Med energiregningen stigende, er mange mennesker interesserede i at droppe de fossile brændstoffer, der i øjeblikket bruges til at opvarme de fleste britiske hjem. Spørgsmålet er, hvordan man får det til at ske, som Margaret Harris forklarer
Dybt under flagstenene i den middelalderlige Bath Abbey-kirke gør et moderne vidunder med et gammelt twist lydløst sin tilstedeværelse. Fuldført i marts 2021, klosterets varmesystem kombinerer gulvrør med varmevekslere placeret syv meter under overfladen. Der fører et afløb bygget for næsten 2000 år siden 1.1 millioner liter 40 °C vand hver dag fra en naturlig varm kilde til et kompleks af gamle romerske bade.
Ved at bruge denne strøm af varmt vand giver systemet nok energi til at opvarme ikke kun klosteret, men også en tilstødende række af georgiske hytter, der bruges til kontorer. Ikke underligt, at klosterets rektor roste det som "en bæredygtig løsning til opvarmning af vores smukke historiske kirke".
Men det var ikke alt. Da bestræbelserne på at dekarbonisere klosterets opvarmning var i gang, var embedsmænd i £19.4 mio. Bath Abbey Footprint-projekt rettet deres opmærksomhed mod bygningens elektricitet. Som de fleste kirker løber klosteret fra øst til vest, hvilket giver dets tag et omfattende sydvendt aspekt. På Storbritanniens nordlige breddegrader er sådanne tage badet i sollys det meste af dagen, hvilket gør dem ideelle til solcellepaneler (PV). Gloucester Cathedral – en times kørsel nord for Bath – har allerede draget fordel af denne gunstige orientering og blev – i 2016 – Storbritanniens første store gamle katedral, der havde solpaneler installeret på taget.
For at finde ud af, om et lignende set-up kunne være egnet på Bath Abbey, arbejdede Footprint-projektet med ph.d.-studerende på University of Bath-ledet Center for Doktoruddannelse (CDT) i nye og bæredygtige solceller. I en forundersøgelse offentliggjort i Energividenskab og teknik (2022 10 892), beregnede de studerende, at et veldesignet udvalg af solcellepaneler kunne levere 35.7% af klosterets elektricitet plus 4.6%, der kunne sælges tilbage til nettet på dage, hvor der blev genereret et overskud. Arrayet ville betale for sig selv inden for omkring 13 år og generere et samlet overskud på £139,000 ± £12,000 over dets 25-årige levetid.
hjemlige sandheder
Installation af solpaneler på taget af Bath Abbey er indtil videre kun en idé. "Dette er en levedygtig mulighed for fremtiden - når timingen er rigtig," som Footprint-projektdirektør Nathan Ward udtrykker det. Men for mange mennesker i hele Storbritannien – almindelige husejere såvel som vogtere af berømte bygninger – begynder timingen virkelig at se meget presserende ud. Drevet af den russiske invasion af Ukraine, stærk global efterspørgsel efter gas og forskellige lokale faktorer er energipriserne steget til hidtil usete niveauer.
I prognoser udgivet i august, konsulentfirmaet Cornwall Insight regnes at den gennemsnitlige britiske husstand kunne bruge 355 pund om måneden på energi i januar 2023, hvis situationen ikke ændrede sig. Den britiske regerings energiprisgaranti, annonceret i september, gav en vis lettelse ved at subsidiere energiregningen. Alligevel, mellem oktober 2021 og oktober 2022 den maksimale enhedspris, som energileverandører kan opkræve britiske husejere steget betydeligt, stigende fra 7p til 10.3p pr. kilowatt-time (kWhr) for gas og fra 21p til 34p pr. kWhr for elektricitet.
Badefysiker Alison Walker, der er direktør for CDT, siger, at hendes teams papir på det tidspunkt var, mere et hypotetisk forslag til at vise, at klosteret var seriøst med at reducere sit CO2-fodaftryk. Men nu er "omkostningerne til energi steget så kraftigt, at hvis man selv producerer sin egen strøm, kan det blive meget billigere og mindre modtageligt for energiprisudsving, som vi har oplevet i år", siger hun.
