С ростом счетов за электроэнергию многие люди заинтересованы в отказе от ископаемого топлива, которое в настоящее время используется для обогрева большинства домов в Великобритании. Вопрос в том, как это сделать, т. Маргарет Харрис объясняет,
Глубоко под каменными плитами средневековой церкви Батского аббатства безмолвно дает о себе знать современное чудо с древним уклоном. Завершенный в марте 2021 года, аббатство система отопления сочетает трубы под полом с теплообменниками, расположенными на семь метров ниже поверхности. Там канализация, построенная почти 2000 лет назад, ежедневно переносит 1.1 миллиона литров воды температурой 40 °C из природного горячего источника в комплекс древнеримских бань.
Подключаясь к этому потоку теплой воды, система обеспечивает достаточно энергии для обогрева не только аббатства, но и прилегающего ряда коттеджей в георгианском стиле, используемых под офисы. Неудивительно, что настоятель аббатства назвал его «устойчивым решением для обогрева нашей красивой исторической церкви».
Но это еще не все. После того, как были предприняты усилия по обезуглероживанию отопления аббатства, официальные лица в Проект Bath Abbey Footprint стоимостью 19.4 млн фунтов стерлингов обратили внимание на электричество в доме. Как и большинство церквей, аббатство тянется с востока на запад, поэтому его крыша выходит на юг. В северных широтах Великобритании такие крыши большую часть дня залиты солнечным светом, что делает их идеальными для солнечных фотоэлектрических (PV) панелей. Глостерский собор, расположенный в часе езды к северу от Бата, уже воспользовался этой благоприятной ориентацией, став в 2016 году первым крупным древним собором в Великобритании, в котором солнечные батареи установлены на его крыше.
Чтобы выяснить, подходит ли подобная установка в Батском аббатстве, проект Footprint работал со студентами докторантуры в Университете Бата под руководством Центр докторантуры (CDT) в области новой и устойчивой фотоэлектрической энергетики. В технико-экономическом обосновании, опубликованном в Энергетика и инженерия (2022 10 892), студенты подсчитали, что хорошо спроектированный массив фотоэлектрических панелей может обеспечить 35.7% электроэнергии аббатства, плюс 4.6%, которые могут быть проданы обратно в сеть в дни, когда образуется излишек. Массив окупит себя примерно через 13 лет и принесет общую прибыль в размере 139,000 12,000 ± 25 XNUMX фунтов стерлингов за XNUMX-летний срок службы.
Домашние истины
Установка солнечных батарей на крыше Батского аббатства пока остается просто идеей. «Это жизнеспособный вариант на будущее — когда придет время», — говорит директор проекта Footprint Натан Уорд. Но для многих людей по всей Великобритании — простых домовладельцев, а также хранителей известных зданий — время действительно начинает выглядеть очень неотложным. Из-за российского вторжения в Украину, сильного мирового спроса на газ и различных местных факторов цены на энергоносители выросли до беспрецедентного уровня.
В прогнозах, опубликованных в августе консалтинговой компанией Cornwall Insight. отсчитывается что средняя британская семья могла бы тратить 355 фунтов стерлингов в месяц на энергию в январе 2023 года, если бы ситуация не изменилась. Гарантия цен на энергию правительства Великобритании, было объявлено в сентябре, при условии некоторого облегчения путем субсидирования счетов за электроэнергию. Тем не менее, в период с октября 2021 г. по октябрь 2022 г. максимальная цена за единицу, которую поставщики энергии могут взимать с британских домохозяйств значительно увеличилось, повысившись с 7 пенсов до 10.3 пенсов за киловатт-час (кВтч) для газа и с 21 до 34 пенсов за кВтч для электричества.
банный физик Элисон Уокер, которая является директором CDT, говорит, что статья ее команды в то время была скорее гипотетическое предположение, чтобы показать, что аббатство серьезно относится к сокращению своего углеродного следа. Теперь, однако, «стоимость энергии выросла так резко, что если вы производите свою собственную энергию, она может стать намного дешевле и менее подвержена колебаниям цен на энергию, которые мы испытали в этом году», — говорит она.
