Com o aumento das contas de energia, muitas pessoas estão interessadas em abandonar os combustíveis fósseis atualmente utilizados para aquecer a maioria das casas no Reino Unido. A questão é como fazer com que isso aconteça, pois Margarida Harris explica
Nas profundezas das lajes da igreja medieval da Abadia de Bath, uma maravilha moderna com um toque antigo está silenciosamente fazendo sentir sua presença. Concluída em março de 2021, a abadia aquecedor combina tubos subterrâneos com trocadores de calor localizados sete metros abaixo da superfície. Lá, um dreno construído há quase 2000 anos transporta 1.1 milhão de litros de água a 40 °C todos os dias de uma fonte termal natural para um complexo de antigos banhos romanos.
Ao aproveitar esse fluxo de água quente, o sistema fornece energia suficiente para aquecer não apenas a abadia, mas também uma fileira adjacente de chalés georgianos usados para escritórios. Não admira que o reitor da abadia a tenha elogiado como “uma solução sustentável para aquecer a nossa bela igreja histórica”.
Mas isso não foi tudo. Depois de iniciados os esforços para descarbonizar o aquecimento da abadia, as autoridades do Projeto de pegada da Abadia de Bath de £ 19.4 milhões voltaram sua atenção para a eletricidade do prédio. Como a maioria das igrejas, a abadia estende-se de nascente a poente, conferindo à sua cobertura um extenso aspecto virado a sul. Nas latitudes norte do Reino Unido, esses telhados são banhados pela luz solar durante grande parte do dia, tornando-os ideais para painéis solares fotovoltaicos (PV). A Catedral de Gloucester – a uma hora de carro ao norte de Bath – já aproveitou esta orientação favorável, tornando-se – em 2016 – a primeira grande catedral antiga do Reino Unido a ter painéis solares instalados em seu telhado.
Para descobrir se uma configuração semelhante poderia ser adequada na Abadia de Bath, o projecto Footprint trabalhou com estudantes de doutoramento na Universidade de Bath, liderados por Centro de Formação Doutoral (CDT) em Energia Fotovoltaica Nova e Sustentável. Num estudo de viabilidade publicado em Ciência e Engenharia Energética (2022 10 892), os estudantes calcularam que um conjunto bem concebido de painéis fotovoltaicos poderia fornecer 35.7% da eletricidade da abadia, mais 4.6% que poderiam ser vendidos de volta à rede nos dias em que fosse gerado um excedente. A matriz se pagaria em cerca de 13 anos e geraria um lucro total de £ 139,000 ± £ 12,000 ao longo de sua vida útil de 25 anos.
Verdades domésticas
A instalação de painéis solares no telhado da Abadia de Bath continua, por enquanto, apenas uma ideia. “Esta é uma opção viável para o futuro – quando for o momento certo”, como afirma o diretor do projeto Footprint, Nathan Ward. Mas para muitas pessoas em todo o Reino Unido – chefes de família comuns, bem como zeladores de edifícios famosos – o momento começa a parecer realmente muito urgente. Impulsionados pela invasão russa da Ucrânia, pela forte procura mundial de gás e por vários factores locais, os preços da energia têm subido para níveis sem precedentes.
Nas previsões divulgadas em agosto, a consultoria Cornwall Insight calculado que o agregado familiar médio do Reino Unido poderia gastar £355 por mês em energia em Janeiro de 2023 se a situação não mudasse. A Garantia do Preço da Energia do governo do Reino Unido, anunciado em setembro, proporcionou algum alívio ao subsidiar as contas de energia. Mesmo assim, entre Outubro de 2021 e Outubro de 2022, o preço unitário máximo que os fornecedores de energia podem cobrar aos agregados familiares do Reino Unido aumentou substancialmente, aumentando de 7p para 10.3p por quilowatt-hora (kWhr) para gás e de 21p para 34p por kWhr para eletricidade.
Físico do banho Alisson Walker, que é diretora do CDT, conta que o trabalho de sua equipe era, na época, mais uma proposta hipotética para mostrar que a abadia levava a sério a redução da sua pegada de carbono. Agora, porém, “o custo da energia subiu tão acentuadamente que, se gerarmos a nossa própria energia, ela poderá tornar-se muito mais barata e menos suscetível às flutuações dos preços da energia, como as que vivemos este ano”, afirma ela.
