Декарбонизация теплоснабжения
По сравнению с электроснабжением, в секторе теплоснабжения существует гораздо большее давление, так как более 80 % теплоснабжения в Германии в настоящее время все еще основано на ископаемом топливе (1). Основное внимание здесь уделяется существующим зданиям. Муниципальное энергетическое планирование (МЭП) является центральным инструментом для определения доступных на местах возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для возможного (централизованного) использования и для разработки стратегии перехода на теплоснабжение с конкретным каталогом мер. В результате МЭП можно локализовать зоны пригодности тепловых сетей, а также зоны, для которых имеет смысл индивидуальное снабжение зданий на основе ВИЭ. Федеральный закон о МЭП действует с января 2024 г. Муниципальные планы теплоснабжения должны быть доступны для всех муниципалитетов Германии к середине 2028 г., а для муниципалитетов с населением более 100 000 человек ‒ к середине 2026 г. (2). Пример Северный Рейн-Вестфалия: здесь реализация проекта опирается на закон земли, принятый в конце 2024 года, который поддерживается широкой политической базой. По сравнению с другими федеральными землями, доля муниципалитетов, начавших процесс строительства ТЭЦ, здесь самая высокая ‒ более 70 % (3).
Веские причины в пользу тепловых сетей
В будущем тепловые насосы станут доминирующей системой отопления индивидуальных зданий. В районах плотной застройки комбинированные решения с использованием тепловых сетей часто имеют преимущества. Возобновляемые источники энергии, такие как тепло рек или неизбежные отходы торговли и промышленности, а также солнечная тепловая энергия могут быть экономически выгодно использованы. В будущем основными генераторами тепла здесь станут большие тепловые насосы (рис. 1). Кроме того, региональный потенциал имеет использование (твердой) биомассы.
Программы финансирования строительства и расширения тепловых сетей
Строительство и расширение инфраструктуры тепловых сетей связано с высокими уровнями инвестиций. На федеральном уровне существуют три соответствующие программы финансовой поддержки.
a) KWKG ("Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz")
Закон о комбинированной тепловой и электрической энергии
б) BEW ("Bundesförderung effiziente Wärmenetze")
Федеральная субсидия на эффективные тепловые сети
в) BEG ("Bundesförderung für effiziente Gebäude")
Федеральная субсидия на эффективные здания.
Для достижения этой цели необходимы надежные рамочные условия. В частности, речь идет о достаточном финансировании федеральной субсидии на эффективные тепловые сети (BEW), которая не зависит от федерального бюджета. В новом законодательном периоде необходимы действия со стороны политиков.
Волна расширения придет
Исходя из МЭП, можно ожидать, что во многих городах и муниципалитетах будут построены новые или расширены существующие тепловые сети. Первоначальные планы теплоснабжения, уже завершенные в 2024 году, указывают на этот потенциал. Возьмем, к примеру, город Эшвеге на севере земли Гессен: результаты работы ТЭЦ для этого небольшого города с населением около 20 000 человек в районе Верра-Майснер будут доступны с апреля 2024 года (4). Согласно целевому сценарию теплоснабжения на 2045 год, 38 % потребности города в тепле может быть покрыто новой тепловой сетью, которая будет питаться от большого теплового насоса с зеленым теплом (рис. 2). Затем 50 % будет децентрализовано тепловыми насосами "воздух-вода", 2 % ‒ тепловыми насосами "рассол-вода" и оставшаяся часть ‒ котлами на древесных гранулах в сочетании с солнечной тепловой энергией. Для сравнения: исходя из существующей структуры газовой сети, около 80 % конечного спроса на энергию в Эшвеге по-прежнему покрывается за счет ископаемого топлива на основе природного газа. По данным МЭП, экономически конкурентоспособные затраты на производство тепла в зонах расширения тепловых сетей составляют от € 140 до € 149/МВт-ч (нетто с субсидией). С учетом субсидии BEG затраты на децентрализованное снабжение небольших индивидуальных зданий с тепловой мощностью 10 кВт составляют от 210 до 250 евро/МВт-ч (нетто с субсидией). Таким образом, пример Эшвеге наглядно демонстрирует технический и экономический потенциал для расширения муниципальных локальных тепловых сетей.
Вызовы и ответственность
Преобразование системы теплоснабжения в направлении климатической нейтральности ‒ задача для многих поколений. Ответственность за реализацию возложена на города и муниципалитеты на основании Закона о планировании теплоснабжения. Успех зависит, в частности, от предоставления достаточных ресурсов и вовлечения населения посредством хорошей коммуникации, связей с общественностью и прозрачности. Без согласия населения успешная реализация невозможна. За строительство муниципальных локальных тепловых сетей отвечают местные коммунальные службы, а также другие поставщики энергии и подрядчики. Именно в этой области имеется опыт и знания, которые необходимо развивать. Кроме того, для создания и расширения инфраструктуры теплоснабжения необходимы значительные инженерные знания и опыт в области проектирования, а также потенциал в области гражданского строительства и строительства трубопроводов. Препятствием является постоянная нехватка квалифицированной рабочей силы, как на муниципальном уровне, так и в коммунальных службах и поставщиках инженерных услуг. Меры, которые могут помочь упростить или ускорить этот процесс, пользуются широким спросом.
