Една от технологиите с потенциал за принос към декарбонизацията и Сценария за нетни нулеви въглеродни емисии до 2050 на Международната енергийна агенция е централизираното топлоснабдяване на градовете.
Системите за централизирано отопление са важна част от декарбонизацията на отоплителния сектор, тъй като позволяват интегрирането на гъвкави и чисти енергийни източници в енергийния микс, което може да бъде предизвикателство на ниво отделна сграда в гъстонаселени градски райони. Въпреки това, макар че много градове вече прилагат нисковъглеродни решения за централно отопление, около 90% от глобалното производство на топлоенергия днес все още разчита на изкопаеми горива. В сценария с нетни нулеви емисии до 2050 г., комбинираният дял на възобновяемите източници и електричеството в глобалните доставки на топлоенергия заедно нараства от 8% днес до около 35% през текущото десетилетие, което помага за намаляване на въглеродните емисии при генериране на топлина с повече от една трета.
Именно с тази тема продължаваме по-детайлното вглеждане в тазгодишния пакет от документи на МЕА от поредицата Tracking Power 2020.
Системите за централно отопление са в експлоатация от края на 1870-те години, предимно в гъсто заселени райони с високо и постоянно търсене на топлина.
Много сгради и промишлени обекти разчитат на централно отопление, вариращи от големи градски мрежи в Пекин, Сеул, Милано и Стокхолм до по-малки мрежи като университетски и медицински кампуси. Системите за централно отопление са важни решения за декарбонизиране на сектора на отоплението в сценария с нетни нулеви емисии до 2050 г. Съвременните мрежи с ниска работна температура могат да интегрират 100% възобновяеми източници за снабдяване на енергийно ефективни сгради, особено в области, където децентрализираните решения не биха позволили директното интегриране на наличните чисти енергийни източници или ефективното им използване, например поради пространствени или инфраструктурни ограничения. Топлофикационните мрежи, работещи с електричество, биха могли също да предлагат услуги за гъвкавост на мрежовите оператори чрез demand response.
Въпреки тези предимства, обаче, потенциалът за централно отопление с ниски въглеродни емисии остава до голяма степен неизползван и бъдещите системи трябва да бъдат преработени, за да се адаптират към различен топлоснабдителен микс и да отговарят на нови условия за доставка на топлина.
Глобалният пазар на централизираното топлоснабдяване расте
Глобалното производство от топлофикациите е 16 EJ топлина през 2020 г., ръст с 30% от нивото от 2000 г. при сумарен годишен темп на растеж от ~1,3% (или 2,4%, ако се нормализира с климатичните условия). Впечатляващият ръст от 2,3% от 2019 до 2020 г. е стимулиран главно от Китай и частично от Корея (7% ръст всяка).
Китай, Русия и Европа са отговорни за повече от 90% от глобалното производство на топлоенергия и следователно влияят критично върху средната въглеродна интензивност на централното отопление.
Китай има най-голям ръст от 2000 г. насам, с повече от четири пъти до 2020 г., и е най-големият производител в света (отговорен за повече от 35% от глобалното производство на централизирана топлинна енергия). Секторът се разраства и в САЩ и Корея, където производството на топлоенергия се разраства бързо, почти удвоявайки се от 2000 г.
Преди доставката част от произведената топлина се губи по време на процеса на топлоразпределение. Много топлофикационни мрежи, работещи днес, разпределят топлината по тръби чрез вода под налягане при температури на подаване над 80°C, като загубите варират от 10% до 30% или повече в най-неефективните системи. Обновяването на съществуващите мрежи и пригаждането им към по-ниски работни температури, подобрената изолация на тръбопроводите и интегрирането на решения за цифровизация намалява значително загубите на топлина, като целевите стойности са под 10%.