Для домовладельцев, которые хотят сократить свои счета за электроэнергию, углеродный след или и то, и другое, солнечные панели являются одним из самых простых и дешевых способов сделать это. Солнечные панели на основе кремния — это зрелая технология, их цена резко упала за последние 10 лет, а установка массива на крыше занимает всего несколько дней. Но из-за того, что государственная поддержка солнечных установок больше недоступна для домовладельцев, первоначальные затраты являются барьером для многих, а у установщиков длинные списки ожидания.
Хуже того, солнечные панели подходят не для всех жилых помещений ни по техническим причинам, ни из-за внешнего вида. «В Великобритании мы очень внимательно относимся к эстетике зданий», — говорит Майк Уоллс, физик из Университета Лафборо. Центр технологий возобновляемых источников энергии. «Есть некоторые здания, особенно старые, на которые люди не ставили бы солнечные батареи, потому что они некрасиво выглядят или не вписываются в общий вид». Руководитель проектов Глостерского собора Энн Крэнстон отмечает, что ее команда должна была доказать, что панели будут «настолько «незаметными», насколько это возможно», прежде чем планирующие органы примут их.
В любом случае установка нескольких фотоэлектрических панелей на крышу сама по себе редко освобождает домохозяев от зависимости от ископаемого топлива. Очевидно, что Солнце ночью не светит, а средняя прямая нормальная инсоляция — мера энергии Солнца на единицу площади — для северной Европы не превышает нескольких кВтч/мXNUMX.2. Таким образом, даже в самые солнечные зимние дни типичная британская фотоэлектрическая батарея на крыше не будет производить достаточно энергии для обогрева дома под ней, как я обнаружил, когда в феврале у меня дома были установлены солнечные панели (см. врезку «Один дом за раз»). »).
Если солнечные батареи не являются исчерпывающим решением, домохозяева, которые хотят покончить (или, по крайней мере, уменьшить) свою зависимость от ископаемого топлива, и которым не хватает удобного римского горячего водоснабжения Батского аббатства, должны найти другие решения. Один из вариантов — избавиться от традиционных газовых котлов и заменить их альтернативными системами отопления. Действительно, в рамках обещания правительства Великобритании достичь нулевых выбросов углерода к 2050 году, начиная с 2025 года, установка газовых котлов в новых домах в Великобритании будет незаконна. Но работы по модернизации существующих помещений продвигаются медленно. Итак, как мы собираемся «озеленить» жилищный фонд Великобритании?
Сохранение тепла в
Дома в Великобритании теряют тепло в среднем в три раза быстрее, чем дома в других европейских странах.
Эксперты, с которыми я говорил для этой статьи, были едины в одном: все было бы намного проще, если бы дома были лучше утеплены. «На самом деле, ответ — изоляция, изоляция и еще раз изоляция, потому что это, безусловно, лучший способ снизить затраты на энергию», — говорит Уокер. «Эффективности на самом деле не уделяется должного внимания», соглашается Зои Робинсон, профессор устойчивого развития Кильского университета.
Цифры отрезвляют. А 2020 Исследование Компания Tado°, занимающаяся технологиями интеллектуального отопления, обнаружила, что дома в Великобритании теряют тепло в среднем в три раза быстрее, чем дома в других европейских странах. Используя данные, полученные от 80,000 20 клиентов по всей Европе, аналитики Tado° пришли к выводу, что дом в Великобритании, нагретый до 0 °C в день с нулевой температурой, теряет в среднем три градуса через пять часов, когда отопление выключено, по сравнению с одним градусом. на дом в Германии.
