Med energiräkningar på uppgång är många människor intresserade av att avskaffa de fossila bränslen som för närvarande används för att värma upp de flesta hus i Storbritannien. Frågan är hur man får det att hända, som Margaret Harris förklarar
Djupt under stenarna i den medeltida Bath Abbey-kyrkan, gör ett modernt underverk med en gammal twist tyst sin närvaro. Färdigställdes i mars 2021, klostrets värmesystem kombinerar golvrör med värmeväxlare placerade sju meter under ytan. Där leder ett avlopp som byggdes för nästan 2000 år sedan 1.1 miljoner liter 40 °C vatten varje dag från en naturlig varm källa till ett komplex av antika romerska bad.
Genom att tappa in i detta flöde av varmt vatten, ger systemet tillräckligt med energi för att värma inte bara klostret, utan också en intilliggande rad med georgiska stugor som används för kontor. Inte konstigt att klostrets rektor prisade det som "en hållbar lösning för uppvärmning av vår vackra historiska kyrka".
Men det var inte allt. När ansträngningarna att avkarbonatisera klostrets uppvärmning var igång, tjänstemän i 19.4 miljoner pund Bath Abbey Footprint-projekt riktade sin uppmärksamhet mot byggnadens elektricitet. Liksom de flesta kyrkor sträcker sig klostret från öst till väst, vilket ger taket en omfattande söderläge. På Storbritanniens nordliga breddgrader badar sådana tak i solljus under en stor del av dagen, vilket gör dem idealiska för solcellspaneler (PV). Gloucester Cathedral – en timmes bilresa norr om Bath – har redan utnyttjat denna gynnsamma orientering och blev – 2016 – Storbritanniens första stora antika katedral som har solpaneler installerade på taket.
För att ta reda på om en liknande uppställning kan vara lämplig på Bath Abbey, arbetade Footprint-projektet med doktorander vid University of Bath-ledda Centrum för forskarutbildning (CDT) i nya och hållbara solceller. I en förstudie publicerad i Energivetenskap och teknik (2022 10 892), beräknade eleverna att en väldesignad uppsättning PV-paneler kunde leverera 35.7 % av klostrets el, plus 4.6 % som kunde säljas tillbaka till elnätet på dagar då ett överskott genererades. Arrayen skulle betala för sig själv inom cirka 13 år och generera en total vinst på £139,000 12,000 ± £25 XNUMX under dess XNUMX-åriga livstid.
hem sanningar
Att installera solpaneler på taket till Bath Abbey är för närvarande bara en idé. "Det här är ett hållbart alternativ för framtiden - när timingen är rätt", som Footprint-projektledaren Nathan Ward uttrycker det. Men för många människor över hela Storbritannien – vanliga hushållare såväl som förvaltare av kända byggnader – börjar tajmingen verkligen se väldigt brådskande ut. Drivet av den ryska invasionen av Ukraina, stark global efterfrågan på gas och olika lokala faktorer har energipriserna stigit till aldrig tidigare skådade nivåer.
I prognoser som släpptes i augusti, konsultföretaget Cornwall Insight räknas att det genomsnittliga hushållet i Storbritannien skulle kunna spendera £355 per månad på energi i januari 2023 om situationen inte förändrades. Den brittiska regeringens energiprisgaranti, meddelade i september, gav viss lättnad genom att subventionera energiräkningar. Trots det, mellan oktober 2021 och oktober 2022, är det maximala enhetspriset som energileverantörer kan ta ut från brittiska hushåll ökade väsentligt, stigande från 7p till 10.3p per kilowattimme (kWhr) för gas och från 21p till 34p per kWhr för el.
Badfysiker Alison Walker, som är chef för CDT, säger att hennes teams tidning vid den tiden var, mer av ett hypotetiskt förslag för att visa att klostret menade allvar med att minska sitt koldioxidavtryck. Men nu har "kostnaden för energi ökat så kraftigt att om du producerar din egen kraft kan den bli mycket billigare och mindre känslig för energiprisfluktuationer som vi har upplevt i år", säger hon.
