Энергию можно получить за счет солнца, ветра или атома, а не за счет сжигания ископаемого топлива. Автомобили, автобусы и, возможно, даже грузовики могут питаться от батарей, а не от бензина или дизельного топлива. Но другие отрасли экономики сложнее обезуглероживать. Одной из таких неудобных задач является нагрев воздуха и воды в домах и на предприятиях. В ЕС, где большая часть этого достигается за счет сжигания нефти или природного газа, на коммерческое и жилое отопление приходится около 12% выбросов парниковых газов в блоке (см. диаграмму).

В принципе, есть решение в виде тепловых насосов. Они работают как холодильник наоборот, собирая тепло снаружи, концентрируя его и направляя по трубопроводу в здание. ес надеется заменить треть из 68 млн газовых и 18 млн масляных котлов в жилых зданиях тепловыми насосами к 2030 году. Это может означать снижение на 28% общих выбросов в жилых помещениях— производимых нефтью и газом, и это число должно возрасти по мере того, как все больше электроэнергии, питающей эти насосы, поступает из низкоуглеродистых источников.

Но есть проблемы с амбициозными целями. По сравнению с котлами тепловые насосы дороги, часто они стоят в два-три раза дороже, чем котлы, работающие на ископаемом топливе. Другое дело, что, поскольку они перекачивают более холодную воду в радиаторы, они лучше всего работают в новых, хорошо изолированных зданиях. По оценкам, около 60% жилого фонда Европы не соответствуют требуемым стандартам, и для приведения их в соответствие потребуются обширные - и дорогостоящие — ремонтные работы.

И есть еще один недостаток. Хотя тепловые насосы, работающие на низкоуглеродной электроэнергии, несомненно, лучше с экологической точки зрения, чем котлы, работающие на ископаемом топливе, их характеристики не совсем экологичны. Большинство бытовых моделей содержат вредные для окружающей среды газы, которые европейские законодатели готовы объявить вне закона. Перепроектирование машин для работы без них может привести к задержкам в их установке.

В некоторых местах политика в отношении тепловых насосов приобрела негативный характер. Немецкий закон планировал запретить установку новых газовых котлов в домах со следующего года. Негативная реакция со стороны разных избирателей вызвала скандал в коалиционном правительстве страны еще до того, как правила были отменены в июне. 8 сентября, после того как мы опубликовали эту статью, ожидалось, что немецкие законодатели примут смягченную версию правил.

Прогрев
Тепловой насос работает путем нагрева хладагента в сети труб, используя окружающее тепло, присутствующее в воздухе, или от множества труб, которые заглублены в землю или под воду. Это превращает хладагент из жидкости в газ. Затем газ сжимается, что повышает его температуру. Полученный горячий газ прокачивается через теплообменник, где он нагревает воду или воздух, используемые для отопления здания. По мере остывания газ возвращается в жидкое состояние, готовое к повторению процесса.

Поскольку тепловые насосы просто перемещают имеющееся тепло, а не вырабатывают его сами, они могут быть чрезвычайно эффективными. Некоторые модели могут похвастаться эффективностью в 400% и более, что означает, что на каждый киловатт электроэнергии, потребляемый насосом, в дом по трубопроводу может подаваться четыре киловатта тепла. Современные газовые котлы, вырабатывающие тепло за счет сгорания топлива, могут достигать КПД около 90%, и законы физики не позволяют им превышать 100%.

Эффективность тепловых насосов ниже зимой, когда из воздуха выделяется меньше тепла, хотя они работают при температурах до -25 ° C. Но тепловые насосы, как правило, производят воду, нагретую примерно до 55 ° C. Этот показатель ниже, чем у большинства газовых котлов, которые могут выдерживать температуру 75 ° C или около того. Это означает, что для установки тепловых насосов в старых зданиях часто требуется дополнительная изоляция, радиаторы большего размера или даже полы с подогревом, а все это трудоемко и дорого.

Большинство современных тепловых насосов используют гидрофторуглероды (гфу) в качестве хладагентов. Они превращаются из жидкости в газ при нужной температуре и могут выделять большое количество тепла. Но гфу также являются мощными парниковыми газами, мощность воздействия которых на изменение климата может в несколько тысяч раз превышать мощность углекислого газа, основного антропогенного парникового газа. Утечки гфу из тепловых насосов и другого оборудования, такого как определенные типы холодильных установок и систем кондиционирования воздуха, составляют около 2,5% от общего объема выбросов парниковых газов в ес, что недалеко от объема, вызванного воздушными перевозками в регионе.

Пропан и принадлежности к нему
Имея это в виду, ес планировал этим летом внести последние штрихи в новые правила, которые потребовали бы замены гфу более чистыми альтернативами к 2027 году. Но дискуссии прекратились. Одна сторона, поддерживаемая Германией и Нидерландами, стремится продолжить поэтапный отказ. Другая сторона, поддерживаемая рядом стран Восточной Европы и некоторыми производителями тепловых насосов, хочет, чтобы крайний срок был перенесен на 2030-е годы.

