Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
En ny studie visar att avkolningsvägar måste införliva effektivare elvärmetekniker och fler förnybara energikällor för att minimera belastningen på det amerikanska elnätet under ökad elanvändning från uppvärmning i december och januari. Annars kommer skadliga fossila bränslen att fortsätta att driva dessa säsongsbetonade toppar i energiefterfrågan.
Byggnaders direkta fossila bränsleförbrukning, som förbränns i varmvattenberedare, ugnar och andra uppvärmningskällor, står för nästan 10 procent av växthusgasutsläppen i USA. Att byta till ett elektriskt system som driver uppvärmning genom förnybara energikällor, snarare än kol, olja och naturgas – den process som kallas byggnadselektrifiering eller byggnadsavkolning – är ett avgörande steg mot att uppnå globala klimatmål med noll.
De flesta modeller för avkolning av byggnader har dock inte tagit hänsyn till säsongsmässiga fluktuationer i energibehovet för uppvärmning eller kylning. Detta gör det svårt att förutsäga vad en eventuell övergång till renare, helelektrisk uppvärmning i byggnader kan innebära för landets elnät, särskilt under toppar i energianvändningen.
En ny studie av forskare vid Boston University School of Public Health (BU.S.PH), Harvard T.H. Chan School of Public Health (Harvard Chan School), Oregon State University (OSU) och det ideella Home Energy Efficiency Team (HEET) undersökte dessa säsongsmässiga förändringar i energiefterfrågan och fann att den månatliga energiförbrukningen varierar avsevärt och är högst på vintern månader.
Publicerad i Scientific Reports , presenterade studien ny modellering av flera byggnadselektrifieringsscenarier och fann att denna säsongsmässiga ökning av vinterenergiefterfrågan kommer att vara svår att tillfredsställa med nuvarande förnybara källor, om byggnader går över till lågeffektiv elektrifierad uppvärmning.
Resultaten understryker behovet av att byggnader installerar effektivare teknik för uppvärmning av hem, såsom bergvärmepumpar.
"Vår forskning avslöjar graden av fluktuation i efterfrågan på byggnaders energi och fördelarna med att använda extremt effektiv uppvärmningsteknik vid elektrifiering av byggnader", säger studieledaren och motsvarande författare Dr. Jonathan Buonocore, biträdande professor i miljöhälsa vid BU.S.PH. "Historiskt har denna fluktuation i efterfrågan på byggnaders energi till stor del hanterats av gas, olja och trä, som alla kan lagras under hela året och användas under vintern. Elektrifierade byggnader, och det elektriska system som stöder dem, måste tillhandahålla samma tjänst att tillhandahålla tillförlitlig uppvärmning på vintern. Effektivare elvärmetekniker kommer att minska den elektriska belastningen på nätet och förbättra möjligheten för detta uppvärmningsbehov att tillgodoses med icke-förbränningsbara förnybara energikällor."
För studien analyserade Buonocore och kollegor byggnadsenergidata från mars 2010 till februari 2020 och fann att USA:s totala månadsmedelvärde för energiförbrukning – baserat på nuvarande användning av fossila bränslen, såväl som framtida användning av el på vintern – varierar med en faktor på 1,6x, med den lägsta efterfrågan i maj och den högsta efterfrågan i januari.
Forskarna modellerade dessa säsongsfluktuationer i vad de kallar "Falcon Curve" - eftersom en graf över förändringen i månatlig energiförbrukning representerar formen av en falk. Data visar att vintervärmebehov driver energiförbrukningen till sina högsta nivåer i december och januari, med en sekundär topp i juli och augusti på grund av kylning, och de lägsta nivåerna i april, maj, september och oktober.
Forskarna beräknade också mängden ytterligare förnybar energi, särskilt vind- och solenergi, som skulle behöva genereras för att möta denna ökade efterfrågan på el. Utan lagring, efterfrågesvar eller annan taktik för att hantera nätbelastningen skulle byggnader kräva en 28x ökning av vindproduktionen i januari eller en 303x ökning av solenergin i januari för att klara vinteruppvärmningstopparna.
Men med mer effektiva förnybara energikällor, såsom luftvärmepumpar (ASHP) eller markvärmepumpar (GSHP), skulle byggnader bara kräva 4,5 gånger mer vintervindproduktion, eller 36 gånger mer solenergi – och därmed "plana ut" Falcon Curve som mindre nytt energibehov läggs på elnätet.
"Detta arbete visar verkligen att teknologier på både efterfråge- och utbudssidan har en stark roll att spela i dekarboniseringen", säger studiens medförfattare Dr. Parichehr Salimifard, biträdande professor i College of Engineering vid Oregon State University. Exempel på dessa tekniker på energiförsörjningssidan är geotermisk byggnadsuppvärmning och förnybar energiteknik som kan tillhandahålla energi när som helst, säger hon – som förnybar energi i kombination med långtidslagring, distribuerade energiresurser (DER) i alla skalor och geotermisk energi. elproduktion där så är möjligt. "Dessa kan kombineras med teknologier på efterfrågesidan – det vill säga i byggnader – som passiva och aktiva energieffektivitetsåtgärder för byggnader, peak-shaving och energilagring i byggnader. Dessa tekniker på byggnadsnivå kan både minska byggnadens totala energibehov med minskar både baslinje och maximal energiefterfrågan samt jämnar ut fluktuationerna i byggnadens energibehov, och följaktligen plattar ut Falcon Curve."
"Falcon Curve uppmärksammar vår uppmärksamhet på en nyckelrelation mellan valet av byggnadselektrifieringsteknik och inverkan av byggnadselektrifiering på vårt elnät", säger studiens medförfattare Zeyneb Magavi, medverkställande direktör för HEET, en ideell inkubator för klimatlösningar .
Magavi varnar för att denna forskning ännu inte kvantifierar detta förhållande baserat på uppmätta säsongsbetonade effektivitetskurvor för specifika tekniker, eller för mer detaljerade tidsskalor eller regioner, eller bedömer de många strategier och tekniker som kan hjälpa till att hantera utmaningen. Allt detta måste beaktas vid planering av koldioxidutsläpp.
Ändå, säger Magavi, visar denna forskning tydligt att "att använda en strategisk kombination av värmepumpstekniker (luftkälla, markkälla och nätverk), såväl som långsiktig energilagring, kommer att hjälpa oss att elektrifiera byggnader mer effektivt, ekonomiskt och rättvist. Falcon-kurvan visar oss en snabbare väg till en ren, hälsosam energiframtid."
"Vår forskning visar tydligt att när man tar hänsyn till säsongsvariationer i energiförbrukning som är uppenbara i Falcon Curve, måste drivkraften att elektrifiera våra byggnader kombineras med ett engagemang för energieffektiv teknik för att säkerställa att ansträngningar för att minska koldioxidutsläppen maximerar klimat- och hälsofördelarna", säger studera seniorförfattaren Dr. Joseph G. Allen, docent i exponeringsbedömningsvetenskap och chef för programmet Healthy Buildings vid Harvard Chan School.
"Vårt arbete här visar en väg för att bygga elektrifiering som undviker att förlita sig på fossila bränslen och undviker förnybara förbränningsbränslen, som fortfarande kan producera luftföroreningar och möjligen vidmakthålla skillnader i exponering för luftföroreningar, trots att de är klimatneutrala", säger Buonocore. "Att undvika sådana här frågor är därför det är viktigt för folkhälsoexperter att vara involverade i energi- och klimatpolitik." + Utforska vidare
