Оскільки рахунки за електроенергію зростають, багато людей зацікавлені у відмові від викопного палива, яке зараз використовується для опалення більшості будинків у Великобританії. Питання в тому, як це зробити, як Маргарет Харріс пояснює,
Глибоко під кам'яними плитами середньовічної церкви Батського абатства мовчазно відчувається сучасне диво з давнім відтінком. Завершено в березні 2021 року, абатство система опалення поєднує труби під підлогою з теплообмінниками, розташованими на семи метрах під поверхнею. Там дренаж, побудований майже 2000 років тому, щодня переносить 1.1 мільйона літрів води з температурою 40 °C із природного гарячого джерела в комплекс стародавніх римських лазень.
Використовуючи цей потік теплої води, система забезпечує достатньо енергії для опалення не лише абатства, але й сусіднього ряду георгіанських котеджів, які використовуються під офіси. Не дивно, що настоятель абатства похвалив його як «стійке рішення для опалення нашої прекрасної історичної церкви».
Але це ще не все. Коли почалися спроби декарбонізувати опалення абатства, чиновники в Проект облаштування Батського абатства вартістю 19.4 млн фунтів стерлінгів звернули увагу на електрику будівлі. Як і більшість церков, абатство тягнеться зі сходу на захід, надаючи його даху великий південний аспект. У північних широтах Великої Британії такі дахи залиті сонячним світлом протягом більшої частини дня, що робить їх ідеальними для сонячних фотоелектричних (PV) панелей. Глостерський собор – за годину їзди на північ від Бата – вже скористався цією сприятливою орієнтацією, ставши – у 2016 році – першим великим стародавнім собором Великобританії, який мав сонячні панелі, встановлені на його даху.
Щоб з’ясувати, чи може подібна установка підійти в Батському абатстві, проект Footprint працював зі студентами PhD в Університеті Бата під керівництвом Центр докторської підготовки (CDT) з нової та стійкої фотоелектричної енергії. У техніко-економічному обґрунтуванні, опублікованому в Енергетика та інженерія (2022 10 892), студенти підрахували, що добре спроектована система фотоелектричних панелей може забезпечувати 35.7% електроенергії абатства плюс 4.6%, які можна було б продати назад в мережу в дні, коли утворювався надлишок. Масив окупиться протягом приблизно 13 років і принесе загальний прибуток у розмірі 139,000 12,000 ± 25 XNUMX фунтів стерлінгів протягом XNUMX років експлуатації.
Домашні істини
Встановлення сонячних панелей на даху Батського абатства поки залишається лише ідеєю. «Це життєздатний варіант для майбутнього – коли буде правильний час», як висловлюється директор проекту Footprint Натан Уорд. Але для багатьох людей у Великій Британії – звичайних домовласників, а також охоронців відомих будівель – час справді починає виглядати дуже актуальним. Під впливом російського вторгнення в Україну, високого світового попиту на газ і різноманітних місцевих факторів ціни на енергоносії зросли до безпрецедентного рівня.
У прогнозах, опублікованих у серпні консалтингова компанія Cornwall Insight рахувався що середня родина Великобританії могла б витрачати £355 на місяць на енергію в січні 2023 року, якби ситуація не змінилася. Гарантія ціни на енергію уряду Великобританії, було оголошено у вересні, надав певне полегшення шляхом субсидування рахунків за електроенергію. Незважаючи на це, з жовтня 2021 року по жовтень 2022 року максимальна ціна за одиницю продукції, яку постачальники енергії можуть стягувати з домогосподарств Великобританії значно зросла, піднявшись із 7 до 10.3 пенсів за кіловат-годину (кВт-год) для газу та з 21 до 34 пенсів за кВт-год для електроенергії.
Ванна фіз Елісон Вокер, яка є директором CDT, каже, що документ її команди на той час був скоріше гіпотетична пропозиція, щоб показати, що абатство серйозно ставилося до зменшення свого вуглецевого сліду. Однак зараз «вартість енергії настільки різко зросла, що якщо ви виробляєте власну електроенергію, вона може стати набагато дешевшою та менш сприйнятливою до коливань цін на енергію, як ми пережили цього року», — каже вона.
