Приблизительно половина всей энергии, потребляемой человечеством, расходуется на теплоснабжение, причем почти 50% этого объема приходится на отопление и нагрев воды в жилых домах. На электричество потребляется лишь 19%. Это подчеркивает, что вопросы отопления даже более значимы, чем электроэнергетика, и без отказа от ископаемого топлива переход к экологически чистым источникам энергии невозможен. Тем не менее, согласно новым научным исследованиям, водород не может сыграть ключевую роль в решении этой задачи.
В журнале Joule вышел обзор 32 научных работ, посвященных возможности перевода отопления на водород, которую в ряде западных стран считают ключевым компонентом зеленого перехода. Исследование — впервые для этой области — не включило в свое рассмотрение работы, профинансированные теми или иными компаниями, финансово заинтересованными в массовом переходе на водород. В итоге автор обзора Ян Рознау (Jan Rosenow) пришел к довольно интересным выводам.
По его словам, почти все независимые исследования в данной сфере показывают, что водородное отопление обходится дороже не только традиционным котельным, но и другим, считавшимся ранее более затратным, решениям для отопления, таким как тепловые насосы (инверторные кондиционеры, используемые для отопления) и солнечные тепловые системы (принцип которых основан на нагреве теплоносителя солнечными лучами на крышах зданий для нагрева воды в системе отопления). Этот вывод не вызывает удивления, поскольку тепловые насосы и солярно-термальное отопление обычно вдвое дороже, чем котельные.
Обеспечение теплом является одним из основных вызовов, стоящих перед переходом к экономике с нулевыми выбросами углерода. Проблема заключается не только в том, что для производства тепла человечество расходует в 2,5 раза больше энергии, чем для генерации электричества. Значительную роль играет и тот факт, что зимний спрос на тепло значительно превышает летний, даже несмотря на то, что промышленность, которая потребляет около половины всего тепла, практически не сокращает его использование в летний период. В результате, например, Великобритания зимой потребляет в четыре раза больше энергии за единицу времени по сравнению с более теплыми месяцами.
Решение этой задачи без использования топлива представляется затруднительным. В качестве альтернативы теоретически возможно использование тепловых насосов, работающих на электричестве. Однако в таком случае зимнее потребление электроэнергии может превысить летнее в два-три раза (если зима не является слишком суровой). Электроэнергетика, которая летом функционирует с нагрузкой в треть от максимальной, будет длительное время простаивать без использования, что приведет к значительному росту стоимости производимой ею электроэнергии. Многие стремятся избежать подобных последствий.
«Политики рассматривают водородное отопление как перспективное решение. Создается впечатление, что замена метана на водород — простая задача, которая не затронет домохозяйства. Однако на практике это потребует значительных технических усовершенствований, включая замену трубопроводов в домах, что повлечет за собой ощутимые финансовые затраты для населения», — отметил Ян Рознау.
Автор также отмечает, что в настоящее время водород в основном получают из ископаемого топлива, что препятствует достижению углеродной нейтральности. Производство водорода с использованием «зеленой» электроэнергии, получаемой от ветряных и солнечных электростанций, на данный момент значительно дороже, чем из метана. Важной проблемой остается низкая энергоэффективность: электролиз имеет КПД всего 80%, а типичный газовый котел – 85%, что ограничивает общий КПД водородного отопления до 70%.
Электрические тепловые насосы, несмотря на 5-10% потерь энергии в линиях электропередач, обычно обеспечивают получение 3-4 кВт·ч тепла на 1 кВт·ч потребленной электроэнергии, поскольку компенсируют это за счет использования тепла из наружного воздуха в зимний период. Таким образом, их энергопотребление, до момента повышения температуры выше нуля, в три раза и более экономично по сравнению с водородным отоплением.
Рознау не возражает против использования водорода, но указывает на его потенциальную пользу в снижении выбросов в промышленности. Промышленные предприятия потребляют больше тепла, чем жилые и коммерческие здания, и это тепло, как правило, характеризуется высокой температурой, достигающей сотен градусов. Тепловые насосы не способны обеспечить подобные параметры, и в этой ситуации альтернативы «зеленому» водороду не существует (по крайней мере, в контексте общепринятых на Западе методов; фактически, альтернативы есть, но они пока недоступны для западных стран). Однако, по мнению Рознау, в сфере бытового сектора использование этого газа не только увеличит расходы населения, но и потребует дополнительных природных ресурсов, что приведет к росту общего потребления энергии.
Хотя Рознау справедливо обозначил ряд проблем, связанных с водородом, его тезисы в значительной степени соответствуют вот этого материала Naked Science), он не остановился на недостатках тепловых насосов, делающих и их успех в качестве заместителя природного газа довольно сомнительным. Дело в том, что при минус пяти градусах и ниже на один киловатт-час электроэнергии тепловой насос дает примерно один киловатт-час тепловой энергии: охлаждать уличный воздух для нагрева помещения при такой температуре становится довольно трудно.
В реальных условиях пиковое зимнее энергопотребление в стране, полностью перешедшей на тепловые насосы, в самые холодные дни может превышать летнее в четыре-пять раз. Это означает, что для обеспечения такого отопления потребуется значительное увеличение мощностей электростанций — во много раз больше текущих, — которые большую часть года будут неактивны, работая лишь в периоды сильных морозов. Безусловно, стоимость такого решения для общества будет существенной. Именно поэтому ранее другие эксперты неоднократно указывали на то, что внедрение тепловых насосов также приведет к увеличению затрат на отопление.
Тем не менее, стоимость отопления является проблемой для многих современных обществ. К примеру, в Великобритании даже до ценового шока 2022 года из-за холодов ежегодно умирало 60,5 тысячи человек, что составляет примерно 0,1% от общего числа населения. Достоверно установлено, снижается растет. Причем оно больше связано с зимней температурой внутри помещения, чем на улице.
В конечном итоге, вследствие устойчивого повышения давления повышается вероятность смерти от сердечно-сосудистых заболеваний, которые и выступают главным фактором холодовой смертности. Кратный рост стоимости отопления неизбежно приведет к снижению температур в домах жителей западных стран со всеми вытекающими отсюда последствиями.