För husägare som vill minska sina energiräkningar, sina koldioxidavtryck eller bådadera är solpaneler bland de enklaste och billigaste sätten att göra det på. Silikonbaserade PV-paneler är en mogen teknik, deras pris har rasat under de senaste 10 åren och en takuppsättning tar bara några dagar att installera. Men eftersom statligt stöd för solcellsinstallationer inte längre är tillgängligt för hushållen är förskottskostnader ett hinder för många och installatörer har långa väntelistor.
Än värre är att solpaneler inte lämpar sig för alla bostäder, varken av tekniska skäl eller på grund av hur de ser ut. "I Storbritannien är vi mycket medvetna om byggnaders estetik", säger Mike Walls, fysiker vid Loughborough University Centrum för förnybar energisystemteknik. "Det finns vissa byggnader, särskilt gamla, som folk inte skulle sätta solpaneler på eftersom de inte ser snygga ut eller de passar inte in bra med det övergripande utseendet." Gloucester Cathedrals projektchef Anne Cranston noterar att hennes team var tvungna att bevisa att panelerna skulle vara "så "smygande" som möjligt innan planeringsmyndigheterna skulle acceptera dem.
Hur som helst räcker det sällan att slå några solcellspaneler i taket för att befria hushållarna från deras beroende av fossila bränslen. Uppenbarligen skiner inte solen på natten, medan den genomsnittliga direkta normala solinstrålningen – ett mått på solens energi per ytenhet – för norra Europa inte är mer än några kWhr/m2. Även på de soligaste vinterdagarna kommer därför en typisk brittisk solcellspanel på taket inte att producera tillräckligt med energi för att värma upp huset under det – som jag upptäckte när jag lät installera solpaneler i mitt eget hem i februari (se ruta "Ett hem i taget" ”).
Om solpaneler inte är ett komplett svar måste husägare som vill sluta (eller åtminstone minska) sitt beroende av fossila bränslen – och som saknar Bath Abbeys bekväma romerska varmvattenförsörjning – hitta andra lösningar. Ett alternativ är att göra sig av med traditionella gaseldade pannor och ersätta dem med alternativa värmesystem. Faktum är att, som en del av den brittiska regeringens löfte att uppnå nettonoll koldioxidutsläpp till 2050, från och med 2025 kommer det inte längre att vara lagligt att installera gaspannor i nybyggda hus i Storbritannien. Men arbetet med att rusta om befintliga lokaler går långsamt. Så hur ska vi "gröna" Storbritanniens bostadsbestånd?
Håller värmen inne
Storbritanniens hem förlorar värme upp till tre gånger snabbare i genomsnitt än hem i andra europeiska länder
Experterna jag pratade med för den här artikeln var eniga på en punkt: allt skulle bli mycket lättare om bostäderna var bättre isolerade. "Verkligen, svaret är isolering, isolering, isolering, för det är helt enkelt det absolut bästa sättet att minska dina energikostnader", säger Walker. "Effektivitet ges inte riktigt den uppmärksamhet som det borde vara," håller med Zoe Robinson, professor i hållbarhet vid Keele University.
Siffrorna är nyktra. A 2020 studera av det smarta värmeteknikföretaget Tado° fann att hus i Storbritannien förlorar värme upp till tre gånger snabbare i genomsnitt än hem i andra europeiska länder. Med hjälp av data från 80,000 20 kunder över hela Europa drog analytiker på Tado° slutsatsen att ett brittiskt hem som värmts upp till 0 °C en dag med XNUMX °C förlorar i genomsnitt tre grader efter fem timmar när uppvärmningen är avstängd, jämfört med bara en grad för ett hem i Tyskland.