Para os agregados familiares que pretendem reduzir as suas contas de energia, as suas pegadas de carbono ou ambos, os painéis solares estão entre as formas mais fáceis e baratas de o fazer. Os painéis fotovoltaicos à base de silício são uma tecnologia madura, seu preço despencou nos últimos 10 anos e uma matriz de telhado leva apenas alguns dias para ser instalada. Mas como o apoio governamental às instalações solares já não está disponível para os agregados familiares, os custos iniciais são uma barreira para muitos e os instaladores têm longas listas de espera.
Pior ainda, os painéis solares não são adequados para todas as habitações, seja por razões técnicas ou pela sua aparência. “No Reino Unido, estamos muito conscientes da estética dos edifícios”, diz Mike Paredes, físico da Universidade de Loughborough Centro de Tecnologia de Sistemas de Energia Renovável. “Existem alguns edifícios, especialmente os antigos, nos quais as pessoas não colocariam painéis solares porque não têm uma boa aparência ou não combinam bem com a aparência geral.” A chefe de projetos da Catedral de Gloucester, Anne Cranston, observa que sua equipe teve que provar que os painéis seriam “tão 'furtivos' quanto possível” antes que as autoridades de planejamento os aceitassem.
Em qualquer caso, instalar alguns painéis fotovoltaicos no telhado raramente é suficiente, por si só, para libertar os agregados familiares da sua dependência dos combustíveis fósseis. Obviamente, o Sol não brilha à noite, enquanto a insolação normal direta média – uma medida da energia do Sol por unidade de área – para o norte da Europa não é superior a alguns kWh/m2. Mesmo nos dias mais ensolarados de inverno, um painel fotovoltaico típico de telhado do Reino Unido não produzirá energia suficiente para aquecer a casa abaixo dele – como descobri quando instalei painéis solares em minha própria casa em fevereiro (veja o quadro “Uma casa de cada vez ”).
Se os painéis solares não forem uma resposta completa, os agregados familiares que queiram acabar (ou pelo menos reduzir) a sua dependência dos combustíveis fósseis – e que não dispõem do conveniente abastecimento de água quente romana da Abadia de Bath – devem encontrar outras soluções. Uma opção é livrar-se das caldeiras tradicionais a gás e substituí-las por sistemas de aquecimento alternativos. Na verdade, como parte do compromisso do governo do Reino Unido de atingir emissões líquidas zero de carbono até 2050, a partir de 2025 deixará de ser legal instalar caldeiras a gás em casas recém-construídas no Reino Unido. Mas os esforços para modernizar as instalações existentes prosseguem lentamente. Então, como vamos tornar o parque habitacional do Reino Unido “verde”?
Mantendo o calor dentro
As casas no Reino Unido perdem calor até três vezes mais rápido, em média, do que as casas em outros países europeus
Os especialistas com quem falei para este artigo estavam unidos num ponto: tudo seria muito mais fácil se as habitações fossem melhor isoladas. “Realmente, a resposta é isolamento, isolamento, isolamento, porque essa é simplesmente, de longe, a melhor forma de reduzir os custos de energia”, afirma Walker. “A eficiência não recebe a atenção que deveria”, concorda Zoe Robinson, professor de sustentabilidade na Universidade Keele.
Os números são preocupantes. Um 2020 estudo pela empresa de tecnologias de aquecimento inteligente Tado° descobriu que as casas no Reino Unido perdem calor até três vezes mais rápido, em média, do que as casas em outros países europeus. Usando dados recolhidos de 80,000 clientes em toda a Europa, os analistas da Tado° concluíram que uma casa no Reino Unido aquecida a 20 °C num dia de 0 °C perde em média três graus após cinco horas quando o aquecimento é desligado, em comparação com apenas um grau. para uma casa na Alemanha.
Este fraco desempenho deve-se em parte à idade do parque habitacional do Reino Unido. Mas Laurie Pedro, especialista de Bath no uso de energia solar para gerar combustíveis, diz que o problema também se estende às casas mais novas. “Sucessivos governos acovardaram-se em termos de regulamentos sobre a construção de casas”, argumenta ele, acrescentando que isto se aplica à pegada de carbono global de uma casa, bem como ao seu uso de energia. “Ainda estamos mais ou menos onde estávamos na época vitoriana em termos de construção de casas e isolamento, o que é uma vergonha, francamente.”