Эти плохие показатели частично связаны с возрастом жилищного фонда Великобритании. Но Лори Питер, эксперт из Бата по использованию солнечной энергии для производства топлива, говорит, что проблема распространяется и на новые дома. «Сменявшие друг друга правительства струсили с точки зрения правил строительства домов», — утверждает он, добавляя, что это верно как для общего углеродного следа дома, так и для его энергопотребления. «Мы все еще более или менее там, где мы были в викторианские времена с точки зрения строительства домов и изоляции, что, честно говоря, позор».
Из-за такого сочетания старых зданий и нестрогих правил половина из 28.5 миллионов домов в Англии имеют такую же изоляцию стен, как Батское аббатство, то есть не имеют никакой изоляции. Чаще встречается двойное остекление, но по данным 2020–2021 гг. Обследование английского языка, 14% английских домов до сих пор его не имеют. Хуже того, темпы модернизации упал со скалы. В 2012 году примерно в 2.3 миллиона домов были установлены новые чердаки, полые стены или сплошные стены, но это число упало до менее 200,000 XNUMX в год после того, как правительство заменило успешную программу модернизации стимулами, которые оказались менее эффективными.
Один дом за раз
Я живу в семье с двумя физиками, поэтому, когда мы заменили наш газовый котел тепловым насосом и установили солнечные панели на крыше, мы, естественно, относились к установке как к научному эксперименту, результаты которого мы можем отслеживать с течением времени. Будем ли мы использовать меньше энергии? И не повлияет ли это на наши счета?
Наш эдвардианский кирпичный дом с террасами относительно эффективен для своего возраста, с окнами с двойным остеклением и изоляцией чердака и пустотелых стен. Тем не менее, переход на тепловой насос требовал подготовки. Измерив наши комнаты и окна, установщики (местная сантехническая фирма, занимающаяся тепловыми насосами в качестве побочной работы) подсчитали, что нам понадобится тепловой насос мощностью 8 кВт, новый высокоэффективный бак для горячей воды и более длинные радиаторы двойной ширины в каждая комната.
Высокий спрос поставил монтажников в сжатые сроки, поэтому, когда они предложили нам место в середине января, мы согласились, даже несмотря на то, что это означало отсутствие отопления до двух недель (это было бы сложнее для домохозяйств с маленькими детьми или людьми с ограниченными возможностями). ). Высокий спрос и проблемы с цепочкой поставок также задержали установку солнечных панелей до февраля. Но как только модернизация была завершена, все заработало прекрасно, как показывает этот график энергопотребления дома с января 2021 года по август 2022 года.
Тепловой насос начал работать 19 января. В оставшуюся часть зимы и в начале весны среднесуточное потребление энергии в нашем доме (синяя линия) было примерно вдвое меньше, чем за тот же период в 2021 г. (обратите внимание, что набор данных за 2021 г. записывался еженедельно). Солнечные батареи, установленные 2022 февраля, имели меньший эффект, отчасти потому, что нехватка места и бюджета для батарей означала, что часть электроэнергии экспортировалась в сеть (зеленая линия), а не использовалась в доме (розовая линия). Дом также продолжал импортировать электроэнергию (оранжевая линия) по вечерам, в пасмурные дни и в периоды повышенного спроса. Тем не менее, к концу весны и началу лета среднесуточное производство панелей обычно превышало среднесуточное потребление дома — обнадеживающий результат.
Финансовые выгоды менее очевидны. Электричество в Великобритании поступает из различных источников, включая возобновляемые источники энергии, газ, ядерную энергию и (реже) уголь, но цены на электроэнергию привязаны к самому дорогому источнику (в настоящее время газ). Цены на электроэнергию в Великобритании также включают экологические налоги, которые не применяются к газу, несмотря на более высокую экологическую стоимость последнего. Таким образом, хотя наш дом потребляет меньше энергии, энергия, которую он продолжает импортировать, значительно дороже, чем газ в пересчете на единицу. Помогает продажа электроэнергии от солнечных батарей, а также субсидия на тепловые насосы в рамках программы поощрения за использование возобновляемых источников тепла правительства Великобритании (в настоящее время закрытой), но эта часть проблемы, в конечном счете, связана с политикой, а не с физикой.
