Elektryfikacja wytwarzania oraz optymalizacja zużycia energii

Branża budowlana jest jednym z największych odbiorców energii, ponieważ eksploatacja budynków odpowiada za 30% końcowego zużycia energii. Około 40% tej energii jest zużywane przez ogrzewanie, wentylację i klimatyzację, a pozostała część przez oświetlenie, wyposażenie, windy, schody ruchome itp. W 2022 r. eksploatacja budynków była źródłem 27% globalnej emisji_CO2, czyli 9,8 Gt_CO2 ⁽⁸⁾. Aby pochłonąć taką ilość CO₂, byłby potrzebny las o powierzchni porównywalnej z Chinami.

Dobra wiadomość jest taka, że w budynkach w coraz większym stopniu jest wykorzystywana energia ze źródeł odnawialnych lub elektryczna. Dzięki temu w przypadku pełnej dekarbonizacji wytwarzania energii będzie możliwe długoterminowe wyeliminowanie emisji dwutlenku węgla. Zła wiadomość jest natomiast taka, że w ujęciu bezwzględnym od 2010 r. wykorzystanie paliw kopalnych w budynkach co roku zwiększa się średnio o 0,5%⁽⁸⁾. Wynika to głównie z faktu, że prędkość wzrostu powierzchni użytkowej jest większa od prędkości obniżania wskaźnika zużycia energii (zużycia energii w przeliczeniu na jednostkę powierzchni użytkowej). Drugim czynnikiem powodującym ten wzrost jest coraz intensywniejsze chłodzenie pomieszczeń. Od 1990 r. zużycie energii związane z chłodzeniem pomieszczeń potroiło się. Występuje też efekt zwielokrotnienia, ponieważ do roku 2030 ponad połowa przyrostu powierzchni użytkowej będzie przypadać na obszary, w których występuje duże zapotrzebowanie na chłodzenie. Ten trend będzie się utrzymywać. Przewiduje się, że do roku 2030 globalna powierzchnia użytkowa wzrośnie o około 15%, co odpowiada całej powierzchni użytkowej dostępnej dziś w Ameryce Północnej⁽⁹⁾. Aby dostosować się do scenariusza zerowej emisji netto opracowanego przez Międzynarodową Agencję Energetyczną (EIA), niezbędna jest dalsza dekarbonizacja paliw używanych w budynkach oraz obniżenie wskaźnika zużycia energii.

Dekarbonizacja paliw używanych w budynkach oraz obniżenie wskaźnika zużycia energii będą wymagać optymalizacji wytwarzania energii cieplnej w budynkach, a także jej odzyskiwania, magazynowania i zużycia.

Optymalizacja wytwarzania energii na potrzeby ogrzewania oznacza przejście z instalacji zasilanych paliwami kopalnymi na pompy ciepła zasilane energią elektryczną ze źródeł odnawialnych. Według IEA potrojenie liczby pomp ciepła na świecie do roku 2030 może przełożyć się na zmniejszenie emisji CO₂ o 500 Mt rocznie⁽¹⁰⁾. Obecnie jednak w większości pomp ciepła są stosowane czynniki chłodnicze z grupy hydrofluorowęglowodorów, które mają wysoki potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP). Jeżeli nie zostaną podjęte żadne działania, w 2030 r. pompy ciepła mogą emitować 740 Mt ekwiwalentu CO₂⁽¹⁰⁾. Rozwiązania obejmują wdrażanie hydrofluorowęglowodorów o niższym potencjale GWP, węglowodorów lub innych naturalnych czynników chłodniczych. Hydrofluorowęglowodory wymagają jednak dalszych badań nad toksycznością i depozycją atmosferyczną, a węglowodory wymagają dodatkowych środków ostrożności ze względu na swoją palność. Przewiduje się, że ze względu na dostosowywanie do zmian klimatycznych do 2050 r. zapotrzebowanie na chłodzenie wzrośnie ponad trzykrotnie⁽⁷⁾. Aby złagodzić związane z tym zwiększenie współczynnika zużycia energii, trzeba będzie zwiększyć sprawność instalacji chłodniczych oraz szerzej wdrażać rozwiązania zapewniające chłodzenie pasywne. Ponadto w dekarbonizacji energii zużywanej w wyniku intensywniejszego chłodzenia mogą być pomocne lokalne instalacje fotowoltaiczne i magazyny energii.

Innym sposobem na dekarbonizację miksu paliwowego wykorzystywanego w budynkach jest odzyskiwanie i ponowne rozprowadzanie ciepła odpadowego. Nadmiar ciepła z instalacji przetwarzania odpadów komunalnych, centrów danych, tuneli metra, zakładów przemysłowych, elektrolizerów czy elektrowni atomowych będzie w coraz większym stopniu odzyskiwany i przekazywany do sieci ciepłowniczych. Przewiduje się, że dzięki wdrażaniu pomp ciepła, wzrośnie dynamika rozwoju sieci niskotemperaturowych (ang. anergy networks). W sieciach niskotemperaturowych do przesyłania energii między budynkami jest stosowany czynnik o temperaturze 10–25°C, co skutkuje zmniejszeniem straty ciepła.

Wykorzystanie pomp ciepła oraz ciepła odpadowego przyczyni się do szerszego wdrażania systemów magazynowania ciepła (zbiorników ciepła), które pozwalają na skuteczne równoważenia podaży i popytu na energię. Pompy ciepła mogą przetwarzać nadmiar energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, takich jak turbiny wiatrowe lub instalacje fotowoltaiczne, w ciepło, gdy podaż energii elektrycznej jest wysoka, a ceny energii elektrycznej są niskie⁽¹⁰⁾. Ciepło odpadowe z procesów przemysłowych lub centrów danych można magazynować, aby zapobiegać rozpraszaniu niezużytej energii do środowiska. Sprawność systemów magazynowania ciepła jest też bardzo wysoka: 90–98% przy magazynowaniu kilkudniowym oraz 70–80% przy magazynowaniu sezonowym.

Jednym z najefektywniejszych i najtańszych sposobów zmniejszania współczynnika zużycia energii w budynkach jest jednak szersze stosowanie systemów automatyki i sterowania budynkiem (BACS). Dotyczy to zwłaszcza budynków, z których większość wymaga modernizacji. Przykładowo w UE aż 97% budynków uznaje się za nieefektywne energetycznie ⁽¹²⁾. Norma ISO 52120-1 podkreśla, że przekształcenie standardowego systemu BACS (klasy C) w system BACS o wysokiej sprawności energetycznej (klasy A) może skutkować zmniejszeniem zużycia energii o 40%. Taka modernizacja często wymaga tylko minimalnych zmian, takich jak wdrożenie zaworów zapewniających dynamiczną kompensację hydrauliczną, instalacji o zmiennym przepływie wody, regulacji przepływu powietrza w zależności od zapotrzebowania, czy analogowych regulatorów pomieszczeniowych z wykrywanie obecności. Przewiduje się, że ze względu na wysoką skuteczność i niskie koszty wdrażanie zaawansowanych systemów BACS przyspieszy, zwłaszcza że bieżący wskaźnik modernizacji wynoszący 1,0% rocznie jest mniejszy od wartości 2,5% wymaganej do zapewnienia zerowego zużycia energii netto do roku 2050⁽¹³⁾.