Devido a esta combinação de edifícios mais antigos e regulamentações frouxas, metade dos 28.5 milhões de casas em Inglaterra têm o mesmo isolamento de parede que a Abadia de Bath – ou seja, nenhum. Os vidros duplos são mais comuns, mas de acordo com o 2020–2021 Pesquisa de Habitação em Inglês, 14% dos lares ingleses ainda não o possuem. Pior ainda, as taxas de modernização caído de um penhasco. No ano de 2012, cerca de 2.3 milhões de casas tinham novos sótãos, paredes ocas ou isolamento de paredes sólidas instalados, mas este número caiu para menos de 200,000 por ano depois de o governo ter substituído um programa de modernização bem-sucedido por incentivos que se revelaram menos eficazes.
Uma casa de cada vez
Moro numa casa com dois físicos, por isso, quando substituímos a nossa caldeira a gás por uma bomba de calor e instalámos painéis solares no nosso telhado, tratámos naturalmente a instalação como uma experiência científica com resultados que poderíamos monitorizar ao longo do tempo. Usaríamos menos energia? E isso faria alguma diferença em nossas contas?
Nossa casa eduardiana com terraço de tijolos é relativamente eficiente para sua idade, com janelas de vidros duplos e isolamento de sótão e paredes duplas. Mesmo assim, a mudança para uma bomba de calor exigiu preparação. Depois de medir os nossos quartos e janelas, os instaladores (uma empresa de canalização local que fabrica bombas de calor como atividade secundária) calcularam que precisaríamos de uma bomba de calor de 8 kW, um novo tanque de água quente de alta eficiência e radiadores mais longos e de largura dupla em cada quarto.
A forte procura colocou os instaladores num calendário apertado, por isso, quando nos ofereceram uma vaga em meados de Janeiro, aceitámos, embora isso significasse ficar sem aquecimento durante até duas semanas (isto teria sido mais difícil para famílias com crianças pequenas ou pessoas com deficiência). ). A alta demanda e os problemas da cadeia de abastecimento também atrasaram a instalação do painel solar para fevereiro. Mas, uma vez concluída a reforma, funcionou perfeitamente, como mostra este gráfico do uso de energia da casa de janeiro de 2021 a agosto de 2022.
A bomba de calor começou a funcionar no dia 19 de janeiro. Durante o resto do inverno e início da primavera, o uso médio diário de energia da nossa casa (linha azul) foi cerca de metade do mesmo período de 2021 (observe que o conjunto de dados de 2021 é baseado em leituras trimestrais ou bimestrais, enquanto o uso de fevereiro de 2022 em diante foi registrado semanalmente). Os painéis solares instalados a 3 de Fevereiro tiveram um efeito menor, em parte porque a falta de espaço e de orçamento para baterias fez com que alguma electricidade fosse exportada para a rede (linha verde) em vez de ser utilizada em casa (linha rosa). A casa continuou também a importar energia elétrica (linha laranja) à noite, em dias nublados e em períodos de grande procura. Ainda assim, no final da Primavera e início do Verão, a produção média diária dos painéis excedia rotineiramente a utilização média diária da casa – um resultado animador.
Os benefícios financeiros são menos claros. A electricidade do Reino Unido provém de uma variedade de fontes, incluindo energias renováveis, gás, nuclear e (raramente) carvão, mas os preços da electricidade estão ligados à fonte mais cara (actualmente o gás). Os preços da electricidade no Reino Unido também incluem impostos ambientais que não se aplicam ao gás, apesar do custo ambiental mais elevado deste último. Assim, embora a nossa casa utilize menos energia, a energia que continua a importar é consideravelmente mais cara do que o gás por unidade. A venda de electricidade a partir dos painéis solares ajuda, tal como uma subvenção para bombas de calor do (agora fechado) programa de incentivo ao calor renovável doméstico do governo do Reino Unido, mas esta parte do problema tem, em última análise, uma questão de política e não de física.
