Tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch trực tiếp của các tòa nhà, được đốt cháy trong máy nước nóng, lò nung và các nguồn sưởi ấm khác, chiếm gần 10 phần trăm lượng khí thải nhà kính ở Hoa Kỳ. Chuyển sang một hệ thống điện cung cấp năng lượng sưởi ấm thông qua các nguồn năng lượng tái tạo, thay vì than, dầu và khí tự nhiên — quá trình được gọi là điện khí hóa tòa nhà hoặc khử cacbon hóa tòa nhà — là một bước quan trọng để đạt được các mục tiêu toàn cầu về không khí hậu.
Tuy nhiên, hầu hết các mô hình khử cacbon trong tòa nhà chưa tính đến những biến động theo mùa về nhu cầu năng lượng để sưởi ấm hoặc làm mát. Điều này gây khó khăn cho việc dự đoán việc chuyển sang hệ thống sưởi hoàn toàn bằng điện, sạch hơn trong các tòa nhà có thể có ý nghĩa như thế nào đối với lưới điện quốc gia, đặc biệt là trong thời gian sử dụng năng lượng cao điểm.
>> Tham khảo: Các kỹ sư khoa học vật liệu nghiên cứu vật liệu mới cho chip máy tính.
Một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại Trường Y tế Công cộng Đại học Boston (BUSPH), Harvard T.H. Trường Y tế Công cộng Chan (Trường Harvard Chan), Đại học Bang Oregon (OSU) và Nhóm Hiệu quả Năng lượng Gia đình phi lợi nhuận (HEET) đã kiểm tra những thay đổi theo mùa này về nhu cầu năng lượng và nhận thấy rằng mức tiêu thụ năng lượng hàng tháng thay đổi đáng kể và cao nhất vào mùa đông tháng.
Được đăng trên tạp chí Scientific Reports, một tạp chí của Nature Portfolio, nghiên cứu đã trình bày mô hình mới về các kịch bản điện khí hóa nhiều tòa nhà và nhận thấy rằng nhu cầu năng lượng mùa đông tăng cao theo mùa này sẽ khó đáp ứng thông qua các nguồn tái tạo hiện tại, nếu các tòa nhà chuyển sang sử dụng năng lượng hiệu suất thấp. sưởi ấm bằng điện.
Các phát hiện nhấn mạnh sự cần thiết của các tòa nhà để cài đặt các công nghệ sưởi ấm nhà hiệu quả hơn, chẳng hạn như máy bơm nhiệt nguồn đất.
Tiến sĩ Jonathan Buonocore, Trợ lý Giáo sư về Sức khỏe Môi trường tại BUSPH, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy mức độ biến động trong nhu cầu năng lượng của tòa nhà và lợi ích của việc sử dụng các công nghệ sưởi ấm cực kỳ hiệu quả khi điện khí hóa các tòa nhà”. “Từ trước đến nay, sự dao động trong nhu cầu năng lượng xây dựng này phần lớn được quản lý bằng khí đốt, dầu mỏ và gỗ, tất cả đều có thể được lưu trữ quanh năm và sử dụng trong mùa đông. Các tòa nhà điện khí hóa và hệ thống điện hỗ trợ chúng sẽ phải cung cấp dịch vụ tương tự để cung cấp hệ thống sưởi ấm đáng tin cậy vào mùa đông. Các công nghệ sưởi ấm bằng điện hiệu quả hơn sẽ giảm tải điện đặt lên lưới điện và cải thiện khả năng đáp ứng nhu cầu sưởi ấm này bằng năng lượng tái tạo không đốt cháy.”
>> Tham khảo: Giới hạn khai thác lithium từ nước nóng.
Đối với nghiên cứu, Buonocore và các đồng nghiệp đã phân tích dữ liệu năng lượng xây dựng từ tháng 3 năm 2010 đến tháng 2 năm 2020 và nhận thấy rằng tổng mức tiêu thụ năng lượng trung bình hàng tháng của Hoa Kỳ — dựa trên việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch hiện tại, cũng như việc sử dụng điện trong tương lai vào mùa đông – – thay đổi theo hệ số 1,6 lần, với nhu cầu thấp nhất vào tháng 5 và nhu cầu cao nhất vào tháng 1.
Các nhà nghiên cứu đã lập mô hình những biến động theo mùa này trong cái mà họ gọi là “Đường cong chim ưng” — vì một biểu đồ về sự thay đổi mức tiêu thụ năng lượng hàng tháng biểu thị hình dạng của một con chim ưng. Dữ liệu cho thấy nhu cầu sưởi ấm vào mùa đông khiến mức tiêu thụ năng lượng ở mức cao nhất trong tháng 12 và tháng 1, với cực đại thứ cấp vào tháng 7 và tháng 8 do thời tiết mát mẻ, và mức thấp nhất vào tháng 4, tháng 5, tháng 9 và tháng 10.
Các nhà nghiên cứu cũng tính toán lượng năng lượng tái tạo bổ sung, cụ thể là năng lượng gió và mặt trời, cần được tạo ra để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng này. Nếu không có kho lưu trữ, đáp ứng nhu cầu hoặc các chiến thuật khác để quản lý tải lưới điện, để đáp ứng các đỉnh điểm sưởi ấm vào mùa đông, các tòa nhà sẽ cần tăng 28 lần sản lượng gió trong tháng Giêng hoặc tăng 303 lần trong năng lượng mặt trời trong tháng Giêng.