For husejere, der ønsker at reducere deres energiregninger, deres CO10-fodaftryk eller begge dele, er solpaneler blandt de nemmeste og billigste måder at gøre det på. Siliciumbaserede PV-paneler er en moden teknologi, deres pris er faldet i løbet af de sidste XNUMX år, og et tagpanel tager kun et par dage at installere. Men da offentlig støtte til solcelleanlæg ikke længere er tilgængelig for husejere, er up-front omkostninger en barriere for mange, og installatører har lange ventelister.
Værre er, at solpaneler ikke egner sig til alle boliger, hverken af tekniske årsager eller på grund af hvordan de ser ud. "I Storbritannien er vi meget bevidste om bygningers æstetik," siger Mike Walls, en fysiker ved Loughborough University's Center for Vedvarende Energisystemteknologi. "Der er nogle bygninger, især gamle, som folk ikke ville sætte solpaneler på, fordi de ikke ser pæne ud, eller de passer dårligt ind i det overordnede udseende." Gloucester Cathedrals projektleder, Anne Cranston, bemærker, at hendes team skulle bevise, at panelerne ville være "så 'stealth' som muligt", før planlægningsmyndighederne ville acceptere dem.
Under alle omstændigheder er det sjældent nok at smække et par solcellepaneler på taget i sig selv til at befri husejere fra deres afhængighed af fossile brændstoffer. Det er klart, at Solen ikke skinner om natten, mens den gennemsnitlige direkte normale indstråling – et mål for Solens energi pr. arealenhed – for Nordeuropa ikke er mere end et par kWhr/m2. Selv på de mest solrige vinterdage vil et typisk britisk solcelleanlæg på taget derfor ikke producere nok energi til at opvarme huset under det - som jeg opdagede, da jeg fik installeret solpaneler i mit eget hjem i februar (se boks "Et hjem ad gangen" ”).
Hvis solpaneler ikke er et komplet svar, må husejere, der ønsker at stoppe (eller i det mindste reducere) deres afhængighed af fossile brændstoffer – og som mangler Bath Abbeys bekvemme romerske varmtvandsforsyning – finde andre løsninger. En mulighed er at slippe af med traditionelle gasfyr og erstatte dem med alternative varmesystemer. Som en del af den britiske regerings løfte om at opnå netto-nul kulstofemissioner i 2050, vil det fra 2025 ikke længere være lovligt at installere gaskedler i nybyggede boliger i Storbritannien. Men bestræbelserne på at modernisere eksisterende lokaler skrider langsomt frem. Så hvordan skal vi "grønne" Storbritanniens boligmasse?
Holder varmen inde
Britiske hjem taber i gennemsnit varmen op til tre gange hurtigere end hjem i andre europæiske lande
De eksperter, jeg talte med til denne artikel, var forenede på ét punkt: alt ville være meget nemmere, hvis boliger var bedre isoleret. "I virkeligheden er svaret isolering, isolering, isolering, fordi det simpelthen er langt den bedste måde at reducere dine energiomkostninger på," siger Walker. "Effektivitet er ikke rigtig givet den opmærksomhed, som det burde være," er enig Zoe Robinson, professor i bæredygtighed ved Keele University.
Tallene er nøgterne. A 2020 studere af smart-heating-teknologifirmaet Tado° fandt ud af, at britiske hjem taber varme op til tre gange hurtigere i gennemsnit end hjem i andre europæiske lande. Ved hjælp af data indsamlet fra 80,000 kunder i hele Europa konkluderede analytikere hos Tado°, at et britisk hjem, der er opvarmet til 20 °C på en 0 °C dag, i gennemsnit taber tre grader efter fem timer, når varmen er slukket, sammenlignet med kun én grad til et hjem i Tyskland.