Detta dåliga resultat beror delvis på åldern på Storbritanniens bostadsbestånd. Men Laurie Peter, en expert från Bath på att använda solenergi för att generera bränslen, säger att problemet sträcker sig till nyare hem också. "Successiva regeringar har minskat när det gäller reglerna för att bygga hus", argumenterar han och tillägger att detta gäller ett huss totala koldioxidavtryck såväl som dess energianvändning. "Vi är fortfarande mer eller mindre där vi var på viktoriansk tid när det gäller husbyggande och isolering, vilket är en skam, ärligt talat."
På grund av denna kombination av äldre byggnader och slappa bestämmelser har hälften av de 28.5 miljoner husen i England samma väggisolering som Bath Abbey – det vill säga ingen. Dubbelglas är vanligare, men enligt 2020–2021 Engelsk bostadsundersökning14 % av de engelska hemmen saknar det fortfarande. Ännu värre, eftermontering priser har fallit av en klippa. År 2012 hade cirka 2.3 miljoner hem ny isolering för loft, hålväggar eller massiva väggar installerade, men denna siffra har sjunkit till under 200,000 XNUMX per år efter att regeringen ersatt ett framgångsrikt eftermonteringsprogram med incitament som visade sig vara mindre effektiva.
Ett hem i taget
Jag bor i ett tvåfysikerhushåll, så när vi bytte ut vår gaspanna mot en värmepump och installerade solpaneler på vårt tak, behandlade vi naturligtvis installationen som ett vetenskapligt experiment med resultat som vi kunde övervaka över tid. Skulle vi använda mindre energi? Och skulle det göra någon skillnad för våra räkningar?
Vårt radhus i edvardiansk tegel är relativt effektivt för sin ålder, med tvåglasfönster och loft- och hålväggsisolering. Ändå krävde bytet till värmepump förberedelser. Efter att ha mätt upp våra rum och fönster beräknade installatörerna (en lokal VVS-firma som gör värmepumpar som en bisyssla) att vi skulle behöva en 8 kW värmepump, en ny högeffektiv varmvattentank och längre, dubbel breda radiatorer i varje rum.
Stark efterfrågan satte installatörerna på ett snävt schema, så när de erbjöd oss en plats i mitten av januari tackade vi ja trots att det inte innebar någon uppvärmning på upp till två veckor (detta skulle ha varit svårare för hushåll med små barn eller personer med funktionsnedsättning ). Stor efterfrågan och problem med leveranskedjan försenade också installationen av solpaneler till februari. Men när eftermonteringen väl var klar fungerade det vackert, vilket denna graf över husets energianvändning från januari 2021 till augusti 2022 visar.
Värmepumpen började fungera den 19 januari. Under resten av vintern och in på tidig vår var vårt hus genomsnittliga dagliga energianvändning (blå linje) ungefär hälften av samma period 2021 (observera att 2021 års datauppsättning är baserad på kvartals- eller varannan månads avläsningar, medan användningen från februari 2022 och framåt spelades in varje vecka). Solpanelerna som installerades den 3 februari hade en mindre effekt, bland annat för att brist på utrymme och budget för batterier gjorde att en del el exporterades till elnätet (grön linje) istället för att användas i huset (rosa linjen). Huset fortsatte även att importera el (orange linje) på kvällarna, molniga dagar och under perioder med hög efterfrågan. Ändå, på senvåren och försommaren, översteg panelernas genomsnittliga dagliga produktion rutinmässigt husets genomsnittliga dagliga användning – ett uppmuntrande resultat.
De ekonomiska fördelarna är mindre tydliga. Storbritanniens el kommer från en mängd olika källor, inklusive förnybar energi, gas, kärnkraft och (sällan) kol, men elpriserna är knutna till den dyraste källan (för närvarande gas). De brittiska elpriserna inkluderar även miljöskatter som inte gäller gas trots den senares högre miljökostnad. Så även om vårt hus använder mindre energi, är energin det fortsätter att importera avsevärt dyrare än gas per enhet. Att sälja el från solpanelerna hjälper, liksom ett värmepumpsbidrag från den brittiska regeringens (nu stängda) inhemska förnybara värmeincitamentsprogram, men denna del av problemet handlar i slutändan om politik, inte fysik.