Для домогосподарів, які хочуть зменшити свої рахунки за електроенергію, свій вуглецевий слід або обидва, сонячні панелі є одними з найпростіших і найдешевших способів зробити це. Фотоелектричні панелі на основі кремнію є зрілою технологією, їхня ціна різко впала за останні 10 років, а встановлення масиву на даху займає лише кілька днів. Але оскільки державна підтримка сонячних установок більше не доступна для домовласників, попередні витрати є перешкодою для багатьох, а інсталятори мають довгі черги в черзі.
Гірше того, сонячні панелі не підходять для всіх помешкань або з технічних причин, або через те, як вони виглядають. «У Великобританії ми дуже уважно ставимося до естетики будівель», — каже Майк Уоллс, фізик з Університету Лафборо Центр технологій систем відновлюваної енергетики. «Є деякі будівлі, особливо старі, на які люди не встановлюють сонячні панелі, тому що вони виглядають негарно або погано вписуються в загальний вигляд». Керівник проектів Глостерського собору Енн Кренстон зазначає, що її команда мала довести, що панелі будуть «якомога більш «невидимими»», перш ніж органи планування приймуть їх.
У будь-якому випадку, встановлення кількох фотоелектричних панелей на даху рідко буває достатньо, щоб звільнити домогосподарств від залежності від викопного палива. Очевидно, що Сонце не світить вночі, тоді як середня пряма нормальна інсоляція – міра енергії Сонця на одиницю площі – для Північної Європи становить не більше кількох кВт·год/м.2. Тому навіть у найсонячніші зимові дні типова фотоелектрична батарея на даху Великобританії не вироблятиме достатньо енергії для обігріву будинку під нею – як я виявив, коли встановив сонячні батареї у своєму власному будинку в лютому (див. рамку «Один будинок за раз». ”).
Якщо сонячні батареї не є повною відповіддю, домогосподарям, які хочуть припинити (або принаймні зменшити) свою залежність від викопного палива – і яким бракує зручного римського гарячого водопостачання в Батському абатстві – потрібно знайти інші рішення. Один із варіантів – відмовитися від традиційних газових котлів і замінити їх альтернативними системами опалення. Дійсно, у рамках зобов’язання уряду Великобританії досягти нульового чистого викиду вуглецю до 2050 року, починаючи з 2025 року більше не буде законно встановлювати газові котли у новозбудованих будинках у Великобританії. Але зусилля щодо модернізації існуючих приміщень просуваються повільно. Отже, як ми збираємося «озеленити» житловий фонд Великобританії?
Зберігає тепло
Будинки Великобританії втрачають тепло в середньому втричі швидше, ніж будинки в інших європейських країнах
Експерти, з якими я спілкувався для цієї статті, були єдині в одному: все було б набагато простіше, якби житло було краще утепленим. «Насправді відповідь: ізоляція, ізоляція, ізоляція, тому що це, безумовно, найкращий спосіб зменшити ваші витрати на енергію», — каже Вокер. «Ефективності насправді не приділяють належної уваги», – погоджується Зої Робінсон, професор сталого розвитку в Університеті Кіл.
Цифри витверезують. 2020 рік вчитися Компанія Tado° з інтелектуальних технологій опалення виявила, що будинки у Великобританії втрачають тепло в середньому в три рази швидше, ніж будинки в інших європейських країнах. Використовуючи дані, зібрані від 80,000 20 клієнтів у всій Європі, аналітики Tado° дійшли висновку, що будинок у Великобританії, нагрітий до 0 °C у день XNUMX °C, втрачає в середньому три градуси через п’ять годин, коли опалення вимкнено, у порівнянні з лише одним градусом. на будинок в Німеччині.