Denne dårlige præstation skyldes til dels alderen på Storbritanniens boligmasse. Men Laurie Peter, en ekspert fra Bath om at bruge solenergi til at generere brændstof, siger, at problemet også strækker sig til nyere hjem. "Successive regeringer har chicken out med hensyn til reglerne om at bygge huse," argumenterer han og tilføjer, at dette gælder for et hus's samlede CO2-fodaftryk såvel som dets energiforbrug. "Vi er stadig mere eller mindre, hvor vi var i victoriansk tid med hensyn til husbygning og isolering, hvilket er en skændsel, ærligt talt."
På grund af denne kombination af ældre bygninger og slappe regler har halvdelen af de 28.5 millioner boliger i England samme vægisolering som Bath Abbey - hvilket vil sige ingen. Termoruder er mere almindelige, men ifølge 2020-2021 Engelsk boligundersøgelse, mangler 14 % af engelske hjem det stadig. Værre, eftermonteringssatser har faldet ned fra en klippe. I år 2012 fik omkring 2.3 millioner hjem installeret ny lofts-, hulmurs- eller massivvægsisolering, men dette tal er faldet til under 200,000 om året, efter at regeringen erstattede et vellykket eftermonteringsprogram med incitamenter, der viste sig at være mindre effektive.
Et hjem ad gangen
Jeg bor i en husstand med to fysikere, så da vi udskiftede vores gasfyr med en varmepumpe og installerede solpaneler på vores tag, behandlede vi naturligvis installationen som et videnskabeligt eksperiment med resultater, vi kunne overvåge over tid. Ville vi bruge mindre energi? Og ville det gøre nogen forskel for vores regninger?
Vores edwardianske murstensrækkehus er relativt effektivt for sin alder, med termoruder og hems- og hulmursisolering. Alligevel krævede det forberedelse at skifte til en varmepumpe. Efter at have opmålt vores rum og vinduer, beregnede installatørerne (et lokalt VVS-firma, der laver varmepumper som bibeskæftigelse), at vi skulle bruge en 8 kW varmepumpe, en ny højeffektiv varmtvandsbeholder og længere, dobbelt-brede radiatorer i hvert værelse.
Stor efterspørgsel satte installatørerne på en stram tidsplan, så da de tilbød os en plads i midten af januar, takkede vi ja, selvom det betød ingen opvarmning i op til to uger (dette ville have været sværere for husstande med små børn eller mennesker med handicap). ). Stor efterspørgsel og forsyningskædeproblemer forsinkede ligeledes installationen af solpaneler til februar. Men når eftermonteringen var færdig, fungerede det smukt, som denne graf over husets energiforbrug fra januar 2021 til august 2022 viser.
Varmepumpen begyndte at virke den 19. januar. Resten af vinteren og ind i det tidlige forår var vores hus' gennemsnitlige daglige energiforbrug (blå linje) omkring halvdelen af samme periode i 2021 (bemærk, at 2021-datasættet er baseret på kvartalsvise eller halvmånedlige aflæsninger, mens forbruget fra februar 2022 og fremefter blev optaget ugentligt). De solpaneler, der blev installeret den 3. februar, havde en mindre effekt, blandt andet fordi manglende plads og budget til batterier betød, at noget strøm blev eksporteret til nettet (grøn linje) frem for brugt i huset (lyserød linje). Huset fortsatte også med at importere elektricitet (orange linje) om aftenen, på overskyede dage og i perioder med stor efterspørgsel. Alligevel i slutningen af foråret og forsommeren oversteg panelernes gennemsnitlige daglige produktion rutinemæssigt husets gennemsnitlige daglige brug – et opmuntrende resultat.
De økonomiske fordele er mindre entydige. Storbritanniens elektricitet kommer fra en række forskellige kilder, herunder vedvarende energi, gas, atomkraft og (sjældent) kul, men elpriserne er bundet til den dyreste kilde (i øjeblikket gas). De britiske elpriser inkluderer også miljøafgifter, der ikke gælder for gas på trods af sidstnævntes højere miljøomkostninger. Så mens vores hus bruger mindre energi, er den energi, det fortsætter med at importere, betydeligt dyrere end gas pr. enhed. At sælge elektricitet fra solpanelerne hjælper, og det samme gør en varmepumpebevilling fra den britiske regerings (nu lukkede) Domestic Renewable Heat Incentive-ordning, men denne del af problemet handler i sidste ende om politik, ikke fysik.
