До 2030 року буде встановлено близько 600 млн. теплових насосів, що забезпечить 20% потреб у опаленні будівель

Фрагмент галузевого звіту ‘Технологічні та інноваційні шляхи до створення будівель з нульовим викидом вуглецю до 2030 року’ — Вересень 2022.

Про звіт

Цей аналіз є частиною серії нових звітів ‘Технологічні та інноваційні шляхи до створення будівель з нульовим викидом вуглецю до 2030 року’, і містить стратегічне бачення експертів-учасників Програм Технологічної Співпраці Міжнародної Енергетичної Агенції IEA (IEA Technology Collaboration Programmes – TCP) щодо сприяння досягненню деяких надзвичайно важливих короткотермінових цілей для будівельного сектору, викладених в дорожній карті Агенції IEA щодо вуглецевої нейтральності до 2050 року; назва кожного звіту віддзеркалює одну з цих цілей. Дізнайтеся більше про звіт та Програми Технологічної Співпраці TCP.

Основні моменти

Високоефективні електричні теплові насоси є основною технологією, що сприяє зниженню викидів від опалення в будівельному секторі за сценарієм Чистих Нульових Викидів NZE до 2050 року (сценарій NZE). Кількість теплових насосів, встановлених у всьому світі, має зрости з 180 млн. у 2020 році до приблизно 600 млн. у 2030 році. Прогнозується, що встановлення теплових насосів в окремих будівлях зросте з 1,5 млн. на місяць до близько 5 млн. до 2030 року.

Швидке розгортання теплових насосів сприяє повному виведенню з експлуатації нових бойлерів на викопному паливі до 2025 року – досягненню ключової цілі в сценарії NZE. Теплові насоси в поєднанні з накопичувачем енергії можуть поглинати певні коливання в генерації відновлюваної енергії, що дозволить до 2030 року виробляти близько 40% електроенергії за допомогою сонячної фотоелектричної та вітрової енергії. Реконструкція існуючих будівель до рівня готовності до нульового викиду вуглецю також дозволяє тепловим насосам працювати ще ефективніше в цьому сегменті.

Актуальність

Теплові насоси є набагато енергоефективнішими, ніж інші відновлювані та звичайні технології будівель, включаючи водневі бойлери та бойлери на біомасі з низьким рівнем викидів. Після встановлення та належної експлуатації 1 одиниця електроенергії, що використовується тепловим насосом, забезпечує в середньому від 3 до 5 одиниць тепла протягом опалювального сезону. З іншого боку, 1 одиниця електроенергії, що використовується електролізером для виробництва водню, який потім спалюється, призводить до 0,6-0,8 одиниць тепла. ККД високоефективного бойлера на біомасі становить близько 0,9 одиниць. Ефективність теплових насосів неухильно зростала протягом останніх десятиліть завдяки дослідженням, конкуренції, Стандартам Мінімальної Ефективності (Minimum Efficiency Performance Standards-MEPS) і схемам енергетичного маркування. Крім того, теплові насоси є ‘постачальниками’ багатьох послуг, оскільки можуть задовольняти потреби в опаленні, охолодженні та осушенні. Різні типи теплових насосів підходять для різних застосувань і регіонів. Розрізняють теплові насоси «повітря-повітря», «повітря-вода», для підготовки гарячої води та ґрунтові (геотермальні). Покращена конструкція може ще більше підвищити їх ефективність. Наприклад, сезонна енергоефективність може сягати від 500% до 1000% у комерційних будівлях як для опалення, так і для охолодження.

Теплові насоси також можуть сприяти досягненню національних цілей щодо частки відновлюваної енергії в енергетичному міксі. У поєднанні з інтегрованою фотоелектричною енергією в будівлі або живленням від відновлюваної електроенергії за межами будинку, теплові насоси є повністю відновлюваним рішенням, що робить електрифікацію важливим важелем для поступової відмови від викопного палива. Теплові насоси вже можна інтегрувати на районному та міському рівнях. Інтелектуальні термостати та активне керування можуть розкрити свій потенціал щодо реагування на попит і допомогти досягти більшої частки різних відновлюваних джерел енергії в мережі. 