Перекачка тепла
Помимо обременения домовладельцев более высокими счетами за электроэнергию и увеличением выбросов углерода, плохая изоляция ограничивает возможности изменения способа отопления дома. Планы правительства Великобритании по достижению нулевых выбросов углерода в значительной степени зависят от замена котлов на природном газе тепловыми насосами, с целью 19 миллионов тепловых насосов к 2050 году по сравнению с примерно 250,000 XNUMX сегодня. Это стратегия, которая в некотором смысле имеет смысл.
Тепловые насосы работают по тому же принципу, что и холодильники, за исключением того, что они поглощают тепло из воздуха или земли снаружи, чтобы согреть внутреннее пространство. А благодаря законам термодинамики они удивительно эффективны: на каждую единицу потребляемой ими электроэнергии они выделяют 3–4 единицы тепла (см. врезку «Как работают тепловые насосы»). Эта технология также является коммерчески зрелой, и крупные производители, такие как Mitsubishi Electric и Daikin, производят ряд моделей.
К сожалению, некоторые аспекты нынешней энергетической системы Великобритании мешают работе. Жибин Ю., инженер Университета Глазго, резюмирует ситуацию. «В Великобритании большинство наших домов подключены к газовой сети, поэтому наши системы центрального отопления рассчитаны на бойлеры, — объясняет он. Обеспечивая циркуляцию воды при температуре 60, 70 или даже 80 °C, традиционный газовый котел может поддерживать тепло в доме (хотя и при больших затратах), даже если радиаторы маленькие, а стены и чердак плохо изолированы.
Производительность теплового насоса, напротив, зависит от разницы температур между источником теплового насоса (например, наружным воздухом) и его подачей (водой или воздухом, циркулирующим в системе отопления). Как объясняет Ю, если разрыв велик, производительность низкая. Для достижения максимальной энергоэффективности в идеале температура подачи должна составлять от 35 до 45 °C.
Это может подойти для систем напольного отопления, подобных тем, которые используются в Bath Abbey. Но площадь теплопередачи радиаторов стандартного размера редко бывает достаточно большой, чтобы поддерживать тепло в помещении, если вокруг них циркулирует вода при относительно прохладной температуре 45 °C. В результате жильцы могут чувствовать себя некомфортно зябко — не очень хорошая новость для тех, кто потратил время и энергию на то, чтобы снести свой газовый котел и установить тепловой насос.
Большие радиаторы и лучшая изоляция могут решить эту проблему — за определенную цену. По словам Ю, воздушный тепловой насос, достаточно мощный для обогрева типичного двухквартирного дома, обычно стоит от 3000 до 5000 фунтов стерлингов. Но полная установка, включая модернизацию радиаторов, может стоить более чем в два раза дороже, что делает весь проект в четыре-пять раз дороже, чем установка нового котла. «Это непростая ситуация, — заключает он.
Как работают тепловые насосы
В отличие от стандартных электрических нагревателей, которые работают за счет пропускания тока через резистивный провод, тепловые насосы работают по тем же термодинамическим принципам, что и холодильники. В их основе находится рабочая жидкость, такая как дифторметан, которая испаряется при относительно низкой температуре и давлении. Это позволяет жидкости поглощать тепло даже от низкотемпературных источников (Qисточник), таких как почва, вода или наружный воздух зимой.
Поглотив тепло, рабочая жидкость превращается в пар и проходит через компрессор, который еще больше повышает ее температуру, и конденсатор, который превращает теплый пар под высоким давлением в жидкость. Теплота, выделяющаяся при этом фазовом переходе (Qпоставка) затем передается в систему центрального отопления, а затем в здание через воздух, продуваемый воздуховодами, или воду, циркулирующую через радиаторы или подпольные трубы. Как только рабочая жидкость высвободит большую часть своего тепла, она направляется через расширительный клапан, снижая ее давление (и, следовательно, ее температуру), чтобы цикл мог начаться снова.
