Отопление и охлаждане с възобновяема енергия

Необходимостта от ефективно отопление и охлаждане, базирано на възобновяеми енергийни източници, е сред основните приоритети на държавите, стремящи се към изпълнение на поетите ангажименти съгласно Парижкото споразумение относно изменението на климата и постигане на заложените за 2030 г. цели за устойчиво развитие. В същото време преходът към по-чисти и устойчиви решения за отопление и охлаждане предлага възможности за привличане на значителни по размер инвестиции, създаване на нови работни места и дълготрайно икономическо възстановяване след кризата с COVID-19.

Потребностите за отопление и охлаждане отговарят за около половината крайна енергоконсумация в световен мащаб. Близо 50% от този енергиен дял се използват в индустриални процеси, докато 46% се употребяват в жилищни и търговски сгради – за отопление на помещения и подгряване на вода, в по-малка степен и за готвене. Останалата част от енергията се използва в земеделието, не само за отопление на оранжерии, но и за сушене, аквакултури и др. Повечето от тази енергия се получава или от изкопаеми горива, или от неефективно използване на биомаса. Вследствие на това отоплението и охлаждането са процеси, допринасящи в значителна степен за замърсяването на атмосферния въздух и отделянето на над 40% от свързаните с енергетиката емисии на въглероден диоксид.

Очаква се енергийните потребности за отопление и охлаждане да продължат да нарастват. По отношение на охлаждането този показател се е повишил три пъти от 1990 г., като поради увеличаващите се брой и сила на предизвикваните от климатичните промени горещи вълни има все по-голяма нужда от осигуряване на възможност за климатизация и замразяване.

Въпреки ползите от използването на възобновяема енергия за отопление и охлаждане, се обръща малко внимание на политиките, необходими за ускоряване на прехода към тези по-устойчиви технологии. В края на 2019 г. само 49 държави – повечето в рамките на ЕС – имат зададени национални цели за отопление и охлаждане с енергия от ВЕИ.

Директно използване на соларна топлинна енергия

Ползите от директната употреба на соларна енергия за отопление и охлаждане са многостранни. Технологиите в тази област могат да се използват както за централизирани системи, така и за областни топлофикационни мрежи и децентрализирани приложения. Соларната топлинна енергия може да се използва за отопление на оранжерии и процеси на стерилизация и сушене в хранително-вкусовата индустрия, като това допринася за ограничаване на загубата на продукция и позволява значително редуциране на времетраенето и необходимата площ за сушене.

Соларното охлаждане предлага отлична възможност за декарбонизиране на климатизацията на помещения, особено като се има предвид, че най-голямото потребление на енергия за климатизация съвпада с най-високия соларен потенциал. Така се намалява натоварването на електрическите климатици в периодите с пиково потребление през летните месеци.

През последните години глобалният капацитет на мощностите за директно използване на соларната топлинна енергия нараства с постоянен темп от 171 GWth през 2009 до 479 GWth през 2019 г., съответстващи респективно на 244 и 648 млн. кв. м площ от инсталирани колектори. Установено е, че през 2019 г. отоплението със соларна топлина възлиза на 389 TWh. Основното ограничение за широкото прилагане на технологиите за соларно отопление е големият размер на първоначалните разходи, особено в сравнение с доказаните решения, работещи на ток или газ. Други предизвикателства са липсата на подходяща законодателна рамка, която да гарантира качеството на тези системи и да осигури надеждната им експлоатация, както и тежката процедура по оторизация за инсталиране на нов капацитет. При системите за соларно охлаждане съществуват и технологични ограничения, за чието преодоляване е необходима допълнителна научноизследователска дейност.

Електрификация с възобновяема енергия

Базираната на възобновяема енергия електрификация допринася за бързо и значително намаляване на въглеродните емисии. Оползотворяването на топлината от околната среда например чрез термопомпи позволява високоефективно използване на електроенергия за отопление. В допълнение разходите за генериране на възобновяема енергия продължават да спадат, а изградената инфраструктура може да се използва за рентабилна декарбонизация на отоплението и охлаждането.

Електрификацията на тези процеси може да допринесе и за увеличаване на дела на използваната възобновяема енергия чрез употребата на термопомпи и електрически котли. Преимущество на електрификацията на отоплението и охлаждането е и възможността за регулиране на натоварването и профила на потребление. Отоплителните и охлаждащите услуги, базирани на захранване с електроенергия, могат да бъдат предоставяни чрез централизирани или децентрализирани системи посредством комбиниране на термопомпи с малки покривни фотоволтаични инсталации.