Bombeando calor
Além de sobrecarregar os agregados familiares com contas de energia mais elevadas e maiores emissões de carbono, o mau isolamento limita as opções para alterar a forma como as casas são aquecidas. Os planos do governo do Reino Unido para alcançar emissões líquidas zero de carbono dependem fortemente de substituição de caldeiras a gás natural por bombas de calor, com uma meta de 19 milhões de bombas de calor até 2050, em comparação com cerca de 250,000 hoje. É uma estratégia que, de certa forma, faz sentido.
As bombas de calor funcionam com os mesmos princípios dos refrigeradores, exceto que extraem calor do ar ou do solo externo para aquecer o interior. E graças às leis da termodinâmica, são notavelmente eficientes: por cada unidade de eletricidade que absorvem, libertam 3 a 4 unidades de calor (ver caixa “Como funcionam as bombas de calor”). A tecnologia também está comercialmente madura, com grandes fabricantes como Mitsubishi Electric e Daikin produzindo uma gama de modelos.
Infelizmente, certos aspectos da actual configuração energética do Reino Unido dificultam o trabalho. Zhibin Yu, engenheiro da Universidade de Glasgow, resume a situação. “No Reino Unido, a maioria das nossas casas está ligada a uma rede de gás, por isso os nossos sistemas de aquecimento central são concebidos para caldeiras”, explica. Ao circular água a 60, 70 ou mesmo 80 °C, uma caldeira tradicional a gás natural pode manter uma casa quentinha (embora a um custo elevado), mesmo que os radiadores sejam pequenos e as paredes e o sótão mal isolados.
O desempenho de uma bomba de calor, pelo contrário, depende da diferença de temperatura entre a fonte da bomba de calor (como o ar exterior) e o seu fornecimento (a água ou o ar que circula à volta do sistema de aquecimento). Como explica Yu, se a diferença for grande, o desempenho será baixo. Para alcançar a mais alta eficiência energética, o ideal é que seu fornecimento esteja entre 35 e 45 °C.
Isso pode ser bom para sistemas de piso radiante como os usados na Abadia de Bath. Mas a área de transferência de calor dos radiadores de tamanho padrão raramente é grande o suficiente para manter uma sala aquecida se a água estiver circulando ao redor deles a uma temperatura relativamente morna de 45 °C. Como resultado, os ocupantes podem acabar por sentir um frio desconfortável – o que não é uma boa notícia para quem gastou tempo e energia a desmontar a sua caldeira a gás e a instalar uma bomba de calor.
Radiadores maiores e melhor isolamento podem resolver este problema – por um preço. De acordo com Yu, uma bomba de calor de fonte de ar poderosa o suficiente para aquecer uma típica casa geminada geralmente custa entre £ 3000 e £ 5000. Mas uma instalação completa, incluindo a adaptação de radiadores, pode custar mais do dobro disso, tornando todo o projecto quatro a cinco vezes mais caro do que a instalação de uma nova caldeira. “Essa é uma situação desafiadora”, conclui.
Como funcionam as bombas de calor
Ao contrário dos aquecedores eléctricos convencionais, que funcionam através da passagem de corrente através de um fio resistivo, as bombas de calor funcionam com os mesmos princípios termodinâmicos dos frigoríficos. No seu cerne está um fluido de trabalho como o difluorometano, que vaporiza a uma temperatura e pressão relativamente baixas. Isso permite que o fluido absorva calor mesmo de fontes de baixa temperatura (Qfonte) como o solo, a água ou o ar exterior no inverno.
Depois de absorver o calor, o fluido de trabalho se transforma em vapor e passa por um compressor, que aumenta ainda mais sua temperatura, e por um condensador, que transforma o vapor quente e de alta pressão em um líquido. O calor liberado nesta mudança de fase (Qsupply) é então transferido para um sistema de aquecimento central e posteriormente para o edifício através do ar soprado através de condutas ou da água circulada através de radiadores ou tubagens subterrâneas. Depois que o fluido de trabalho libera a maior parte de seu calor, ele é enviado através de uma válvula de expansão, reduzindo sua pressão (e, portanto, sua temperatura) para que o ciclo possa recomeçar.
