Неэффективная электрификация зданий рискует продлить использование ископаемого топлива
Новое исследование показывает, что для минимизации нагрузки на электросеть США в период зимнего пика потребления энергии на отопление (декабрь–январь) пути декарбонизации должны включать более эффективные технологии электрического отопления и больше возобновляемых источников энергии. В противном случае сезонные всплески спроса продолжит покрывать вредное ископаемое топливо.
Прямое сжигание ископаемого топлива в зданиях (в водонагревателях, печах и других системах отопления) отвечает почти за 10% выбросов парниковых газов в США. Переход на электрические системы отопления, работающие на возобновляемой энергии, а не на угле, нефти и природном газе — процесс, известный как электрификация или декарбонизация зданий, — является ключевым шагом к достижению глобальных целей по нулевым выбросам.
Однако большинство моделей декарбонизации зданий не учитывали сезонные колебания спроса на энергию для отопления или охлаждения. Это затрудняет прогнозирование последствий полного перехода на чистое электрическое отопление для национальной энергосистемы, особенно в периоды пикового потребления.
Исследователи из Школы общественного здравоохранения Бостонского университета (BUSPH), Гарвардской школы общественного здравоохранения (Harvard Chan School), Университета штата Орегон (OSU) и некоммерческой организации Home Energy Efficiency Team (HEET) изучили эти сезонные изменения. Они обнаружили, что ежемесячное потребление энергии значительно варьируется и достигает максимума в зимние месяцы.
Опубликованное в Scientific Reports, исследование представило новое моделирование нескольких сценариев электрификации зданий. Оно показало, что удовлетворить этот зимний всплеск спроса за счет существующих возобновляемых источников будет сложно, если здания перейдут на неэффективные электрические системы отопления.
Результаты подчеркивают необходимость внедрения в зданиях более эффективных технологий, таких как геотермальные тепловые насосы.
«Наше исследование показывает степень колебаний спроса на энергию в зданиях и преимущества использования высокоэффективных технологий отопления при их электрификации, — говорит ведущий автор работы доктор Джонатан Буонокоре. — Исторически эти колебания покрывались в основном газом, нефтью и древесиной, которые можно накапливать в течение года и использовать зимой. Электрифицированные здания и поддерживающая их энергосистема должны обеспечить такую же надежность зимнего отопления. Более эффективные технологии снизят нагрузку на сеть и повысят возможность покрывать этот спрос за счет безуглеродных возобновляемых источников».
Ученые проанализировали данные о потреблении энергии зданиями с марта 2010 по февраль 2020 года. Они установили, что общее среднемесячное потребление энергии в США (при текущем использовании ископаемого топлива или будущем использовании электричества зимой) варьируется в 1,6 раза, достигая минимума в мае и максимума в январе.
Исследователи смоделировали эти сезонные колебания в виде «Кривой сокола» (Falcon Curve) — график изменения ежемесячного потребления энергии напоминает силуэт сокола. Данные показывают, что спрос на зимнее отопление поднимает потребление до пика в декабре и январе, с вторичным пиком в июле-августе из-за охлаждения и самыми низкими уровнями в апреле, мае, сентябре и октябре.
Ученые также рассчитали объем дополнительной возобновляемой энергии (ветровой и солнечной), необходимый для покрытия возросшего спроса. Без использования накопителей, управления спросом или других тактик для балансировки сети, зданиям потребовалось бы увеличить выработку ветровой энергии в январе в 28 раз или солнечной — в 303 раза.
Однако при использовании более эффективных технологий, таких как воздушные (ASHP) или геотермальные (GSHP) тепловые насосы, потребовалось бы лишь в 4,5 раза больше ветровой или в 36 раз больше солнечной энергии зимой. Это «сгладило» бы Кривую сокола, снизив новую нагрузку на электросеть.
«Эта работа ясно показывает, что технологии как со стороны спроса, так и со стороны предложения играют важную роль в декарбонизации», — отмечает соавтор исследования доктор Паричехр Салимифард. Примерами технологий на стороне предложения являются геотермальное отопление зданий и ВИЭ, способные обеспечивать энергию круглосуточно (например, ВИЭ с долгосрочным накоплением, распределенные энергоресурсы (DER) и геотермальная генерация). Их можно сочетать с технологиями на стороне спроса (в зданиях), такими как пассивные и активные меры энергоэффективности, срезка пиков и накопление энергии, что сгладит колебания спроса и «уплощит» Кривую сокола.
«Кривая сокола указывает на важную взаимосвязь между выбором технологии электрификации зданий и ее влиянием на энергосистему», — говорит соавтор Зейнеб Магави.
Магави отмечает, что исследование еще не количественно оценивает эту взаимосвязь для конкретных технологий, более детальных временных масштабов или регионов, и не анализирует все возможные стратегии. Все это необходимо учитывать при планировании декарбонизации. Тем не менее, работа четко указывает, что «стратегическое сочетание технологий тепловых насосов (воздушных, геотермальных и сетевых) вместе с долгосрочным накоплением энергии поможет сделать электрификацию зданий более эффективной, экономичной и справедливой».
«Наше исследование ясно показывает, что, учитывая сезонные колебания потребления энергии, отраженные в Кривой сокола, стремление к электрификации зданий должно сопровождаться внедрением энергоэффективных технологий. Это максимизирует климатические и медицинские выгоды от декарбонизации», — подчеркивает старший автор доктор Джозеф Г. Аллен.
«Наша работа показывает путь электрификации зданий, который позволяет избежать зависимости от ископаемого топлива и даже от возобновляемого топлива для сжигания, которое все еще может создавать загрязнение воздуха, — говорит Буонокоре. — Избегание таких проблем — вот почему важно участие экспертов в области общественного здравоохранения в формировании энергетической и климатической политики».