Поточний стан

У деяких регіонах теплові насоси вже мають значну частку ринку завдяки сприятливій загальній вартості експлуатаційного циклу, особливо в країнах Північної Європи (наприклад, Норвегії, Швеції, Данії та Фінляндії), а також у Франції. У Швеції 29% потреб в опаленні в будівлях покривається тепловими насосами, а відповідний показник у Фінляндії становить 15%. В інших регіонах (наприклад, у деяких частинах Сполучених Штатів і Японії) теплові насоси вже становлять значну частку ринку опалення, оскільки вони також можуть задовольнити попит в охолодженні. В Японії реверсивний кондиціонер повітря зазвичай є єдиним приладом для опалення приміщень через помірну потребу в опаленні порівняно з потребами в охолодженні. У Сполучених Штатах близько 40% нових односімейних будинків опалюються тепловими насосами. У цих країнах ринок і ланцюжки доданої вартості добре розвинуті, а рівень поінформованості та сприйняття кінцевими користувачами вельми високий. У деяких інших країнах частка ринку для новозведених будинків є значною, оскільки теплові насоси часто є найкращим варіантом для відповідності стандартам енергоефективності, впровадженими новими будівельними нормами.

Незважаючи на те, що рівень загального ринкового проникнення неухильно зростає, теплові насоси все ще є досить рідкісним рішенням для заміни існуючих систем опалення через високі початкові витрати або брак обізнаності та ноу-хау серед монтажників і проектувальників. У таких країнах реалізація теплових насосів інколи стимулюється та супроводжується додатковими заходами, наприклад, у Німеччині, Італії, Сполученому Королівстві, Сполучених Штатах та Китайській Народній Республіці. Для підвищення обізнаності кінцевих користувачів і їх загального ринкового сприйняття, деякі програми включають фінансові стимули, а також освітні заходи щодо переваг теплових насосів для споживачів.

Теплові насоси — це добре працююча та зріла технологія. Однак для її інтеграції та повного використання потенціалу в енергетичних системах з нульовими чистими викидами потрібні технологічні та системні вдосконалення. Ефективність теплового насоса та його внесок можна покращити за допомогою інтелектуальної системної інтеграції разом з фотовольтаїкою, накопиченням енергії, керуванням та е-мобільністю. У деяких ситуаціях здатність теплових насосів працювати гнучко може бути важливішою, ніж досягнення найвищого рівня ефективності.

У глобальній енергетичній кризі, що наразі триває, теплові насоси були визначені як рішення для зміцнення енергетичної безпеки. У Європі план REPowerEU, представлений Європейською Комісією, передбачає подвоїти темпи впровадження теплових насосів протягом наступних років з метою зменшення залежності від російського природного газу. У Сполучених Штатах теплові насоси були визначені як пріоритетна технологія в Законі про Оборонне Виробництво DPA (Defence Production Act), щоб країна взяла на себе відповідальність за незалежність чистої енергії.

Виклики

Однією з головних проблем для технології є вищі початкові витрати порівняно з варіантами опалення на основі викопного палива. У деяких регіонах це можна компенсувати меншими експлуатаційними витратами та вигідними загальними витратами протягом повного робочого циклу обладнання. Рентабельність теплових насосів у порівнянні з їх альтернативами на викопному паливі фактично також пов’язана з цінами на нафту, газ, вугілля та електроенергію, які були на рекордних рівнях після вторгнення росії в Україну, що робить використання цієї технології особливо привабливим зараз. Конкурентоспроможність теплових насосів також залежить від структури виробництва електроенергії, а також від того, як різні види палива оподатковуються та субсидуються. Податки та субсидії повинні відображати пріоритетність теплових насосів (наприклад, плата, пов’язана з більшою насиченістю відновлюваних джерел енергії, має бути перенесена з цін на електроенергію на ціни на викопне паливо). У порівнянні з іншими технологіями з нульовими викидами, теплові насоси в більшості випадків, хоча й не завжди, є найбільш економічно ефективною альтернативою на основі експлуатаційного циклу обладнання.

