Возможности централизованного теплоснабжения в меняющейся энергетической ситуации

Централизованное теплоснабжение существует уже почти 150 лет. С тех пор как первая коммерческая система была установлена ​​в Нью-Йорке в 1877 году, в системах централизованного теплоснабжения использовались изолированные подающие и обратные трубы для распределения тепла по нескольким зданиям. В то время как первое поколение использовало пар, вырабатываемый центральным котлом, работающим на ископаемом топливе, современные системы превратились в гибкую инфраструктуру, которая может соединять множество решений для получения энергии и хранения энергии, а также обеспечивать как отопление, так и охлаждение. Таким образом, они идут в ногу со временем и активно поддерживают быстро меняющуюся глобальную энергетическую систему, характеризующуюся растущим спросом на электроэнергию и растущей долей возобновляемых источников энергии.

Сегодня централизованное теплоснабжение обеспечивает около 10% глобального спроса на тепло в зданиях, причем гораздо более высокая доля приходится на Северную и Восточную Европу и Китай, а также растущее внедрение на новых рынках, таких как Канада и Ирландия. Сегодня около 90% глобального теплоснабжения производится из ископаемого топлива. Инфраструктура может обеспечить крупномасштабную интеграцию возобновляемых источников и других источников с низким уровнем выбросов, таких как биоэнергетика, солнечная тепловая и геотермальная энергия, а также ядерная энергия. Хотя лишь небольшая часть сетей уже работает при низких температурах, что упрощает интеграцию возобновляемых источников энергии, постоянная модернизация трубопроводов, подстанций и средств управления будет иметь решающее значение для достижения большей гибкости и эффективности.

Сети централизованного теплоснабжения, которые особенно ценны в густонаселенных городских районах, предлагают преимущества, выходящие за рамки интеграции возобновляемых источников энергии и хранения энергии, включая более простое управление инфраструктурой, эффективное использование пространства, рекуперацию отработанного тепла и снижение местного загрязнения воздуха.

В этом комментарии рассматриваются ключевые новые возможности, которые могут усилить роль централизованного теплоснабжения в меняющемся энергетическом ландшафте, расширяя рекуперацию тепла и обеспечивая гибкость системы.

Централизованное теплоснабжение является наиболее эффективной, а иногда и единственной доступной технологией для рекуперации потоков тепла, которые в противном случае были бы потрачены впустую. Таким образом, они могут играть важную роль в повышении энергоэффективности системы. Хотя высокотемпературное отходящее тепло часто уже утилизируется в промышленности или используется для производства электроэнергии, большой объем отходящего тепла с температурой ниже 100 °C все еще выбрасывается в окружающую среду. Современные сети централизованного теплоснабжения могут работать при более низких температурах и объединять широкий спектр источников тепла, сводя при этом к минимуму потери при распределении. Растущие потребители электроэнергии в будущей энергетической системе, такие как центры обработки данных или водородные электролизеры, генерируют низкотемпературное отходящее тепло и увеличивают возможности восстановления, если расположены достаточно близко к городским районам. Использование тепловых насосов для повышения температуры низкотемпературного отходящего тепла до более высоких температур, подходящих для централизованного распределения тепла, дополнительно позволяет эффективно использовать непригодные в противном случае источники тепла, такие как сточные воды или шахтные воды из выведенных из эксплуатации угольных шахт.

Развитие и расширение использования искусственного интеллекта приводит к резкому росту спроса на электроэнергию для центров обработки данных. Хотя в настоящее время на их долю приходится около 1,5% мирового спроса на электроэнергию, к 2030 году их спрос удвоится. Почти вся потребляемая электроэнергия в центрах обработки данных превращается в полезное тепло, из которого около 70-80% можно восстановить с помощью тепловых насосов. Центры обработки данных также часто располагаются недалеко от городских центров, что является идеальной возможностью для использования отработанного тепла в сетях централизованного теплоснабжения. Например, в Стокгольме более 20 центров обработки данных уже обеспечивают 1,5% потребностей централизованного теплоснабжения, а в Эспоо, Финляндия, кластер новых центров обработки данных обеспечит достаточное количество отходящего тепла для примерно 100 000 домов. В частности, в Европе существует большой потенциал для будущей рекуперации тепла. В случае полной интеграции в сети централизованного теплоснабжения повторно используемое тепло из центров обработки данных может обеспечить до 300 ТВтч отопления зданий, расположенных в радиусе 5 км, к 2030 году. Этого будет достаточно для примерно 10% домов в Европе. Хотя технология рекуперации отходящего тепла из центров обработки данных доступна, ее включение в уже существующие сети создает проблемы, такие как необходимость четких бизнес-моделей и структур тарифов.

