Elektrifikácia a optimalizácia energie

Odvetvie stavebníctva je jedným z najväčších spotrebiteľov energie na svete, pričom prevádzka budov sa podieľa až s 30 % na konečnej spotrebe energie. Približne 40% tejto energie sa využíva na kúrenie, ventiláciu a klimatizáciu. Zvyšok sa využíva na osvetlenie, fungovanie vybavenia, výťahov a eskalátorov a ďalších zariadení. V roku 2022 tvorila prevádzka budov 27 % celosvetových emisiíCO₂, čo predstavuje 9,8 GtCO₂ ⁽⁸⁾. Na zachytenie takého množstva emisiíCO₂ by sme potrebovali lesy veľké približne ako Čína.

Dobrou správou je, že budovy prechádzajú na obnoviteľné zdroje energie a elektriny ako zdroja energie, čo im umožňuje dlhodobú elimináciu uhlíka v prípade, že je výroba energie úplne dekarbonizovaná. Zlou správou je, že v absolútnych číslach sa využívanie fosílnych palív v budovách od roku 2010 zvýšilo v priemere o 0,5 % ročne ⁽⁸⁾. Hlavnou príčinou tohto rastu je zvýšenie globálnej podlahovej plochy, ktorá rástla rýchlejšie, ako klesala energetická náročnosť (spotreba energie na podlahovú plochu). Ďalším činiteľom je zvýšené využívanie chladenia priestorov. Čo sa týka chladenia priestorov,, spotreba energie sa od roku 1990 viac ako strojnásobila. Dochádza aj k multiplikačnému efektu, keďže viac ako polovica podlahovej plochy, ktorá pribudne do roku 2030, sa bude nachádzať v oblastiach s veľkou potrebou chladenia priestorov. Tento trend bude pokračovať. Do roku 2030 sa očakáva zvýšenie celkovej podlahovej plochy o približne 15 %, čo zodpovedá dnešnej celkovej zastavanej podlahovej ploche Severnej Ameriky ⁽⁹⁾. V súlade so scenárom nulových emisií Medzinárodnej energetickej agentúry (IEA) musia byť palivá používané v budovách ďalej dekarbonizované a musí sa znížiť energetická náročnosť.

Dekarbonizácia palív používaných v budovách a zníženie energetickej náročnosti si bude vyžadovať optimalizovanie výroby tepelnej energie v budovách: obnova, uskladnenie a spotreba.

Optimalizovanie výroby tepelnej energie na vykurovanie znamená prechod zo systémov využívajúcich fosílne palivá na tepelné čerpadlá poháňané elektrinou z obnoviteľných zdrojov. Podľa agentúry IEA by sa strojnásobením množstva tepelných čerpadiel vo svete do roku 2030 mohli znížiť emisie CO₂ o 500 megaton ročne ⁽¹⁰⁾. Väčšina tepelných čerpadiel však v súčasnosti využíva chladivá na báze fluórovaných uhľovodíkov s vysokým potenciálom globálneho otepľovania (Global Warming Potential, GWP). Bez intervencií by mohlo množstvo tepelných čerpadiel do roku 2030 vypúšťať 740 megaton ekvivalentu CO₂ ⁽¹⁰⁾. Medzi riešenia patrí prechod na fluórované uhľovodíky s nižším GWP, uhľovodíky alebo iné prírodné chladivá. Fluórované uhľovodíky si však vyžadujú ďalší výskum v oblasti toxicity a rozkladu v atmosfére a uhľovodíky si vyžadujú ďalšie bezpečnostné opatrenia týkajúce sa horľavosti. V prípade chladenia sa predpokladá, že dopyt sa do roku 2050 z dôvodu prispôsobenia sa zmenám klímy viac než strojnásobí ⁽⁷⁾. Zmiernenie s tým spojeného nárastu energetickej náročnosti si bude vyžadovať zlepšiť efektívnosť systémov chladenia a intenzívnejšie zavádzanie pasívnych riešení chladenia. Fotovoltická výroba a uskladnenie elektrickej energie na mieste môžeuokrem toho pomôcť dekarbonizovať zvýšenú energetickú náročnosť v dôsledku chladenia.

Ďalším spôsobom dekarbonizácie palivového mixu budov je rekuperácia a redistribúcia odpadového tepla. Vo väčšej miere sa bude prostredníctvom sietí diaľkového vykurovania zachytávať a prerozdeľovať prebytočné teplo zo závodov na spracovanie komunálneho odpadu, dátových centier, tunelov metra, priemyselných areálov, elektrolyzérov alebo jadrových elektrární. Očakáva sa, že vďaka zavádzaniu technológie tepelných čerpadiel získajú na dynamike aj anergické siete. Anergické siete prenášajú tepelnú energiu medzi budovami pri teplotách okolia (10 – 25 °C [50-77°F]), čím znižujú tepelné straty.

Tepelné čerpadlá a využívanie odpadového tepla budú tiež stimulovať intenzívnejšie zavádzanie tepelných zásobníkov (alebo tepelných batérií), ktoré slúžia ako účinný spôsob vyrovnávania ponuky a dopytu po energii. Tepelné čerpadlá môžu prebytočnú elektrickú energiu z obnoviteľných zdrojov, ako je vietor alebo fotovoltaika, premeniť na tepelnú energiu, keď je elektrickej energie dostatok a ceny elektrickej energie sú nízke ⁽¹⁰⁾. Odpadové teplo z priemyselných procesov alebo dátových centier sa môže ukladať na neskoršiu spotrebu, čím sa zabráni tomu, aby sa nevyužitá energia rozptýlila do prostredia. Akumulovanie tepelnej energie môže byť veľmi efektívne, dosahujúc účinnosť 90 – 98 % pri viacdňovom uskladnení a 70 – 80 % pri sezónnom uskladnení.

Jedným z najúčinnejších a nákladovo najefektívnejších spôsobov na zníženie energetickej náročnosti budov je však širšie uplatňovanie stavebnej automatizácie a riadiacich systémov (Building Automation and Control Systems, BACS). To sa týka najmä stavebného fondu, ktorého väčšinu treba modernizovať. Napríklad v EÚ sa 97 % budov považuje za energeticky neefektívne ⁽¹²⁾. Norma ISO 52120-1 poukazuje na to, že modernizáciou zo štandardného systému BACS (trieda C) na systém BACS s vysokou energetickou účinnosťou (trieda A) sa môžu dosiahnuť úspory energie až do 40%. Táto modernizácia si často vyžaduje minimálne zmeny, ako je napríklad pridanie dynamických hydraulických vyrovnávacích ventilov, systémov s variabilným prietokom vody, prietoku vzduchu podľa spotreby alebo modulačných ovládacích prvkov s detekciou obsadenosti. Vzhľadom na jej veľký vplyv a nízke náklady sa očakáva zrýchlenie zavádzania moderných systémov BACS najmä preto, že súčasná miera modernizácie na úrovni 1,0 % ročne nedosahuje požadovaných 2,5 % na dosiahnutie nulových emisií do roku 2050 ⁽¹³⁾.