Pumpande värme
Förutom att sänka hushållare med högre energiräkningar och ökade koldioxidutsläpp, begränsar dålig isolering alternativen för att ändra hur bostäder värms upp. Den brittiska regeringens planer för att uppnå netto-noll koldioxidutsläpp är starkt beroende av ersätta naturgaspannor med värmepumpar, med ett mål på 19 miljoner värmepumpar år 2050 jämfört med cirka 250,000 XNUMX idag. Det är en strategi som på något sätt är vettig.
Värmepumpar fungerar enligt samma principer som kylskåp, förutom att de drar in värme från luften eller marken utanför för att göra insidan varmare. Och tack vare termodynamikens lagar är de anmärkningsvärt effektiva: för varje enhet elektricitet de tar in, sparkar de ut 3–4 enheter värme (se rutan "Hur värmepumpar fungerar"). Tekniken är också kommersiellt mogen, med stora tillverkare som Mitsubishi Electric och Daikin som producerar en rad modeller.
Tyvärr kastar vissa aspekter av Storbritanniens nuvarande energiupplägg en nyckel i arbetet. Zhibin Yu, en ingenjör vid University of Glasgow, sammanfattar situationen. "I Storbritannien är de flesta av våra hus anslutna till ett gasnät, så våra centralvärmesystem är designade för pannor", förklarar han. Genom att cirkulera vatten vid 60, 70 eller till och med 80 °C kan en traditionell naturgaspanna hålla ett hus rostigt (om än till en hög kostnad) även om radiatorerna är små och väggarna och loftet dåligt isolerade.
En värmepumps prestanda beror däremot på temperaturskillnaden mellan värmepumpens källa (som uteluften) och dess tillförsel (vattnet eller luften som cirkulerar runt värmesystemet). Som Yu förklarar, om gapet är stort, är prestandan låg. För att uppnå högsta energieffektivitet vill du helst att din tillförsel ska vara mellan 35 och 45 °C.
Det kan vara bra för golvvärmesystem som de som används på Bath Abbey. Men värmeöverföringsytan för radiatorer i standardstorlek är sällan tillräckligt stor för att hålla ett rum varmt om det cirkulerar vatten runt dem med relativt ljumna 45 °C. Som ett resultat kan passagerarna i slutändan känna sig obehagligt kyliga – inga bra nyheter för alla som har lagt ner tid och energi på att slita ur sin gaspanna och installera en värmepump.
Större radiatorer och bättre isolering kan lösa detta problem – för ett pris. Enligt Yu kostar en luftvärmepump som är tillräckligt kraftfull för att värma ett typiskt parhus i allmänhet mellan £3000 och £5000. Men en komplett installation, inklusive eftermontering av radiatorer, kan kosta mer än dubbelt så mycket, vilket gör hela projektet så mycket som fyra till fem gånger dyrare än att installera en ny panna. "Det är en utmanande situation", avslutar han.
Hur värmepumpar fungerar
Till skillnad från vanliga elektriska värmare, som fungerar genom att leda ström genom en resistiv tråd, fungerar värmepumpar enligt samma termodynamiska principer som kylskåp. I deras hjärta finns en arbetsvätska som difluormetan som förångas vid en relativt låg temperatur och ett relativt lågt tryck. Detta gör att vätskan kan absorbera värme även från lågtemperaturkällor (Qkälla) såsom jord, vatten eller uteluften på vintern.
Efter att den har absorberat värme, förvandlas arbetsvätskan till ånga och passerar genom en kompressor, som ökar dess temperatur ytterligare, och en kondensor, som förvandlar den varma högtrycksångan till en vätska. Värmen som frigörs i denna fas förändras (Qleverera) överförs sedan till ett centralvärmesystem och därefter till byggnaden via luft som blåses genom kanaler eller vatten som cirkuleras genom radiatorer eller golvrör. När arbetsvätskan har släppt ut det mesta av sin värme, skickas den genom en expansionsventil, vilket minskar dess tryck (och därmed dess temperatur) så att cykeln kan börja igen.