Расположенные поблизости центры обработки данных предлагают относительно высокие температуры отходящего тепла с большим потенциалом для высокоэффективного использования для централизованного теплоснабжения. напротив, сточные воды из канализационных систем имеют более низкую температуру, что является преимуществом в регионах с умеренным климатом, поскольку их также можно использовать для централизованного охлаждения в теплые месяцы, что обеспечивает более высокий уровень использования оборудования и инфраструктуры в течение года. Сточные воды доступны повсюду, а канализационные системы и очистные сооружения обычно располагаются там, где живут люди, то есть точно там, где необходимо отопление и охлаждение помещений. Тепло можно рекуперировать с помощью тепловых насосов либо децентрализованно непосредственно из сети, расположенной в городских районах, либо централизованно на очистных сооружениях. Таким образом, ключом к эффективному использованию сточных вод в качестве источника отопления и охлаждения является географическое картирование температурных и объемных потоков для выявления самых высоких потенциалов. Например, картографическое исследование, проведенное Applied Energy Planning в Крайстчерче, Новая Зеландия, показало, что для города с населением около 400 000 жителей из сточных вод можно получить около 80 МВт рекуперируемого тепла, чего достаточно для обогрева около 10 000 домов в городе. Все более широко используется рециркуляция тепла на очистных сооружениях. Например, город Циндао в Китае расширяет и модернизирует свою систему централизованного теплоснабжения. Ожидается, что тепловые насосы для сточных вод обеспечат городу 49 МВт тепловой мощности и 45 МВт охлаждающей мощности. А в Германии город Гамбург строит четыре больших тепловых насоса на станции очистки сточных вод, которые смогут производить 60 МВт тепла, чего достаточно для почти 40 000 домохозяйств.

Новые потребители электроэнергии, такие как центры обработки данных, электромобили, тепловые насосы, кондиционеры, водородные электролизеры и электрифицированные промышленные процессы, способствуют значительному росту спроса на электроэнергию. Большая часть возросшего спроса удовлетворяется за счет новых возобновляемых источников энергии, которые требуют большей гибкости системы. Централизованное теплоснабжение может использовать дешевую возобновляемую электроэнергию от ветровой и солнечной генерации в периоды высокой выработки для производства тепла в электрических котлах и больших тепловых насосах. В Орхусе, Дания, в системе централизованного теплоснабжения используются большие электрические котлы для поглощения излишков ветровой электроэнергии в периоды низких цен, что способствует как снижению выбросов тепла, так и стабильности энергосистемы.

Централизованное теплоснабжение может поддержать электрификацию, снизив нагрузку на электросети. Уже сегодня когенерационные установки, производящие как электроэнергию, так и тепло, играют особенно важную роль в поддержании баланса в местных электросетях, поскольку эти станции часто подают тепло в сети централизованного теплоснабжения и поэтому расположены ближе к населенным пунктам, чем другие источники электроэнергии. Кроме того, централизованное теплоснабжение может помочь высвободить мощности сети для электрификации других секторов конечного потребления, если оно будет развернуто гибким образом для управления периодами пикового спроса на электроэнергию или путем поглощения излишков возобновляемой энергии, когда она имеется в избытке. Используя накопление тепла, системы централизованного теплоснабжения могут поглощать больше излишков электроэнергии и производить тепло для последующего использования. В Хельсинки, Финляндия, строится одно из крупнейших в мире подземных теплохранилищ для хранения тепла, вырабатываемого летом, или избыточного тепла, вырабатываемого электричеством, для использования во время зимнего спроса на отопление, поддерживая сезонное балансирование. Аналогичным образом, в Гамбурге, Германия, резервуар для воды емкостью 2 миллиона литров внутри энергетического бункера действует как аккумулятор тепла, балансируя спрос и предложение в централизованном теплоснабжении и помогая уменьшить перегруженность сети.

