Uit een nieuwe studie blijkt dat decarbonisatiepaden efficiëntere elektrische verwarmingstechnologieën en meer hernieuwbare energiebronnen moeten bevatten om de druk op het Amerikaanse elektriciteitsnet te minimaliseren tijdens het toegenomen elektriciteitsverbruik door verwarming in december en januari. Anders zullen schadelijke fossiele brandstoffen deze seizoenspieken in de energievraag blijven aandrijven.

Het directe verbruik van fossiele brandstoffen door gebouwen, verbrand in waterverwarmers, ovens en andere verwarmingsbronnen, is goed voor bijna 10 procent van de uitstoot van broeikasgassen in de Verenigde Staten. Overschakelen naar een elektrisch systeem dat verwarming aandrijft door middel van hernieuwbare energiebronnen in plaats van kolen, olie en aardgas - het proces dat bekend staat als elektrificatie van gebouwen of decarbonisatie van gebouwen - is een cruciale stap in de richting van het bereiken van wereldwijde netto-nul klimaatdoelstellingen.

De meeste modellen voor het koolstofvrij maken van gebouwen houden echter geen rekening met seizoensfluctuaties in de energievraag voor verwarming of koeling. Dit maakt het moeilijk te voorspellen wat een eventuele overstap naar schonere, volledig elektrische verwarming in gebouwen zou kunnen betekenen voor het elektriciteitsnet van het land, vooral tijdens pieken in het energieverbruik.

Een nieuwe studie door onderzoekers van de Boston University School of Public Health (BU.S.PH), Harvard T.H. Chan School of Public Health (Harvard Chan School), Oregon State University (OSU) en het non-profit Home Energy Efficiency Team (HEET) onderzochten deze seizoensgebonden veranderingen in de energievraag en ontdekten dat het maandelijkse energieverbruik aanzienlijk varieert en het hoogst is in de winter maanden.

Gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , de studie presenteerde nieuwe modellering van meerdere scenario's voor elektrificatie van gebouwen, en ontdekte dat deze seizoensgebonden toename van de vraag naar energie in de winter moeilijk te bevredigen zal zijn met de huidige hernieuwbare bronnen, als gebouwen overschakelen op elektrische verwarming met een laag rendement.

De bevindingen benadrukken de noodzaak voor gebouwen om efficiëntere huisverwarmingstechnologieën te installeren, zoals aardwarmtepompen.

"Ons onderzoek onthult de mate van fluctuatie in de energievraag van gebouwen en de voordelen van het gebruik van uiterst efficiënte verwarmingstechnologieën bij het elektrificeren van gebouwen", zegt hoofdonderzoeker en corresponderende auteur Dr. Jonathan Buonocore, universitair docent milieugezondheid bij BU.S.PH. "Historisch gezien werd deze fluctuatie in de energievraag van gebouwen grotendeels beheerd door gas, olie en hout, die allemaal het hele jaar door kunnen worden opgeslagen en in de winter kunnen worden gebruikt. Geëlektrificeerde gebouwen en het elektrische systeem dat ze ondersteunt, moeten bieden dezelfde service van betrouwbare verwarming in de winter. Efficiëntere elektrische verwarmingstechnologieën zullen de elektrische belasting van het net verminderen en het vermogen verbeteren om aan deze verwarmingsvraag te voldoen met niet-verbrandende hernieuwbare energiebronnen."

Voor de studie analyseerden Buonocore en collega's de energiegegevens van gebouwen van maart 2010 tot februari 2020 en ontdekten dat het totale maandelijkse gemiddelde voor het energieverbruik in de VS - op basis van het huidige gebruik van fossiele brandstoffen en het toekomstige gebruik van elektriciteit in de winter - varieert met een factor 1,6x, met de laagste vraag in mei en de hoogste vraag in januari.

De onderzoekers hebben deze seizoensfluctuaties gemodelleerd in wat zij de "Falcon Curve" noemen - aangezien een grafiek van de verandering in het maandelijkse energieverbruik de vorm van een valk weergeeft. Uit de gegevens blijkt dat de vraag naar verwarming in de winter het energieverbruik in december tot het hoogste niveau drijft en januari, met een secundaire piek in juli en augustus als gevolg van afkoeling, en de laagste niveaus in april, mei, september en oktober.

