Отопительная безальтернатива: если не газ, то что?

Один к трем

Международное энергетическое агентство подсчитало, что ровно 50 % всей энергии мира уходит на отопление. Причем половина от этой половины уходит на тепло для промышленности: без него не выплавить сталь, не изготовить цемент. 46 % мирового потребления тепла – и 23 % всей потребленной людьми энергии! – идет на отопление зданий и нагревание воды для них же, а еще (в очень малых количествах) на приготовление еды. Остальные 4 % ушли на сельское хозяйство, и почти все из них – на отопление теплиц (кстати, именно из-за того, что в теплых странах счета за отопление теплиц обычно ниже, мировым лидером по их площади является Испания – причем практически все из них находятся на юге страны).

А вот на производство электричества – всего абсолютно – на Земле уходит лишь 19 % всей потребленной нами энергии. Стоит помнить: часть этого электричества идет на электроотопление и подогрев воды бойлерами. То есть все неотопительное потребление электричества в мире занимает примерно втрое меньшую долю в нашем энергопотреблении, чем тепло.

Если осознать этот факт, становится понятно: главным топливом человечества, по необходимости, будет то, которое позволяет дешевле и удобнее вырабатывать тепло. Именно тепло, а не электроэнергию. Сегодня основной источник такой тепловой энергии – газ. Второстепенный – уголь (на нем работают почти все котельные Китая, негазифицированных частей России и еще некоторых стран мира). Эта ситуация беспокоит очень многих. Дело в том, что уголь и газ при сгорании вырабатывают много углекислого газа. 15 млрд тонн или 40 % всех мировых выбросов его появляются именно в результате получения тепла. Сегодня, когда мир как может борется с глобальным потеплением, эти 15 млрд тонн в год вызывают огромное беспокойство.

Впрочем, с углем дело обстоит еще хуже. Во-первых, на киловатт-час, полученный от газа, выделяется в 2,45 раза меньше СО₂, чем на киловатт-час, полученный от угля. Во-вторых, на триллион киловатт-часов получаемой энергии уголь убивает в разы больше людей, чем природный газ, – в основном, твердыми микрочастицами, появляющимися при его сгорании и проникающими через легкие прямо в кровь, где образуются тромбы.

Но даже относительная безвредность природного газа не останавливает тех, кто требует его запрета, – поэтому в Калифорнии уже принят закон, запрещающий новым домам использовать его для нагрева воды и приготовления пищи. Наложены ограничения (хотя пока и не запрет) и на новые дома с газовым отоплением. И все же, несмотря на это, избавиться от газа как основного источника отопительной энергии в ближайшие десятки лет не получится. Попробуем понять почему.

Ветряки и солнечные батареи

Если отапливать дом электрическими конвекторами, то цена такого тепла будет в несколько раз выше, чем у газового. Причина понятна: КПД газовых ТЭС ~60 %, к тому же оборудование их куда сложнее, чем банальный газовый котел в котельной. Естественно, что энергия того же газа, преобразованная в электричество, будет намного дороже, чем у газа, сгоревшего в отопительном газовом котле. Чтобы обойти эту проблему, на Западе активно продвигают устройство под названием воздушный тепловой насос. Технически это просто инверторный кондиционер, работающий «наоборот». Если обычный кондиционер охлаждает комнату, отдавая ее тепло уличному воздуху летом, то воздушный тепловой насос нагревает комнату, отбирая для этого тепло у улицы. Схема «кондиционерная»: сперва хладагент (фреон) закачивают в емкость, находящуюся в комнате (она «упакована» в аппарат, напоминающий сплит-систему). При сжатии фреона он нагревается, а полученное тепло через теплоотводящую трубку с фреоном отдается комнатному воздуху (для ускорения этого процесса на трубку дует вентилятор).

Затем охладившийся за счет отдачи тепла комнате фреон выкачивается в уличную часть теплового насоса (она выглядит как уличная часть обычного сплита). Там фреон оказывается под меньшим давлением и испаряется – кипит, ведь его температура кипения на десятки градусов ниже нуля по Цельсию, отчего даже контакт с морозным уличным воздухом (через уличный теплообменник) неизбежно ведет к его испарению. Испарение отнимает тепловую энергию у уличного воздуха, охлаждая его еще больше. Затем цикл повторяется: нагревшийся до уличной температуры фреон дополнительно нагревают тем, что компрессор теплового насоса снова сжимает хладагент под большим давлением до жидкого состояния. Сжатие снова нагревает фреон, тот – комнату, и далее по кругу.

Пока температура не падает ниже нуля, воздушный тепловой насос дает дому по четыре киловатт-часа тепла на один киловатт-час затраченной электроэнергии. Остальные три отдает атмосфера, становясь чуть холоднее, но понятно, что на улице из-за такого агрегата никто не замерзнет. Правда, когда температура падает ниже –10, эффективность «отъема тепла» у уличного воздуха сильно падает. К счастью, подавляющее большинство жителей западных стран сталкиваются с такими температурами нечасто, поэтому там тепловой насос вполне оправдан. Именно на этот вид отопления делают ставку сегодня и Калифорния, и остальные США, и ЕС. Кажется, что это идеальный способ ухода от природного газа. Но это только кажется.