Цифровизация повышает оперативность и гибкость систем централизованного теплоснабжения. Интеллектуальные счетчики тепла и расширенные средства управления позволяют сетям централизованного теплоснабжения более точно регулировать спрос и предложение для оптимизации операций, используя данные в реальном времени, включая погоду, структуру потребления и сигналы рынка электроэнергии. В районе Большого Копенгагена широкое внедрение интеллектуальных систем учета тепла позволяет улучшить прогнозирование нагрузки, реагирование на спрос и повысить эксплуатационную эффективность. В Нидерландах цифровой двойник теплосети используется для оптимизации работы централизованного теплоснабжения, отображая температуру, расход воды и давление на основе прогнозов погоды в реальном времени, данных интеллектуальных счетчиков и датчиков системы отопления.

Отсутствие системы отопления и охлаждения является «серебряной пулей» для интеграции и поддержки меняющегося энергетического ландшафта. Именно понимание текущих и будущих потребностей в отоплении и охлаждении, их пространственной и временной динамики, а также доступности местных ресурсов позволяет городам и правительствам разрабатывать последовательные стратегии, которые максимизируют эффективность и минимизируют выбросы и затраты.

Три ключевых соображения может указать путь.

1. Тепловое картирование и комплексное планирование являются ключевыми факторами для определения наиболее экономически эффективных и устойчивых решений – от отдельных технологий, таких как тепловые насосы, до общей инфраструктуры, такой как современные сети централизованного теплоснабжения и охлаждения. Такие инициативы, как Heat Roadmap Europe, ReUseHeat и работа Копенгагенского климатического центра ЮНЕП по районной энергетике, поддерживают города и правительства в продвижении этого подхода на системном уровне. Закон Германии о планировании теплоснабжения представляет собой убедительный политический пример скоординированного национального теплового картирования и планирования, как это подчеркнуто в Обзоре энергетической политики Германии 2025 года МЭА. Аналогичным образом, пересмотренная Директива ЕС по энергоэффективности требует от государств-членов составить карту будущего спроса и оценить потенциал отходящего тепла на основе таких факторов, как местоположение, температура и время доступности. Включение такого общесистемного планирования в политические рамки помогает преодолеть барьеры на пути к инфраструктурным решениям, таким как централизованное энергоснабжение, и гарантирует, что при анализе затрат и выгод приоритет отдается использованию существующего отработанного тепла и возобновляемых ресурсов, прежде чем инвестировать в новые мощности.

2. Рамочные условия, такие как цены на электроэнергию и ископаемое топливо, играют важную роль в принятии решений. Снижение налогов на электроэнергию для производства тепла, как это было сделано в Финляндии, может сделать электрические решения более конкурентоспособными и поддержать хорошо интегрированную энергетическую систему.

3. Политика адресной поддержки которые включают четкие рамки зонирования могут использовать результаты комплексного планирования и картирования теплоснабжения для стимулирования инвестиций в инфраструктуру централизованного теплоснабжения в регионах, где это наиболее подходит.

Реализация инфраструктуры централизованного теплоснабжения требует тщательного планирования, но при наличии правильных условий эта технология может сыграть более важную роль в повышении эффективности, сокращении выбросов и усилении устойчивости энергетической системы. Чтобы добиться успеха, необходимы скоординированные усилия правительств и промышленности, а также наличие благоприятной политической базы. МЭА может помочь, предоставив платформы для обмена знаниями и передовым опытом, включая Программу технологического сотрудничества в области централизованного теплоснабжения и охлаждения, Инициативу по созданию цифровых электросетей, управляемых спросом (3DEN), национальные обзоры энергетической политики и специальные конференции, такие как ежегодная Глобальная конференция МЭА по энергоэффективности.