Eine ineffiziente Elektrifizierung von Gebäuden birgt die Gefahr, dass der Verbrauch fossiler Brennstoffe verlängert wird

Eine neue Studie stellt fest, dass Dekarbonisierungspfade effizientere elektrische Heiztechnologien und mehr erneuerbare Energiequellen beinhalten müssen, um die Belastung des US-Stromnetzes während des erhöhten Stromverbrauchs durch Heizung im Dezember und Januar zu minimieren. Andernfalls werden diese saisonalen Spitzen des Energiebedarfs weiterhin von schädlichen fossilen Brennstoffen angetrieben.

Der direkte Verbrauch fossiler Brennstoffe durch Gebäude, die in Warmwasserbereitern, Öfen und anderen Heizquellen verbrannt werden, macht fast 10 Prozent der Treibhausgasemissionen in den Vereinigten Staaten aus. Die Umstellung auf ein elektrisches System, das die Heizung mit erneuerbaren Energiequellen anstelle von Kohle, Öl und Erdgas versorgt – der Prozess, der als Gebäudeelektrifizierung oder Dekarbonisierung von Gebäuden bekannt ist – ist ein entscheidender Schritt zur Erreichung der globalen Netto-Null-Klimaziele.

Die meisten Modelle zur Dekarbonisierung von Gebäuden haben jedoch saisonale Schwankungen des Energiebedarfs zum Heizen oder Kühlen nicht berücksichtigt. Dies macht es schwierig vorherzusagen, was ein eventueller Wechsel zu einer saubereren, rein elektrischen Heizung in Gebäuden für das Stromnetz des Landes bedeuten könnte, insbesondere während Spitzen im Energieverbrauch.

Eine neue Studie von Forschern der Boston University School of Public Health (BU.S.PH), der Harvard TH Chan School of Public Health (Harvard Chan School), der Oregon State University (OSU) und des gemeinnützigen Home Energy Efficiency Team (HEET) untersuchten diese saisonalen Änderungen des Energiebedarfs und stellten fest, dass der monatliche Energieverbrauch stark schwankt und in den Wintermonaten am höchsten ist.

Veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichtestellte die Studie eine neuartige Modellierung mehrerer Gebäudeelektrifizierungsszenarien vor und stellte fest, dass dieser saisonale Anstieg des Energiebedarfs im Winter nur schwer durch die derzeitigen erneuerbaren Quellen gedeckt werden kann, wenn Gebäude auf elektrifizierte Heizungen mit niedrigem Wirkungsgrad umsteigen.

Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit für Gebäude, effizientere Hausheizungstechnologien wie Erdwärmepumpen zu installieren.

„Unsere Forschung zeigt den Grad der Schwankungen im Energiebedarf von Gebäuden und die Vorteile des Einsatzes äußerst effizienter Heiztechnologien bei der Elektrifizierung von Gebäuden“, sagt Studienleiter und korrespondierender Autor Dr. Jonathan Buonocore, Assistenzprofessor für Umweltgesundheit an der BU.S.PH. „In der Vergangenheit wurde diese Schwankung des Energiebedarfs von Gebäuden weitgehend durch Gas, Öl und Holz bewältigt, die alle das ganze Jahr über gelagert und im Winter genutzt werden können. Elektrifizierte Gebäude und das sie unterstützende elektrische System müssen dies tun bieten denselben Service der Bereitstellung zuverlässiger Heizung im Winter. Effizientere elektrische Heiztechnologien werden die elektrische Belastung des Netzes reduzieren und die Fähigkeit verbessern, diesen Wärmebedarf mit erneuerbaren Energien ohne Verbrennung zu decken.“

Für die Studie analysierten Buonocore und Kollegen Gebäudeenergiedaten von März 2010 bis Februar 2020 und stellten fest, dass der monatliche Gesamtdurchschnitt des Energieverbrauchs in den USA – basierend auf dem aktuellen Verbrauch fossiler Brennstoffe sowie dem zukünftigen Stromverbrauch im Winter – variiert um den Faktor 1,6x, mit der geringsten Nachfrage im Mai und der höchsten Nachfrage im Januar.

Die Forscher modellierten diese saisonalen Schwankungen in der sogenannten „Falcon Curve“ – da ein Diagramm der Veränderung des monatlichen Energieverbrauchs die Form eines Falken darstellt. Die Daten zeigen, dass der Heizwärmebedarf im Winter den Energieverbrauch im Dezember auf sein höchstes Niveau treibt und Januar, mit einem zweiten Höhepunkt im Juli und August aufgrund der Abkühlung und den niedrigsten Werten im April, Mai, September und Oktober.

