När vintervädret sätter igång, värmen tar fart i New York Citys cirka en miljon byggnader. De flesta av dessa byggnaders ugnar eller pannor drivs med fossila bränslen som naturgas och olja; som ett resultat, värme och varmvatten står för cirka 42 procent av stadens totala utsläpp av växthusgaser.

Vijay Modi, en professor vid institutionen för maskinteknik vid Columbia University och en fakultetsmedlem i Earth Institute, och hans forskargrupp studerar hur man kan koldioxidutlösa uppvärmning. Hans lösning? Värmepumpar som går på el - eftersom allt mer el kommer från förnybar energi, "det är mycket lättare och överkomligt att göra el grön än att göra ett grönt bränsle."

"Politikfattare har insett värdet av värmepumpar, " han sa, "Och de är en del av New Yorks guvernörs energieffektivitetsmål – att år 2030, vi ska ha 25 procent av värmen från värmepumpar."

Elektrifierad uppvärmning är viktig för resten av landet, för. För att undvika de katastrofala effekterna av klimatförändringarna, vi måste minska våra koldioxidutsläpp till noll så snart som möjligt. Enligt en rapport från 2018 från Rocky Mountain Institute, att nå "djupa koldioxidutsläpp"-mål för att minska utsläppen av växthusgaser med 75 procent eller mer kommer att innebära, bland andra åtgärder, eliminera de flesta utsläpp som produceras vid förbränning av naturgas, olja eller propan i amerikanska hem och företag för uppvärmning och varmvatten.

Vad är en värmepump?

Modi beskriver värmepumpar, som har använts sedan 1940-talet, som luftkonditioneringsapparater med inbyggd hårdvara och kontroller som gör att de kan arbeta baklänges.

En populär typ av värmepump har en utomhusenhet som innehåller en kompressor och kondensor som fungerar med en inomhusenhet (även om värmepumpar också kan ingå i en enhet). I varmt väder, en värmepump fungerar som en luftkonditionering, ta bort värme från luften inne i hemmet och överföra den utanför, kyla hemmet.

Under svala månader, den drar värme från uteluften och överför den inuti; kontraintuitivt, även när vädret är kallt, utomhusluften innehåller tillräckligt med värme för att värma ditt hem. Medan de flesta värmepumpar överför värme från luften, det finns jordvärme- och vattenpumpar som överför värme från marken eller en närliggande vattenkälla; andra fungerar som vattenvärmare.

Värmepumpar är mer energieffektiva än ugnar och pannor eftersom istället för att generera värme, de flyttar helt enkelt värme från en plats till en annan, och de kan både värma och kyla hemmet. De ger den mest effektiva uppvärmningen och kylningen som finns, producerar två till fyra enheter värme för varje energienhet som används – en gasugn producerar lite mindre än en enhet värme per energienhet.

Jämfört med ugnar och baseboardvärme, värmepumpar kan minska energianvändningen med 50 procent. Och enligt en studie av Natural Resources Defense Council (NRDC), under sin livstid, en ny luftvärmepump kan minska utsläppen av växthusgaser med 46 till 54 procent jämfört med naturgasalternativ.

Hur man går över till värmepumpar

Dekarbonisering av uppvärmning i New York City är utmanande på grund av stadens täthet, stor efterfrågan på energi, åldrande infrastruktur, olika typer av byggnader, och utrymmesbegränsningar. Modis Quadracci Sustainable Engineering Lab undersöker hur det kan göras, studera fördelarna med elektrifierande uppvärmning, och ta itu med potentiella problem som kan uppstå.

När naturgas blev billigare än olja, många byggnader i New York City konverterade från olja till gas. Men eftersom förhandskostnaderna för att ersätta ett befintligt naturgassystem med en komplett värmepumpslösning är höga, Modi tvivlar på att de flesta skulle välja att göra detta. Istället, att vara kostnadseffektiv, eftermontering kan installera värmepumpar som ska användas större delen av tiden, vid sidan av befintliga värmesystem.