Возможности для ускоренного расширения сетей
Для крупных транспортных и магистральных линий альтернативы строительству и расширению тепловых сетей с использованием труб с пластиковой оболочкой ("Kunststoffmantelrohrleitungen" или "KMR"), т.е. жестких стальных труб, нет из-за требуемой пропускной способности (сечения труб) и иногда высоких требований к температуре и давлению в подводящих сетях. Однако, если это позволяют технические требования, необходимо проявлять открытость к новым или альтернативным техническим решениям.
Для оперативного внедрения безусловным преимуществом является возможность включения дополнительных (новых) мощностей на основе использования гибких полимерных трубных систем ("полимерные трубные системы" или "PMR"). Это касается, например, строительных компаний, не обладающих специальными знаниями в области строительства КМР (например, необходимыми знаниями и сертификатами по сварке стали), или сотрудников коммунальных служб. Преимущества PMR начинаются с процесса проектирования, который является более простым и быстрым. Благодаря самокомпенсирующейся природе трубопровода не требуется ни статики, ни расширительных изгибов (рис. 3). Гибкость пластиковых труб, поставляемых в виде кольцевых пучков, можно выгодно использовать при прокладке, например, при обходе таких препятствий, как канализационные трубы или колодцы (рис. 4). При использовании жестких стальных труб, напротив, требуются специально изготовленные фитинги, например, в случае вертикального смещения трассы, что приводит к увеличению затрат (рис. 5).
В PMR широко используется двойная труба до размера d63/202 (спецификация с усиленной изоляцией) в качестве гибкой системы со стандартной длиной кольцевой катушки до 75 метров. Двухтрубные системы особенно предпочтительны при эксплуатации сетей, так как потери тепла в среднем примерно на 1/3 меньше, чем в однотрубных системах. Однотрубные системы обычно преобладают в КМР. Строительство двухтрубных систем является очень сложным с точки зрения конструктивной реализации, в том числе в отношении изготовления сварных швов на стыках. И наоборот: при возможном переходе от однотрубных систем KMR к двухтрубным системам PMR преимущество в стоимости сочетается с преимуществом в эффективности за счет снижения тепловых потерь. При сравнении важно отметить, что преимущество по стоимости PMR над KMR достигается (в первую очередь) не за счет предполагаемой экономии на материалах. Скорее, снижение стоимости происходит за счет общего учета и включения различного количества компонентов и усилий, затрачиваемых на необходимые этапы обработки, и, в частности, за счет дополнительной экономии на гражданском строительстве.
Используемая в PMR технология соединения ‒ система прессования со скользящей втулкой ‒ проста в обработке, чрезвычайно надежна и, прежде всего, безопасна (рис. 6). В итоге сеть (участок) PMR может быть реализована значительно быстрее. Промежуточный вывод: при наличии технических возможностей и очевидных экономических преимуществ системы PMR и комбинация KMR + PMR должны постоянно использоваться в будущем, т. е. необходимо использовать лучшее из двух миров. Что касается конкретных проектов, то следует различать три основные категории:
a) Изолированные сети
Первые завершенные муниципальные планы теплоснабжения показывают, что вдали от крупных городских (частичных) сетей также определяются зоны пригодности децентрализованных тепловых сетей (районы), где можно использовать гибкие полимерные системы труб благодаря размеру и общей тепловой мощности (и требуемым сечениям труб, вытекающим из этого), а также требованиям к максимальной температуре и давлению. Системы полимерных труб уже широко и успешно устанавливаются в районах новостроек и доказали свою эффективность на практике благодаря экономии средств и значительному сокращению сроков строительства (5, 6).
б) Вторичные сети
Гидравлическая развязка позволяет снизить температуру и уровень давления в сети, что является предпосылкой для смены материала с KMR на PMR во вторичной сети (рис. 7).
Особенно там, где уже существуют и расширяются сети централизованного теплоснабжения, вторичные сети PMR обладают значительным потенциалом для снижения затрат и ускорения реализации.
