Sähköistäminen ja energian optimointi

Rakennuteollisuus on maailmanlaajuisesti yksi suurimmista energiankuluttajista, sillä rakennusten toimintojen osuus lopullisesta energiankulutuksesta on 30 %. Noin 40 % tästä energiasta käytetään lämmitykseen, ilmanvaihtoon ja ilmastointiin, ja muut valaistukseen, laitteisiin, hisseihin ja liukuportaisiin jne. Vuonna 2022 rakennusten toimintojen osuus oli 27 % maailmanlaajuisista CO₂ -päästöistä, 9,8 Gt CO₂ ⁽⁸⁾. Tämän CO₂-päästöjen määrän sitomiseen tarvittaisiin suunnilleen Kiinan kokoinen metsäalue.

Hyvä uutinen on, että rakennukset ovat siirtymässä kohti uusiutuvia energialähteitä ja sähköä energialähteenä, mikä mahdollistaa hiilen poistamisen pitkällä aikavälillä, jos hiili poistetaan kokonaan energiantuotannosta. Huono uutinen on, että absoluuttisesti mitattuna fossiilisten polttoaineiden käyttö rakennuksissa on lisääntynyt keskimäärin vuotuisella 0,5 % kasvuvauhdilla 2010 lähtien ⁽⁸⁾. Tämän kasvun pääasiallinen taustatekijä on maailmanlaajuisen hyötypinta-alan kasvu, joka on lisääntynyt nopeammin kuin energiaintensiteetti (kulutettu energia hyötypinta-alaa kohti) on laskenut. Toinen edistävä tekijä on tilojen jäähdytyksen lisääntynyt käyttö. Tilojen jäähdyttämisen energiankulutus on yli kolminkertaistunut vuodesta 1990 lähtien. Tähän liittyy myös kerrannaisvaikutus, sillä yli puolet hyötypinta-alan lisäyksistä vuoteen 2030 mennessä tapahtuu alueilla, joilla tarve tilojen jäähdytykselle on suuri. Tämä trendi tulee jatkumaan. Vuoteen 2030 mennessä maailmanlaajuisen hyötypinta-alan odotetaan kasvavan n. 15 %, mikä vastaa Pohjois-Amerikan tämänhetkistä koko rakennettua hyötypinta-alaa ⁽⁹⁾. Jotta päästäisiin Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) nettonollaskenaarioon, rakennusten käyttämistä polttoaineista on edelleen poistettava hiiltä ja energiaintensiteettiä on vähennettävä.

Rakennusten polttoaineiden hiilenpoisto ja energiaintensiteetin vähentäminen edellyttää lämpöenergian tuotannon optimointia rakennuksissa: talteenottoa, varastointia ja kulutusta.

Lämpöenergian optimointi lämmitystä varten tarkoittaa siirtymistä fossiilisiin polttoaineisiin perustuvista järjestelmistä lämpöpumppuihin, jotka saavat energiansa uusiutuvasta sähköstä. IEA:n mukaan maailmanlaajuisen lämpöpumppukannan kolminkertaistaminen vuoteen 2030 mennessä voisi vähentää CO_₂-päästöjä 500 Mt vuosittain ⁽¹⁰⁾. Useimmissa lämpöpumpuissa kuitenkin käytetään nykyään fluorihiilivetykylmäaineita, joiden globaali lämmityspotentiaali (GWP) on korkea. Jos tähän ei puututa, vuoden 2030 lämpöpumppukanta tuottaa 740 Mt CO₂-ekvivalentteja päästöjä ⁽¹⁰⁾. Ratkaisuihin kuuluu siirtyminen GWP-arvoltaan pienempiin fluorihiilivetyihin, hiilivetyihin tai muihin luonnollisiin kylmäaineisiin. Fluorihiilivedyt vaativat kuitenkin lisätutkimuksia myrkyllisyyden ja ilmakehässä tapahtuvan hajoamisen alalla, ja hiilivetyjen syttyvyys edellyttää lisäturvatoimia. Jäähdytyksen tarpeen ennustetaan yli kolminkertaistuvan vuoteen 2050 mennessä ilmastonmuutokseen sopeutumisen vuoksi ⁽⁷⁾. Tähän liittyvän energiaintensiteetin kasvun lieventäminen edellyttää jäähdytysjärjestelmien tehokkuuden parantamista ja passiivisten jäähdytysratkaisujen käytön lisäämistä. Lisäksi paikallinen aurinkosähkö ja varaus voi auttaa vähentämään hiiltä jäähdytyksestä johtuvan lisääntyneessä energiaintensiteetissä.

Toinen tapa vähentää rakennusten polttoaineseoksen hiilidioksidia on hukkalämmön talteenotto ja uudelleenjakelu. Kunnallisten jätteenkäsittelylaitosten, datakeskusten, metrotunneleiden, teollisuusalueiden, elektrolysaattoriden tai ydinvoimaloiden ylijäämälämpöä otetaan yhä enemmän talteen ja jaetaan kaukolämpöverkkojen kautta. Lämpöpumpputekniikan käyttöönoton myötä myös anergiaverkkojen odotetaan kasvavan. Anergiaverkot siirtävät lämpöenergiaa rakennusten välillä ympäristön lämpötilassa (10 ... 25 °C) [50 ... 77 °F]) vähentäen lämpöhäviöitä.

Lämpöpumput ja hukkalämmön käyttö lisäävät myös lämpövarastojen (tai lämpöakkujen) käyttöönottoa, sillä ne ovat tehokas tapa tasapainottaa energian tarjontaa ja kysyntää. Lämpöpumput voivat muuntaa uusiutuvista energialähteistä, kuten tuuli- tai aurinkosähköstä, saatavan ylijäämäsähkön lämpöenergiaksi silloin, kun sähköenergiaa on runsaasti ja sähkön hinta on alhainen ⁽¹⁰⁾. Teollisuusprosesseista tai datakeskuksista peräisin oleva hukkalämpö voidaan varastoida myöhempää kulutusta varten, jolloin energiaa ei pääse haihtumaan käyttämättömänä ympäristöön. Lämpöenergiavarasto on siis erittäin tehokas saavuttaen 90–98 % tehon usean päivän varastoinnissa ja 70–80 % tehon kausittaisessa varastoinnissa.

Yksi tehokkaimmista ja kannattavimmista tavoista vähentää rakennusten energiaintensiteettiä on rakennusautomaatio- ja säätöjärjestelmien entistä laajempi käyttö. Tämä koskee erityisesti rakennuskantaa, josta suurin osa kaipaa kunnostusta. Esimerkiksi EU:ssa 97 % rakennuksista katsotaan energiatehottomiksi ⁽¹²⁾. Standardissa ISO 52120-1 korostetaan, että päivittäminen tavanomaisesta rakennusautomaatiojärjestelmästä (luokka C) erittäin tehokkaaseen rakennusautomaatiojärjestelmään (luokka A) voi tuottaa jopa 40 % energiasäästöä. Näitä saneerauksia varten tarvitaan usein vain vähän muutoksia, kuten dynaamisten hydronisten tasausventtiilien, muuttuvien vedenvirtausjärjestelien, tarveohjatun ilmavirran tai jännitesäätöisten huonesäätöjen lisääminen käytön tunnistuksen kanssa. Koska vaikutus on suuri ja kustannukset alhaiset, edistyneiden rakennusautomaatiojärjestelmien käytön odotetaan lisääntyvän erityisesti, koska nykyinen saneerausmäärä 1,0 % vuodessa on kaukana 2,5 % -arvosta, joka vaaditaan nettonollan saavuttamiseen vuoteen 2050 mennessä.⁽¹³⁾.