Альтернатива: что-то пошло не так

Проблема этого подхода в том, что потребление энергии на отопление в домах крайне быстро меняется. Если промышленность потребляет 25 % всей энергии человечества круглый год и достаточно равномерно (сталь всегда плавят при одной температуре), то 23 % всей энергии, уходящей на отопление домов, в основном потребляют зимой, в морозы. Обычно это где-то четверть или треть года. В это время именно затраты на отопление – главная статья энергетических расходов. Она не просто превышает промышленное тепло, но становится главным потребителем энергии в стране. Наглядно это видно на примере потребления энергии по сезонам в Великобритании, на графике ниже.

Получается, что как только воздушные тепловые насосы станут широко распространены, вся электроэнергетика радикально изменится. Сегодня зимой, например в России, потребление электричества – до 109 млрд киловатт-часов в месяц, а в июне – только 79 млрд. Разница в 25–30 % – типичная для большинства развитых стран мира: зимой ведь короче световой день, да и часть домов, там, где нет газа, все же топится электричеством.

Переход к тепловым насосам будет означать, что пиковое зимнее потребление электричества станет больше летнего уже не на 25–30 %, а как на графике выше – для общего потребления энергии (включая тепловую) для Великобритании. То есть на 250–300 % выше. В разы, а не на десятки процентов. Это значит, что специально для электроотопления зимой придется построить еще одну электроэнергетику, той же мощности, что и уже существующая. А это слишком дорого даже для самых богатых стран.

Несложно догадаться, что это потребует не просто еще одну, но и принципиально иную по своей структуре энергетику. Такую, которая сможет весь год вырабатывать не так много, а зимой вдруг увеличить выработку в несколько раз.

На роль такой «интервальной» энергетики не могут претендовать ни солнечные, ни ветровые электростанции. С солнцем все понятно, исходя из нашего графика. Он показывает, насколько меньше солнечного излучения получает район Александрии (в Египте) зимой в сравнении с летом. Задумаемся: Египет находится на очень низкой широте, южнее основной части США и тем более ЕС. Если даже там зимняя выработка солнечной электростанции втрое ниже летней, то очевидно, что в развитых странах зимой от солнечных батарей и вовсе будет мало толку.

Сходная картина с ветряками. И дело не только в том, что им нельзя приказать работать зимой втрое сильнее, чем летом (ветру вообще не очень-то прикажешь). Дело в том, что пик морозов во всем умеренном поясе приходится на безветренные, морозные антициклоны. То есть периоды, когда ветер не дует на огромных пространствах.

Газ: лучший из доступных «аккумуляторов»

С природным газом мы не чувствуем этой проблемы. Все дело в том, что он – «аккумулятор» огромной емкости. На один кубометр он дает десяток киловатт-часов энергии – между тем, литиевый аккумулятор «Теслы» запасает полсотни киловатт-часов, имея вес в полтонны. То есть всего пять кубов природного газа дадут столько же тепла, сколько полутонная батарея «Теслы», которая оценивается в много тысяч долларов. Пять кубов газа в России стоят всего несколько десятков центов, а в Западной Европе всего лишь десяток долларов. Все потому, что газ – просто топливо, которое добывают из-под земли, а не сложное устройство вроде литиевого накопителя. Конкурировать с ним рукотворный аккумулятор не сможет: разрыв в цене – в тысячи раз.

Предлагается и иная альтернатива – водород. Ветряки и солнечные батареи могут получать его из воды летом, а сжигать – зимой. Чем не выход? Увы, и здесь существует сразу несколько проблем. Во-первых, водород, полученный электролизом, на сегодня стоит в несколько раз дороже природного газа. Во-вторых, его очень сложно хранить. Природный газ аккумулируют в подземных газохранилищах – бывших газовых месторождениях. Они уже полностью «отбили» свою цену еще во время добычи газа и не стоят практически ничего. Места там много, поэтому ни сжижать газ, ни закачивать его под огромным давлением не надо: это простое и дешевое хранилище.

С водородом так не выйдет. Его молекула намного легче и меньше молекулы метана, поэтому легко диффундирует даже через сталь. Если закачать его в подземное газохранилище, утечки водорода будут большими. Что, если он утечет на поверхность, где и воспламенится?

«Советский экран», 1984, № 5. На трассе газопровода. Из материалов фильма «Западная Сибирь – Западная Европа» («Леннаучфильм»). Фото: О. Иванов, fotostrana.ru

Наконец, обычные газопроводы для доставки водорода тоже не подойдут. Они стальные – а тот, как помним, утекает через сталь. Удержать водород хорошо могут только трубы из специальных пластиков. Но в пластиковых трубах нельзя поддерживать слишком высокое давление. Следовательно, далеко водород по ним не перекачаешь. Возить его в цистернах в жидком виде – еще хуже. Ведь жидким он становится при минус четверти тысяч градусов. Получить и поддерживать такие температуры дорого и сложно. А при дорожной аварии цистерна с жидким водородом будет пострашнее жидкоазотной, что «рассыпала» второго Терминатора в одноименном фильме.