Utplacering av väte
Ett alternativ till att byta ut pannor mot värmepumpar kan vara att byta pannornas bränsle till vätgas. Till skillnad från naturgas släpper väte ingen koldioxid vid förbränning och den kan i princip framställas på ett miljövänligt sätt. Detta är motiveringen bakom den nyligen avslutade HyDeploy projekt, där flera hundra brittiska hem brände en blandning av naturgas och upp till 20 volymprocent väte.
Pilotstudien utformades för att göra övergången så smärtfri som möjligt för hushållen. Lyckligtvis är moderna gaspannor designade för att klara upp till 25 % väte, så få hem behövde eftermonteras. Båda faserna av pilotprojektet ägde rum över begränsade geografiska områden (nära Keele University i Staffordshire och Winlaton i nordöstra England), vilket gjorde det möjligt att hantera invånarnas initiala farhågor om säkerhet och kostnader individuellt.
Robinson, som är involverad i HyDeploy som samhällsvetare på Keele, säger att hittills indikerar hennes undersökningsdata en hög grad av allmän acceptans. "Majoriteten av människor är verkligen inte så besvärade, särskilt för att med blandat väte behöver de inte göra någonting", säger hon. "Det bara händer."
Det är de goda punkterna. Här är några av nackdelarna. Brittiska regler begränsar generellt mängden väte i gasnätet till under 0.1 %, så att rulla ut högre fraktioner skulle kräva en förändring i policyn. Ett annat problem är att väte är mycket mindre tät än metan, vilket innebär att inblandning av 20 % väte i volym (inte massa) minskar koldioxidutsläppen med bara 7 %. Att öka andelen väte ytterligare skulle dessutom kräva inte bara nya pannor utan även ersättningsrör, eftersom väte i höga koncentrationer gör att stål blir spröda.
En annan fråga är att de flesta av de 87 miljoner ton väte som världen producerar varje år kommer från ångomformulering av metan, vilket gör tekniken "grå" snarare än "grön". Det främsta gröna sättet att producera väte är att använda el från förnybara källor för att dela upp vatten i syre och väte. Men Peter, solbränsleexperten på Bath, säger att det är svårt att hitta tillräckligt med förnybar el för att göra detta i stor skala. "Om du försöker generera allt detta genom solgenererad elektrolys är det här en omöjlig uppgift", säger han. "Det går bara inte att göra."
Livet i en koldioxidneutral värld
Peter påpekar att cirka 40 % av världens väte för närvarande används för att producera gödningsmedel, medan mycket av resten går till oljeraffinering. Båda industrierna är svårare att koldioxidutlösa än inhemsk energiförbrukning, och Peter hävdar att hushållsförbränning av väte inte heller är logistiskt vettigt. "Att generera "grönt" väte genom elektrolys, skicka det ner i röret till dig och du bränner det, är energiineffektivt jämfört med att skicka "grön" el till ditt hus", förklarar han. "Jag ser inte själv att väte blir en stor aktör när det gäller vad som händer i ditt hus."
I det långa loppet håller Robinson med om att inhemskt väte "inte är vettigt" i effektivitetstermer. Hon påpekar dock att det kommer att ta tid att installera alternativa värmesystem. "En av problemen för tillfället är att när någons panna kraschar, kommer svaret att vara att bara ersätta den med en annan panna", säger hon. "Det finns en kompetensklyfta när det gäller värmetekniker och de råd som folk får."
Enligt Robinsons åsikt kan väte fungera som en "språngbräda", vilket minskar beroendet av fossila bränslen tills värmepumpar blir billigare och vanligare. "Det kan vara så att [när] blandat väte skapar den marknaden för produktion av grönt väte, då börjar du använda grönt väte någon annanstans i energisystemet." I detta avseende ser hon paralleller mellan grönt väte och havsbaserad vindkraft, vilket var dyrt tills länder och tillverkare började investera i det, vilket skapade tillräckligt med efterfrågan för att få ner priserna.