в) Гибридные сети
Если технические требования к рассматриваемой сети в целом удовлетворены в отношении максимальной рабочей температуры и уровня давления, может быть создана гибридная сеть. Проектирование компонента PMR не ограничивается соединительными линиями в доме, а обычно включает в себя субраспределение, например, на отдельных участках дорог. Какой максимальный размер будет экономически выгоден для PMR по сравнению с KMR, зависит от многочисленных граничных условий. В отдельных случаях большие размеры труб PMR также предпочтительны, если трасса имеет, например, длинные участки с многочисленными изменениями направления и возможными вертикальными скачками, что потребовало бы большого количества формованных деталей и фитингов при использовании KMR. Переход от KMR к PMR может быть реализован, например, с помощью параллельного ответвления с использованием универсальных привариваемых переходных фитингов, которые с одной стороны спрессованы с полимерными трубами.
Практические примеры гибридных и вторичных сетей
Гибридные и вторичные сети ‒ не новое изобретение. Уже существует множество успешно реализованных проектов, которые могут послужить примером для будущего. Так, например, компания SOLARCOMPLEX AG имеет положительный опыт реализации нескольких гибридных сетей, которые за последние 10 лет были запланированы и построены в районе Боденского озера и в южной части Шварцвальда. Среди других проектов, в которых полимерная система труб RAUTHERMEX от REHAU использовалась в сочетании с KMR, ‒ проекты в городе Зебниц под Дрезденом и Хербрехтингене/Баден-Вюртемберге.
В Адельсдорфе, муниципалитете с населением около 9 500 человек в 40 километрах к северо-западу от Нюрнберга, защита климата осуществляется с большой отдачей благодаря созданию и расширению гибридной сети (рис. 8 и 9). Первый опыт теплоснабжения с подключением к сети был получен уже в 2007 году при строительстве и эксплуатации островной сети централизованного теплоснабжения. Необходимое создание муниципальных структур последовало в 2022 году с основанием Gemeindewerke Adelsdorf. Теперь существует четкая дорожная карта по замене децентрализованных систем индивидуального отопления, работающих на ископаемом топливе, на "зеленое" тепло (рис. 10). Для жилищных компаний и владельцев зданий это является гарантией выполнения требований законодательства в соответствии с Законом об энергетике зданий. Адельсдорф является примером того, как необходимая декарбонизация теплоснабжения может быть реализована в малых и средних муниципалитетах.
На западной окраине города Штральзунд в земле Мекленбург-Передняя Померания строится район B-Plan 39 с 11 многоквартирными и 94 одноквартирными домами. SWS реализует в Штральзунде четкую стратегию, заключающуюся в преобразовании существующей инфраструктуры тепловых сетей путем последовательной интеграции дополнительных возобновляемых источников тепла и расширения сети для замены децентрализованных ископаемых теплогенераторов. SWS впервые использует пластик в B-Plan 39 и полагается на опыт REHAU и сертифицированную систему RAUTHERMEX PMR (рис. 11). Строительство сети началось весной 2023 г., а первые здания были запитаны с конца 2024 г. Вторичная сеть питается от соседней сети централизованного теплоснабжения KMR.
Заключение и перспективы
Ускоренное расширение инфраструктуры тепловых сетей требует привлечения дополнительных мощностей ‒ особенно в области специализированного проектирования и реализации строительства. Для инжиниринговых компаний, которые в настоящее время (заново) устанавливают свои позиции в этом сегменте, перспективы бизнеса чрезвычайно позитивны. Для компаний, занимающихся гражданским строительством и строительством трубопроводов, обучение обработке полимерных трубных систем приобретает все большее значение. Этому способствуют клиенты, например, коммунальные службы, которые все больше осознают потенциал PMR. Гибкие полимерные трубные системы могут внести существенный вклад в ускорение декарбонизации теплоснабжения за пределами изолированных сетей при использовании во вторичных и гибридных сетях. Опыт показывает, что при смене материала или комбинации KMR + PMR можно сэкономить примерно 1/3 инвестиционных затрат по сравнению с частью PMR и значительно сократить время строительства. Предпосылкой для устойчивого успеха при интеграции PMR, даже в крупных сетях, является соблюдение гарантированных свойств и акцент на долговечности и обеспечении качества всей системы, состоящей из трубопроводов, технологии соединения труб и муфт для последующей изоляции.
Об авторе:
Dipl.-Ing. (FH) Olaf Kruse
Product Engineer & Project Manager Local Heating
REHAU Industries SE & Co. KG
Контакты:
REHAU Industries SE & Co. KG
Ytterbium 4
91058 Erlangen
Телефон: +49 9131 92-5346
Email: Olaf.Kruse@rehau.com
gebaeudetechnik.rehau.de
Олаф Крузе работает в сфере энергоснабжения с 1995 года, сначала в области консалтинга и планирования, специализируясь на геотермальных системах. В 2004 году он перешел на работу в компанию REHAU, специализирующуюся на производстве полимеров, и отвечал за разработку продукции для солнечных тепловых систем и систем нагрева питьевой воды. С 2013 года он использует свой обширный опыт в качестве инженера по продукции и менеджера проектов для реализации местных проектов в области отопления по всей Германии.