Как тепловые насосы меняют и быт, и европейские рынки

Хайтек меняет мир, когда вторгается в повседневную жизнь людей. Ракета, забросившая вымпел на Луну и человека на орбиту – это как победа любимой команды в первенстве. А вот высокие транспортные технологии, доставляющие в соседний гипермаркет эквадорские бананы по цене ниже картошки у местного фермера, а в постамат заказанные через интернет сорочки с коротким рукавом из Индонезии – это то, что меняет саму структуру общества. У проницательного Уэллса в «Войне в воздухе», 1908, революционные перемены не зря начинались с изменения ассортимента овощной лавки на глобальный. А сейчас мы можем видеть радикальное обновление древнейшей из доступной человечеству технологий.

Речь идет об отоплении. И если наши предки полтора миллиона лет назад разводили огонь для поджаривания мяса и запекания корнеплодов, то вряд ли они упускали возможность погреться у него африканским или азиатским вечерком… И все эти полтора миллиона лет тепло в жилище приносило горение; семеновская цепная реакция окисления горючего в кислороде воздуха; безразлично, будет ли топливом хворост, собранный в лесу по милостивой воле сюзерена, или прибежавший по трубопроводам природный газ. (Атомные котельные, запланированные в быв. СССР, построены не были, дав лишь старт карьерам боровшихся с ними политиков.) Но вот теперь ситуация с обогевом жилья меняется.

Давайте посмотрим, как обстоит дело с отоплением в самой развитой стране ЕС, которая по какому-то странному стечению обстоятельств является и крупнейшим потребителем главного экспортного российского товара – углеводородов ­– ФРГ. По данным Федерального объединения предприятий энерго- и водоснабжения (BDEW), в 2017 году газом отапливались 49,4 процента жилых зданий в Германии. Централизованная котельная, индивидуальный котел в доме или квартире – все ясно и понятно. Но вот в 2018 году ситуация начинает менятся, причем весьма динамично.

Согласно отчету Федерального статистического ведомства ФРГ (Destatis), из 107 200 многоквартирных и индивидуальных жилых домов, введенных в строй в 2018 году, 66,6% рассчитаны на полное или частичное использование возобновляемых источников энергии. В 47,2% новых домов возобновляемая энергия является основным источником тепла. А природный газ является основным или единственным источником отопления лишь в 43% зданий. То есть – в прошлом году произошел радикальный перелом по части использования в быту возобновляемых источников тепла.

Как же это было достигнуто? Германия, конечно, теплее России, но к южным странам ее не отнесешь. Солнечными батареями и гелиоустановками для нагрева воды здесь не обойтись. Поэтому на помощь жилищно-коммунальному хозяйству пришли тепловые насосы. Ими оборудованы 71,1% тех новых домов, для которых возобновляемая энергия стала  основным источником тепла. То есть – 47,4% от всех новых зданий; на 4,4% больше, чем дома, использующие традиционные газовые горелки. А еще 16% из «экологических» домов отапливаются геотермальными источниками.

Использующая природное тепло Земли Паужетская ГеоЭС была запущена в 1966 году и часто печаталась на открытках…
Использующая природное тепло Земли Паужетская ГеоЭС была запущена в 1966 году и часто печаталась на открытках…

Ну, с геотермикой все понятно – о внутреннем тепле планеты знали еще дореволюционные гимназисты, а промышленному использованию этого тепла был посвящен довоенный НФ-роман Г.Адамова «Победители недр», 1937.  Другое дело, что в силу рельефа Германия располагает геотермальными источниками на достаточно населенной части своей территории, а не на Камчатке, как мы… А вот тепловые насосы вещь более универсальная, но заметно более сложная для восприятия, если не рассматривать их просто как «сильное колдунство». И изобретены они еще в XIX веке.

Реклама на Компьютерре

Теорию теплового насоса разработал в 1852 году лорд Кельвин. А в железе воплотил в 1866 году инспектор горных мельниц в Иоахимстале Петер фон Риттингер, использовавший его для повышения эффективности выпаривания соли, которой и ныне славится современный Яхимов – за это он получил дарующий потомственное рыцарство Австро-Венгрии орден Железной Короны. Да еще в честь его назвали венскую Риттингерштрассе  – вот как Европа еще в позапрошлом веке заботилась об энергоэффективности.