Implantando hidrogênio
Uma alternativa à troca de caldeiras por bombas de calor poderia ser mudar o combustível das caldeiras para hidrogénio. Ao contrário do gás natural, o hidrogénio não liberta dióxido de carbono quando queimado e, em princípio, pode ser produzido de forma ecológica. Esta é a razão por trás do recentemente concluído HyDeploy projecto, no qual várias centenas de casas no Reino Unido queimaram uma mistura de gás natural e até 20% de hidrogénio por volume.
O estudo piloto foi concebido para tornar a transição o mais simples possível para os chefes de família. Felizmente, as caldeiras a gás modernas são concebidas para lidar com até 25% de hidrogénio, pelo que poucas casas necessitaram de modernização. Ambas as fases do piloto decorreram em áreas geográficas limitadas (perto da Universidade de Keele, em Staffordshire, e de Winlaton, no nordeste de Inglaterra), tornando possível abordar individualmente as preocupações iniciais dos residentes sobre segurança e custos.
Robinson, que está envolvida no HyDeploy como cientista social em Keele, diz que até agora, os dados da sua pesquisa indicam um alto grau de aceitação pública. “A maioria das pessoas realmente não se incomoda, principalmente porque, com o hidrogênio misturado, elas não precisam fazer nada”, diz ela. “Isso simplesmente acontece.”
Esses são os pontos positivos. Aqui estão algumas das desvantagens. As regulamentações do Reino Unido restringem geralmente a quantidade de hidrogénio na rede de gás a menos de 0.1%, pelo que a implementação de frações mais elevadas exigiria uma mudança de política. Outro problema é que o hidrogénio é muito menos denso que o metano, o que significa que a mistura de 20% de hidrogénio em volume (não em massa) reduz as emissões de carbono em apenas 7%. Além disso, aumentar ainda mais a fracção de hidrogénio exigiria não só novas caldeiras, mas também tubos de substituição, uma vez que o hidrogénio em concentrações elevadas faz com que o aço se torne quebradiço.
Uma outra questão é que a maior parte dos 87 milhões de toneladas de hidrogénio que o mundo produz todos os anos provém da reformulação do vapor do metano, tornando a tecnologia “cinzenta” em vez de “verde”. A principal forma verde de produzir hidrogénio é utilizar eletricidade proveniente de fontes renováveis para dividir a água em oxigénio e hidrogénio. Mas Peter, especialista em combustíveis solares em Bath, diz que é complicado encontrar electricidade renovável suficiente para fazer isto em grande escala. “Se você tentar gerar tudo isso por meio da eletrólise gerada pela energia solar, esta será uma tarefa impossível”, diz ele. “Isso simplesmente não pode ser feito.”
A vida em um mundo neutro em carbono
Peter salienta que cerca de 40% do hidrogénio mundial é atualmente utilizado para produzir fertilizantes, sendo que grande parte do restante vai para a refinação de petróleo. Ambas as indústrias são mais difíceis de descarbonizar do que o consumo doméstico de energia, e Peter argumenta que a queima doméstica de hidrogénio também não faz sentido logístico. “Gerar hidrogênio 'verde' por eletrólise, enviá-lo pelo cano até você e você queimá-lo, é ineficiente em termos de energia em comparação com o envio de eletricidade 'verde' para sua casa”, explica ele. “Eu não vejo o hidrogênio se tornando um ator importante em termos do que está acontecendo em sua casa.”
A longo prazo, Robinson concorda que o hidrogénio doméstico “não faz sentido” em termos de eficiência. No entanto, ela ressalta que a instalação de sistemas de aquecimento alternativos levará tempo. “Um dos problemas no momento é que quando a caldeira de alguém quebra, a resposta será simplesmente substituí-la por outra caldeira”, diz ela. “Há uma lacuna de competências em termos de engenheiros de aquecimento e do aconselhamento que as pessoas recebem.”
Na opinião de Robinson, o hidrogénio poderia funcionar como um “trampolim”, reduzindo a dependência dos combustíveis fósseis até que as bombas de calor se tornem mais baratas e mais comuns. “Pode ser que [uma vez] que o hidrogénio misturado crie esse mercado para a produção de hidrogénio verde, então você comece a usar hidrogénio verde em algum outro lugar do sistema energético.” A este respeito, ela vê paralelos entre o hidrogénio verde e a energia eólica offshore, que era cara até que os países e os fabricantes começaram a investir nele, criando procura suficiente para fazer baixar os preços.
