Med energiregninger på vei opp, er mange mennesker interessert i å droppe fossilt brensel som for tiden brukes til å varme opp de fleste britiske hjem. Spørsmålet er hvordan man skal få det til, som Margaret Harris forklarer
Dypt under flisene til den middelalderske kirken Bath Abbey, gjør et moderne vidunder med en eldgammel vri seg lydløst. Fullført i mars 2021, klosterets varmesystem kombinerer gulvrør med varmevekslere plassert syv meter under overflaten. Der fører et avløp bygget for nesten 2000 år siden 1.1 millioner liter 40 °C vann hver dag fra en naturlig varm kilde til et kompleks av gamle romerske bad.
Ved å tappe inn i denne strømmen av varmt vann, gir systemet nok energi til å varme opp ikke bare klosteret, men også en tilstøtende rad med georgiske hytter som brukes til kontorer. Ikke rart at klosterets rektor berømmet det som «en bærekraftig løsning for oppvarming av vår vakre historiske kirke».
Men det var ikke alt. Når forsøk på å avkarbonisere klosterets oppvarming var i gang, ble tjenestemenn i 19.4 millioner pund Bath Abbey Footprint-prosjekt rettet oppmerksomheten mot bygningens elektrisitet. Som de fleste kirker, går klosteret fra øst til vest, og gir taket et omfattende sørvendt aspekt. På Storbritannias nordlige breddegrader er slike tak badet i sollys store deler av dagen, noe som gjør dem ideelle for solcellepaneler (PV). Gloucester Cathedral – en times kjøretur nord for Bath – har allerede benyttet seg av denne gunstige orienteringen, og ble – i 2016 – Storbritannias første store gamle katedral som har solcellepaneler installert på taket.
For å finne ut om et lignende oppsett kan passe ved Bath Abbey, jobbet Footprint-prosjektet med doktorgradsstudenter ved University of Bath ledet Senter for doktorgradsutdanning (CDT) i nye og bærekraftige solceller. I en mulighetsstudie publisert i Energifag og ingeniørfag (2022 10 892), beregnet studentene at et godt designet utvalg av PV-paneler kunne levere 35.7 % av klosterets elektrisitet, pluss 4.6 % som kunne selges tilbake til nettet på dager da et overskudd ble generert. Arrayen ville betale for seg selv innen omtrent 13 år og generere en total fortjeneste på £139,000 ± £12,000 over dens 25-årige levetid.
Hjem sannheter
Installering av solcellepaneler på taket til Bath Abbey er foreløpig bare en idé. "Dette er et levedyktig alternativ for fremtiden - når timingen er riktig," som Footprint-prosjektdirektør Nathan Ward sier det. Men for mange mennesker over hele Storbritannia – vanlige huseiere så vel som voktere av kjente bygninger – begynner timingen å se veldig presserende ut. Drevet av den russiske invasjonen av Ukraina, sterk global etterspørsel etter gass og ulike lokale faktorer, har energiprisene steget til enestående nivåer.
I prognoser utgitt i august, konsulentselskapet Cornwall Insight regnet at den gjennomsnittlige britiske husholdningen kunne bruke £355 i måneden på energi i januar 2023 hvis situasjonen ikke endret seg. Den britiske regjeringens energiprisgaranti, kunngjort i september, ga en viss lettelse ved å subsidiere energiregninger. Likevel, mellom oktober 2021 og oktober 2022 er den maksimale enhetsprisen som energileverandører kan belaste britiske huseiere økte vesentlig, økende fra 7p til 10.3p per kilowatt-time (kWhr) for gass og fra 21p til 34p per kWhr for elektrisitet.
Badefysiker Alison Walker, som er direktør for CDT, sier at teamets papir på den tiden var, mer et hypotetisk forslag for å vise at klosteret var seriøst med å redusere karbonavtrykket. Nå har imidlertid "kostnadene på energi økt så kraftig at hvis du genererer din egen kraft, kan den bli mye billigere og mindre utsatt for energiprissvingninger slik vi har opplevd i år", sier hun.
