חשמול ומיטוב אנרגטי

תעשיית הבנייה היא אחת מצרכניות האנרגיה הגדולות בעולם, כשתפעול מבנים מהווה 30% מצריכת האנרגיה הסופית. כ-40% מאנרגיה זו משמשת לחימום, אוורור ומיזוג, כשהשאר משמש לתאורה, ציוד, מעליות ומדרגות נעות ועוד. בשנת 2022, תפעול מבנים היווה 27% מפליטות CO² בעולם, 9.8 גיגה טון CO_{2 (‏8)}. כדי לקזז כמות כזו של פליטות CO_{2 יש צורך ביער ששטחו בערך בגודלה של סין.}

החדשות הטובות הן שבניינים עוברים לאנרגיות מתחדשות ולחשמל בתור מקורות אנרגיה, דבר המאפשר ביטול פחמן בטווח הארוך אם צריכת האנרגיה תהיה כולה ממקורות שאינם דלקי מאובנים. החדשות הרעות הן כי במונחים מוחלטים, השימוש בדלקי מאובנים בבניינים עלה בשיעור צמיחה שנתי ממוצע של 0.5% מאז שנת 2010 ⁽⁸⁾. הגורם המניע העיקרי מאחורי צמיחה זו הוא עלייה בשטח הרצפה העולמי, שעלה מהר יותר מהירידה באינטנסיביות האנרגטית (האנרגיה הנצרכת לשטח רצפה). גורם מניע נוסף הוא השימוש הגובר בקירור חללים. צריכת האנרגיה לקירור חללים גדלה פי שלושה ויותר מאז שנת 1990. כמו כן קיים אפקט של הכפלה כאשר יותר ממחצית ההוספה של שטח רצפה עד לשנת 2030 תתרחש באזורים עם דרישה גבוהה לקירור חללים. מגמה זו עומדת להימשך. עד לשנת 2030, שטח הרצפה העולמי צפוי לעלות בכ-15%, השקול לכלל שטח הרצפה הבנוי בצפון אמריקה כיום ⁽⁹⁾. כדי לעמוד בתרחיש אפס פליטות הפחמן של סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA), יש לבצע מעבר נוסף של הדלקים המשמשים בבניינים לכאלה שאינם דלקי מאובנים ולהפחית את האינטנסיביות האנרגטית.

מעבר מדלקי מאובנים במבנים והפחתת האינטנסיביות האנרגטית יחייבו מיטוב יצירת האנרגיה התרמית בהשבה, אחסון וצריכה במבנים.

מיטוב ייצור האנרגיה התרמית עבור חימום משמעו מעבר ממערכות מבוססות דלקי מאובנים למשאבות חום המופעלות באמצעות חשמל מתחדש. לפי ה-IEA, שילוש מלאי משאבות החום העולמי עד לשנת 2030 עשוי להפחית פליטות CO₂ ב- 500 מגה-טון בשנה ⁽¹⁰⁾. אולם, רוב משאבות החום היום משתמשו בחומרי קירור HFC עם פוטנציאל התחממות גלובלית (GWP) גבוה. ללא התערבות, מלאי משאבות החום בשנת 2030 עשוי לפלוט רמות השקולות ל-740 מגה-טון CO_{₂ ^(‏10). הפתרונות כוללים מעבר להידרו-פלואורוקרבונים עם רמות נמוכות יותר של GWP, הידרוקרובנים או חומרי קירור טבעיים אחרים. עם זאת, הידרו-פלורוקרונטים, מצריכים מחקר נוסף בתחום הרעילות וההתפרקות האטמוספרית, והידרוקרבונטים זקוקים לאמצעי בטיחות נוספים בשל היותם דליקים. מבחינת קירור, הדרישה צפויה להיות מעל פי שלושה עד לשנת 2050 בשל ההסתגלות לשינויי האקלים ⁽⁷⁾. מיתון העליה המקושרת באינטנסיביות האנרגטית יחייב שיפור היעילות של מערכות הקירור ואימוץ נרחב יותר של פתרונות קירור פסיביים. בנוסף לכך, חשמל פוטו-וולטאי באתר ואיחסון יכולים לעזור בהפחתת השימוש בדלקי מאובנים עם עליית האינטנסיביות האנרגטית בשל קירור.}

דרך נוספת להפחתת השימוש בדלקי מאובנים מתערובת הדלקים של בניין היא על ידי השבה וחלוקה מחדש של חום מבוזבז. באופן הולך וגובר, חום עודף ממפעלי פסולת עירוניים, מרכזי נתונים, מנהרות רכבת תחתית, אתרים תעשייתיים, מתקני התפלה או תחנות כוח גרעיניות יילכד ויופץ מחדש באמצעות רשתות חימום מחוזיות. באמצעות אימוץ טכנולוגיית משאבות חום, רשתות אנרגיה צפויות גם הן לצבור מומנטום. רשתות אנרגיה יעבירו אנרגיה תרמית בין בניינים בטמפרטורת הסביבה (10-25 מעלות צלזיוס), תוך הפחתה של אובדן החום.

משאבות חום ושימוש בפסולת חום יניעו גם אימוץ גדול יותר של יחידות אחסון חום (או סוללות חום), מה שישמש כדרך יעילה לאיזון אספקת ודרישת האנרגיה. משאבות חום יכולות להמיר עודפי חשמל ממקורות מתחדשים כגון רוח או תאים סולרים פוטוולטאים לאנרגיה תרמית כאשר יש מתח חשמלי בשפע וכאשר מחירי החשמל נמוכים ⁽¹⁰⁾. ופסולת חום מתהליכים תעשייתיים או מרכזי נתונים ניתנים לאחסון לצריכה מאוחרת יותר, ובכך למנוע פיזור של אנרגיה לסביבה מבלי שנעשה בה שימוש. אחסון אנרגיה תרמית עשוי גם להיות יעיל במיוחד, ולהשיג 90-98% יעילות עבור אחסון למספר ימים ו-70-80% עבור אחסון עונתי.

אולם, אחת מהדרכים היעילות והחסכוניות ביותר להפחתת האינטנסיביות האנרגטית של בניינים היא באמצעות השמוש הרחב יותר של אוטומציית בניינים ומערכות בקרה (BACS). דבר זה תקף במיוחד למלאי המבנים, שמרביתם זקוקים לשדרוג. לדוגמה, באיחוד האירופי, 97% מהבניינים נחשבים ללא יעילים אנרגטית ⁽¹²⁾. תקן ISO 52120-1 מדגיש כי שדרוג מאוטומציית בניין סטנדרטית (דרגה C) לאוטומציית בניין באנרגיה גבוהה (דרגה A) יכול להשיג חסכון אנרגטי של עד ל-40%. התאמות מחדש אלה לעתים קרובות מחייבות שינויים מינימליים, כגון הוספת ערכי איזון הידראולי דינמיים, מערכות ספיקת מים משתנה, ספיקת אוויר לפי הצורך, או בקרות חדר פרופורציונאליות עם גילוי נוכחות. בהנחה שהן בעלות השפעה גדולה ועלות נמוכה, האימוץ של אוטומציות בניין מתקדמות צפוי לצבור תאוצה בעיקר כששיעור ההתאמה מחדש של 1% לשנה נמוך מה-2.5% הדרושים כדי להשיג אפס פליטות עד לשנת 2050 ⁽¹³⁾.