Така низька ефективність частково пояснюється віком житлового фонду Великобританії. Але Лорі Пітер, експерт з Бата з використання сонячної енергії для виробництва палива, каже, що проблема поширюється і на нові будинки. «Уряди, які змінювали один одного, не погоджувалися з правилами будівництва будинків», — стверджує він, додаючи, що це стосується загального вуглецевого сліду будинку, а також його споживання енергії. «Ми все ще більш-менш там, де були у вікторіанські часи щодо будівництва будинків та ізоляції, що, відверто кажучи, є ганьбою».
Завдяки цьому поєднанню старих будівель і слабких правил половина з 28.5 мільйонів будинків в Англії мають таку саму ізоляцію стін, як у Батському абатстві, тобто жодної. Подвійний склопакет більш поширений, але згідно 2020–2021 рр Англійське опитування житла14% англійських будинків все ще не мають цього. Гірше того, ставки на модернізацію є впав зі скелі. У 2012 році близько 2.3 мільйона будинків мали нову ізоляцію на горищах, пустотних стінах або суцільних стінах, але ця кількість впала до 200,000 XNUMX на рік після того, як уряд замінив успішну програму модернізації стимулами, які виявилися менш ефективними.
Один дім за раз
Я живу в сім’ї з двома спеціалістами, тож коли ми замінили наш газовий котел тепловим насосом і встановили сонячні батареї на нашому даху, ми, природно, сприйняли це встановлення як науковий експеримент, результати якого ми можемо спостерігати з часом. Чи будемо ми використовувати менше енергії? І чи зміниться це на наші рахунки?
Наш цегляний будинок з терасою в едвардіанському стилі є відносно ефективним для свого віку, з подвійними склопакетами та ізоляцією горища та пустотних стін. Незважаючи на це, перехід на тепловий насос потребує підготовки. Вимірявши наші кімнати та вікна, монтажники (місцева сантехнічна фірма, яка займається допоміжним виробництвом теплових насосів) підрахували, що нам знадобиться тепловий насос потужністю 8 кВт, новий високоефективний резервуар для гарячої води та довші радіатори подвійної ширини в кожна кімната.
Великий попит поставив установників у стислий графік, тому, коли вони запропонували нам місце в середині січня, ми погодилися, хоча це означало відсутність опалення протягом двох тижнів (це було б важче для домогосподарств з маленькими дітьми або людьми з обмеженими можливостями ). Високий попит і проблеми з ланцюгом поставок також відклали встановлення сонячних панелей на лютий. Але після завершення модернізації все спрацювало чудово, як показує цей графік споживання енергії будинком із січня 2021 року по серпень 2022 року.
Тепловий насос запрацював 19 січня. Протягом решти зими та на початку весни середньодобове споживання енергії нашим будинком (синя лінія) було приблизно вдвічі менше, ніж за той самий період у 2021 році (зауважте, що набір даних за 2021 рік базується на квартальних або двомісячних показаннях, тоді як споживання з лютого 2022 року і далі записувався щотижня). Сонячні панелі, встановлені 3 лютого, мали менший ефект, частково тому, що брак місця та бюджету на батареї означав, що частина електроенергії експортувалася в мережу (зелена лінія), а не використовувалася в будинку (рожева лінія). Будинок також продовжував імпортувати електроенергію (помаранчева лінія) вечорами, у похмурі дні та в періоди високого попиту. Тим не менш, наприкінці весни та початку літа середньодобове виробництво панелей регулярно перевищувало середнє щоденне використання будинку – втішний результат.
Фінансові вигоди менш однозначні. Електроенергія у Великій Британії надходить із різних джерел, включаючи відновлювані джерела енергії, газ, ядерну енергію та (рідко) вугілля, але ціни на електроенергію прив’язані до найдорожчого джерела (наразі це газ). Ціни на електроенергію у Великобританії також включають екологічні податки, які не застосовуються до газу, незважаючи на вищу екологічну вартість останнього. Таким чином, хоча наш будинок споживає менше енергії, енергія, яку він продовжує імпортувати, є значно дорожчою, ніж газ на одиницю. Продаж електроенергії від сонячних панелей допомагає, як і грант на тепловий насос від урядової (зараз закритої) схеми стимулювання внутрішнього відновлюваного тепла, але ця частина проблеми зрештою пов’язана з політикою, а не з фізикою.