Pumpende varme
Ud over at beskæftige husejere med højere energiregninger og øgede kulstofemissioner, begrænser dårlig isolering mulighederne for at ændre, hvordan boliger opvarmes. Den britiske regerings planer for at opnå netto-nul kulstofemissioner afhænger i høj grad af udskiftning af naturgaskedler med varmepumper, med et mål på 19 millioner varmepumper i 2050 sammenlignet med omkring 250,000 i dag. Det er en strategi, der på nogle måder giver mening.
Varmepumper fungerer efter de samme principper som køleskabe, bortset fra at de trækker varme ind fra luften eller jorden udenfor for at gøre indersiden varmere. Og takket være termodynamikkens love er de bemærkelsesværdigt effektive: For hver enhed elektricitet, de optager, sparker de 3-4 enheder varme ud (se boksen "Sådan fungerer varmepumper"). Teknologien er også kommercielt moden, hvor store producenter som Mitsubishi Electric og Daikin producerer en række modeller.
Desværre kaster visse aspekter af Storbritanniens nuværende energiopsætning en skrue i gang. Zhibin Yu, en ingeniør ved University of Glasgow, opsummerer situationen. "I Storbritannien er de fleste af vores huse tilsluttet et gasnet, så vores centralvarmesystemer er designet til kedler," forklarer han. Ved at cirkulere vand ved 60, 70 eller endda 80 °C kan en traditionel naturgaskedel holde et hus toasty (omend til høje omkostninger), selvom radiatorerne er små og væggene og loftet dårligt isoleret.
En varmepumpes ydeevne afhænger derimod af temperaturforskellen mellem varmepumpens kilde (såsom udeluften) og dens forsyning (vandet eller luften, der cirkulerer rundt i varmesystemet). Som Yu forklarer, hvis afstanden er stor, er ydeevnen lav. For at opnå den højeste energieffektivitet vil du ideelt set ønske, at din forsyning er mellem 35 og 45 °C.
Det kan være fint for gulvvarmesystemer som dem, der bruges i Bath Abbey. Men varmeoverførselsområdet for radiatorer i standardstørrelse er sjældent stort nok til at holde et rum varmt, hvis der cirkulerer vand omkring dem ved relativt lunken 45 °C. Som følge heraf kan beboerne ende med at føle sig ubehageligt kølige – ikke gode nyheder for alle, der har brugt tid og energi på at rive deres gasfyr ud og installere en varmepumpe.
Større radiatorer og bedre isolering kan løse dette problem – til en pris. Ifølge Yu koster en luftvarmepumpe, der er kraftig nok til at opvarme et typisk dobbelthus, generelt mellem £3000 og £5000. Men en komplet installation, inklusive eftermontering af radiatorer, kan koste mere end det dobbelte, hvilket gør hele projektet så meget som fire til fem gange dyrere end at installere en ny kedel. "Det er en udfordrende situation," slutter han.
Sådan fungerer varmepumper
I modsætning til almindelige elektriske varmeapparater, som fungerer ved at føre strøm gennem en modstandsledning, fungerer varmepumper efter de samme termodynamiske principper som køleskabe. I deres hjerte er en arbejdsvæske såsom difluormethan, der fordamper ved en relativt lav temperatur og et relativt lavt tryk. Dette gør det muligt for væsken at absorbere varme selv fra lavtemperaturkilder (Qkilde) såsom jord, vand eller udeluft om vinteren.
Efter at den har absorberet varme, bliver arbejdsvæsken til damp og passerer gennem en kompressor, som øger dens temperatur yderligere, og en kondensator, som omdanner den varme højtryksdamp til en væske. Den varme, der frigives i denne fase, ændrer sig (Qforsyne) overføres derefter til et centralvarmeanlæg og derefter til bygningen via luft, der blæses gennem kanaler eller vand, der cirkuleres gennem radiatorer eller gulvrør. Når arbejdsvæsken har frigivet det meste af sin varme, sendes den gennem en ekspansionsventil, hvilket reducerer dens tryk (og dermed dens temperatur), så cyklussen kan begynde igen.