Развертывание водорода
Одной из альтернатив замене котлов на тепловые насосы может быть замена топлива для котлов на водород. В отличие от природного газа, водород при сгорании не выделяет углекислый газ, и, в принципе, его можно производить экологически безопасным способом. Это обоснование недавно завершенного Хайдеплой проект, в котором несколько сотен британских домов сжигали смесь природного газа и до 20% водорода по объему.
Экспериментальное исследование было разработано таким образом, чтобы сделать переход максимально безболезненным для домохозяев. К счастью, современные газовые котлы рассчитаны на использование до 25% водорода, поэтому модернизация требовалась лишь немногим домам. Оба этапа пилотного проекта проходили в ограниченных географических районах (недалеко от Университета Кил в Стаффордшире и Уинлатона на северо-востоке Англии), что позволило индивидуально решить первоначальные опасения жителей по поводу безопасности и стоимости.
Робинсон, которая участвует в HyDeploy в качестве социолога в Keele, говорит, что на данный момент данные ее опроса указывают на высокую степень общественного признания. «Большинство людей на самом деле не так уж обеспокоены, особенно потому, что со смешанным водородом им не нужно ничего делать», — говорит она. «Это просто случается».
Это хорошие моменты. Вот некоторые из недостатков. Правила Великобритании обычно ограничивают количество водорода в газовой сети до уровня ниже 0.1%, поэтому внедрение более высоких фракций потребует изменения политики. Другая проблема заключается в том, что плотность водорода гораздо меньше, чем у метана, а это означает, что добавление 20 % водорода по объему (а не по массе) снижает выбросы углерода всего на 7 %. Более того, дальнейшее увеличение доли водорода потребует не только новых котлов, но и замены труб, поскольку водород в высоких концентрациях делает сталь хрупкой.
Еще одна проблема заключается в том, что большая часть из 87 миллионов тонн водорода, производимого в мире каждый год, получается в результате паровой переработки метана, что делает технологию «серой», а не «зеленой». Основным зеленым способом производства водорода является использование электричества из возобновляемых источников для расщепления воды на кислород и водород. Но Питер, эксперт по солнечному топливу из Бата, говорит, что найти достаточное количество возобновляемой электроэнергии, чтобы сделать это в масштабе, сложно. «Если вы попытаетесь получить все это с помощью электролиза на солнечной энергии, это будет невыполнимая задача», — говорит он. «Это просто невозможно».
Жизнь в углеродно-нейтральном мире
Питер отмечает, что около 40% мирового водорода в настоящее время используется для производства удобрений, а большая часть остального идет на переработку нефти. Обе отрасли декарбонизировать сложнее, чем бытовое энергопотребление, и Питер утверждает, что сжигание водорода в домашних условиях также не имеет смысла с точки зрения логистики. «Производство «зеленого» водорода путем электролиза, отправка его по трубе к вам и его сжигание является энергетически неэффективным по сравнению с подачей «зеленого» электричества в ваш дом», — объясняет он. «Я сам не вижу, чтобы водород стал важным игроком с точки зрения того, что происходит в вашем доме».
В долгосрочной перспективе Робинсон соглашается с тем, что бытовой водород «не имеет смысла» с точки зрения эффективности. Однако она отмечает, что установка альтернативных систем отопления потребует времени. «Одна из проблем на данный момент заключается в том, что когда чей-то котел выйдет из строя, в ответ можно будет просто заменить его другим котлом», — говорит она. «Существует пробел в навыках инженеров-теплотехников и в советах, которые получают люди».
По мнению Робинсона, водород может выступать в качестве «трамплина», уменьшая зависимость от ископаемого топлива до тех пор, пока тепловые насосы не станут дешевле и более распространенными. «Возможно, [как только] смешанный водород создаст этот рынок для производства зеленого водорода, тогда вы начнете использовать зеленый водород где-то еще в энергетической системе». В этом отношении она видит параллели между зеленым водородом и оффшорной ветровой энергией, которая была дорогой, пока страны и производители не начали инвестировать в нее, создавая достаточный спрос, чтобы снизить цены.