Близо 40% от топлината, генерирана в световен мащаб в топлофикационните централи, отива в промишления сектор, което също влияе върху способността на мрежата да намалява температурите на разпределение, тъй като промишлените потребители често изискват високотемпературна топлина. Използването на термопомпи за повишаване на температурите в локалните абонатни станции може да предложи решения в такива случаи.
Китай е начело, с повече от 50% от световната топлоенергия, консумирана в неговия промишлен сектор през 2020 г., спрямо около 34% през 2010 г. За разлика от това, този дял спадна до 24% в Русия, спрямо повече от 40% през 2010 г.
В световен мащаб, топлофикацията доставя сравнително малък дял от топлинната енергия, използвана в сградния фонд, само 8,5% от потреблението на топлинна енергия в сектора – дял, който остава впечатляващо постоянен от 2000 г., като се има предвид, че застроената площ се е увеличила с 65% в същото време. Въпреки това, въпреки че средният дял в световен мащаб е нисък, топлофикациите покриват голяма част от топлината, доставена в сгради в някои европейски страни, като Дания и Швеция (над 45%), както и в Русия (~45%) и Китай (~15%).
Въпреки пазарния ръст, потенциалът на нисковъглеродното централно отопление остава до голяма степен неизползван
Една от главните силни страни на системите за централно отопление е способността им да интегрират няколко енергийни източника, включително отпадна топлина и възобновяеми енергийни източници. Въпреки това, през 2020 г. близо 90% от топлинната енергия в световен мащаб е произведена от изкопаеми горива, предимно въглища (45%), природен газ (40%) и нефт (3,5%), лек спад от 95% им дял през 2000 г.
Делът на въглищата, използвани за генериране на топлоенергия в световен мащаб, скача от 35% през 2000 г. до 45% през 2020 г. благодарение на Китай, който консумира близо 70% от въглищата, използвани за топлофикационни цели в световен мащаб, и практически съставлява целия растеж, базиран на въглища от 2000 г. насам. 2020 г. не е изключение, като потреблението на въглища нараства с 1,3%.
Междувременно делът на природния газ в производството на топлоенергия намалява от 51% през 2000 г. на 40% през 2020 г., а потреблението на петрол е намаляло от 9% на 3,5%.
Използването на електроенергия за централно отопление все още е ниско, под 0,3% през 2020 г. Интересен пример предлагат Хелзинки, който използва отпадъчните си води за захранване на термопомпа за топлофикационната мрежа на града и Виена, използваща електроцентрала за преобразуване на електроенергия от вятърни турбини в топлоенергия за 10 000 жилища.
Делът на възобновяемите енергийни източници и електроенергията заедно трябва да се удвои до 2030 г.
Възобновяемите енергийни източници вече се интегрират в топлофикационния производствен микс, но не в достатъчно големи количества. Те съставляват 8% от вложените енергийни ресурси за централизирано производство на топлоенергия през 2020 г. (главно като биоенергия), което е подобно на 2019 г., но е увеличение спрямо дела през 2015 г. (с 7%) и 2000 г. (с по-малко от 4%).
Основните възобновяеми ресурси с потенциал за използване в системите за централно отопление са слънчевата топлина, геотермалната енергия и биоенергията.
Европа е водеща в използването на възобновяеми енергийни източници за централно отопление, което представлява по-голямата част от глобалната употреба на слънчева топлинна и геотермална енергия и 75% от производството на биоенергия. Много мрежи са интегрирали успешно възобновяеми енергийни източници. Например Силкеборг, Дания, разполага с 110 MWth инсталирана слънчева топлинна мощност, с обем да захранва около 20% от капацитета за централно отопление през 2017 г., докато Мюнхен има няколко работещи геотермални централи (първата от 2004 г.) за общо 40 MWth, и има за цел да премине към 100% топлофикация от възобновяеми източници до 2040 г. Общо повече от 260 широкомащабни слънчеви топлофикационни системи са били в експлоатация през 2020 г. Дания има повече от 120 от тези системи, следвана от Китай с 18.
