Яке майбутнє міського енергетичного сектора?
Наріжним каменем цивілізаційного прогресу в його матеріальному вираженні й надалі залишатиметься енергія. Водночас підвищення енергоефективності, на яке міста сьогодні роблять ставку з огляду на зміну клімату, здатне лише тимчасово зменшити загальне споживання енергії. Згодом воно обертається т.зв. ефектами відскоку (rebound effects), оскільки вивільнені кошти зазвичай інвестують у розширення старого або започаткування нового виробництва, а «енергетичний апетит» суспільства раз по раз розгоряється з новою силою. Інший популярний інструмент – енергоощадність, тобто запобігання безвідповідальному марнотратству, спроможний сповільнити, але не зупинити і тим більше обернути глобальну тенденцію до зростання споживання енергії.
Втім, всезагальна відмова від викопного палива та перехід на джерела поновної енергії, цей радикальний і найдієвіший спосіб зупинити першопричину зміни клімату – надмірні викиди в атмосферу парникових газів, теж не зменшить споживання енергії людством. Хоча б тому, що для масового виготовлення вітрогенераторів, сонячних колекторів і фотоелектричних панелей, акумуляторних батарей, водневих двигунів, теплових помп, біогазових реакторів тощо та потрібних для цього компонентів, матеріалів, а ще раніше для видобування необхідної сировини плюс транспортування на всіх етапах виготовлення – необхідна буде величезна кількість енергії. Одночасно з цим у людства виникатимуть нові матеріальні потреби, задоволення яких теж вимагатиме енергії. Тож споживання енергії – принаймні в осяжному майбутньому – попри всі намагання обмежити його, надалі зростатиме. Проте ця енергія в кінцевому підсумку повинна бути однозначно лише з поновних енергоресурсів та задля мінімізації втрат під час транспортування генерована якомога ближче до споживача, тобто децентралізовано.
У свою чергу, невеликі автономні енергоустановки, що працюють на відновлюваній енергії та постачають електроенергію місцевим споживачам, можна об’єднати з кількома сусідніми, утворивши в цей спосіб децентралізовану енергетичну систему та скидаючи туди за потреби надлишок енергії. Така система, на відміну від централізованої, надійніша і більш гнучка, оскільки не залежить від єдиного постачальника та продовжує функціонувати, навіть якщо котрась із енергоустановок тимчасово вийде з ладу. Окрім того, вона значно дешевша, бо не потребує дорогих ліній електропересилання і трансформаторних підстанцій. Втрати електроенергії під час транспортування завдяки близькості до споживача теж відчутно менші. Недолік, пов’язаний з тим, що джерела поновної енергії залежать від погоди і є нестабільними, можна компенсувати, запасаючи вироблену енергію за допомогою акумуляторів. Втім, надалі актуальним залишається інше технічне обмеження енергоустановок, що працюють на енергії з відновлюваних джерел – їхній низький коефіцієнт використання встановленої потужності (КВВП): 25% для сонячних електростанцій і 35% для вітрових турбін.
На противагу цьому, КВВП обладнання з комбінованого виробництва електричної і теплової енергії може сягати 90%, до того ж його робота не залежить від погоди. Хоча когенерацію початково було розроблено для більш ефективного використання викопного палива в системах централізованого енергопостачання, сьогодні ринок пропонує когенераційне обладнання/електростанції також мікро-, міні- і малої потужностей, зокрема, й таке, що працює на поновних енергоресурсах – біомасі, біогазі (наприклад, зі звалищ і очисних споруд), скидному теплі та все частіше на водні. Вироблену ними теплову енергію можна використовувати як для місцевого опалення/охолодження будівель і отримання гарячої води, так і потреб невеликого промислового виробництва.