Indsættelse af brint
Et alternativ til at skifte kedler til varmepumper kan være at skifte kedlernes brændsel til brint. I modsætning til naturgas frigiver brint ingen kuldioxid ved forbrænding, og det kan i princippet produceres på en miljøvenlig måde. Dette er begrundelsen bag den nyligt afsluttede HyDeploy projekt, hvor flere hundrede britiske hjem brændte en blanding af naturgas og op til 20% brint i volumen.
Pilotundersøgelsen var designet til at gøre overgangen så smertefri som muligt for husejere. Heldigvis er moderne gaskedler designet til at klare op til 25 % brint, så få hjem har brug for eftermontering. Begge faser af pilotprojektet fandt sted på tværs af begrænsede geografiske områder (nær Keele University i Staffordshire og Winlaton i det nordøstlige England), hvilket gjorde det muligt at behandle beboernes oprindelige bekymringer om sikkerhed og omkostninger individuelt.
Robinson, der er involveret i HyDeploy som samfundsforsker hos Keele, siger, at hendes undersøgelsesdata indtil videre indikerer en høj grad af offentlig accept. "De fleste mennesker er virkelig ikke så generet, især fordi de med blandet brint ikke behøver at gøre noget," siger hun. "Det sker bare."
Det er de gode punkter. Her er nogle af ulemperne. Britiske regler begrænser generelt mængden af brint i gasnettet til under 0.1 %, så udrulning af højere fraktioner vil kræve en ændring i politik. Et andet problem er, at brint er meget mindre tæt end metan, hvilket betyder, at indblanding af 20% brint efter volumen (ikke masse) reducerer kulstofemissionerne med kun 7%. Hvad mere er, vil en yderligere forøgelse af brintfraktionen kræve ikke kun nye kedler, men også udskiftningsrør, da brint i høje koncentrationer får stål til at blive skørt.
Et yderligere problem er, at det meste af de 87 millioner tons brint, som verden producerer hvert år, kommer fra dampomformulering af metan, hvilket gør teknologien "grå" snarere end "grøn". Den vigtigste grønne måde at producere brint på er at bruge elektricitet fra vedvarende kilder til at spalte vand til ilt og brint. Men Peter, solenergi-eksperten hos Bath, siger, at det er svært at finde nok vedvarende elektricitet til at gøre dette i stor skala. "Hvis du forsøger at generere det hele ved solgenereret elektrolyse, er dette en umulig opgave," siger han. "Det kan bare ikke lade sig gøre."
Livet i en kulstofneutral verden
Peter påpeger, at omkring 40 % af verdens brint i øjeblikket bruges til at producere gødning, mens meget af resten går til olieraffinering. Begge industrier er sværere at dekarbonisere end hjemmets energiforbrug, og Peter hævder, at husholdningsbrintforbrænding heller ikke giver logistisk mening. "At generere 'grøn' brint ved elektrolyse, sende det ned i røret til dig, og du brænder det, er energiineffektivt sammenlignet med at sende 'grøn' elektricitet til dit hus," forklarer han. "Jeg kan ikke se, at brint selv bliver en stor aktør i forhold til, hvad der foregår i dit hus."
I det lange løb er Robinson enig i, at indenlandsk brint "ikke giver mening" i effektivitetsformål. Hun påpeger dog, at det vil tage tid at installere alternative varmeanlæg. "Et af problemerne i øjeblikket er, at når nogens kedel går i stykker, vil svaret være at erstatte den med en anden kedel," siger hun. "Der er en kvalifikationskløft med hensyn til varmeingeniører og den rådgivning, som folk får."
Efter Robinsons opfattelse kunne brint fungere som et "springbræt", hvilket reducerer afhængigheden af fossile brændstoffer, indtil varmepumper bliver billigere og mere almindelige. "Det kan være, at [når først] blandet brint skaber det marked for grøn brintproduktion, så begynder du at bruge grøn brint et andet sted i energisystemet." I denne henseende ser hun paralleller mellem grøn brint og offshore vindenergi, som var dyrt, indtil lande og producenter begyndte at investere i det, hvilket skabte nok efterspørgsel til at presse priserne ned.