Понастоящем биоенергията представлява най-голям дял от възобновяемите източници на топлинна енергия, особено за използване като гориво за преобразуване в стари инсталации или в райони с висока наличност на биогорива (например планински райони, богати на биомаса). Например топлофикационните централи бяха преобразувани да използват биомаса и отпадъци в Копенхаген (покриващи повече от 95% от цялата генерирана топлина), както и във Вилнюс, Литва (доставяйки 45% от произведената топлина през 2018 г.).
Приложение TS5 към Програмата за технологично сътрудничество за централно отопление и охлаждане (DHC TCP) – Интегриране на възобновяеми енергийни източници в съществуващи системи за централно отопление и охлаждане – проучва технически решения за интегриране на възобновяеми енергийни източници както в съществуващи, така и в модерни системи за централно отопление.
Отпадната топлина също е важен ресурс, който може да се използва от топлофикационните мрежи. Тя може да бъде получена от промишлени съоръжения и центрове за данни, но също и от нетрадиционни източници като охлаждане в супермаркетите, от канализацията и отпадните води. Текущи проекти запълват празнината в знанията, за да се разбере по-добре потенциалът на този ресурс. Например, проектът MEMPHIS (DHC TCP) се фокусира върху методология за картиране и идентифициране на нискокачествена отпадна топлина на местно ниво, а проектът ReUseHeat демонстрира възпроизводими модели, позволяващи оползотворяването и повторното използване на отпадната топлина, налична на градско ниво.
В сценария с нетни нулеви емисии до 2050 г., комбинираният дял на възобновяемите енергийни източници и електроенергията, използвани в топлофикациите, се удвоява до 2030 г.: производството на възобновяеми източници скача до повече от 20% през 2030 г., почти утроявайки днешното ниво. Делът на електроенергията (с помощта на електрически термопомпи) също нараства до около 12%, докато използването на изкопаеми горива намалява с повече от 40% в сравнение с 2020 г. За привеждане в съответствие с Net Zero сценария, средната въглеродна интензивност, свързана с производството на топлоенергия, трябва да спадне с повече от една трета през следващото десетилетие.
Появяват се иновативни системи и техният потенциал трябва да се използва
По-голяма диверсификация на топлинните източници (особено чрез преминаване от изкопаеми горива към възобновяеми енергийни източници, електричество и отпадна топлина) и интегрирането на широкомащабни термопомпи ще стимулират прехода към по-нискотемпературни и по-гъвкави мрежи за централно отопление – прогрес от трето поколение към това, което се нарича топлофикация от четвърто поколение.
Междувременно концепцията за топлофикация от пето поколение, която се появи през 2015 г., се отнася до комбинирани мрежи за централно отопление и охлаждане, работещи с температурата на околната среда и използващи разпределени термопомпи.
В допълнение към корекциите на мрежата, разгръщането на нискотемпературни топлофикационни мрежи трябва да бъде координирано с подобряването на енергийната ефективност на сградите, тъй като по-добрите енергийни характеристики на сградите са съвместими с по-ниска температура на топлоносителя.
Модернизацията на съществуващите мрежи също е от ключово значение за намаляване на загубите и неефективността и за преминаване към ново поколение системи за централизирано отопление. Поради тази причина проектът KeepWarm, основан от програмата на ЕС Хоризонт 2020, има за цел да ускори модернизацията на топлофикационните системи в Източна Европа и представя няколко казуса от региона. По подобен начин проектът REWARDHeat има за цел да демонстрира ново поколение нискотемпературни мрежи за централно отопление и охлаждане, които ще могат да оползотворяват възобновяема и отпадна топлина, достъпна при ниска температура в градска среда.