Крім економічних причин, проблеми пов’язані з обмеженням простору або розмірами системи розподілу опалення, а в деяких випадках – із заміною радіаторів більшими блоками, оскільки ефективність теплового насоса залежить від температури радіаторів і, отже, від їх розміру. Таким чином, розгортання теплових насосів добре поєднується з планами реконструкції найменш ефективних будівель, оскільки це може призвести до зниження температур теплоносія для задоволення потреб у теплі, дозволяючи працювати тепловим насосам з вищими рівнями ефективності. Однак ефективність теплових насосів слід і можна підвищити, особливо для найнижчих зовнішніх температур.

Інша проблема може бути пов’язана з дозволами на встановлення зовнішніх блоків, як в сенсі робочого шуму, так і з точки зору зовнішнього вигляду.

Крім того, навіть незважаючи на те, що теплові насоси добре відомі та схвалені кінцевими користувачами на деяких розвинутих ринках, рівень обізнаності та сприйняття в багатьох інших країнах низький. Для суттєвого збільшення глобального парку теплових насосів, що встановлюються щомісяця, виробники повинні збільшити обсяги поставок, а інсталятори мають бути навчені в достатній кількості та на відповідному рівні. Відповідальність за це має бути розподілена між державним і приватним секторами. Органи державної влади повинні підтримувати та заохочувати перекваліфікацію та підвищення кваліфікації робочої сили (включаючи монтажників, планувальників, архітекторів, інженерів та підприємців), а також заохочувати програми навчання, організовані приватним сектором.

Питання інновацій в рамках Програм Технологічної Співпраці TCP Агенції IEA

Гнучка робота, інтелектуальне керування, системна інтеграція з періодичним виробництвом електроенергії та іншими споживачами електроенергії в будівлі, наприклад зарядка електромобілів, сонячна фотоелектрична система та накопичення енергії (електричної та теплової).

• Подальша робота над інтеграцією теплових насосів у високоефективні будівлі, модернізовані будівлі та багатоквартирні будинки.
• Використання потенціалу диджиталізації та відновлюваних джерел енергії, у тому числі теплових насосів з ґрунтовим джерелом енергії в комерційних і багатоквартирних будинках.
• Підвищення ефективності в холодному кліматі, можливо, завдяки гібридним системам.
• Прискорення розвитку ринку рішень Climate and Comfort Box, спільного проекту між Технологіями Теплових Насосів HPT і Зберіганням Енергії ES в рамках Програм Технологічної Співпраці TCP Міжнародної Енергетичної Агенції IEA, метою якого є поєднання різних інтелектуальних технологій в одній системі шляхом інтеграції теплових насосів і накопичувачів, інших підключених пристроїв, а також забезпечення інтеграції більш компактних накопичувачів тепла.
• Використання секторальних зв’язків, а також синергії між технологіями та кінцевим застосуванням, зокрема на районному та міському рівнях, де підвищення енергоефективності та гнучкості забезпечується завдяки тепловим насосам. Розгортання теплових насосів у централізованих системах опалення та охолодження та гібридних мережах.
• Тестування впливу заходів і кампаній з підвищення суспільної і споживацької обізнаності для підтримки прискорення сприйняття технологій користувачами.
• Удосконалення ланцюжків створення вартості теплових насосів (наприклад, шляхом диджиталізації, переробки та повторного використання та циклічної економіки).
• Зменшення акустичного впливу від теплових насосів і покращення зовнішнього вигляду для підвищення їх сприйняття.
• Безпечне та ефективне використання холодоагентів з низьким показником Потенціалу Глобального Потепління GWP.
• Дослідження та демонстрація альтернативних та нових бізнес-моделей для подолання викликів щодо високих початкових витрат та сприяння гнучкому функціонуванню на користь електроенергетичної системи.

Показники варіантів інтеграції накопичувачів щодо власного споживання фотоелектричної енергії та підтримки мережі для роботи теплового насоса у високоефективній будівлі

Джерела: IEA HPT Annex 49 – Design and Integration of heat pumps for nZEB and IGS, TU Braunschweig; R&D project "Betriebsstrategien für EnergiePLUS-Gebäude am Beispiel der Berghalde” (BBSR Fkz SWD – 10.08.18.7-13.33).