Накачування тепла
Крім того, що погана ізоляція обтяжує домогосподарств вищими рахунками за електроенергію та збільшенням викидів вуглецю, обмежує можливості змінити спосіб опалення будинків. Плани уряду Великобританії щодо досягнення нульових викидів вуглецю значною мірою залежать від заміна газових котлів на теплові насоси, з метою 19 мільйонів теплових насосів до 2050 року порівняно з приблизно 250,000 XNUMX сьогодні. Це стратегія, яка в певному сенсі має сенс.
Теплові насоси працюють за тими ж принципами, що й холодильники, за винятком того, що вони забирають тепло з повітря або землі ззовні, щоб зробити всередині тепліше. І завдяки законам термодинаміки вони надзвичайно ефективні: з кожної одиниці електроенергії, яку вони споживають, вони виділяють 3–4 одиниці тепла (див. рамку «Як працюють теплові насоси»). Технологія також є комерційно зрілою, і великі виробники, такі як Mitsubishi Electric і Daikin, випускають ряд моделей.
На жаль, певні аспекти поточної енергетичної системи Великої Британії кидають ключ до роботи. Жибін Ю, інженер з Університету Глазго, резюмує ситуацію. «У Великій Британії більшість наших будинків підключено до газової мережі, тому наші системи центрального опалення розроблені для котлів», — пояснює він. Завдяки циркуляції води з температурою 60, 70 або навіть 80 °C традиційний котел на природному газі може підтримувати тепло в будинку (хоча і за високу вартість), навіть якщо радіатори невеликі, а стіни та горище погано ізольовані.
Продуктивність теплового насоса, навпаки, залежить від різниці температур між джерелом теплового насоса (наприклад, зовнішнім повітрям) і його джерелом (водою або повітрям, що циркулює навколо системи опалення). Як пояснює Ю, якщо розрив великий, продуктивність низька. Щоб досягти найвищої енергоефективності, бажано, щоб температура подачі була від 35 до 45 °C.
Це може бути добре для систем підігріву підлоги, таких як ті, що використовуються в Батському абатстві. Але площа теплопередачі радіаторів стандартного розміру рідко буває достатньо великою, щоб підтримувати тепло в кімнаті, якщо навколо них циркулює вода з відносно теплою температурою 45 °C. Як наслідок, мешканці можуть відчути неприємний холод – це не чудова новина для тих, хто витратив час і енергію, щоб розібрати свій газовий котел і встановити тепловий насос.
Більші радіатори та краща ізоляція можуть вирішити цю проблему – за певну ціну. За словами Ю, повітряний тепловий насос, достатньо потужний для обігріву типового двоквартирного будинку, зазвичай коштує від 3000 до 5000 фунтів стерлінгів. Але повне встановлення, включаючи модернізацію радіаторів, може коштувати більше ніж удвічі дорожче, що робить весь проект у чотири-п’ять разів дорожчим, ніж встановлення нового котла. «Це складна ситуація», – підсумовує він.
Як працюють теплові насоси
На відміну від стандартних електричних нагрівачів, які працюють шляхом пропускання струму через резистивний дріт, теплові насоси працюють за тими самими термодинамічними принципами, що й холодильники. Їх серцем є робоча рідина, така як дифторметан, яка випаровується при відносно низькій температурі та тиску. Це дозволяє рідині поглинати тепло навіть від джерел низької температури (Qджерело), як-от ґрунт, вода чи зовнішнє повітря взимку.
Після поглинання тепла робоча рідина перетворюється на пару та проходить через компресор, який додатково підвищує її температуру, і конденсатор, який перетворює теплу пару під високим тиском на рідину. Тепло, що виділяється в цій фазі, змінюється (Qпоставка) потім передається в систему центрального опалення, а потім у будівлю через повітря, що продувається через канали, або воду, що циркулює через радіатори або труби під підлогою. Коли робоча рідина віддасть більшу частину свого тепла, вона проходить через розширювальний клапан, знижуючи її тиск (і, отже, температуру), щоб цикл міг початися знову.