Внедряването на решения за електрификация с възобновяема енергия е възпрепятствано от няколко фактора – по-високи първоначални инвестиции, технологични и законодателни предизвикателства. С електрифицирането на отоплението и охлаждането ще се увеличи натискът върху съществуващата електропреносна и снабдителна инфраструктура. Това важи с особена сила за държави със студени зимни или горещи летни сезони. Проблемът може да се преодолее частично, като се осигури съответствие на оборудването и инфраструктурата с актуалните стандарти за енергийна ефективност, както и чрез промени в поведението на потребителите. В дългосрочен план обаче пиковото потребление ще наложи необходимостта от допълнителни мерки, научноизследователска дейност и инвестиции.

Възобновяеми газове за отопление

Използването на възобновяеми газове – биогаз, биометан и водород, получен чрез електролиза на вода с възобновяема енергия – е нисковъглероден подход за производство на топлинна енергия за индустрията и бита, позволяващ елиминиране на употребата на изкопаеми горива. Те предлагат и алтернатива на електрификацията и прякото и индиректно използване на други възобновяеми източници.

Биогазът е смес от метан, въглероден диоксид и малки количества други газове, която се получава при анаеробно разграждане на органична материя в безкислородна среда. Енергийното съдържание на биогаза варира между долна топлина на изгаряне от 16 и 28 MJ/m3. Биометанът се получава или чрез обогатяване на биогаз, или чрез газификация на твърда биомаса, последвана от метанизация. Биометанът има долна топлина на изгаряне от около 36 MJ/m3 и е с химичен състав, аналогичен на този на природния газ. Това позволява за биометан с малки или никакви модификации да се използват инфраструктурата и оборудването за природен газ на крайните потребители. За производството на зелен водород могат да се използват четири електролизерни технологии – алкална електролиза, мембранна електролиза с протонен обмен, електролизерни клетки с твърд оксид, и мембранна електролиза с анионен обмен. Газификацията или ферментацията на биомаса, последвани от процеси на кондициониране на газа, също могат да доведат до получаването на зелен водород, но тези технологии все още не са разработени за приложение в по-голям мащаб. В газообразна форма водородът има долна топлина на изгаряне от около 10 MJ/m3.

Замяната на големия дял използван природен газ с възобновяеми газове може да редуцира емисиите на парникови газове, да подобри енергийната сигурност и да допринесе за постигане на целите за устойчиво развитие. Предимство е, че за осъществяването на този преход може да се използва съществуващата инфраструктура за природен газ. Процесът обаче е в ранен етап и правителствата и частният сектор трябва да преодолеят икономически, инфраструктурни и технологични предизвикателства, за да може да се увеличи мащабът на внедряване. От ключово значение за реализирането на потенциала на възобновяемите газове за декарбонизация на отоплителния сектор е да се изготвят адекватни политики за подкрепа и да се разработи ефективна пазарна конфигурация.

Разполагането на електролизерна инсталация за производство на водород в точката на индустриално търсене намалява размера на предварителната инвестиция за преносна и разпределителна инфраструктура. Електролизерите са модулни, което означава, че капацитетът им може лесно да бъде адаптиран към енергийните потребности за съответните индустриални процеси. Наличието на възобновяеми енергийни ресурси в близост до промишлените предприятия превръща централизираното производство и използването на разпределителни мрежи в нерентабилни варианти. Ако се налага водородът да изминава големи разстояния преди достигане на точката на потребление, транспортните разходи могат да надвишат тези за получаването му. Затова образуването на клъстери от индустриални предприятия може да допринесе за реализиране на спестявания и подобряване на ефективността от инсталациите за зелен водород. Съвместното използване на инфраструктурата позволява също споделяне на разходите и рисковете.

В стратегиите си предприятията трябва да направят оценка на потребностите от технологична топлина с висока температура и какъв дял от тях може да бъде задоволен с водород. Планирането по сектори ще бъде от ключово значение както за преодоляване на бариерите за внедряване на употребата на водород в индустрията, така и за реализирането на потенциала му в множество промишлени съоръжения – пещи, котли, реактори и др.

Устойчиво използване на биомаса

Биомасата в твърдо състояние може ефективно да се използва за отопление на сгради и получаване на технологична топлина в индустрията. Продължителното приложение на биомаса може да спомогне за редуциране на емисиите на парникови газове, без да нарастват потребностите от нисковъглеродна електроенергия и свързаната с нея инфраструктура. Съоръженията за термично оползотворяване на биомаса могат да отговорят на строгите екологични норми и да осигурят възможност за постигане на висока ефективност и степен на автоматизация особено когато се работи със стандартизирани горива, например дървесни пелети.

В промишлеността биомасата се използва предимно в сектори като хартиено-целулозната и хранително-вкусовата индустрия, като едновременно с топлинната се генерира и електрическа енергия. Причината устойчивата употреба на биомаса за отопление да е най-разпространена в посочените два сектора е, че отпадъците и остатъчните количества от биомаса се генерират на производствената площадка. Особеност на отоплителните инсталации, работещи на биомаса, е изискването за значителна площ за съхранение и манипулиране на горивото.