Существуют и другие хладагенты. Химическая промышленность разработала класс химических веществ, называемых гидрофторолефинами (hfo). Это менее мощные парниковые газы, чем гфу, хотя все еще более мощные, чем углекислый газ. Но некоторые страны, включая Данию, Германию, Нидерланды, Норвегию и Швецию, также хотят ограничить использование hfo, поскольку исследования показывают, что они могут загрязнять дождевую воду. Поэтому многие производители тепловых насосов обращаются к так называемым природным хладагентам, которые обладают наименьшим потенциалом глобального потепления из всех. Некоторые из них использовались в холодильной технике задолго до того, как были разработаны синтетические вещества. В их состав входит аммиак и даже сам диоксид углерода. Но основным заменителем гфу в бытовых тепловых насосах является пропан.

Эффект глобального потепления от пропана лишь немного сильнее, чем от углекислого газа. Проблема с его использованием в тепловых насосах заключается в том, что, в отличие от гфо, он легко воспламеняется. Кроме того, он не имеет запаха, вот почему при использовании пропана в качестве топлива ему придают запах “тухлого яйца", чтобы его можно было легко обнаружить в случае утечки. В тепловых насосах это невозможно, поскольку химические вещества, вызывающие запах, мешают процессу охлаждения.

По этой причине к насосам, работающим на пропане, применяются дополнительные правила. Если пропан перекачивается внутри здания, как в “сплит-системах”, которые монтируют теплообменное оборудование внутри помещения, то объем газа в системе ограничен 150 граммами, что составляет примерно пятую часть от количества хладагента, обычно используемого в модели с гфу. Если используется больше газа, необходимо установить дополнительные средства безопасности, такие как датчики утечки и автоматические системы вентиляции. Это еще больше повышает стоимость и усложняет установку, особенно в старых зданиях, менее приспособленных к данной технологии.

По мнению Европейской ассоциации тепловых насосов (хотя, похоже, не все ее члены согласны с этим), быстрый отказ от гфо “затормозит внедрение тепловых насосов”. Утверждается, что более щадящий график работы дал бы отрасли больше времени для разработки систем на основе пропана, которые было бы проще устанавливать в большем разнообразии домов.

Затягивать с этим нет необходимости, говорится в документе, представленном европейским законодателям группой из более чем 40 ученых. Они отмечают, что холодильной промышленности потребовалось от трех до пяти лет, чтобы перейти на более чистые газы, такие как изобутан, в 1990-х годах. (Хлорфторуглероды, которые являются предпочтительными хладагентами в промышленности, были постепенно выведены из употребления в том десятилетии из-за ущерба, который они наносят озоновому слою.) В документе утверждается, что производители тепловых насосов не смогли уменьшить количество хладагентов, содержащихся в тепловых насосах, поскольку это не считалось важным при использовании негорючих гфо.

Несмотря на то, что говорят их торговые организации, ряд производителей, включая Viessman и Robert Bosch, две немецкие фирмы, а также японскую Mitsubishi Electric, уже запустили тепловые насосы, наполненные пропаном. Как правило, это большие "моноблочные” системы, устанавливаемые на открытом воздухе, где любой выходящий газ может быстро и безвредно рассеиваться в воздухе. Компания Viessman утверждает, что, помимо своих экологических характеристик, пропан также упрощает производство тепловых насосов, способных подавать воду при температуре 70 ° C — той самой, которую создают газовые котлы. Во многих случаях это может избавить от необходимости замены радиаторов или установки теплых полов, экономя значительную сумму денег.

Во многих домах, и особенно в квартирах, может не хватать наружного пространства для моноблока. Поэтому фирмы работают над сплит-системами, которые могут обходиться небольшими количествами пропана. Им помогает Лена Шнабель и ее коллеги из Института систем солнечной энергетики Фраунгофера во Фрайбурге, Германия. Группа доктора Шнабеля протестировала ряд конструкций, в том числе ту, которая может обойтись всего 146 граммами пропана. Это было достигнуто за счет перепроектирования и оптимизации большинства важных компонентов насоса, таких как компрессор, теплообменник и трубопроводы, а также использования опытных деталей.

Доктор Шнабель с оптимизмом смотрит на то, что новые конструкции, содержащие небольшую дозу пропана, в ближайшие несколько лет позволят напрямую заменить газовый котел в квартире тепловым насосом, который будет безопасным, экологичным и обеспечивать аналогичную температуру. Источником тепла может быть общий источник, расположенный на крыше здания или скрытый в подвале, питающий десятки отдельных внутренних блоков. Поговаривают даже о повышении лимита в 150 граммов, хотя, по словам доктора Шнабеля, “в целях безопасности действительно имеет смысл использовать как можно меньше хладагента”.

Если бы такие устройства можно было усовершенствовать, то можно было бы устранить многие недостатки тепловых насосов. Они не только стали бы более экологичными машинами сами по себе, но и стали бы проще и дешевле устанавливать их в старых зданиях. И это помогло бы частично отвлечь внимание от споров, которые их окружают.
www.economist.com