Сьогодні малу когенерацію розглядають як ключовий елемент переходу до децентралізованих, повністю кліматично нейтральних енергетичних систем, оскільки вона не лише розширює їхні можливості, але й істотно посилює гнучкість і надійність постачання електроенергії, «підстраховуючи» енергоустановки, що працюють на поновній енергії. Це, серед іншого, може також пришвидшити впровадження теплових помп та електромобілів, бо гарантуватиме достатню кількість електроенергії для їхнього живлення. У свою чергу, масовий перехід на електромобілі, що розгортається зараз у світі, відкриває для електромереж безпрецедентні за обсягом можливості балансувати виробництво і споживання енергії, використовуючи для цього електричні акумулятори таких авто.
Наступний, якісно новий етап у розвитку децентралізованих енергосистем в міру їхнього розростання й ускладнення пов’язаний із залученням цифрових технологій розумних мереж (smart grids), що забезпечують рух енергії і даних в обидва боки та останнім часом набувають дедалі ширшого застосування в енергосистемах централізованих. Це дає змогу автоматично в режимі реального часу виявляти, аналізувати і швидко усувати небажані відхилення в роботі, та, діючи на випередження, запобігати аваріям. Розумні мережі самі розподіляють надлишки енергії, регулюють баланс її виробітку і споживання, фактично виконуючи функції центру диспетчерського управління.
У випадку децентралізованих енергосистем застосування технологій розумних мереж має ще один вельми далекосяжний ефект – через постійне здешевлення технічних засобів отримання й акумулювання відновалюваної енергії її споживачі (домогосподарства, комунальні підприємства, малий бізнес тощо) дедалі частіше самі починають виробляти енергію та ділитись її надлишками, перетворюючись у активних учасників ринку енергії, так званих просументів (prosumers). В результаті децентралізовані енергосистеми стають розосередженими або, інакше кажучи, розподіленими (distributed).
Децентралізовані/розподілені мережі можуть працювати як в автономному режимі, так і під’єднавшись до загальної енергомережі та продаючи туди надлишок виробленої ними електроенергії. Хоча сьогодні вони слугують здебільшого доповненням до об’єднаних енергосистем, вже не викликає сумніву, що штучно створеній після ІІ світової війни «природній» монополії централізованого електропостачання у світі надходить кінець. Зокрема, у країнах ЄС набуває популярності створення так званих енергетичних громад: у 2021 році щонайменше 2 мільйони осіб було залучено до 7700 енергетичних громад, на які припало 7% виробництва поновлюваної енергії. Очікується, що до 2050 року половина громадян ЄС зможе забезпечувати майже половину всього виробництва електроенергії.
Водночас нового, значно ширшого трактування повинна набути досі недоцінювана енергоощадність, зведена в масовій свідомості до примітивного «не потрібно – вимкни!». Застосування її на етапі проєктування/планування на відміну від енергоефективності практично не потребує матеріальних витрат та коштує не порівняти менше.
Наприклад, у містах найбільше енергії споживають будівлі, де основна частина її йде на потреби опалення (і чимраз більше – охолодження). Тож у випадку нового будівництва значного скорочення споживання енергії можна добитись ще на етапі проєктування будівлі за рахунок її правильної орієнтації на місцевості за сторонами світу, врахування рожі вітрів, особливостей рельєфу, навколишньої забудови й поблизького озеленення, а також вибору оптимальної форми будівлі, розмірів і розміщення вікон, кольору стін і даху, внутрішнього планування тощо.
Тому за проєктування енергозабезпечення будівлі з використанням енергоефективних матеріалів/конструктивних елементів/обладнання слід братись лише після того, як максимально використано всі можливості пасивних опалення, охолодження й освітлення за допомогою відповідних архітектурних рішень. Це відразу відчутно зменшить потребу в енергії та заощадить значні кошти.
Інший приклад результативного застосування енергоощадності – планування нової міської забудови в такий спосіб, щоб майбутні мешканці могли задовольняти більшість своїх повсякденних потреб на віддалі 10-15 хвилин від дому пішки або на велосипеді. Як наслідок, різко падає потреба у використанні приватного і громадського транспорту, сумарне споживання енергії якими в містах зараз на другому місці після будівель.
Статтю опубліковано в Київському міському онлайн-журналі "Хмарочос":
https://hmarochos.kiev.ua/2023/10/20/majbutnye-miskogo-energetychnogo-sektora/