Snižování emisí uhlíku z vytápění domácností: Cesta vpřed

V boji proti klimatickým změnám zaostává sektor budov. Zatímco emise oxidu uhličitého (CO₂) v americkém energetickém sektoru klesly mezi lety 2005 a 2021 o 34 %, v sektoru budov poklesly pouze o 18 %. V chladných oblastech pak spalování zemního plynu na vytápění domů tvoří podstatnou část emisí. Elektrifikace budov, zejména vytápění domácností, je proto nezbytná pro dekarbonizaci amerického energetického systému.

Tato změna však zvýší poptávku po elektřině a sníží poptávku po zemním plynu. Jaký bude celkový dopad těchto změn na emise uhlíku a na náklady na dekarbonizaci? A jak se energetický a plynárenský sektor vypořádají s novými výzvami v dlouhodobém plánování provozu a investic do infrastruktury?

Nová studie výzkumníků z MIT s podporou MIT Energy Initiative (MITEI) Future Energy Systems Center odhaluje dopady různých úrovní elektrifikace vytápění domácností na energetický a plynárenský systém. Speciálně navržený modelovací rámec jim umožnil odhadnout nejen dodatečné náklady a emise pro energetický sektor v souvislosti s novou poptávkou, ale také veškeré změny nákladů a emisí, které vyplývají pro plynárenský sektor.

Analýzy přinesly některá překvapivá zjištění. Ukazují například, že – za určitých podmínek – přechod 80 % domácností na elektrické vytápění by mohl snížit emise uhlíku a zároveň výrazně snížit náklady v porovnání se scénářem s malým přechodem. Tento výsledek závisí na dvou změnách: spotřebitelé musí instalovat vysoce efektivní tepelná čerpadla a podniknout kroky k prevenci tepelných ztrát z domů a plánovači v energetickém a plynárenském sektoru musí při dlouhodobých rozhodnutích o infrastruktuře a provozu spolupracovat. Na základě svých zjištění výzkumníci zdůrazňují potřebu silných státních, regionálních a celostátních politik, které podporují kroky, které mohou majitelé domů a plánovači průmyslu podniknout k dekarbonizaci dnešního sektoru budov.

Dvoudílný modelovací přístup

Pro analýzu dopadů elektrifikace vytápění domácností na náklady a emise v kombinaci energetického a plynárenského sektoru vyvinul tým expertů z MIT v oblasti stavebních technologií, modelování energetických systémů, optimalizačních technik a dalších dvoudílný modelovací rámec. Členy týmu byli Rahman Khorramfar, Morgan Santoni-Colvin, Saurabh Amin, Audun Botterud, Leslie Norford a Dharik Mallapragada. Své nové metody a zjištění popisují v článku publikovaném v časopise Cell Reports Sustainability 6. února.

První model v rámci kvantifikuje, jak různé úrovně elektrifikace změní poptávku po elektřině a zemním plynu a dopady možných úsporných opatření, která mohou majitelé domů přijmout. „Pro provedení této analýzy jsme vytvořili ‚zdola nahoru‘ model – to znamená, že se zaměřuje na spotřebu elektřiny a plynu jednotlivých budov a poté agreguje jejich spotřebu, aby získal celkovou poptávku po elektřině a plynu,“ vysvětluje Khorramfar. Předpokladem širokého spektra „archetypů“ budov – tedy seskupení budov s podobnými fyzikálními vlastnostmi – spolu s trendy v růstu populace mohl tým zkoumat, jak se poptávka po elektřině a zemním plynu změní v každém z pěti předpokládaných způsobů elektrifikace: „business as usual“ s mírnou elektrifikací, střední elektrifikací (asi 60 % domů je elektrifikováno), vysokou elektrifikací (asi 80 % domů provede změnu) a střední a vysokou elektrifikací s „vylepšeními obálky“, jako je utěsnění úniků tepla a přidání izolace.

Druhá část rámce se skládá z modelu, který bere výsledky poptávky z prvního modelu jako vstupy a „ko-optimalizuje“ celkový energetický a plynárenský systém tak, aby minimalizoval roční investiční a provozní náklady při dodržování jakýchkoli omezení, jako jsou limity emisí nebo dostupnosti zdrojů. Modelovací rámec tak umožňuje výzkumníkům prozkoumat dopad každého způsobu elektrifikace na infrastrukturu a provozní náklady obou interagujících sektorů.

Studie případu Nové Anglie: Výzva pro elektrifikaci

Jako studii případu si výzkumníci vybrali Novou Anglii, region, kde je počasí někdy extrémně chladné a kde spalování zemního plynu na vytápění domů významně přispívá k celkovým emisím. „Kritici řeknou, že elektrifikace se v Nové Anglii nikdy nestane. Je to příliš drahé,“ komentuje Santoni-Colvin. Poznamenává však, že většina studií se zaměřuje na energetický sektor izolovaně. Nový rámec bere v úvahu společný provoz obou sektorů a poté kvantifikuje jejich příslušné náklady a emise. „Víme, že elektrifikace si vyžádá velké investice do elektrické infrastruktury,“ říká Santoni-Colvin. „Ale co nebylo v literatuře dobře kvantifikováno, jsou úspory, které tím generujeme na straně zemního plynu – tedy úspory na úrovni systému.“

Pomocí svého rámce provedl tým MIT modelové běhy zaměřené na 80% snížení emisí v sektoru budov oproti úrovním z roku 1990 – cíl, který je v souladu s regionálními politickými cíli pro rok 2050. Výzkumníci definovali parametry, včetně podrobností o archetypech budov, regionálním energetickém systému, existujících a potenciálních obnovitelných energetických systémech, akumulaci energie v bateriích, dostupnosti zemního plynu a dalších klíčových faktorech popisujících Novou Anglii.