For huseiere som ønsker å redusere energiregningen, karbonfotavtrykket eller begge deler, er solcellepaneler blant de enkleste og billigste måtene å gjøre det på. Silisiumbaserte PV-paneler er en moden teknologi, prisen har falt i løpet av de siste 10 årene, og en takserie tar bare noen få dager å installere. Men med statlig støtte til solcelleinstallasjoner som ikke lenger er tilgjengelig for huseiere, er forhåndskostnader en barriere for mange, og installatører har lange ventelister.
Verre er at solcellepaneler ikke egner seg for alle boliger, verken av tekniske årsaker eller på grunn av hvordan de ser ut. "I Storbritannia er vi veldig bevisste på estetikken til bygninger," sier Mike Walls, en fysiker ved Loughborough University's Senter for fornybar energisystemteknologi. "Det er noen bygninger, spesielt gamle, som folk ikke ville satt på solcellepaneler fordi de ikke ser fine ut eller de passer dårlig inn i det generelle utseendet." Gloucester Cathedrals prosjektleder Anne Cranston bemerker at teamet hennes måtte bevise at panelene ville være "så "stealth" som mulig, før planleggingsmyndighetene ville akseptere dem.
Uansett er det sjelden nok å slå noen få solcellepaneler på taket alene for å frigjøre huseiere fra deres avhengighet av fossilt brensel. Solen skinner åpenbart ikke om natten, mens gjennomsnittlig direkte normal innstråling – et mål på solens energi per arealenhet – for Nord-Europa ikke er mer enn noen få kWhr/m2. Selv på de mest solrike vinterdagene vil derfor ikke en typisk britisk solcellepanel på taket produsere nok energi til å varme opp huset under det – som jeg oppdaget da jeg fikk installert solcellepaneler i mitt eget hjem i februar (se boks “Ett hjem om gangen ”).
Hvis solcellepaneler ikke er et komplett svar, må huseiere som ønsker å avslutte (eller i det minste redusere) avhengigheten av fossilt brensel – og som mangler Bath Abbeys praktiske romerske varmtvannsforsyning – finne andre løsninger. Et alternativ er å kvitte seg med tradisjonelle gassfyrte kjeler og erstatte dem med alternative oppvarmingssystemer. Faktisk, som en del av den britiske regjeringens løfte om å oppnå netto null karbonutslipp innen 2050, vil det fra og med 2025 ikke lenger være lovlig å installere gasskjeler i nybygde hjem i Storbritannia. Men arbeidet med å ettermontere eksisterende lokaler går sakte. Så hvordan skal vi "grønne" Storbritannias boligmasse?
Holder varmen inne
Britiske hjem taper varme opptil tre ganger raskere i gjennomsnitt enn hjem i andre europeiske land
Ekspertene jeg snakket med for denne artikkelen var forent på ett punkt: alt ville vært mye enklere hvis boligene var bedre isolert. "Svaret er egentlig isolasjon, isolasjon, isolasjon, fordi det ganske enkelt er den desidert beste måten å redusere energikostnadene på," sier Walker. "Effektivitet er egentlig ikke gitt den oppmerksomheten det burde være," enig Zoe Robinson, professor i bærekraft ved Keele University.
Tallene er nøkterne. A 2020 studere av smartvarmeteknologifirmaet Tado° fant ut at britiske hjem taper varme opptil tre ganger raskere i gjennomsnitt enn hjem i andre europeiske land. Ved å bruke data hentet fra 80,000 20 kunder over hele Europa, konkluderte analytikere ved Tado° med at et britisk hjem som er oppvarmet til 0 °C på en XNUMX °C-dag, taper i gjennomsnitt tre grader etter fem timer når oppvarmingen er slått av, sammenlignet med bare én grad for et hjem i Tyskland.
Denne dårlige ytelsen skyldes delvis alderen til Storbritannias boligmasse. Men Laurie Peter, en ekspert fra Bath på bruk av solenergi til å generere drivstoff, sier at problemet også strekker seg til nyere hjem. "Suksessive regjeringer har svekket seg når det gjelder regelverket for å bygge hus," argumenterer han, og legger til at dette er sant for et huss totale karbonavtrykk så vel som energibruken. "Vi er fortsatt mer eller mindre der vi var i viktoriansk tid når det gjelder husbygging og isolasjon, noe som er en skam, ærlig talt."