De onderzoekers berekenden ook de hoeveelheid extra hernieuwbare energie, met name wind- en zonne-energie, die zou moeten worden opgewekt om aan deze toegenomen vraag naar elektriciteit te voldoen. Zonder opslag, vraagrespons of andere tactieken om de belasting van het net te beheren, zouden gebouwen in januari een windopwekking van 28x of zonne-energie van 303x nodig hebben om de winterse verwarmingspieken op te vangen.

Maar met efficiëntere hernieuwbare energiebronnen, zoals lucht-water warmtepompen (ASHP's) of grond-water warmtepompen (GSHP's), zouden gebouwen slechts 4,5x meer windopwekking in de winter nodig hebben, of 36x meer zonne-energie, waardoor de Falcon Curve minder nieuwe energievraag wordt geplaatst op het elektriciteitsnet.

"Dit werk laat echt zien dat technologieën aan zowel de vraag- als de aanbodzijde een sterke rol spelen bij het koolstofvrij maken", zegt co-auteur Dr. Parichehr Salimifard, assistent-hoogleraar College of Engineering aan de Oregon State University. Voorbeelden van deze technologieën aan de kant van de energievoorziening zijn geothermische verwarming van gebouwen en technologieën voor hernieuwbare energie die op elk moment energie kunnen leveren, zegt ze, zoals hernieuwbare energiebronnen in combinatie met langetermijnopslag, gedistribueerde energiebronnen (DER's) op alle schalen en geothermische energie. elektriciteitsopwekking waar mogelijk. "Deze kunnen worden gekoppeld aan technologieën aan de vraagzijde, d.w.z. in gebouwen, zoals maatregelen voor passieve en actieve energie-efficiëntie van gebouwen, peak-shaving en energieopslag in gebouwen. Deze technologieën op gebouwniveau kunnen beide de totale energievraag van gebouwen verminderen door zowel de basislijn als de maximale energievraag verminderen en de fluctuaties in de energievraag van gebouwen afvlakken, en bijgevolg de Falcon-curve afvlakken."

"De Falcon Curve vestigt onze aandacht op een belangrijke relatie tussen de keuze voor de elektrificatie van gebouwen en de impact van de elektrificatie van gebouwen op ons elektriciteitsnet", zegt co-auteur Zeyneb Magavi, co-executive director van HEET, een non-profit incubator voor klimaatoplossingen. .

Magavi waarschuwt dat dit onderzoek deze relatie nog niet kwantificeert op basis van gemeten seizoensgebonden efficiëntiecurven voor specifieke technologieën, of voor meer gedetailleerde tijdschalen of regio's, of de talrijke strategieën en technologieën beoordeelt die kunnen helpen de uitdaging aan te gaan. Met dit alles moet rekening worden gehouden bij het plannen van decarbonisatie.

Maar, zegt Magavi, dit onderzoek geeft duidelijk aan dat "het gebruik van een strategische combinatie van warmtepomptechnologieën (luchtbron, grondbron en netwerk), evenals langdurige energieopslag, ons zal helpen gebouwen efficiënter te elektrificeren, economisch en billijk. De Falcon-curve toont ons een sneller pad naar een schone, gezonde energietoekomst."

"Ons onderzoek maakt duidelijk dat wanneer rekening wordt gehouden met seizoensfluctuaties in energieverbruik die zichtbaar zijn in de Falcon Curve, de drang om onze gebouwen te elektrificeren gepaard moet gaan met een toewijding aan energie-efficiënte technologieën om ervoor te zorgen dat de inspanningen voor het koolstofvrij maken van gebouwen de voordelen voor het klimaat en de gezondheid maximaliseren", zegt studeer senior auteur Dr. Joseph G. Allen, universitair hoofddocent Exposure Assessment Science en directeur van het Healthy Buildings-programma aan de Harvard Chan School.

"Ons werk hier toont een weg voor het bouwen van elektrificatie die vermijdt te vertrouwen op fossiele brandstoffen, en vermijdt hernieuwbare verbrandingsbrandstoffen, die nog steeds luchtvervuiling kunnen veroorzaken, en mogelijk ongelijkheden in blootstelling aan luchtvervuiling in stand houden, ondanks dat ze klimaatneutraal zijn", zegt Buonocore. "Het vermijden van dit soort problemen is waarom het belangrijk is dat deskundigen op het gebied van volksgezondheid worden betrokken bij het maken van energie- en klimaatbeleid." + Verder verkennen

Het netwerk koolstofarm maken met flexibele gebouwen