Очаква се системите за централно отопление от следващо поколение да допринесат за интегрирането на променливи възобновяеми енергийни източници в енергийните системи чрез увеличаване на ресурсите за гъвкавост чрез използването на големи електрически термопомпи и demand-response, възможен благодарение на мощности за съхранение на топлина. Автоматизираните контроли могат да се използват и за премахване на пикове, намаляване на изискванията за инсталиран капацитет и оптимизиране на цялостните мрежови операции. Например, като част от процеса на модернизация, топлофикационната система на Болцано, Италия, въведе система за управление, която намалява общите загуби на енергия с до 5%.
Тестват се и иновативни концепции за пълно използване на отпадната топлина, дълбочинни геотермални технологии и интегриране на мрежите за отопление и охлаждане. Например, възстановяването на топлината от метростанциите е проучено в Лондон и Торино. Появяват се и нови дълбочинни геотермални решения, като системата Eavor със затворен контур, които не изискват пропусклив водоносен хоризонт.
Появяват се и решения за интегриране на топлофикационните и охладителните мрежи. Компресорите без масло в термопомпи и охладители правят тези технологии по-конкурентоспособни за такива приложения.
От 2009 г. се прилага наградата Global District Energy Climate Award, за да се идентифицират най-добрите практики и иновации в топлофикационния сектор. Сред получателите за 2019 г. бяха система в Брауншвайг, Германия, която получи наградата Нова схема за използване на отпадна топлина от център за данни; система в Каунас, Литва, която получи наградата за модернизиране на мрежата; и системата за централно отопление Barredo Colliery в Миерес, Испания, която получи наградата за развиващи се пазари за въвеждане на иновации в използването на геотермална енергия. Все още се събират кандидатурите за 2021 г.
Политическата подкрепа и инициативи варират значително в различните страни
За внедряването на централното отопление често основен стимул са ползите, които то може да предложи само по себе си (енергийна ефективност, намалено замърсяване на въздуха и околната среда и т.н.), както и различни национални/локални политически рамки.
Националните политики са от основно значение за разширяване на внедряването на топлофикационните системи и за подкрепа на действията на местните власти. Политиките, които предизвикват по-голямо навлизане и модернизация на централното отопление, са свързани с: безвъзмездни средства, субсидии и стимули за възобновяеми източници (както в Европейския съюз); данъци за изкопаеми горива, замърсители и въглерод (разпространени в скандинавските страни и Китай); енергийни и отоплителни планове/стратегии (като Енергийната пътна карта на ЕС до 2050 г.); интегрирането на централното отопление в енергийните стандарти за сгради (съгласно концепцията за сгради, пригодени за нулеви въглеродни емисии); регулиране на тарифите (както в Армения и Дания); и цели за задължителен дял на възобновяеми източници (както във Финландия).
В Китай Планът за чисто зимно отопление в Северен Китай (2017-2021) определя мерки, които също оказват влияние върху производството на топлофикационния сектор. През юни 2020 г. Дания подписа План за климата за зелен сектор на отпадъците и кръгова икономика, за да регулира как отпадъците ще помогнат за постигане на целта за намаляване на емисиите на парникови газове със 70% под нивото от 1990 г. до 2030 г. Като мярка за възстановяване от кризата с Covid-19 Дания също въведе финансиране за реновиране на социални жилища, което включва подмяна на стари бойлери на нафта с топлофикационни системи или термопомпи. Междувременно през 2021 г. Канада започна консултация за национална оценка на инфраструктурата, за да съпостави състоянието на своята инфраструктура с ключовите приоритети на страната. Тя също така въведе нов стандарт за измервателни уреди за топлинна енергия през 2021 г. (CSA C900:21), за да регулира дизайна на топломерите. В Обединеното кралство правителството предложи Green Network Fund, за да помогне на новите и съществуващите мрежи да поемат нисковъглеродни технологии през 2022-2025 г.
