Ineffektiv bygningselektrificering risikerer at forlænge brugen af ​​fossile brændstoffer

En ny undersøgelse viser, at dekarboniseringsveje skal inkorporere mere effektive elvarmeteknologier og flere vedvarende energikilder for at minimere belastningen på det amerikanske elnet under øget elforbrug fra opvarmning i december og januar. Ellers vil skadelige fossile brændstoffer fortsætte med at drive disse sæsonbestemte stigninger i energiefterspørgslen.

Bygningers direkte fossile brændstofforbrug, brændt i vandvarmere, ovne og andre varmekilder, tegner sig for næsten 10 procent af drivhusgasemissionerne i USA. At skifte til et elektrisk system, der driver opvarmning gennem vedvarende energikilder i stedet for kul, olie og naturgas – processen kendt som bygningselektrificering eller bygningsdekarbonisering – er et afgørende skridt i retning af at nå globale klimamål med nul.

De fleste bygningsdekarboniseringsmodeller har dog ikke taget højde for sæsonbestemte udsving i energibehovet til opvarmning eller køling. Dette gør det svært at forudsige, hvad et eventuelt skift til renere, udelukkende elektrisk opvarmning i bygninger kan betyde for landets elnet, især under spidsbelastninger i energiforbruget.

En ny undersøgelse foretaget af forskere ved Boston University School of Public Health (BU.S.PH), Harvard T.H. Chan School of Public Health (Harvard Chan School), Oregon State University (OSU) og nonprofitorganisationen Home Energy Efficiency Team (HEET) undersøgte disse sæsonmæssige ændringer i energiefterspørgslen og fandt ud af, at det månedlige energiforbrug varierer betydeligt og er højest om vinteren måneder.

Udgivet i Scientific Reports , præsenterede undersøgelsen ny modellering af flere bygningselektrificeringsscenarier og fandt ud af, at denne sæsonmæssige stigning i vinterenergiefterspørgslen vil være svær at tilfredsstille gennem nuværende vedvarende kilder, hvis bygninger skifter til laveffektiv elektrificeret opvarmning.

Resultaterne understreger behovet for, at bygninger installerer mere effektive boligopvarmningsteknologier, såsom jordvarmepumper.

"Vores forskning afslører graden af ​​udsving i bygningers energibehov og fordelene ved at bruge ekstremt effektive opvarmningsteknologier, når bygninger elektrificeres," siger studieleder og tilsvarende forfatter Dr. Jonathan Buonocore, adjunkt i miljøsundhed ved BU.S.PH. "Historisk set er denne udsving i bygningers energiefterspørgsel i vid udstrækning blevet styret af gas, olie og træ, som alle kan opbevares hele året og bruges om vinteren. Elektrificerede bygninger og det elektriske system, der understøtter dem, bliver nødt til at levere den samme service med at levere pålidelig opvarmning om vinteren. Mere effektive elektriske varmeteknologier vil reducere den elektriske belastning på nettet og forbedre muligheden for at opfylde dette varmebehov med vedvarende energi, der ikke er forbrænding."

Til undersøgelsen analyserede Buonocore og kolleger bygningsenergidata fra marts 2010 til februar 2020 og fandt ud af, at USA's samlede månedlige gennemsnit for energiforbrug - baseret på det nuværende forbrug af fossile brændstoffer samt fremtidig brug af elektricitet om vinteren - varierer med en faktor på 1,6x med den laveste efterspørgsel i maj og den højeste efterspørgsel i januar.

Forskerne modellerede disse sæsonmæssige udsving i det, de kalder "Falcon Curve" - ​​da en graf over ændringen i det månedlige energiforbrug repræsenterer formen af ​​en falk. Dataene viser, at vinteropvarmningsbehovet driver energiforbruget til det højeste niveau i december og januar, med et sekundært højdepunkt i juli og august på grund af afkøling, og de laveste niveauer i april, maj, september og oktober.

