Elektrificatie en optimalisering van energie

De bouwindustrie is een van de grootste energieverbruikers ter wereld, aangezien de exploitatie van gebouwen verantwoordelijk is voor 30% van het uiteindelijke energieverbruik. Ongeveer 40% van deze energie wordt gebruikt voor verwarming, ventilatie en airconditioning, terwijl de rest instaat voor verlichting, uitrustingen, liften, roltrappen en dergelijke. In 2022 waren de activiteiten in gebouwen goed voor 27% van de wereldwijde CO₂-uitstoot, 9,8 Gt CO₂ ⁽⁸⁾. Om zoveel CO₂ vast te leggen, hebben we een bos nodig ter grootte van China.

Het goede nieuws is dat gebouwen gestaag overschakelen op hernieuwbare energiebronnen en steeds vaker elektriciteit als energiebron gebruiken, waardoor koolstofverwijdering op lange termijn mogelijk is als de energieproductie volledig koolstofvrij is. Het slechte nieuws is dat, in absolute termen, het gebruik van fossiele brandstoffen in gebouwen is gestegen met een gemiddelde jaarlijkse groei van 0,5% sinds 2010 ⁽⁸⁾. De belangrijkste drijvende kracht achter deze groei is een toename van het wereldwijde vloeroppervlak, dat sneller is gegroeid dan de energie-intensiteit (het energieverbruik per vloeroppervlak) is afgenomen. Een andere oorzaak is het toegenomen gebruik van ruimtekoeling. Het energieverbruik voor ruimtekoeling is sinds 1990 meer dan verdriedubbeld. Er is ook een versterkende factor, aangezien meer dan de helft van de vloeroppervlakte-uitbreidingen tot 2030 zal plaatsvinden in gebieden met een hoge behoefte aan ruimtekoeling. Deze trend zal aanhouden. Tegen 2030 zal het wereldwijde vloeroppervlak naar verwachting met ongeveer 15% toenemen, wat overeenkomt met het totale bebouwde vloeroppervlak van Noord-Amerika vandaag ⁽⁹⁾. Om het scenario van nettonuluitstoot van het Internationaal Energieagentschap (IEA) waar te maken, moeten de energiebronnen die door gebouwen worden gebruikt, verder koolstofvrij worden gemaakt en moet de energie-intensiteit worden teruggeschroefd.

Energiebronnen koolstofvrij maken en de energie-intensiteit verminderen vereist het optimaliseren van de opwekking van thermische energie in gebouwen: terugwinning, opslag en verbruik.

Het optimaliseren van de opwekking van thermische energie voor verwarming betekent de overgang van systemen die werken op fossiele brandstoffen, naar warmtepompen die worden aangedreven door hernieuwbare elektriciteit. Volgens het IEA zou een verdrievoudiging van het wereldwijde warmtepompbestand tegen 2030 de CO₂-uitstoot met 500 Mt per jaar kunnen verminderen ⁽¹⁰⁾. De meeste warmtepompen gebruiken tegenwoordig echter als koelmiddel een fluorkoolwaterstof, dat een hoog aardopwarmingsvermogen (GWP) heeft. Zonder ingrijpen zou het warmtepompbestand in 2030 740 Mt CO₂-equivalent kunnen uitstoten ⁽¹⁰⁾. Oplossingen zijn onder andere overschakeling op fluorkoolwaterstoffen met een lager GWP, koolwaterstoffen of andere natuurlijke koelmiddelen. Fluorkoolwaterstoffen vereisen echter verder onderzoek op het gebied van toxiciteit en atmosferische afbraak, en koolwaterstoffen vereisen extra veiligheidsmaatregelen voor brandbaarheid. Voor koeling zal de vraag naar verwachting tegen 2050 meer dan verdrievoudigen als gevolg van klimaatadaptatie ⁽⁷⁾. Om de daarmee gepaard gaande toename van de energie-intensiteit te compenseren, moet de efficiëntie van koelsystemen worden verbeterd en meer gebruik worden gemaakt van passieve koeloplossingen. Bovendien kan fotovoltaïsche elektriciteit en opslag ter plaatse helpen om de verhoogde energie-intensiteit als gevolg van koeling koolstofvrij te maken.

Een andere manier om de brandstofmix van gebouwen koolstofvrij te maken is door afvalwarmte terug te winnen en te herdistribueren. In toenemende mate zal overtollige warmte van gemeentelijke afvalverwerkingscentrales, datacentra, metrotunnels, industrieterreinen, elektrolysers of kerncentrales worden opgevangen en herverdeeld via stadsverwarmingsnetwerken. Dankzij de toepassing van warmtepomptechnologie zullen energienetwerken naar verwachting ook aan kracht winnen. Energienetwerken transporteren thermische energie tussen gebouwen bij omgevingstemperaturen (10-25°C [50-77°F]), waardoor warmteverliezen worden beperkt.

Warmtepompen en het gebruik van afvalwarmte zullen ook leiden tot een groter gebruik van thermische opslagunits (of thermische batterijen), die dienen als een efficiënte manier om vraag en aanbod van energie in evenwicht te brengen. Warmtepompen kunnen overtollige elektriciteit uit hernieuwbare bronnen zoals windenergie of fotovoltaïsche zonne-energie omzetten in thermische energie wanneer er veel elektriciteit is en de elektriciteitsprijzen laag zijn ⁽¹⁰⁾. En afvalwarmte van industriële processen of datacenters kan worden opgeslagen voor later gebruik, zodat de energie niet ongebruikt in het milieu terechtkomt. Thermische energieopslag kan ook zeer efficiënt zijn, met een efficiëntie van 90-98% voor meerdaagse opslag en 70-80% voor seizoensopslag.

Een van de meest efficiënte en kosteneffectieve manieren om de energie-intensiteit van gebouwen te verminderen, is echter door de bredere toepassing van gebouwautomatiserings- en regelsystemen (building automation and control systems – BACS). Dat geldt vooral voor het gebouwenbestand, waarvan het merendeel aan verbetering toe is. In de EU wordt bijvoorbeeld 97% van de gebouwen als inefficiënt beschouwd ⁽¹²⁾. ISO 52120-1 benadrukt dat het upgraden van standaard BACS (klasse C) naar BACS met hoge energieprestaties (klasse A) energiebesparingen tot 40% kan opleveren. Zulke retrofit-ingrepen vereisen vaak slechts minimale wijzigingen, zoals het toevoegen van dynamische hydraulische inregelingskleppen, variabele waterstroomsystemen, behoeftegeregelde luchtstroom of modulerende ruimteregelaars met aanwezigheidsdetectie. Gezien de grote impact en lage kosten wordt verwacht dat de toepassing van geavanceerde gebouwautomatisering zal versnellen, vooral omdat het huidige retrofitpercentage van 1,0% per jaar de 2,5% niet haalt, die nodig is om tegen 2050 een nettonuluitstoot te bereiken ⁽¹³⁾.