Так работает тепловой насос – компрессор 4 закачивает газообразный, набравший тепла синий фреон в конденсатор, где он отдает тепло, перейдя в красную, жидкую фазу
Так работает тепловой насос – компрессор 4 закачивает газообразный, набравший тепла синий фреон в конденсатор, где он отдает тепло, перейдя в красную, жидкую фазу

В современной форме тепловой насос создал американец Роберт Уэббер в середине ХХ века. Он начал забирать тепло у земли для отопления дома. Для этого под грунтом клались медные трубы, где циркулировал забирающий при испарении земное тепло фреон. Тепло это газ отдавал в доме, конденсируясь, и опять шел на циркуляцию в землю. Это позволило изобретателю отказаться от старого угольного отопления. (Забавно, что в первую Русско-Украинскую Газовую войну знакомые бундесбюргеры в старых землях ФРГ не нервничали – их дома отапливали угольные печи со шнековой подачей брикетов…)

А почему Уэббер не мог просто топить электричеством, «козлом»? Да потому, то это дорого – киловатт электричества на киловатт тепла… Тепловой насос же интересен тем, что он имеет КПД выше единицы. Нет-нет, второе начало термодинамики он не нарушает. Он – в соответствии с теорией Кельвина – забирает низкоэксергичное тепло из окрестностей дома, и закачивают его в жилье, отдавая на киловатт электроэнергии три-пять киловатт тепла (тем больше, чем более теплый грунт используется). Так что, при КПД парогазовой турбины выше 60%, превратить газ (безразлично – газпромовский или норвежский трубопроводный, американский или катарский сжиженный) в электроэнергию, используемую тепловыми насосами, выгоднее, чем жечь его в системах отопления. (Да, потери в линиях будут, но им соответствуют операционные расходы сетей среднего и низкого давления).

А электроэнергию дает еще и возобновляемая генерация (самая эффективная – гидро; ветряная, солнечная). Несерьезно? Низкая плотность энергии?.. А вот посмотрим отчет Института солнечно-энергетических систем общества Фраунгофера. В 2018 г. доля возобновляемых источников в энергобалансе ФРГ превысила 40%. Идущий на втором месте уголь дал только 38%. А Германия ухитрилась еще быть в этом году нетто-экспортером электричества. Хотя политический класс ФРГ изящно оплатил закрытием АЭС поддержку «зеленых» избирателей в деле сохранения власти…

Так работает тепловой насос – компрессор 4 закачивает газообразный, набравший тепла синий фреон в конденсатор, где он отдает тепло, перейдя в красную, жидкую фазу
Так работает тепловой насос – компрессор 4 закачивает газообразный, набравший тепла синий фреон в конденсатор, где он отдает тепло, перейдя в красную, жидкую фазу

Из всей этой истории следуют два вывода, касающиеся каждого из нас. Высокая технология позволяет заменить любой из тех ресурсов, которые мы используем для самого главного – обеспечения наших повседневных нужд. Но для этого они должны быть именно высокими, массовым тепловой насос сановится через полвека после достижения Луны. И это не случайно – бесперебойная работа тепловых насосов десятилетиями требует достижений в материаловедении, металлообработке, логистике – кстати, под всем этим лежат цифровые технологии, как и в системах управления тепловыми насосами, которые много сложнее, чем у печей.

Второй вывод –  успехи Газпрома на германском рынке велики, но вечными они не будут. Газ и нефть всегда будут ценным сырьем; долго будут удобным топливом. Но вот вечно кормить огромную страну они не смогут. Необходимо производить продукцию, массовую и высокотехнологическую, с высокой добавленной стоимостью. Вот отопительный тепловой насос – хороший пример.

Ну и есть еще выводы локальные, урбанистические. Тепловой насос в отопительный период «отсасывает» тепло из грунта. Поэтому для их использования оптимальна (если не бурить вглубь лес скважин, что не всегда возможно) малоэтажная застройка городов – та, которую любят германские градостроители и не выносят наши, хотя она и чудесно сочетается с озеленением… А малоэтажная застройка хорошо сочетается с массовой удаленной работой, постиндустриальной занятостью. Но это – совсем другой разговор.