Первичная энергия как критерий энергетической эффективности

A. Lucke, генеральный директор Федеральной промышленной ассоциации Германии по бытовым, энергетическим и экологическим технологиям, BDH

Когда конечный потребитель задумывается над значением слов «энергетическая эффективность», в первую очередь ему на ум приходит энергопотребление автомобилей, бытовых приборов или отопительных котлов. В любом случае определить величину энергоэффективности возможно благодаря двум показателям. Во-первых, по расходу энергии и топлива в единицу времени, измеряемым в литрах для бензина или дизельного топлива, кубометрах для природного газа, киловаттах для электроэнергии. Во-вторых, по экономическому показателю – цене за единицу того или иного энергоносителя. Иначе говоря, по величине расходуемых финансовых средств на теплоснабжение одного дома, поездку на машине на расстояние 100 км или на оплату электроэнергии для работы холодильника. При этом не берутся в расчет энергетические или финансовые затраты, требуемые на преобразование первичной энергии (топлива) в конечный энергетический продукт (энергоноситель): электроэнергию, бензин и т. п.

С экономической, энергетической и экологической точки зрения при определении энергоэффективности того или иного объекта необходимо принимать во внимание весь энергетический процесс в целом. Решающую роль для будущего развития энергоснабжения играет решение задачи: сколько первичных энергетических ресурсов действительно должно быть затрачено для того, чтобы предоставить конечному потребителю запрашиваемое им количество энергии.

Следовательно, для сбережения энергоресурсов и эффективного использования быстро сокращающегося количества ископаемых энергоносителей в качестве основного критерия энергоэффективности необходимо обратиться к концепции первичной энергии.

Целью любой национальной экономики является максимально эффективное использование традиционных ископаемых энергоресурсов. В этом контексте главным преимуществом концепции первичной энергии как критерия энергетической эффективности является способность оптимизировать процессы преобразования энергии и минимизировать расход первичного энергоресурса на производство единицы конечного энергоносителя.

Теплоснабжение зданий в концепции первичной энергии

В Германии, в зданиях с водяной системой отопления применяют следующие виды энергоносителей, перечисленные по степени важности:

• природный газ – 50 %;
• дизельное топливо – 30 %;
• центральное отопление (ТЭЦ) – 7 %;
• электроэнергия – 5 %;
• возобновляемые источники энергии (энергия солнечной радиации, низкопотенциальная энергия земли, теплота окружающего воздуха, твердое биотопливо) – 8 %.

Совокупный коэффициент полезного использования (КПИ) первичного энергоресурса вышеперечисленных энергоносителей закреплен в немецком стандарте DIN 4701 (ч. 10) (речь идет и о данных о потреблении первичной энергии).

Наименее эффективный способ отопления с точки зрения расхода первичной энергии – это прямое электрическое отопление. Несмотря на то, что этим способом можно без потерь отапливать здание, но более двух третей первичной энергии не используется по причине крайне больших потерь, возникающих в процессе выработки электроэнергии на электростанциях, а также при транспортировке энергии по электрическим сетям. Это означает, что при прямом электрическом отоплении коэффициент полезного использования первичного энергоресурса равен 0,3. Другими словами, удельный расход первичного энергоресурса на единицу полезно израсходованного кВт·ч теплоты у потребителя составляет 3.

КПИ газового и дизельного отопления превышает 0,9, поскольку потери топлива и энергии на всех этапах энергетического процесса от добычи и/или выработки до транспортировки природного газа и/или дизельного топлива являются несущественными. В этом случае удельный расход первичного энергоресурса составляет 1,1, т. е. потери не превышают 10 %. Это сравнительно немного.

Самые лучшие результаты показывает отопление зданий за счет сжигания древесного топлива (твердого биотоплива), поскольку данное сырье относится к категории возобновляемых энергоресурсов. Доля первичной энергии для древесного топлива, используемого для отопления зданий, примерно равна 0,2. Удельный расход первичного энергоресурса составляет 1,2. По сравнению с остальными способами теплоснабжения здания, отопление твердым биотопливом показывает самые лучшие результаты, поскольку данный вид сырья постоянно восстанавливается.