På grunn av denne kombinasjonen av eldre bygninger og slappe forskrifter, har halvparten av de 28.5 millioner boligene i England samme veggisolasjon som Bath Abbey – det vil si ingen. Doble glass er mer vanlig, men i henhold til 2020–2021 Engelsk boligundersøkelse, 14 % av engelske hjem mangler det fortsatt. Verre, ettermontering priser har falt utfor en klippe. I 2012 hadde rundt 2.3 millioner hjem installert ny lofts-, hulmurs- eller massivveggisolasjon, men dette tallet har sunket til under 200,000 XNUMX per år etter at regjeringen erstattet et vellykket ettermonteringsprogram med insentiver som viste seg å være mindre effektive.
Ett hjem om gangen
Jeg bor i en to-fysiker-husholdning, så da vi byttet ut gasskjelen vår med en varmepumpe og installerte solcellepaneler på taket vårt, behandlet vi naturligvis installasjonen som et vitenskapelig eksperiment med resultater vi kunne overvåke over tid. Ville vi brukt mindre energi? Og vil det gjøre noen forskjell for regningene våre?
Vårt rekkehus i edwardiansk murstein er relativt effektivt for sin alder, med doble vinduer og lofts- og hulveggsisolasjon. Likevel krevde det forberedelse å bytte til en varmepumpe. Etter å ha målt opp rommene og vinduene våre, beregnet installatørene (et lokalt rørleggerfirma som driver med varmepumper som sidelinje) at vi ville trenge en 8 kW varmepumpe, en ny høyeffektiv varmtvannstank og lengre, dobbeltbrede radiatorer i hvert rom.
Stor etterspørsel satte installatørene på en stram timeplan, så da de tilbød oss en plass i midten av januar, takket vi ja selv om det betydde ingen oppvarming på opptil to uker (dette ville vært vanskeligere for husholdninger som inneholder små barn eller personer med funksjonshemninger ). Høy etterspørsel og forsyningskjedeproblemer forsinket også installasjonen av solcellepanelet til februar. Men når ettermonteringen var fullført, fungerte det vakkert, som denne grafen over husets energibruk fra januar 2021 til august 2022 viser.
Varmepumpen begynte å fungere 19. januar. Resten av vinteren og tidlig på våren var husets gjennomsnittlige daglige energibruk (blå linje) rundt halvparten av samme periode i 2021 (merk at 2021-datasettet er basert på kvartalsvise eller tomånedlige avlesninger, mens bruk fra februar 2022 og utover ble tatt opp ukentlig). Solcellepanelene installert 3. februar hadde mindre effekt, blant annet fordi mangel på plass og budsjett til batterier gjorde at noe strøm ble eksportert til nettet (grønn linje) i stedet for brukt i huset (rosa linje). Huset fortsatte også å importere strøm (oransje linje) om kveldene, på overskyede dager og i perioder med stor etterspørsel. Likevel, på slutten av våren og forsommeren, oversteg panelenes gjennomsnittlige daglige produksjon rutinemessig husets gjennomsnittlige daglige bruk – et oppløftende resultat.
De økonomiske fordelene er mindre klare. Storbritannias elektrisitet kommer fra en rekke kilder, inkludert fornybar energi, gass, kjernekraft og (sjelden) kull, men strømprisene er knyttet til den dyreste kilden (for tiden gass). Storbritannias strømpriser inkluderer også miljøavgifter som ikke gjelder gass til tross for sistnevntes høyere miljøkostnad. Så mens huset vårt bruker mindre energi, er energien det fortsetter å importere betydelig dyrere enn gass per enhet. Å selge elektrisitet fra solcellepanelene hjelper, det samme gjør et varmepumpetilskudd fra den britiske regjeringens (nå nedlagte) innenlandske fornybar varmeincentivordning, men denne delen av problemet handler til syvende og sist om politikk, ikke fysikk.