Die Forscher berechneten auch die Menge an zusätzlicher erneuerbarer Energie, insbesondere Wind- und Sonnenenergie, die erzeugt werden müsste, um diesen erhöhten Strombedarf zu decken. Ohne Speicherung, Bedarfssteuerung oder andere Taktiken zur Verwaltung der Netzlast würden Gebäude eine 28-fache Steigerung der Winderzeugung im Januar oder eine 303-fache Steigerung der Solarenergie im Januar benötigen, um die Heizspitzen im Winter zu decken.

Aber mit effizienteren erneuerbaren Energien wie Luftwärmepumpen (ASHPs) oder Erdwärmepumpen (GSHPs) würden Gebäude nur 4,5-mal mehr Winderzeugung im Winter oder 36-mal mehr Solarenergie benötigen – und damit die Falcon-Kurve weniger „abflachen“. neuer Energiebedarf wird dem Stromnetz zugeführt.

„Diese Arbeit zeigt wirklich, dass Technologien sowohl auf der Nachfrage- als auch auf der Angebotsseite eine starke Rolle bei der Dekarbonisierung spielen müssen“, sagt der Co-Autor der Studie, Dr. Parichehr Salimifard, Assistenzprofessor des College of Engineering an der Oregon State University. Beispiele für diese Technologien auf der Energieversorgungsseite sind geothermische Gebäudeheizung und erneuerbare Energietechnologien, die rund um die Uhr Energie liefern können, sagt sie – wie erneuerbare Energien in Verbindung mit Langzeitspeicherung, verteilte Energieressourcen (DERs) in allen Größenordnungen und Geothermie Stromerzeugung nach Möglichkeit. „Diese können mit Technologien auf der Nachfrageseite – dh in Gebäuden – gekoppelt werden, wie z. B. passive und aktive Maßnahmen zur Energieeffizienz von Gebäuden, Spitzenausgleich und Energiespeicherung in Gebäuden sowohl den Basis- als auch den maximalen Energiebedarf zu reduzieren sowie die Schwankungen im Energiebedarf des Gebäudes zu glätten und folglich die Falcon-Kurve abzuflachen.“

„Die Falcon Curve lenkt unsere Aufmerksamkeit auf eine Schlüsselbeziehung zwischen der Wahl der Gebäudeelektrifizierungstechnologie und den Auswirkungen der Gebäudeelektrifizierung auf unser Stromnetz“, sagt Zeyneb Magavi, Co-Autorin der Studie, Co-Executive Director von HEET, einem gemeinnützigen Inkubator für Klimalösungen .

Magavi weist darauf hin, dass diese Forschung diese Beziehung noch nicht auf der Grundlage gemessener saisonaler Effizienzkurven für bestimmte Technologien oder für genauere Zeitskalen oder Regionen quantifiziert oder die zahlreichen Strategien und Technologien bewertet, die zur Bewältigung der Herausforderung beitragen können. All dies muss bei der Dekarbonisierungsplanung berücksichtigt werden.

Doch laut Magavi weist diese Forschung eindeutig darauf hin, dass „die Verwendung einer strategischen Kombination von Wärmepumpentechnologien (Luftquelle, Bodenquelle und vernetzt) ​​sowie der langfristigen Energiespeicherung uns helfen wird, Gebäude effizienter zu elektrifizieren, wirtschaftlich und gerecht. Die Falcon-Kurve zeigt uns einen schnelleren Weg in eine saubere, gesunde Energiezukunft.“

„Unsere Forschung macht deutlich, dass unter Berücksichtigung der saisonalen Schwankungen des Energieverbrauchs, die in der Falcon Curve erkennbar sind, das Bestreben, unsere Gebäude zu elektrifizieren, mit einer Verpflichtung zu energieeffizienten Technologien gekoppelt sein muss, um sicherzustellen, dass die Bemühungen zur Dekarbonisierung von Gebäuden den Nutzen für Klima und Gesundheit maximieren“, sagt er Studienleiter Dr. Joseph G. Allen, Associate Professor of Exposure Assessment Science und Direktor des Healthy Buildings-Programms an der Harvard Chan School.

„Unsere Arbeit hier zeigt einen Weg für die Elektrifizierung von Gebäuden, der es vermeidet, sich auf fossile Brennstoffe zu verlassen, und erneuerbare Brennstoffe vermeidet, die immer noch Luftverschmutzung verursachen und möglicherweise Unterschiede in der Luftverschmutzung aufrechterhalten können, obwohl sie klimaneutral sind“, sagt Buonocore. „Um solche Probleme zu vermeiden, ist es wichtig, dass Experten für öffentliche Gesundheit in die Energie- und Klimapolitik einbezogen werden.“