Från värmesystem till energisystem
Förutom värmepumpar och vätgas kan några andra tekniker jämna ut vägen till hus med lägre koldioxidutsläpp. Högeffektiva PV-paneler som använder kristallint kisel och material som kallas perovskiter i en tandemstruktur kommer att gå i kommersiell produktion nästa år, och Walker tror att de kommer att göra en "allvarlig inverkan" på kostnaden för solenergi. Walls är likaså entusiastiska över möjligheten att utveckla integrerade solpaneler för elbilar och paneler som ser ut som vanliga takpannor, för att minska estetiska invändningar mot solenergi. "Av alla förnybara energikällor har PV störst chans att vara attraktiv på bostadsnivå", säger han.
Ett annat område som lockar mycket innovation är energilagring. Många inhemska solcellsinstallationer har redan litiumbatterier för när det är molnigt eller mörkt. Storskalig förvaring är också blir verklighet, och värmepumpstekniken står inte heller stilla. I Glasgow har Yu utvecklat en ny, flexibel pump som innehåller en värmelagringsanordning mellan kondensorn och expansionsventilen.
Den här enheten tar en del av den värme som annars skulle gå förlorad och gör den tillgänglig för värmepumpens drift. Tillsatsvärmen kan till exempel användas för att avfrosta värmepumpens utomhusenhet, vilket regelbundet krävs när omgivningstemperaturen faller under cirka 6 °C. Sammantaget tror Yu att en förbättring av effektiviteten med 10 % är möjlig med hans design, som han tror skulle "göra stor skillnad när du tittar på återbetalningstiden" för installation av värmepumpar.
Tack vare sitt in-cycle extra värmelager skulle den flexibla värmepumpen också öppna andra möjligheter, som att utnyttja värmen vi slänger varje dag. "Till exempel, när vi duschar," observerar Yu, "värmer vi upp vattnet till 70 eller 80 grader, blandar det med kallt vatten för att få ner det till 35–40, och sedan lämnar det duschen vid 20–30 – värmen den innehåller slängs bara i avloppet.”
Ett bättre tillvägagångssätt kan vara att betrakta våra hem som integrerade energisystem. "Du försöker i princip hantera energiflödena i ditt hus, värme och kyla", säger Yu. "Du behöver kylen, du behöver frysen, du behöver pannan, du behöver luftkonditioneringen - du slänger bort mycket värme, du tar sedan ut mycket värme ur luften. Varför integrerar vi inte dessa processer?”
Skapar ett prejudikat
Redan 2016, när planeringsmyndigheterna beslutade att Gloucester Cathedral trots allt skulle kunna ha solpaneler på sitt tak, varnade de projektledaren Cranston för att beslutet inte skapade ett prejudikat för andra historiska byggnader. Sex år senare säger Cranston att "saker har förändrats avsevärt" både hos planeringsmyndigheten och inom Church of England. "NetZero klargör utmaningen framför oss alla", säger hon. "Arvsbyggnader måste spela sin roll."
På Bath betonar Ward att vägen fortfarande är öppen för klostret att följa efter. Kyrkans romerskinspirerade geotermiska värmesystem, säger han, "sedda mycket som ett första steg i att flytta Bath mot koldioxidfri", med stadsfullmäktige och naturvårdsorgan som är ivriga att utöva ytterligare alternativ. Stadens romerska badkomplex håller redan på att installera sin egen version av klostrets värmesystem, och Ward och hans team är angelägna om att sätta solpaneler på taket till sina kontor.
– Så vitt vi vet finns det för närvarande inga hållbara energilösningar i staden, så vi är i tidiga diskussioner med rådet och andra intressenter för att undersöka hur snabbt vi skulle kunna installera ett system, säger han. "Förhoppningen är att vi kan fortsätta att samarbeta för att påskynda framstegen."