Pumper varme
I tillegg til å beseire huseiere med høyere energiregninger og økte karbonutslipp, begrenser dårlig isolasjon mulighetene for å endre hvordan boliger varmes opp. Den britiske regjeringens planer for å oppnå netto null karbonutslipp er i stor grad avhengig av erstatte naturgasskjeler med varmepumper, med et mål om 19 millioner varmepumper innen 2050 sammenlignet med rundt 250,000 XNUMX i dag. Det er en strategi som på noen måter gir mening.
Varmepumper fungerer etter samme prinsipper som kjøleskap, bortsett fra at de trekker varme inn fra luften eller bakken utenfor for å gjøre innsiden varmere. Og takket være termodynamikkens lover er de bemerkelsesverdig effektive: For hver elektrisitetsenhet de tar inn, sparker de ut 3–4 enheter varme (se boksen "Hvordan varmepumper fungerer"). Teknologien er også kommersielt moden, med store produsenter som Mitsubishi Electric og Daikin som produserer en rekke modeller.
Dessverre kaster visse aspekter av Storbritannias nåværende energioppsett en nøkkel inn i arbeidet. Zhibin Yu, en ingeniør ved University of Glasgow, oppsummerer situasjonen. "I Storbritannia er de fleste av husene våre koblet til et gassnett, så sentralvarmesystemene våre er designet for kjeler," forklarer han. Ved å sirkulere vann ved 60, 70 eller til og med 80 °C, kan en tradisjonell naturgasskjele holde et hus toasty (riktignok til høye kostnader) selv om radiatorene er små og veggene og loftet dårlig isolert.
Ytelsen til en varmepumpe er derimot avhengig av temperaturforskjellen mellom varmepumpens kilde (som uteluften) og dens tilførsel (vannet eller luften som sirkulerer rundt varmesystemet). Som Yu forklarer, hvis gapet er stort, er ytelsen lav. For å oppnå den høyeste energieffektiviteten, vil du ideelt sett at forsyningen skal være mellom 35 og 45 °C.
Det kan være greit for gulvvarmesystemer som de som brukes på Bath Abbey. Men varmeoverføringsområdet til radiatorer i standardstørrelse er sjelden stort nok til å holde et rom varmt hvis det sirkulerer vann rundt dem ved relativt lunken 45 °C. Som et resultat kan beboerne ende opp med å føle seg ubehagelig kjølige – ikke gode nyheter for alle som har brukt tid og energi på å rive ut gasskjelen og installere en varmepumpe.
Større radiatorer og bedre isolasjon kan løse dette problemet – for en pris. Ifølge Yu koster en luftkildevarmepumpe som er kraftig nok til å varme opp en typisk tomannsbolig vanligvis mellom £3000 og £5000. Men en komplett installasjon, inkludert ettermontering av radiatorer, kan koste mer enn det dobbelte, noe som gjør hele prosjektet så mye som fire til fem ganger dyrere enn å installere en ny kjele. – Det er en utfordrende situasjon, avslutter han.
Hvordan fungerer varmepumper
I motsetning til vanlige elektriske varmeovner, som fungerer ved å føre strøm gjennom en resistiv ledning, fungerer varmepumper etter de samme termodynamiske prinsippene som kjøleskap. I hjertet deres er en arbeidsvæske som difluormetan som fordamper ved relativt lav temperatur og lavt trykk. Dette gjør at væsken kan absorbere varme selv fra lavtemperaturkilder (Qkilde) som jord, vann eller uteluft om vinteren.
Etter at den har absorbert varme, blir arbeidsvæsken til damp og passerer gjennom en kompressor, som øker temperaturen ytterligere, og en kondensator, som gjør den varme høytrykksdampen til en væske. Varmen som frigjøres i denne fasen endres (Qlevere) overføres deretter til et sentralvarmesystem, og deretter til bygget via luft som blåses gjennom kanaler eller vann sirkulert gjennom radiatorer eller gulvrør. Når arbeidsvæsken har frigjort mesteparten av varmen, sendes den gjennom en ekspansjonsventil, og reduserer trykket (og dermed temperaturen) slik at syklusen kan begynne på nytt.