Forskerne beregnede også mængden af ​​yderligere vedvarende energi, især vind- og solenergi, der skulle genereres for at imødekomme denne øgede efterspørgsel efter elektricitet. Uden lagring, efterspørgselsrespons eller andre taktikker til at styre netbelastningen, ville bygninger kræve en 28x stigning i januar vindproduktion eller en 303x stigning i januar solenergi for at imødekomme vinteropvarmningstoppene.

Men med mere effektive vedvarende energikilder, såsom luftkildevarmepumper (ASHP'er) eller jordvarmepumper (GSHP'er), ville bygninger kun kræve 4,5 gange mere vintervindproduktion eller 36 gange mere solenergi - og dermed "fladere" Falcon Curve som mindre nyt energibehov placeres på elnettet.

"Dette arbejde viser virkelig, at teknologier på både efterspørgsels- og udbudssiden har en stærk rolle at spille i dekarboniseringen," siger undersøgelsens medforfatter Dr. Parichehr Salimifard, assisterende professor i College of Engineering ved Oregon State University. Eksempler på disse teknologier på energiforsyningssiden er geotermisk bygningsopvarmning og vedvarende energiteknologier, der kan levere energi til enhver tid, siger hun - såsom vedvarende energi kombineret med langtidslagring, distribuerede energiressourcer (DER'er) i alle skalaer og geotermisk energi. elproduktion, hvor det er muligt. "Disse kan kombineres med teknologier på efterspørgselssiden - dvs. i bygninger - såsom passive og aktive bygningsenergieffektivitetsforanstaltninger, peak-barbering og energilagring i bygninger. Disse teknologier på bygningsniveau kan både reducere det samlede energibehov i bygninger med reducerer både baseline og maksimal energiefterspørgsel samt udjævner fluktuationerne i bygningens energiefterspørgsel og udjævner følgelig Falcon Curve."

"Falcon Curve henleder vores opmærksomhed på et nøgleforhold mellem valget af bygningselektrificeringsteknologi og indvirkningen af ​​bygningselektrificering på vores elnet," siger studiets medforfatter Zeyneb Magavi, co-executive director for HEET, en nonprofit inkubator for klimaløsninger .

Magavi advarer om, at denne forskning endnu ikke kvantificerer dette forhold baseret på målte sæsonbestemte effektivitetskurver for specifikke teknologier eller for mere granulære tidsskalaer eller regioner, eller vurderer de talrige strategier og teknologier, der kan hjælpe med at løse udfordringen. Alt dette skal overvejes i planlægningen af ​​dekarbonisering.

Alligevel, siger Magavi, viser denne forskning tydeligt, at "at bruge en strategisk kombination af varmepumpeteknologier (luftkilde, jordkilde og netværk) samt langsigtet energilagring, vil hjælpe os med at elektrificere bygninger mere effektivt, økonomisk og retfærdigt. Falcon-kurven viser os en hurtigere vej til en ren, sund energifremtid."

"Vores forskning gør det klart, at når der tages højde for sæsonbestemte udsving i energiforbruget, der er synlige i Falcon Curve, skal drivkraften til at elektrificere vores bygninger kombineres med en forpligtelse til energieffektive teknologier for at sikre bygningsdekarboniseringsindsatsen maksimerer klima- og sundhedsfordele," siger studere seniorforfatter Dr. Joseph G. Allen, lektor i eksponeringsvurderingsvidenskab og direktør for Healthy Buildings-programmet på Harvard Chan School.

"Vores arbejde her viser en vej til at bygge elektrificering, der undgår at stole på fossile brændstoffer og undgår vedvarende forbrændingsbrændstoffer, som stadig kan producere luftforurening og muligvis opretholde uligheder i luftforureningseksponering, på trods af at de er klimaneutral," siger Buonocore. "At undgå problemer som dette er grunden til, at det er vigtigt for folkesundhedseksperter at være involveret i energi- og klimapolitik." + Udforsk yderligere

Dekarbonisering af nettet med fleksible bygninger