Han förklarade att byggnader med en ugn som värmer upp luft och distribuerar den också skulle kunna införliva en värmepump i sin slinga för att värma luften. Lite eftermontering skulle krävas. En stor höghus skulle utgöra en större utmaning eftersom det skulle kräva en värmepump i industriell storlek, vilket skulle vara svårt att eftermontera.

Värmepumpar kan också lättare användas när byggnader behöver lägga till eller ersätta luftkonditionering eller naturgassystem, uppgradera sina elsystem, eller gör tarmrenoveringar. Och nybyggen skulle lätt kunna förlita sig helt på elektriska värmepumpar.

Oro för värmepumpar

Det finns oro för vad som kan hända om det behövs mer och mer el för uppvärmning på vintern. Systemomfattande elbehov toppar för närvarande på sommaren med användning av luftkonditionering; Modi hävdar att vi har kapacitet att öka användningen av värmepumpar tills vi når en jämförbar vintertopp. Att ta sig dit och bortom, vindresurser kan ge en lösning. "Vi har mycket goda vindresurser till havs här i New York City, " sa Modi. "Det är en mycket bra match för uppvärmningen, eftersom vi får starkare vindar på vintern som skulle tillåta en ökande mängd värme att komma från vindkraft."

En annan fråga är att elledningarna i många byggnader kanske inte kan ta emot den extra el som värmepumpar behöver, som går på 220/240 volt. Modi föreslog att luftkonditioneringsapparater för fönsterenheter som går på 220/240 volt kunde ersättas med värmepumpar (som också kyler). "För det mesta av din uppvärmning, när det är över fryspunkten, du kanske mår bra, " sa han. Och i New York City, åtminstone, "det kan vara vad 60 procent av uppvärmningsbehovet är. Dessutom skulle du minska utsläppen också."

Utsikterna för framtiden

Enligt Forbes, "Framtidens globala ekonomi kommer att drivas av elektricitet och värmas/kylas av elektricitet - inte bara drivs av den."

Rocky Mountain Institute nämnde flera faktorer som kan hjälpa till att påskynda denna övergång och göra värmepumpar mer kostnadseffektiva. I takt med att värmepumpar tar fart och tillverkare uppnår skalfördelar, priserna kommer att falla. Smart teknik som kan hjälpa till att ändra tiden för energiförbrukning kan, till exempel, göra det möjligt för värmepumpar att förvärma ett hem tidigt på eftermiddagen när elpriserna kan vara lägre och hjälpa till att integrera mer förnybar energi i elnätet. Kolprissättning kan locka fler att installera värmepumpar.

Även med vårt nuvarande elnät i delstaten New York, dock, elektrifieringen av uppvärmning minskar utsläppen av växthusgaser. Och med ett nät som alltmer drivs på förnybar energi, värmeutsläpp kan förutsebart elimineras helt.

"Det kan mycket väl vara så att under de kommande 20 åren, vi kommer att ta reda på hur man gör all el grön och billig hela tiden. Då skulle vi använda värmepumpar hela tiden, "sa Modi." Men vägen till att göra det är knepigt - när vi gör denna övergång, det måste vara kostnadseffektivt."

För nybyggnation av hem, NRDC-studien fastställde att i Kalifornien, installation av elektriska värmepumpar istället för naturgassystem kan spara husägare $ 1, 500 i förskott, och hundratals dollar varje år i driftskostnader. Men eftersom de initiala kostnaderna för att installera eller eftermontera värmepumpar kan avskräcka vissa människor från att byta, verktyg, regeringar, och tillverkare måste främja värmepumpsteknik och göra den mer prisvärd. Ekonomiska incitament är nyckeln. "Vi ger väldigt stora incitament att köpa en elbil, sade Modi. "Men dollar för dollar, det skulle vara mycket bättre att göra det för uppvärmning ... eftersom utsläppsminskningen skulle vara mycket betydande för samma summa pengar."

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.