Utplassering av hydrogen
Et alternativ til å bytte kjeler med varmepumper kan være å bytte kjelenes brensel til hydrogen. I motsetning til naturgass frigjør ikke hydrogen karbondioksid ved forbrenning, og det kan i prinsippet produseres på en miljøvennlig måte. Dette er begrunnelsen bak den nylig fullførte HyDeploy prosjekt, der flere hundre britiske hjem brente en blanding av naturgass og opptil 20 volumprosent hydrogen.
Pilotstudien ble designet for å gjøre overgangen så smertefri som mulig for huseiere. Heldigvis er moderne gasskjeler designet for å takle opptil 25 % hydrogen, så få hjem trengte ettermontering. Begge fasene av piloten fant sted på tvers av begrensede geografiske områder (nær Keele University i Staffordshire og Winlaton i det nordøstlige England), noe som gjorde det mulig å adressere beboernes innledende bekymringer om sikkerhet og kostnader individuelt.
Robinson, som er involvert i HyDeploy som samfunnsviter ved Keele, sier at så langt indikerer undersøkelsesdataene hennes en høy grad av offentlig aksept. "De fleste mennesker er egentlig ikke så plaget, spesielt fordi med blandet hydrogen trenger de ikke å gjøre noe," sier hun. "Det bare skjer."
Det er de gode poengene. Her er noen av ulempene. Britiske forskrifter begrenser generelt mengden hydrogen i gassnettet til under 0.1 %, så utrulling av høyere fraksjoner vil kreve en endring i politikken. Et annet problem er at hydrogen er mye mindre tett enn metan, noe som betyr at innblanding av 20 % hydrogen etter volum (ikke masse) reduserer karbonutslippene med bare 7 %. I tillegg vil det å øke andelen av hydrogen ytterligere kreve ikke bare nye kjeler, men også erstatningsrør, siden hydrogen i høye konsentrasjoner gjør at stål blir sprøtt.
Et annet problem er at mesteparten av de 87 millioner tonnene med hydrogen som verden produserer hvert år kommer fra dampreformulering av metan, noe som gjør teknologien "grå" i stedet for "grønn". Den viktigste grønne måten å produsere hydrogen på er å bruke elektrisitet fra fornybare kilder til å splitte vann til oksygen og hydrogen. Men Peter, eksperten på solenergi i Bath, sier at det er vanskelig å finne nok fornybar elektrisitet til å gjøre dette i stor skala. "Hvis du prøver å generere alt dette ved solenergi-generert elektrolyse, er dette en umulig oppgave," sier han. "Det kan bare ikke gjøres."
Livet i en karbonnøytral verden
Peter påpeker at rundt 40 % av verdens hydrogen i dag brukes til å produsere gjødsel, mens mye av resten går til oljeraffinering. Begge næringene er vanskeligere å avkarbonisere enn innenlands energiforbruk, og Peter argumenterer for at husholdningshydrogenforbrenning heller ikke gir logistisk mening. "Å generere "grønt" hydrogen ved elektrolyse, sende det ned i røret til deg, og du brenner det, er energiineffektivt sammenlignet med å sende "grønn" strøm til huset ditt, forklarer han. "Jeg ser ikke at hydrogen selv blir en stor aktør når det gjelder hva som skjer i huset ditt."
I det lange løp er Robinson enig i at innenlandsk hydrogen "ikke gir mening" når det gjelder effektivitet. Hun påpeker imidlertid at det vil ta tid å installere alternative varmesystemer. "Et av problemene for øyeblikket er at når noens kjele krasjer, vil svaret være å bare erstatte den med en annen kjele," sier hun. "Det er et kompetansegap når det gjelder varmeingeniører og rådene folk får."
Etter Robinsons syn kan hydrogen fungere som et springbrett, og redusere avhengigheten av fossilt brensel inntil varmepumper blir billigere og mer vanlige. "Det kan være at [når] blandet hydrogen skaper det markedet for grønn hydrogenproduksjon, så begynner du å bruke grønt hydrogen et annet sted i energisystemet." I denne forbindelse ser hun paralleller mellom grønt hydrogen og offshore vindenergi, som var dyrt inntil land og produsenter begynte å investere i det, og skapte nok etterspørsel til å presse prisene ned.
