Однако большинство моделей обезуглероживания зданий не учитывают сезонные колебания спроса на энергию для отопления или охлаждения. Это затрудняет прогнозирование того, что в конечном итоге может означать переход на более чистое, полностью электрическое отопление в зданиях для национальной электросети, особенно во время пиков потребления энергии.

Новое исследование, проведенное исследователями из Школы общественного здравоохранения Бостонского университета (BUSPH), Гарвардской школы общественного здравоохранения имени Т.Х. Чана (Harvard Chan School), Университета штата Орегон (OSU) и некоммерческой группы по энергоэффективности дома (HEET), изучило эти сезонные изменения спроса на энергию и показало, что ежемесячная энергия потребление существенно варьируется и является самым высоким в зимние месяцы.

Опубликовано в Научные отчеты В исследовании, опубликованном в журнале Nature Portfolio, представлено новое моделирование нескольких сценариев электрификации зданий и установлено, что этот сезонный всплеск спроса на энергию зимой будет трудно удовлетворить за счет существующих возобновляемых источников, если здания перейдут на низкоэффективное электрифицированное отопление.

Полученные результаты подчеркивают необходимость установки в зданиях более эффективных технологий отопления домов, таких как наземные тепловые насосы.

"Наше исследование показывает степень колебаний спроса на энергию в зданиях и преимущества использования чрезвычайно эффективных технологий отопления при электрификации зданий", - говорит ведущий автор исследования доктор Джонатан Буонокор, доцент кафедры охраны окружающей среды BUSPH. "Исторически сложилось так, что это колебание спроса на энергию в зданиях регулировалось в основном за счет газа, нефти и древесины, которые можно хранить в течение всего года и использовать зимой. Электрифицированные здания и электрическая система, которая их поддерживает, должны будут предоставлять ту же услугу по обеспечению надежного отопления зимой. Более эффективные технологии электронагрева позволят снизить электрическую нагрузку на сеть и повысить способность удовлетворять эту потребность в отоплении за счет возобновляемых источников энергии, не связанных с сжиганием топлива".

Для исследования Буонокор и его коллеги проанализировали данные об энергопотреблении зданий за период с марта 2010 по февраль 2020 года и обнаружили, что общее среднемесячное потребление энергии в США, основанное на текущем использовании ископаемого топлива, а также на будущем использовании электроэнергии зимой, варьируется в 1,6 раза, с самым низким спрос в мае, а самый высокий спрос в январе.

Исследователи смоделировали эти сезонные колебания в том, что они называют "кривой сокола", поскольку график изменения ежемесячного потребления энергии представляет форму сокола. Данные показывают, что спрос на отопление зимой приводит к тому, что потребление энергии достигает самых высоких уровней в декабре и январе, со вторичным пиком в июле и августе из-за похолодания, а самые низкие уровни - в апреле, мае, сентябре и октябре.

Исследователи также подсчитали количество дополнительной возобновляемой энергии, в частности энергии ветра и солнца, которое необходимо было бы генерировать для удовлетворения этого возросшего спроса на электроэнергию. Без хранения, реагирования на спрос или других тактик управления нагрузкой на сеть, чтобы справиться с зимними пиками отопления, зданиям потребовалось бы 28-кратное увеличение выработки энергии ветром в январе или 303-кратное увеличение солнечной энергии в январе.

Но с более эффективными возобновляемыми источниками энергии, такими как воздушные тепловые насосы (ASHP) или наземные тепловые насосы (GSHP), зданиям потребуется всего в 4,5 раза больше энергии зимнего ветра или в 36 раз больше солнечной энергии - таким образом, кривая Falcon "сглаживается", поскольку в электросети поступает меньше новой энергии.

"Эта работа действительно показывает, что технологии как со стороны спроса, так и со стороны предложения играют важную роль в обезуглероживании", - говорит соавтор исследования доктор Паричехр Салимифард, доцент инженерного колледжа Университета штата Орегон. Примерами таких технологий в области энергоснабжения являются геотермальное отопление зданий и технологии использования возобновляемых источников энергии, которые могут обеспечивать энергией в любое время, говорит она, такие как возобновляемые источники энергии в сочетании с долгосрочным хранением, распределенные энергетические ресурсы (DERS) во всех масштабах и геотермальная выработка электроэнергии, где это возможно. "Они могут быть объединены с технологиями на стороне спроса, то есть в зданиях, такими как пассивные и активные меры по повышению энергоэффективности зданий, сокращение пиковых нагрузок и накопление энергии в зданиях. Эти технологии на уровне зданий могут как снизить общую потребность здания в энергии за счет снижения как базовой, так и максимальной потребности в энергии, а также сгладить колебания спроса на энергию в здании и, следовательно, сгладить кривую Falcon".

"Кривая Falcon привлекает наше внимание к ключевой взаимосвязи между выбором технологии электрификации зданий и воздействием электрификации зданий на нашу энергосистему", - говорит соавтор исследования Зейнеб Магави, соисполнительный директор HEET, некоммерческого инкубатора климатических решений.

Магави предупреждает, что это исследование пока не дает количественной оценки этой взаимосвязи на основе измеренных кривых сезонной эффективности для конкретных технологий или для более детализированных временных масштабов или регионов, или не оценивает многочисленные стратегии и технологии, которые могут помочь решить проблему. Все это необходимо учитывать при планировании декарбонизации.

Тем не менее, по словам Магави, это исследование четко указывает на то, что "использование стратегической комбинации технологий тепловых насосов (с воздушным источником, наземным источником и сетевым подключением), а также долгосрочного хранения энергии поможет нам электрифицировать здания более эффективно, экономично и справедливо. Кривая Falcon показывает нам более быстрый путь к чистому, здоровому энергетическому будущему".

"Наше исследование ясно показывает, что при учете сезонных колебаний потребления энергии, очевидных на кривой Фалькона, стремление к электрификации наших зданий должно сочетаться с приверженностью энергоэффективным технологиям, чтобы усилия по декарбонизации зданий максимизировали пользу для климата и здоровья", - говорит старший автор исследования доктор Джозеф Г. Аллен, адъюнкт-профессор науки оценки воздействия и директор программы "Здоровые здания" в Гарвардской школе Чана.

"Наша работа здесь показывает путь электрификации зданий, который позволяет избежать зависимости от ископаемого топлива и избежать использования возобновляемых видов топлива для сжигания, которые все еще могут вызывать загрязнение воздуха и, возможно, увековечивать различия в воздействии загрязнения воздуха, несмотря на то, что они климатически нейтральны", - говорит Буонокор. "Избежание подобных проблем - вот почему важно, чтобы эксперты в области общественного здравоохранения участвовали в разработке политики в области энергетики и климата".