Методология, заложенная в основу стандарта DIN 4701, состоит в том, что КПИ здания привязывается к его годовому удельному расходу первичного энергоресурса. Решающими показателями в данном случае являются, в первую очередь, теплопотребление зданий, зависящее от качества теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, а во вторую – энергетическая эффективность используемого инженерного оборудования зданий, предназначенного обеспечивать утилизацию остаточного тепла.

Согласно немецкому закону об энергосбережении (EnEV), основанному на стандарте DIN 4701, ч. 10, годовой удельный расход первичного энергоресурса нового здания должен составлять примерно 60–70 кВт^•ч/м² в год. Для сравнения: уже существующие здания расходуют около 250 кВт^•ч/м² в год.

На практике это означает, что для строительства новых зданий должны использоваться высококачественные и хорошо утепленные наружные ограждающие конструкции и/или инновационные инженерные системы. Для уже построенных зданий во время проведения энергетической санации необходимо производить полную замену устаревшего инженерного оборудования. Это позволит сократить энергопотребление здания почти на 50 %.

Концепция первичной энергии, являющаяся в Германии основным критерием энергоэффективности и лежащая в основе создания закона об энергосбережении (EnEV) и стандарта DIN 4701, фактически запрещает использование прямого электрического отопления из-за крайне низкого коэффициента полезного использования первичного энергоресурса и высокого удельного расхода первичного энергоресурса на единицу полезно израсходованного кВт·ч тепловой энергии.

Рисунок 1 (подробнее)   Потребление первичной энергии типичным коттеджем

Рисунок 2 (подробнее)   Общее потребление энергии типичным коттеджем

Дом с нулевым энергопотреблением: будущее или иллюзия?

Дом с нулевым энергопотреблением – это здание, которое обходится без использования первичных энергоресурсов. Это должен быть дом, способный самостоятельно удовлетворить свои потребности в энергии для отопления, охлаждения и работы бытовых приборов. Такая энерго-независимость достигается за счет использования, например, энергии солнечной радиации, геотермальной энергии и тепла окружающей среды. Поэтому для подобных домов важным является наличие высокоэффективного оборудования, способного аккумулировать тепло- и электроэнергию.

Несколько легче это решается при сохранении теплоты. В здании с нулевым потреблением, благодаря применению комплексных мер по повышению теплоизоляции, теплопотери такого здания крайне малы. Кроме того, бетонные накопители и большие подземные водохранилища способны аккумулировать значительное количество тепловой энергии, полученной из возобновляемых источников энергии.

Однако при планировании энергетического будущего как Европы, так и России строительство домов с нулевым энергопотреблением не является панацеей. Сегодня получить дом, удовлетворяющий энергетическим требованиям зданий с нулевым потреблением, возможно только при условии нового строительства. И на это строительство потребуются чрезмерно большие затраты.

Поиск эффективных технологий для быстрого повышения энергоэффективности и/или для внедрения возобновляемых источников энергии в уже существующих зданиях и строениях – вот основная задача, решение которой способно обеспечить стабильное энергетическое будущее развитого государства. Именно в этой области скрыт огромный потенциал энергосбережения и возможности снижения эмиссии CO₂. Оптимальная комбинация между уровнем повышения энергоэффективности и долей использования возобновляемых источников энергии позволяет сэкономить до 50 % энергии только благодаря техническому переоснащению. Прибавив к этому применение мероприятий по утеплению наружных ограждающих конструкций здания, можно добиться снижения энергопотребления здания до 80 %.

Общеэкономический потенциал снижения энергетических затрат в Западной Европе, по оценкам Федеральной промышленной ассоциации Германии по бытовым, энергетическим и экологическим технологиям, составляет минимум 30 %. Для достижения этой цели недостаточно вести разъяснительные беседы о дорогостоящем и, можно даже сказать, экзотичном доме с нулевым энергопотреблением, которые, как правило, лишь запутывают конечного потребителя. Реально способствовать раскрытию существующего экономического потенциала может капитальная реконструкция уже существующих зданий и сооружений.