Розгортання водню
Однією з альтернатив заміни котлів на теплові насоси може бути заміна палива для котлів на водень. На відміну від природного газу, водень не виділяє вуглекислого газу при спалюванні, і в принципі його можна виробляти екологічно чистим способом. Це обґрунтування нещодавно завершеного проекту HyDeploy проект, у якому кілька сотень будинків Великобританії спалювали суміш природного газу та до 20% водню за об’ємом.
Пілотне дослідження було розроблено, щоб зробити перехід максимально безболісним для домогосподарств. На щастя, сучасні газові котли розраховані на використання до 25% водню, тому небагато будинків потребують модернізації. Обидва етапи пілотного проекту проходили в обмежених географічних районах (поблизу Університету Кіл у Стаффордширі та Вінлатона на північному сході Англії), що дозволило індивідуально вирішити перші занепокоєння мешканців щодо безпеки та вартості.
Робінсон, яка бере участь у HyDeploy як соціолог у Keele, каже, що наразі дані її опитування вказують на високий ступінь суспільного визнання. «Більшість людей насправді не дуже турбуються, особливо тому, що зі змішаним воднем їм нічого не потрібно робити», — каже вона. «Це просто буває».
Це хороші моменти. Ось деякі з мінусів. Норми Великої Британії зазвичай обмежують кількість водню в газовій мережі нижче 0.1%, тому розгортання вищих фракцій вимагатиме змін у політиці. Інша проблема полягає в тому, що водень набагато менш щільний, ніж метан, а це означає, що змішування 20% водню за об’ємом (а не за масою) зменшує викиди вуглецю лише на 7%. Більше того, подальше збільшення частки водню вимагатиме не лише нових котлів, а й заміни труб, оскільки водень у високих концентраціях викликає крихкість сталі.
Інша проблема полягає в тому, що більша частина з 87 мільйонів тонн водню, що виробляється у світі щороку, походить від парової переробки метану, що робить технологію «сірою», а не «зеленою». Основним екологічним способом виробництва водню є використання електроенергії з відновлюваних джерел для розщеплення води на кисень і водень. Але Пітер, експерт із сонячного палива в Баті, каже, що знайти достатню кількість відновлюваної електроенергії, щоб зробити це в масштабі, складно. «Якщо ви спробуєте створити все це за допомогою електролізу, який генерує сонячна енергія, це буде неможливим завданням», — каже він. «Це просто неможливо».
Життя в вуглецево-нейтральному світі
Пітер зазначає, що близько 40% світового водню зараз використовується для виробництва добрив, а значна частина решти йде на нафтопереробку. Обидві галузі декарбонізувати складніше, ніж домашнє енергоспоживання, і Пітер стверджує, що спалювання водню в домашніх умовах також не має логістичного сенсу. «Генерація «зеленого» водню шляхом електролізу, надсилання його по трубі до вас, а ви його спалюєте, є енергетично неефективним порівняно з надсиланням «зеленої» електроенергії до вашого будинку», — пояснює він. «Я не бачу, щоб водень став головним гравцем у тому, що відбувається у вашому домі».
У довгостроковій перспективі Робінсон погоджується, що домашній водень «не має сенсу» з точки зору ефективності. Однак вона зазначає, що встановлення альтернативних систем опалення потребує часу. «Одна з проблем на даний момент полягає в тому, що коли чийсь котел виходить з ладу, реакцією буде просто замінити його на інший», — каже вона. «Існує прогалина в навичках інженерів-теплотехніків і порад, які люди отримують».
На думку Робінсона, водень може діяти як «сходинка», зменшуючи залежність від викопного палива, поки теплові насоси не стануть дешевшими та більш поширеними. «Можливо, [як тільки] змішаний водень створить ринок для виробництва екологічно чистого водню, а потім ви почнете використовувати зелений водень десь ще в енергетичній системі». У цьому відношенні вона бачить паралелі між екологічно чистим воднем і офшорною вітровою енергетикою, яка була дорогою, поки країни та виробники не почали інвестувати в неї, створивши достатній попит, щоб знизити ціни.
