяване е внедряването на нискотемпературно централно отопление, използващо като топлинен носител основно пара и гореща вода.

Наблюдаваните тенденции за подобряване на енергийните характеристики на сградите допринасят за намаляване на потреблението на топлинна енергия, което води до увеличаване на относителните загуби при разпределението и понижаване на икономическата ефективност на конвенционалните мрежи.

Най-доброто решение за справяне с този проблем е намаляването на температурата на подаваната топлина до около 30-50 °C, което ще позволи свеждане на топлинните загуби при разпределение до минимум. Тези нива са напълно достатъчни за постигане на комфортна стайна температура в жилищни и административни сгради с подходящи отоплителни системи.

Първите проекти за понижаване на температурата в съществуващи и нови системи за централно отопление вече са демонстрирани в Дания и Швеция. Досега при опитите за реализация на концепцията в други държави често се появяват инфраструктурни или законодателни бариери. Развитието в тази насока е свързано с преминаването от отопление с енергия от изгаряне на изкопаеми горива към възобновяеми източници.

ВЕИ, енергия от отпадъци и излишна топлинна енергия

Освен изкопаеми горива, за генериране на топлинна енергия за интелигентните мрежи могат да се използват няколко вида възобновяеми източници:

• биомаса (включително биогаз), изгаряна в топлоцентралите или когенерационни инсталации;

• слънчева топлинна енергия чрез системи за съхранение на топлина;

• геотермална енергия, посредством големи термопомпи;

• топлина от изгаряне на отпадъци и излишна топлоенергия от когенерационни централи и индустриални сектори, използващи изкопаеми горива.

Топлинната енергия за повечето съществуващи топлоснабдителни системи в Европа се доставя от централи, работещи на изкопаеми горива, или от инсталации за комбинирано производство на топло- и електроенергия. Най-широко използваният възобновяем източник за централно отопление е биомасата, като водещи страни в това отношение са Дания, Швеция, Австрия и Германия.

Системите за отопление със слънчева енергия получават топлина от големи соларни инсталации с обща площ на колекторите над 500 м2. Този метод за топлоснабдяване обаче все още не е много разпространен. За отоплителни цели в Европа се използва едва 1% от инсталираните соларни термални мощности.

Днес голяма част от геотермалната енергия се използва директно за отопление на отделни сгради, както и за няколко централни топлоснабдителни мрежи. Термопомпите със земен източник превръщат геотермалната топлина в полезна топлинна енергия за отопление на помещения или подгряване на вода.

Те могат да бъдат с отворен или затворен цикъл, но досега са използвани за отопление само на еднофамилни къщи и отделни производствени и обществени сгради. Приложението им в топлоснабдителни мрежи се счита за иновативно и бъдещото му развитие зависи от разработването на големи термопомпи и възможности за интегрирането им.

Използването на излишната топлина от енергопроизводството в когенерационни централи за топлоснабдяване е добре развит и относително широко прилаган подход в Северна Европа. Все още не са изготвени оценки на условията и подходящи бизнес модели за внедряването на метода и в другите страни от ЕС.

Интелигентното топлоснабдяване като интегрирана система

Концепцията за топлоснабдителни мрежи като интегрирани системи включва използването на интелигентни топломери и други комуникационни и управляващи устройства с цел оптимизация управлението на потреблението и доставката. Тя изисква и прилагането на решения за краткосрочно и дългосрочно съхранение на енергия, като по този начин ще се подобри работата на когенерационните централи и ще се балансира подаваната от ВЕИ топлинна енергия.

Първите проекти за включването на системи за съхранение на енергия в топлоснабдителни мрежи вече са факт в Дания (Марстал) и Германия (Хамбург). Тези системи използват основно технологиите за съхранение на топлинна енергия във вода в бетонни или стоманени резервоари, над или под земята, или във водоносния хоризонт. Прилагането им зависи до голяма степен от разработването на големи термопомпи, които да служат като свързващо звено между електро- и топлоснабдителните мрежи за временното съхранение на излишна възобновяема топлинна енергия.

Оптимизиране на инфраструктурата

Повечето от съществуващите системи за топлоснабдяване в Европа са изградени преди 30-40 години и се нуждаят от обновяване на инфраструктурата. Този процес е необходим, за да могат да се преодолеят предизвикателствата, свързани с понижението на консумацията, изискванията на нискотемпературното централно отопление и интегрирането с други енергийни мрежи.

За целта са необходими подобрения при тръбите и подстанциите (топлообменниците), използването на нови материали за изолация и съхранение, неинвазивни решения за изграждане и поддръжка на мрежата, както и разработването на интелигентни топломери и управляващи устройства. Изисква се и оптимизация на компонентите за разпределение, най-вече подстанции, в които характеристиките на доставяната енергия се понижават.

Мониторинг

Развитието на интелигентните топлоснабдителни мрежи изисква много добри познания за настоящите и бъдещите тенденции в потреблението на топлинна енергия, потенциала за енергийна ефективност, условията и законодателството на отделните държави. С тази цел в момента се провеждат няколко проучвания, които следят измененията в консумацията.

Те анализират и различни сценарии за това по какъв начин могат да бъдат покрити нуждите от топлинна енергия чрез промени в топлоснабдителните мрежи, тяхната енергийна ефективност и пазарните възможности в ЕС.

Проучванията са съсредоточени и върху мониторинга и симулирането на работата на съществуващите топлоснабдителни системи, което ще спомогне за тяхната оптимизация и интегрирането им в устойчиви енергийни системи. В момента се разработват системи за моделиране при планирането на интелигентни топлоснабдителни мрежи, които ще предоставят възможност за изследване на различни варианти по отношение на разходите за внедряване и различаващите се регулаторни и финансови политики на национално, регионално и местно ниво.

Ползи

Както вече беше отбелязано, интелигентните топлоснабдителни мрежи се отличават от конвенционалните по по-високата си енергийна ефективност чрез използването на топлина от когенерационни инсталации и възобновяеми източници. На база на това могат да бъдат изчислени енергийните спестявания в резултат от интелигентните отоплителни мрежи. Те зависят разбира се от степента на внедряването на тези мрежи в енергийния пазар.

При внедряване от 50% в жилищния сектор могат да бъдат получени следните ползи:

• намаляване на консумацията на първична енергия в ЕС със 7%;

• увеличение на използването на енергия от отпадъци от 105 до 1198 TWh годишно;

• повишаване използването на геотермална топлинна енергия от 2 до 111 TWh годишно;

• нарастване на използването на топлина от соларни топлоцентрали от 0,4 до 55,5 TWh годишно;

• увеличаване използването на отпадна топлина от индустрията от 53 до 219 TWh годишно.

Друга значима полза в резултат от замяната на изкопаеми горива с възобновяеми източници в топлоснабдяването е същественото намаляване на емисиите на въглероден диоксид. При 50% внедряване на интелигентните топлоснабдителни мрежи се очаква спад в употребата на изкопаеми горива с 13% и в генерираните емисии на въглероден диоксид със 17%.

Интелигентните топлоснабдителни мрежи следва да са неразделна част от цялостната енергийна система (градска или международна). Свеждането на пиковите натоварвания до минимум или адаптирането на вариращи енергийни източници може да стане чрез изместване на топлинния товар от дадени сгради към моменти, в които е налична излишна енергия.

Увеличаващият се брой частни и индустриални сгради с излишък от енергия, например от колектори за слънчева топлина или системи за съхранение, обуславя необходимостта от двупосочна свързаност между мрежата и потребителите.