Dos sistemas de aquecimento aos sistemas de energia
Além das bombas de calor e do hidrogénio, algumas outras tecnologias poderiam facilitar o caminho para habitações com baixo teor de carbono. Painéis fotovoltaicos de alta eficiência que usam silício cristalino e materiais conhecidos como perovskitas em uma estrutura tandem devem entrar em produção comercial no próximo ano, e Walker acredita que eles terão um “impacto sério” no custo da energia solar. Walls está igualmente entusiasmado com a perspectiva de desenvolver painéis solares integrados para carros eléctricos e painéis que se pareçam com telhas normais, para reduzir as objecções estéticas à energia solar. “De todas as energias renováveis, a fotovoltaica tem a melhor chance de ser atraente em nível residencial”, diz ele.
Outra área que atrai muita inovação é o armazenamento de energia. Muitas instalações solares domésticas já incorporam baterias de lítio para quando está nublado ou escuro. O armazenamento em larga escala também é se tornando uma realidade, e a tecnologia da bomba de calor também não está parada. Em Glasgow, Yu desenvolveu um bomba nova e flexível que incorpora um dispositivo de armazenamento de calor entre o condensador e a válvula de expansão.
Este dispositivo retira parte do calor que de outra forma seria perdido e o disponibiliza para o funcionamento da bomba de calor. Por exemplo, o calor auxiliar poderia ser utilizado para descongelar a unidade exterior da bomba de calor, como é regularmente necessário quando a temperatura ambiente desce abaixo de cerca de 6 °C. No geral, Yu acredita que uma melhoria de 10% na eficiência é viável com seu projeto, que ele acredita que “faria uma grande diferença quando se olha para o período de retorno” para a instalação de bombas de calor.
Graças ao seu armazenamento de calor auxiliar em ciclo, a bomba de calor flexível também abriria outras possibilidades, como a exploração do calor que desperdiçamos todos os dias. “Por exemplo, quando tomamos banho”, observa Yu, “aquecemos a água a 70 ou 80 graus, misturamos com água fria para baixar para 35–40, e então ela sai do chuveiro entre 20–30 – o calor que ele contém é simplesmente jogado fora na drenagem.”
Uma abordagem melhor poderia ser considerar as nossas casas como sistemas energéticos integrados. “Você basicamente tenta gerenciar os fluxos de energia em sua casa, aquecimento e resfriamento”, diz Yu. “Você precisa da geladeira, precisa do freezer, precisa da caldeira, precisa do ar condicionado – você joga fora muito calor, depois extrai muito calor do ar. Por que não integramos esses processos?”
Estabelecendo um precedente
Em 2016, quando as autoridades de planeamento decretaram que a Catedral de Gloucester poderia, afinal, ter painéis solares no seu telhado, alertaram o diretor do projeto, Cranston, que a decisão não abriu um precedente para outros edifícios históricos. Seis anos depois, Cranston diz que “as coisas mudaram significativamente” tanto na autoridade de planeamento como dentro da Igreja Anglicana. “NetZero deixa claro o desafio que temos pela frente”, diz ela. “Os edifícios históricos têm que desempenhar o seu papel.”
Em Bath, Ward enfatiza que o caminho ainda está aberto para a abadia seguir o exemplo. O sistema de aquecimento geotérmico de inspiração romana da igreja é, diz ele, “muito visto como um primeiro passo na direção de Bath rumo ao carbono zero”, com o conselho municipal e os órgãos de conservação ansiosos por buscar opções adicionais. O complexo dos Banhos Romanos da cidade já está a instalar a sua própria versão do sistema de aquecimento da abadia, e Ward e a sua equipa estão interessados em colocar painéis solares no telhado dos seus escritórios.
“Tanto quanto sabemos, não existem atualmente soluções de energia sustentável na cidade, por isso estamos em discussões iniciais com o município e outras partes interessadas para investigar a rapidez com que poderíamos instalar um sistema”, diz ele. “A esperança é que possamos continuar a colaborar para acelerar o progresso.”