Fra varmesystemer til energisystemer
Bortsett fra varmepumper og hydrogen, kan noen få andre teknologier jevne veien til boliger med lavere karbon. Høyeffektive PV-paneler som bruker krystallinsk silisium og materialer kjent som perovskitter i en tandemstruktur skal gå i kommersiell produksjon neste år, og Walker tror de vil ha en "seriøs innvirkning" på kostnadene for solenergi. Walls er på samme måte begeistret for utsiktene til å utvikle integrerte solcellepaneler for elbiler og paneler som ser ut som standard takstein, for å redusere estetiske innvendinger mot solenergi. "Av all fornybar energi har PV den beste sjansen til å være attraktiv på bolignivå," sier han.
Et annet område som tiltrekker seg mye innovasjon er energilagring. Mange innenlandske solcelleinstallasjoner har allerede litiumbatterier for når det er overskyet eller mørkt. Storskala lagring er også blir en realitet, og varmepumpeteknologien står heller ikke stille. I Glasgow har Yu utviklet en ny, fleksibel pumpe som har en varmelagringsenhet mellom kondensatoren og ekspansjonsventilen.
Denne enheten tar noe av varmen som ellers ville gått tapt og gjør den tilgjengelig for varmepumpens drift. Tilskuddsvarmen kan for eksempel brukes til å avrime varmepumpens utedel, slik det regelmessig kreves når omgivelsestemperaturen faller under ca. 6 °C. Samlet sett tror Yu en 10 % forbedring i effektivitet er mulig med designen hans, som han mener vil "gjøre en stor forskjell når du ser på tilbakebetalingsperioden" for å installere varmepumper.
Takket være den ekstra varmelagringen i syklusen, vil den fleksible varmepumpen også åpne for andre muligheter, som å utnytte varmen vi kaster hver dag. «For eksempel, når vi har en dusj,» observerer Yu, «varmer vi vannet til 70 eller 80 grader, blander det med kaldt vann for å få det ned til 35–40, og så går det ut av dusjen ved 20–30 – varmen den inneholder blir bare kastet i avløpet.»
En bedre tilnærming kan være å betrakte hjemmene våre som integrerte energisystemer. "Du prøver i utgangspunktet å styre energistrømmene i huset ditt, oppvarming og kjøling," sier Yu. "Du trenger kjøleskapet, du trenger fryseren, du trenger kjelen, du trenger klimaanlegget - du kaster mye varme, og så trekker du ut mye varme fra luften. Hvorfor integrerer vi ikke disse prosessene?»
Skaper presedens
Tilbake i 2016, da planleggingsmyndighetene bestemte at Gloucester Cathedral tross alt kunne ha solcellepaneler på taket, advarte de prosjektdirektør Cranston om at avgjørelsen ikke skapte presedens for andre historiske bygninger. Seks år senere sier Cranston at "ting har endret seg betydelig" både hos planleggingsmyndigheten og i Church of England. "NetZero tydeliggjør utfordringen foran oss alle," sier hun. "Arvbygninger må spille sin rolle."
På Bath understreker Ward at veien fortsatt er åpen for klosteret å følge etter. Kirkens romersk-inspirerte geotermiske oppvarmingssystem er, sier han, "svært mye sett på som et første skritt i å bevege Bath mot null karbon", med bystyret og naturvernorganer som er ivrige etter å forfølge flere alternativer. Byens romerske badekompleks installerer allerede sin egen versjon av klosterets varmesystem, og Ward og teamet hans er opptatt av å sette solcellepaneler på taket av kontorene deres.
"Så vidt vi vet, er det ingen bærekraftige energiløsninger i byen for tiden, så vi er i tidlige diskusjoner med rådet og andre interessenter for å undersøke hvor raskt vi kan installere et system," sier han. "Håpet er at vi kan fortsette å samarbeide for å få fart på fremgangen."
