Впервые здания были электрифицированы почти 150 лет назад. Но до сих пор термин «электрификация зданий» остается одним из самых популярных в энергетике.
В большинстве зданий используется несколько видов топлива: электричество для освещения и электронных устройств; ископаемое топливо для плит, котлов и водонагревателей.
Постоянная зависимость от ископаемого топлива привела к тому, что здания стали крупнейшим источником загрязнения планеты. Например, в Соединенных Штатах на долю зданий приходится примерно 40 процентов энергопотребления и выбросов парниковых газов, и почти в половине всех домов используется для отопления природный газ.
Термины «электрификация здания», «полезная электрификация» и «декарбонизация здания» описывают переход к использованию электричества вместо ископаемых видов топлива для отопления и приготовления еды. Цель такого перехода – здания, использующие электроэнергию с нулевым выбросом углерода.
Какие технологии используются в электрификации зданий?
Тепловые насосы. Электрификация зданий является сегодня привлекательной альтернативой. Электроприборы уже могут работать, используя энергию, вырабатываемую возобновляемыми источниками энергии.
Тепловые насосы - это технология, позволяющая распространить электрификацию зданий. В отличие от обычных плит или котлов, которые сжигают топливо для производства тепла, тепловые насосы используют электричество для передачи энергии туда, где она необходима, или отводят его оттуда, где его нет, как холодильник. А поскольку тепловые насосы могут либо отводить тепло из помещения во время сезона охлаждения, либо улавливать тепло снаружи от земли или воздуха, а зимой извлекать его из помещения, то они предлагают отопление и кондиционирование с помощью одного и того же оборудования.
В полностью электрифицированном доме печи и котлы, которые сегодня работают на природном газе можно заменить наземными или воздушными тепловыми насосами. Газовые водонагреватели могут быть заменены на водонагреватели с тепловым насосом. А на кухне газовые печи и конфорки можно заменить электрическими плитами и индукционными варочными панелями.
Тепловые насосы намного эффективнее. Воздушные тепловые насосы или водонагреватели с тепловым насосом в три-пять раз эффективнее аналогов, работающих на природном газе.
Это имеет смысл для умеренного климата. Но работают ли тепловые насосы в холодное время года?
Существует заблуждение, что тепловые насосы не будут работать в условиях сильного холода. Это не так. Недавний отчет Института Роки Маунтин (RMI) показывает, что тепловые насосы в холодном климате могут нагревать дома при температуре на улице -24,5 градуса по Цельсию.
«Это правда, что более старые модели, а также модели, рассчитанные на температуры Южной или Средней Атлантики, не справляются со сверхнизкими температурами. Но те, которые мы производим, отлично работают при любых температурах», - говорит GTM Майкл Стоддард из Efficiency Maine.
Существуют ли другие преимущества для электрификации зданий?
Да, это здоровье и безопасность. Растет число исследований, документирующих загрязнение воздуха в домах с газовыми плитами.
RMI и несколько групп по защите окружающей среды и общественных интересов опубликовали отчет, в котором рассматривается связь между сжиганием газа в помещении для приготовления пищи и негативными последствиями для здоровья. Исследователи обнаружили, что приготовление пищи на газу может привести к повышению уровня диоксида азота и угарного газа, что нарушает стандарты загрязнения окружающей среды, а у детей риск заражения астмой повышается на 42 процента.
Как только люди начинают готовить на электрических плитах или индукционных варочных панелях, они, как правило, отдают предпочтение безопасности электрических плит.
Дороже ли эксплуатировать здания на 100% электричестве?
Полная электрификация для новых зданий обойдется дешевле. Строители не устанавливают линии и счетчики для природного газа, а энергоэффективность может контролировать расходы на электроэнергию. В другом отчете RMI говорится, что новые дома, оснащенные электрическими тепловыми насосами, герметичной оболочкой здания и солнечными панелями на крыше, экономичны даже в регионах с холодным климатом.
Для существующих зданий это сложнее.
Но владельцы зданий всегда могут сократить общее потребление энергии, снизить счета за электроэнергию и сократить выбросы при замене газовых плит, котлов и водонагревателей на электрические тепловые насосы.
Владельцам старых зданий, возможно, придется заплатить за модернизацию электрических панелей и инвестировать в повышение энергоэффективности, чтобы обеспечить полную электрификацию.