Fra varmeanlæg til energisystemer
Bortset fra varmepumper og brint kan et par andre teknologier glatte vejen til boliger med lavere CO2-udledning. Højeffektive PV-paneler, der bruger krystallinsk silicium og materialer kendt som perovskiter i en tandemstruktur skal i kommerciel produktion næste år, og Walker mener, at de vil have en "seriøs indvirkning" på omkostningerne ved solenergi. Walls er ligeledes begejstrede for udsigten til at udvikle integrerede solpaneler til elbiler og paneler, der ligner standard tagsten, for at reducere æstetiske indvendinger mod solenergi. "Af alle de vedvarende energikilder har PV den bedste chance for at være attraktiv på boligniveau," siger han.
Et andet område, der tiltrækker masser af innovation, er energilagring. Mange solcelleanlæg i hjemmet har allerede lithium-batterier, når det er overskyet eller mørkt. Opbevaring i større skala er også bliver en realitet, og varmepumpeteknologien står heller ikke stille. I Glasgow har Yu udviklet en ny, fleksibel pumpe der inkorporerer en varmelagringsenhed mellem kondensatoren og ekspansionsventilen.
Denne enhed tager noget af den varme, der ellers ville gå tabt, og gør den tilgængelig for varmepumpens drift. For eksempel kan tilskudsvarmen bruges til at afrime varmepumpens udendørsenhed, som det jævnligt kræves, når omgivelsestemperaturerne falder til under omkring 6 °C. Samlet set mener Yu, at en forbedring af effektiviteten på 10 % er mulig med hans design, som han mener ville "gøre en stor forskel, når man ser på tilbagebetalingsperioden" for installation af varmepumper.
Takket være dens in-cycle ekstra varmelager ville den fleksible varmepumpe også åbne andre muligheder, såsom at udnytte den varme, vi smider ud hver dag. "For eksempel, når vi har et brusebad," bemærker Yu, "varmer vi vandet til 70 eller 80 grader, blander det med koldt vand for at få det ned til 35-40, og så forlader det brusebadet ved 20-30 - varmen, den indeholder, smides bare ud i afløbet.”
En bedre tilgang kunne være at betragte vores hjem som integrerede energisystemer. "Du forsøger dybest set at styre energistrømmene i dit hus, opvarmning og afkøling," siger Yu. "Du har brug for køleskabet, du har brug for fryseren, du har brug for kedlen, du har brug for klimaanlægget - du smider en masse varme væk, så trækker du meget varme ud af luften. Hvorfor integrerer vi ikke disse processer?”
Skaber præcedens
Tilbage i 2016, da planlægningsmyndighederne dekreterede, at Gloucester Cathedral trods alt kunne have solpaneler på sit tag, advarede de projektdirektør Cranston om, at beslutningen ikke dannede præcedens for andre historiske bygninger. Seks år senere siger Cranston, at "ting har ændret sig væsentligt" både hos planlægningsmyndigheden og i Church of England. "NetZero tydeliggør udfordringen foran os alle," siger hun. "Arvsbygninger skal spille deres rolle."
Hos Bath understreger Ward, at vejen stadig er åben for, at klosteret kan følge trop. Kirkens romersk-inspirerede geotermiske varmesystem er, siger han, "meget set som et første skridt i at flytte Bath mod kulstoffri", med byrådet og bevaringsorganer ivrige efter at forfølge yderligere muligheder. Byens romerske badekompleks er allerede ved at installere sin egen version af klosterets varmesystem, og Ward og hans team er ivrige efter at sætte solpaneler på taget af deres kontorer.
"Så vidt vi ved, er der ingen bæredygtige energiløsninger i byen i øjeblikket, så vi er i tidlige drøftelser med rådet og andre interessenter for at undersøge, hvor hurtigt vi kunne installere et system," siger han. "Håbet er, at vi kan fortsætte med at samarbejde for at fremskynde fremskridt."