От систем отопления к энергосистемам
Помимо тепловых насосов и водорода, несколько других технологий могут облегчить путь к домам с низким уровнем выбросов углерода. Высокоэффективные фотоэлектрические панели, в которых используется кристаллический кремний и материалы, известные как перовскиты, в тандемной структуре. должны перейти в промышленное производство в следующем году, и Уокер считает, что они окажут «серьезное влияние» на стоимость солнечной энергии. Уоллс также с энтузиазмом относится к перспективам разработки интегрированных солнечных панелей для электромобилей и панелей, которые выглядят как стандартная черепица, чтобы уменьшить эстетические возражения против солнечной энергии. «Из всех возобновляемых источников энергии у фотоэлектрической энергии больше всего шансов быть привлекательной для жилых помещений», — говорит он.
Еще одна область, привлекающая множество инноваций, — это хранение энергии. Многие бытовые солнечные установки уже включают литиевые батареи для работы в пасмурную или темную погоду. Хранилище большего размера также становится реальностью, и технология тепловых насосов тоже не стоит на месте. В Глазго Ю разработал новый гибкий насос который включает в себя устройство для накопления тепла между конденсатором и расширительным клапаном.
Это устройство забирает часть тепла, которое в противном случае было бы потеряно, и делает его доступным для работы теплового насоса. Например, дополнительное тепло может использоваться для размораживания наружного блока теплового насоса, что обычно требуется, когда температура окружающей среды падает ниже примерно 6 °C. В целом Ю считает, что с его конструкцией возможно повышение эффективности на 10%, что, по его мнению, «имеет большое значение, если посмотреть на период окупаемости» установки тепловых насосов.
Благодаря вспомогательному аккумулированию тепла в цикле гибкий тепловой насос также открывает другие возможности, например, использование тепла, которое мы выбрасываем каждый день. «Например, когда мы принимаем душ, — замечает Юй, — мы нагреваем воду до 70–80 градусов, смешиваем ее с холодной водой, чтобы довести до 35–40, а затем она выходит из душа при температуре 20–30 — содержащееся в нем тепло просто выбрасывается в канализацию».
Лучшим подходом может быть рассмотрение наших домов как интегрированных энергетических систем. «В основном вы пытаетесь управлять потоками энергии в вашем доме, обогревом и охлаждением», — говорит Ю. «Вам нужен холодильник, вам нужен морозильник, вам нужен бойлер, вам нужен кондиционер — вы отбрасываете много тепла, потом извлекаете много тепла из воздуха. Почему бы нам не интегрировать эти процессы?»
Создание прецедента
Еще в 2016 году, когда органы планирования постановили, что в Глостерском соборе могут быть установлены солнечные батареи на крыше, они предупредили директора проекта Крэнстона, что это решение не создает прецедента для других исторических зданий. Шесть лет спустя, Крэнстон говорит, что «все значительно изменилось» как в органах планирования, так и внутри англиканской церкви. «NetZero ясно показывает, какие задачи стоят перед всеми нами, — говорит она. «Здания наследия должны сыграть свою роль».
В Бате Уорд подчеркивает, что путь для аббатства по-прежнему открыт. Геотермальная система отопления церкви, вдохновленная римлянами, по его словам, «очень часто рассматривается как первый шаг в движении Бата к нулевому выбросу углерода», и городской совет и природоохранные органы стремятся использовать дополнительные варианты. Городской комплекс римских бань уже устанавливает собственную версию системы отопления аббатства, и Уорд и его команда стремятся разместить солнечные батареи на крышах своих офисов.
«Насколько нам известно, в настоящее время в городе нет устойчивых энергетических решений, поэтому мы ведем предварительные переговоры с советом и другими заинтересованными сторонами, чтобы выяснить, как быстро мы сможем установить систему», — говорит он. «Надеюсь, что мы сможем продолжить сотрудничество, чтобы ускорить прогресс».