Может ли энергосистема справиться с широко распространенным переходом на полностью электрические здания?
Скорее всего - да, но возникнут некоторые сложности; операторы сетей должны быть готовы к новому сезонному пику. Потребуются постоянные инвестиции в программы по утеплению домов, установку гибких, чувствительных к сетям водонагревателей на тепловых насосах, долгосрочные накопители энергии и другие меры для снижения пикового спроса на электроэнергию во время продолжительных холодов.
По данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии, электрификация в целом по стране (включая транспорт) может увеличить потребление электроэнергии в США до 38 процентов к 2050 году. Однако общее использование энергии сократится на 21 процента, потому что электрические технологии «конечного использования» намного эффективнее, чем оборудование, работающее на ископаемом топливе.
Что нарушит статус-кво?
В конечном итоге все сводится к комбинации «решение политиков + желание потребителей».
Как и во многих аспектах энергетического перехода Америки, Калифорния играет ведущую роль в политической сфере. Уже около 30 американских городов и округов, в основном в Калифорнии, последовали примеру Беркли и приняли постановления, которые рекомендует строительство зданий по новым технологиям.
Комиссия по коммунальным предприятиям штата Калифорния разрабатывает правила для программы стоимостью 200 миллионов долларов, которая обеспечит стимулы для низкоуглеродных технологий водяного отопления для новых и уже введенных в эксплуатацию зданий. Недавно были пересмотрены устаревшие правила, в соответствии с которыми электрические помещения и водонагреватели лишились права на скидки в рамках калифорнийских программ энергоэффективности.
Калифорнийские регуляторы одобрили финансирование 45 миллионов долларов для установок нагревателей воды на тепловых насосах до 2025 года. Регуляторы штата Нью-Йорк выделили почти полмиллиарда долларов на финансирование тепловых насосов.
Проблемой остается отношение потребителей. Недавний опрос показал, что большинство жителей Калифорнии незнакомы с тепловыми насосами и индукционными варочными панелями, несмотря на то, что 70 % опрошенных предпочитают использовать энергию ветра и солнца для электроприборов.
Компания «Guidehouse Insights» (ранее «Navigant Research») считает, что к 2029 году глобальный доход на полностью электрические бытовые технологии вырастет в пять раз, достигнув 12,9 млрд. долларов США, несмотря на низкую осведомленность потребителей.
Кто-нибудь выступает против перехода на полностью электрические здания?
Компании природного газа, естественно.
Исследование, проведенное Американской газовой ассоциацией, пришло к выводу, что запрет на отопительное оборудование на ископаемом топливе, будет «обременителен для потребителей и для экономики» и приведет к резкому увеличению пикового спроса на электроэнергию.
Сторонники экологически чистой энергии ставят под сомнение предположения о затратах и выбросах.
Губернатор Аризоны Дуг Дучей подписал законопроект, запрещающий муниципалитетам принимать кодексы или постановления, запрещающие использование природного газа в зданиях.
Является ли «возобновляемый природный газ» альтернативой ископаемому газу?
Да, но возможности ограниченны.
Природные газовые компании говорят, что возобновляемый природный газ, улавливаемый на очистных сооружениях, молокозаводах и других источниках органических отходов, может вытеснить природный (ископаемый) газ и сократить выбросы парниковых газов. Но даже исследования, проводимые газовой промышленностью, показывают, что возобновляемый природный газ может заменить лишь небольшой процент текущего потребления газа. В Калифорнии это составит 9 %, а по всей стране 14 %.
В недавнем отчете, подготовленном для Калифорнийской энергетической комиссии, говорится, что «электрификация зданий, вероятно, будет более долгосрочной стратегией с меньшими затратами и меньшим риском по сравнению с возобновляемым природным газом».
Существуют ли другие проблемы с переходом на полностью электрические здания?
Конечно. На самом деле существует длинный список проблем, хотя все они могут быть решены:
- Как профинансировать масштабную модернизацию электрификации существующих зданий?
- Каковы наилучшие способы развеять мифы об электрификации для подрядчиков («Тепловые насосы не работают на морозе!») и потребителей («Я не откажусь от своей газовой плиты!»)?
- И как избавиться от устаревших регуляторных барьеров?