Хармонизирането на националните и местните политики също е необходимо за напредъка на централното отопление. Местните политики могат да включват предварително планиране за интегриране и координиране на инвестициите в инфраструктура (например в Берген, Норвегия) или синхронизиране на ремонта на сгради с разширяването на централната топлофикационна мрежа (както в Хонконг). Други примери включват цели за възобновяеми енергийни източници или отпадна топлина (както в Копенхаген), цели за разширяване на централизираното отопление (както в Хелзинки), политики за присъединяване към топлофикационните мрежи (както във Фландрия, Белгия) или по-широки цели за намаляване на въглеродните емисии или потреблението на изкопаеми горива (както във Виена).
Препоръчани действия:
Изпълнение на политически цели в подкрепа на създаването на пазарни условия
Заедно с по-широките политически цели, целите, свързани конкретно с централното отопление (например цели за навлизане на топлофикация, цели за интегриране на възобновяеми енергийни източници и субсидии за оползотворяване на отпадна топлина) са важни за стимулиране на прехода към ефективни мрежи.
За да се поставят такива цели, осъзнаването на текущото и бъдещото търсене и ресурси на топлинна енергия е от основно значение за оценка на потенциала за централно отопление. Енергийното картографиране е от ключово значение и проекти като Heat Roadmap Europe предоставят ценни знания в подкрепа на топлинните стратегии и определяне на национални цели. Освен това изграждането на капацитет за енергийно и инфраструктурно картографиране на местно ниво би позволило на напреднали практики за градско планиране да интегрират енергетиката, инфраструктурата и териториалното планиране. Например, разходите за изкопни работи за централните енергийни системи могат да бъдат споделени с други проекти за изграждане на инфраструктура, а разширяването на централното отопление може да се координира с ремонта на сгради.
Ускоряване на иновациите за модернизиране на централното отопление
Изследванията и развитието на иновативни технологии (като иновативни дълбочинни геотермални кладенци, нови проекти на тръбопроводи, усъвършенствани системи за контрол и измерване, изолационни материали и оптимизационни решения за термопомпени системи) за нискотемпературно централно отопление е от решаващо значение за използване на пълния му потенциал.
Необходими са и изследвания на ниво търсене (сграден фонд) за по-нататъшно интегриране на местното производство на топлинна енергия на базата на възобновяеми източници и повишаване на ефективността на сградните абонатни станции, топлообменници и разпределителни системи.
Необходими са също така финансови и правни схеми за подпомагане на възможно най-ефективното внедряване на нисковъглеродно централно отопление.
Подобрени възможности за системна интеграция
Разработването на демонстрационен проект може да бъде полезно за дефиниране на конфигурации за оценка на опциите за гъвкавост. Дигитализацията може да бъде полезен инструмент за този процес, не само защото може да оптимизира мрежовите операции и да увеличи максимално интегрирането на възобновяемите енергийни източници, но и защото улеснява поддръжката на системата.
По-широкото разпространение на свързаните с отоплителната система измервателни уреди и усъвършенствани, базирани на данни, системи за управление, помага да се балансират моделите на производство и потребление.
Системите за съхранение на топлина също са необходимост, за да се даде възможност за краткосрочна и дългосрочна гъвкавост. Струва си да се използва потенциалът за съхранение на самата мрежа, както и децентрализираното съхранение на ниво потребител.
Чрез разделяне на наличността на възобновяема енергия от времето, когато тя е необходима, съхранението на топлинна енергия дава възможност за свързване на сектора на електропроизводството със секторите отопление/охлаждане. За да се оползотворят пълноценно междусекторната (сгради, промишленост и производство на топлинна и електрическа енергия) и между услугите (отопление и охлаждане) синергии, интегрираното инфраструктурно планиране, както и оперативната съвместимост трябва да бъдат доразработени и тествани.
Подобреното сътрудничество, прозрачност и комуникация между заинтересованите страни от различни енергийни сектори е основно условие, за да накара всички сектори да се развиват към по-висока интеграция, например чрез стандартизирани системи за наблюдение, протоколи за споделяне на данни и платформи за сътрудничество.
