Elektrifikacija i energetska optimizacija

Građevinarstvo je jedan od najvećih svjetskih potrošača energije, budući da pogoni u zgradama čine 30% finalne potrošnje energije. Oko 40% te energije koristi se za grijanje, ventilaciju i klimatizaciju, dok se ostatak koristi za rasvjetu, opremu, dizala i pokretne stepenice i drugo. U 2022. godini pogoni u zgradama činili su 27% globalne emisije CO₂, 9,8 bruto tona CO₂ ⁽⁸⁾. Da bismo vezale tolike emisije CO₂, trebala bi nam šuma otprilike veličine Kine.

Dobra vijest je da zgrade prelaze na obnovljive izvore energije i električnu energiju kao izvor energije, što omogućuje dugoročnu eliminaciju ugljika ako se proizvodnja energije u potpunosti dekarbonizira. Loša je vijest da se, u apsolutnom smislu, od 2010. godine upotreba fosilnih goriva u zgradama povećala s prosječnom godišnjom stopom rasta od 0,5% ⁽⁸⁾. Primarni pokretač ovog rasta je povećanje globalne podne površine, koja je rasla brže nego što se smanjio energetski intenzitet (energija potrošena po površini poda). Drugi pokretač je povećana primjena hlađenja prostora. Potrošnja energije za hlađenje prostora se od 1990. godine više nego utrostručila. Postoji i multiplikacijski učinak budući da će se više od polovice povećanja prostora do 2030. godine dogoditi u područjima s velikim potrebama za hlađenjem prostora. Ovaj će se trend nastaviti. Očekuje se da će se do 2030. godine globalna površina povećati za oko 15%, što je jednako ukupnoj današnjoj izgrađenoj površini Sjeverne Amerike ⁽⁹⁾. Kako bi se uskladili sa scenarijem nulte stope Međunarodne agencije za energiju (IEA), goriva koja se koriste u zgradama moraju se dodatno dekarbonizirati te se mora smanjiti energetski intenzitet.

Dekarbonizacija građevinskih goriva i smanjenje energetskog intenziteta zahtijevat će optimizaciju proizvodnje toplinske energije u zgradama: oporabu, pohranu i potrošnju.

Optimiziranje proizvodnje toplinske energije za grijanje znači prijelaz sa sustava na fosilna goriva na dizalice topline koje pokreće obnovljiva električna energija. Prema IEA-i, utrostručenje globalnih zaliha dizalica topline do 2030. godine moglo bi smanjiti emisije CO₂ za 500 megatona godišnje ⁽¹⁰⁾. Međutim, većina dizalica topline danas koristi fluorougljične rashladne tvari s visokim potencijalom globalnog zatopljenja (GWP). Bez intervencije, zalihe dizalica topline u 2030. mogle bi emitirati 740 megatona ekvivalenta CO₂ ⁽¹⁰⁾. Rješenja uključuju prelazak na hidrofluorougljikovodike s nižim GWP-om, ugljikovodike ili druga prirodna rashladna sredstva. Međutim, hidrofluorougljikovodici zahtijevaju daljnja istraživanja u području toksičnosti i atmosferske razgradnje, a ugljikovodici dodatne sigurnosne mjere protiv zapaljivosti. Predviđa se da će se potražnja za hlađenjem više nego utrostručiti do 2050. godine zbog prilagodbe klimatskim promjenama ⁽⁷⁾. Ublažavanje povezanog povećanja energetskog intenziteta zahtijevat će poboljšanje učinkovitosti rashladnih sustava i veću primjenu rješenja pasivnog hlađenja. Osim toga, fotonaponska električna energija na licu mjesta i pohrana može pomoći dekarbonizirati povećani energetski intenzitet zbog hlađenja.

Drugi način dekarbonizacije gorivnog miksa zgrada je iskorištavanje i preraspodjela otpadne topline. Sve više će se višak topline iz komunalnih postrojenja za otpad, podatkovnih centara, tunela podzemne željeznice, industrijskih lokacija, elektrolizera ili nuklearnih elektrana skupljati i redistribuirati kroz mreže daljinskog grijanja. Omogućene primjenom tehnologije dizalica topline, očekuje se da će energetske mreže također dobiti na zamahu. Energetske mreže prenose toplinsku energiju između zgrada pri temperaturama okoline (10-25°C [50-77°F]), smanjujući gubitak topline.

Dizalice topline i korištenje otpadne topline također će potaknuti veću uporabu jedinica za pohranu topline (ili termalnih baterija), što će poslužiti kao učinkovit način uravnoteženja ponude i potražnje za energijom. Dizalice topline mogu pretvoriti višak električne energije iz obnovljivih izvora poput vjetra ili solarnih fotonaponskih panela u toplinsku energiju kada je električne energije u izobilju, a cijene električne energije niske ⁽¹⁰⁾. A otpadna toplina iz industrijskih procesa ili podatkovnih centara može se pohraniti za kasniju potrošnju, sprječavajući neiskorišteno rasipanje energije u okoliš. Pohrana toplinske energije također može biti vrlo učinkovita, postižući učinkovitost od 90-98% za višednevnu pohranu i 70-80% za sezonsku pohranu.

Međutim, jedan od najučinkovitijih i najisplativijih načina za smanjenje energetskog intenziteta zgrada je šira primjena sustava automatizacije i upravljanja zgradom (BACS). To se posebno odnosi na građevinski fond, od kojeg većina treba obnovu. Na primjer, u EU se 97% zgrada smatra energetski neučinkovitima ⁽¹²⁾. ISO 52120-1 naglašava da se nadogradnjom sa standardnog sustava automatizacije i upravljanja zgradom (klasa C) na sustav automatizacije i upravljanja zgradama visoke energetske učinkovitosti (klasa A) može postići ušteda energije do 40%. Ove naknadne ugradnje često zahtijevaju minimalne promjene, kao što je dodavanje dinamičkih ventila za hidroničko balansiranje, sustava promjenjivog protoka vode, protoka zraka kontroliranog po potrebi ili stalna sobna regulacija s detekcijom zauzetosti. S obzirom na njegov veliki učinak i nisku cijenu, očekuje se da će se ubrzati usvajanje naprednog sustava automatizacije i upravljanja zgradom, osobito jer je trenutna stopa naknadne ugradnje od 1,0% godišnje niža od 2,5% potrebnih za postizanje nulte stope do 2050. godine ⁽¹³⁾.