Poté provedli analýzy za předpokladu různých scénářů s různými kombinacemi vylepšení domů. Zatímco většina studií předpokládá typické počasí, oni místo toho vyvinuli 20 projekcí ročních meteorologických dat na základě historických meteorologických vzorců a upravili je pro účinky změny klimatu do roku 2050. Poté analyzovali pět úrovní elektrifikace.

V porovnání s projekcemi „business as usual“ ukázaly výsledky z rámce, že vysoká elektrifikace vytápění domácností by mohla více než zdvojnásobit poptávku po elektřině v špičkových obdobích a zvýšit celkovou poptávku po elektřině téměř o 60 %. Za předpokladu, že se vylepšení obálky budov nasadí paralelně s elektrifikací, se sníží rozsah a citlivost špičkových zátěží na počasí a vytvoří se celkové zisky efektivity, které sníží kombinovanou poptávku po elektřině a zemním plynu na vytápění domů až o 30 % ve srovnání se současností. Je pozoruhodné, že kombinace vysoké elektrifikace a vylepšení obálky vedla k nejnižším průměrným nákladům pro celkový systém elektřina-zemní plyn v roce 2050.

Poučení

Výměna stávajících plynových spotřebičů a kotlů za tepelná čerpadla snižuje celkovou spotřebu energie. Santoni-Colvin to nazývá „něco intuitivního výsledku“, který lze očekávat, protože tepelná čerpadla jsou „prostě o tolik efektivnější než staré systémy spalující fosilní paliva. Ale přesto nás překvapily zisky.“

Mezi další neočekávané výsledky patří důležitost zlepšení energetické účinnosti majitelů domů, jako je přidání izolace a utěsnění úniků vzduchu – kroky podporované nedávnými politikami slevových programů. Tyto změny jsou kritické pro snížení nákladů, které by jinak vznikly při modernizaci elektrické sítě, aby se vyrovnala zvýšená poptávka. „Nemůžete jen tak házet tepelná čerpadla do všech domů, pokud zároveň neuvažujete o dalších způsobech snižování špičkových zátěží. Takže to skutečně vyžaduje přístup ‚všeho najednou‘, abyste dosáhli nejefektivnějšího výsledku,“ říká Santoni-Colvin.

Testování řady meteorologických výsledků také poskytlo důležité poznatky. Poptávka po palivu na vytápění je velmi závislá na počasí, přesto většina studií je založena na omezené sadě meteorologických dat – často na „typickém roce“. Výzkumníci zjistili, že elektrifikace může vést k prodlouženým špičkovým událostem elektrické zátěže, které mohou trvat několik dní během chladných zim. Výzkumníci proto docházejí k závěru, že bude nadále potřeba „pevný, dispečerský“ zdroj elektřiny; to znamená energetický systém, na který se lze spolehnout, že bude vyrábět energii kdykoli je potřeba – na rozdíl od solárních a větrných systémů. Jako příklady modelovali některé možné technologie, včetně elektráren poháněných nízkouhlíkovým palivem nebo zemním plynem vybaveným zařízením na zachytávání uhlíku. Zdůrazňují však, že není možné vědět, jaké typy pevných generátorů budou k dispozici v roce 2050. Mohlo by to být systém, který ještě není zralý, nebo možná ani dnes neexistuje.

Při prezentaci svých zjištění výzkumníci uvádějí několik výhrad. Za prvé, jejich analýzy nezahrnují odhadované náklady pro majitele domů na instalaci tepelných čerpadel. Přestože se o těchto nákladech široce diskutuje, tato otázka přesahuje rozsah jejich současného projektu.

Studie dále neurčuje, co se stane se stávajícími plynovody. „Některé domy se elektrifikují a opustí systém plynu a nebudou za něj muset platit, zatímco ostatní domy budou mít zvyšující se sazby, protože náklady na systém plynu se nyní musí rozdělit mezi menší počet zákazníků,“ říká Khorramfar. „To nevyhnutelně vyvolá otázky spravedlnosti, které musí řešit politici.“

Výzkumníci nakonec konstatují, že jsou zapotřebí politiky pro řízení elektrifikace domácností. Současná finanční podpora pro instalaci tepelných čerpadel a kroky k dosažení vyšší tepelné účinnosti domů jsou dobrým začátkem. Tyto pobídky však musí být spojeny s novým přístupem k plánování investic do energetické infrastruktury. Tradičně se plánování elektřiny a plánování zemního plynu provádí odděleně. Pro dekarbonizaci vytápění domácností by se však oba sektory měly koordinovat při plánování budoucího provozu a potřeb infrastruktury. Výsledky analýzy MIT ukazují, že taková spolupráce by mohla výrazně snížit emise a náklady na vytápění domácností – změna, která by přinesla tolik potřebný krok směrem k dekarbonizaci sektoru budov jako celku.