>> Tham khảo: El Niño làm tăng tỷ lệ chết của cây con ngay cả trong các khu rừng chịu hạn.
Nhưng với năng lượng tái tạo hiệu quả hơn, chẳng hạn như máy bơm nhiệt nguồn không khí (ASHP) hoặc máy bơm nhiệt nguồn đất (GSHP), các tòa nhà sẽ chỉ yêu cầu lượng gió mùa đông gấp 4,5 lần hoặc năng lượng mặt trời nhiều hơn 36 lần — do đó “làm phẳng” Đường cong Falcon như ít nhu cầu năng lượng mới được đặt trên lưới điện.
Đồng tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Parichehr Salimifard, Trợ lý Giáo sư Đại học Kỹ thuật tại Đại học Bang Oregon, cho biết: “Công trình này thực sự cho thấy rằng các công nghệ ở cả bên cầu và bên cung đều có vai trò mạnh mẽ trong quá trình khử cacbon”. Ví dụ về các công nghệ này về mặt cung cấp năng lượng là công nghệ sưởi ấm tòa nhà địa nhiệt và năng lượng tái tạo có thể cung cấp năng lượng mọi lúc, cô nói — chẳng hạn như năng lượng tái tạo kết hợp với lưu trữ dài hạn, tài nguyên năng lượng phân tán (DER) ở mọi quy mô và sản xuất điện địa nhiệt nếu có thể. “Những điều này có thể được kết hợp với các công nghệ theo yêu cầu — tức là trong các tòa nhà — chẳng hạn như các biện pháp hiệu quả năng lượng tòa nhà chủ động và thụ động, cắt đỉnh và lưu trữ năng lượng trong các tòa nhà. Những công nghệ cấp tòa nhà này vừa có thể giảm năng lượng tổng thể của tòa nhà cầu năng lượng bằng cách giảm cả nhu cầu năng lượng cơ bản và tối đa cũng như làm dịu đi những biến động trong nhu cầu năng lượng xây dựng, và do đó làm phẳng Đường cong Falcon.”
Zeyneb Magavi, đồng tác giả nghiên cứu, đồng giám đốc điều hành của HEET, một vườn ươm giải pháp khí hậu phi lợi nhuận, cho biết: “Đường cong Falcon thu hút sự chú ý của chúng tôi đến mối quan hệ chính giữa việc lựa chọn công nghệ điện khí hóa tòa nhà và tác động của điện khí hóa tòa nhà đối với lưới điện của chúng ta”. .
Magavi cảnh báo rằng nghiên cứu này chưa định lượng mối quan hệ này dựa trên các đường cong hiệu quả theo mùa được đo lường cho các công nghệ cụ thể hoặc cho các khu vực hoặc thang thời gian chi tiết hơn hoặc đánh giá nhiều chiến lược và công nghệ có thể giúp giải quyết thách thức. Tất cả những điều này phải được xem xét trong kế hoạch khử cacbon.
Tuy nhiên, Magavi nói, nghiên cứu này rõ ràng chỉ ra rằng, “Sử dụng kết hợp chiến lược các công nghệ bơm nhiệt (nguồn không khí, nguồn đất và mạng), cũng như lưu trữ năng lượng dài hạn, sẽ giúp chúng ta điện khí hóa các tòa nhà hiệu quả hơn , kinh tế và công bằng. Đường cong Falcon cho chúng ta thấy một con đường nhanh hơn dẫn đến một tương lai năng lượng sạch và lành mạnh.”
>> Tham khảo: Lợi ích tế bào của liệu pháp gen được thấy trong nhiều thập kỷ sau khi điều trị.
“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rõ ràng rằng, khi tính đến những biến động theo mùa trong mức tiêu thụ năng lượng rõ ràng trong Đường cong Falcon, nỗ lực điện khí hóa các tòa nhà của chúng ta phải được kết hợp với cam kết sử dụng các công nghệ tiết kiệm năng lượng để đảm bảo các nỗ lực khử cacbon của tòa nhà tối đa hóa lợi ích về khí hậu và sức khỏe,” tác giả cao cấp của nghiên cứu, Tiến sĩ Joseph G. Allen, Phó Giáo sư Khoa học Đánh giá Phơi nhiễm và Giám đốc chương trình Tòa nhà Lành mạnh tại Trường Harvard Chan cho biết.
“Công việc của chúng tôi ở đây cho thấy một lộ trình xây dựng điện khí hóa tránh phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tránh sử dụng nhiên liệu đốt có thể tái tạo, vốn vẫn có thể gây ô nhiễm không khí và có thể kéo dài sự chênh lệch về mức độ tiếp xúc với ô nhiễm không khí, mặc dù khí hậu trung lập,” Buonocore nói. “Tránh những vấn đề như thế này là lý do tại sao điều quan trọng là các chuyên gia y tế công cộng phải tham gia vào việc hoạch định chính sách năng lượng và khí hậu.”