Від систем опалення до енергосистем
Крім теплових насосів і водню, кілька інших технологій можуть згладити шлях до будинків з меншим вмістом вуглецю. Високоефективні фотоелектричні панелі, які використовують кристалічний кремній і матеріали, відомі як перовскіти, у тандемній структурі планується запустити в промислове виробництво наступного року, і Вокер вважає, що вони «серйозно вплинуть» на вартість сонячної енергії. Уоллс з таким же ентузіазмом ставиться до перспективи розробки інтегрованих сонячних панелей для електромобілів і панелей, які виглядають як стандартна черепиця, щоб зменшити естетичні заперечення проти сонячної енергії. «З усіх відновлюваних джерел енергії фотоелектричні системи мають найкращі шанси бути привабливими на житловому рівні», — каже він.
Ще одна сфера, яка приваблює багато інновацій, – накопичення енергії. Багато домашніх сонячних установок уже включають літієві батареї для роботи в хмарну або темну погоду. Також є більш масштабне зберігання стає реальністю, і технологія теплових насосів теж не стоїть на місці. У Глазго Ю розробив a новий гнучкий насос який містить пристрій для накопичення тепла між конденсатором і розширювальним клапаном.
Цей пристрій забирає частину тепла, яке інакше було б втрачено, і робить його доступним для роботи теплового насоса. Наприклад, допоміжне тепло можна використовувати для розморожування зовнішнього блоку теплового насоса, що зазвичай потрібно, коли температура навколишнього середовища падає нижче приблизно 6 °C. Загалом, Ю вважає, що завдяки його конструкції можна підвищити ефективність на 10%, що, на його думку, «зробить велике значення, якщо поглянути на період окупності» для встановлення теплових насосів.
Завдяки внутрішньоцикловому допоміжному накопиченню тепла, гнучкий тепловий насос також відкриває інші можливості, наприклад використання тепла, яке ми викидаємо щодня. «Наприклад, коли ми приймаємо душ, — зауважує Ю, — ми нагріваємо воду до 70 або 80 градусів, змішуємо її з холодною водою, щоб знизити її до 35–40, а потім вона виходить з душу при 20–30… тепло, яке він містить, просто викидається в дренаж».
Кращим підходом може бути розгляд наших будинків як інтегрованих енергетичних систем. «По суті, ви намагаєтеся керувати потоками енергії у своєму будинку, опаленням і охолодженням», — каже Ю. «Вам потрібен холодильник, вам потрібна морозильна камера, вам потрібен бойлер, вам потрібен кондиціонер – ви викидаєте багато тепла, а потім витягуєте багато тепла з повітря. Чому б нам не інтегрувати ці процеси?»
Створення прецеденту
Ще в 2016 році, коли органи планування постановили, що Глостерський собор все-таки може мати сонячні панелі на даху, вони попередили керівника проекту Кренстона, що це рішення не створює прецеденту для інших історичних будівель. Через шість років Кренстон каже, що «все суттєво змінилося» як в органах планування, так і в Англіканської Церкві. «NetZero чітко пояснює завдання, які стоять перед усіма нами», — каже вона. «Будівлі спадщини мають зіграти свою роль».
У Баті Уорд наголошує, що абатство все ще має можливість наслідувати його приклад. За його словами, геотермальна система опалення церкви, натхненна Римом, «дуже сприймається як перший крок у переході Бата до нульового викиду вуглецю», а міська рада та природоохоронні органи прагнуть шукати додаткові варіанти. Комплекс міських римських лазень уже встановлює власну версію системи опалення абатства, а Уорд і його команда хочуть встановити сонячні батареї на даху своїх офісів.
«Наскільки нам відомо, наразі в місті немає рішень для сталого використання енергії, тому ми на початку обговорюємо з радою та іншими зацікавленими сторонами, щоб з’ясувати, як швидко ми зможемо встановити систему», — каже він. «Ми сподіваємося, що ми зможемо продовжувати співпрацю, щоб прискорити прогрес».
