Ngôi nhà, ngôi nhà xanh: giải pháp khoa học để cắt giảm lượng carbon và (có thể) tiết kiệm tiền PlatoBlockchain Data Intelligence. Tìm kiếm dọc. Ái.

Nhà, nhà xanh: giải pháp khoa học để cắt giảm carbon và (có thể) tiết kiệm tiền

Với hóa đơn năng lượng ngày càng tăng, nhiều người quan tâm đến việc loại bỏ nhiên liệu hóa thạch hiện đang được sử dụng để sưởi ấm hầu hết các ngôi nhà ở Vương quốc Anh. Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để làm cho nó xảy ra, như Margaret Harris giải thích

(Được phép: Shutterstock/Douglas Baldan)

Nằm sâu bên dưới những phiến đá lát của nhà thờ Tu viện Bath thời trung cổ, một kỳ quan hiện đại pha chút cổ kính đang âm thầm khiến người ta cảm nhận được sự hiện diện của nó. Hoàn thành vào tháng 2021 năm XNUMX, tu viện hệ thống máy sưởi kết hợp các đường ống dưới sàn với bộ trao đổi nhiệt nằm dưới bề mặt bảy mét. Ở đó, một cống được xây dựng cách đây gần 2000 năm mang 1.1 triệu lít nước 40°C mỗi ngày từ suối nước nóng tự nhiên vào khu phức hợp nhà tắm La Mã cổ đại.

Bằng cách khai thác dòng nước ấm này, hệ thống cung cấp đủ năng lượng để sưởi ấm không chỉ tu viện mà cả dãy nhà kiểu Georgia liền kề được sử dụng làm văn phòng. Không có gì ngạc nhiên khi hiệu trưởng của tu viện ca ngợi nó là “một giải pháp bền vững để sưởi ấm nhà thờ lịch sử xinh đẹp của chúng tôi”.

Nhưng đó không phải là tất cả. Khi những nỗ lực khử cacbon cho hệ thống sưởi của tu viện đang được tiến hành, các quan chức ở Dự án Dấu chân Tu viện Bath trị giá 19.4 triệu bảng Anh chuyển sự chú ý của họ sang hệ thống điện của tòa nhà. Giống như hầu hết các nhà thờ, tu viện chạy từ đông sang tây, tạo cho mái của nó hướng về phía nam rộng rãi. Ở các vĩ độ phía bắc của Vương quốc Anh, những mái nhà như vậy được tắm dưới ánh sáng mặt trời trong phần lớn thời gian trong ngày, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các tấm quang điện mặt trời (PV). Nhà thờ Gloucester – cách Bath một giờ lái xe về phía bắc – đã tận dụng hướng thuận lợi này, trở thành – vào năm 2016 – nhà thờ cổ lớn đầu tiên của Vương quốc Anh có các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái nhà của nó.

Các tấm pin mặt trời của Nhà thờ Gloucester

Để tìm hiểu xem một thiết lập tương tự có thể phù hợp ở Tu viện Bath hay không, dự án Dấu chân đã làm việc với các nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Bath do Trung tâm đào tạo tiến sĩ (CDT) về quang điện mới và bền vững. Trong một nghiên cứu khả thi được công bố trên Khoa học & Kỹ thuật Năng lượng (2022 10 892), các sinh viên đã tính toán rằng một dãy các tấm PV được thiết kế tốt có thể cung cấp 35.7% điện năng của tu viện, cộng với 4.6% có thể được bán lại cho lưới điện vào những ngày tạo ra lượng điện dư thừa. Mảng sẽ tự hoàn vốn trong vòng khoảng 13 năm và tạo ra tổng lợi nhuận là £139,000 ± £12,000 trong vòng đời 25 năm của nó.

sự thật nhà

Hiện tại, việc lắp đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà của Tu viện Bath vẫn chỉ là một ý tưởng. Giám đốc dự án Footprint, Nathan Ward, nói: “Đây là một lựa chọn khả thi cho tương lai – khi thời điểm thích hợp. Nhưng đối với nhiều người trên khắp Vương quốc Anh – những hộ gia đình bình thường cũng như những người trông coi các tòa nhà nổi tiếng – thời điểm thực sự bắt đầu có vẻ rất cấp bách. Bị thúc đẩy bởi cuộc xâm lược Ukraine của Nga, nhu cầu khí đốt toàn cầu mạnh mẽ và các yếu tố địa phương khác nhau, giá năng lượng đã tăng lên mức chưa từng thấy.

Trong dự báo được đưa ra vào tháng XNUMX, công ty tư vấn Cornwall Insight tính toán rằng một hộ gia đình trung bình ở Vương quốc Anh có thể chi 355 bảng mỗi tháng cho năng lượng vào tháng 2023 năm XNUMX nếu tình hình không thay đổi. Đảm bảo giá năng lượng của chính phủ Vương quốc Anh, công bố vào tháng 9, cung cấp một số cứu trợ bằng cách trợ cấp hóa đơn năng lượng. Mặc dù vậy, từ tháng 2021 năm 2022 đến tháng XNUMX năm XNUMX, đơn giá tối đa mà các nhà cung cấp năng lượng có thể tính cho các hộ gia đình ở Vương quốc Anh tăng đáng kể, tăng từ 7p lên 10.3p mỗi kilowatt giờ (kWh) đối với gas và từ 21p lên 34p mỗi kWh đối với điện.

Một phần của hệ thống bơm nhiệt nguồn đất mới của Tu viện Bath

nhà vật lý tắm Alison Walker, giám đốc của CDT, nói rằng bài báo của nhóm cô ấy, vào thời điểm đó, nhiều hơn một đề xuất giả định để chỉ ra rằng tu viện nghiêm túc trong việc giảm lượng khí thải carbon của nó. Tuy nhiên, hiện nay “chi phí năng lượng đã tăng quá mạnh, nếu bạn tự tạo ra năng lượng của riêng mình, nó có thể trở nên rẻ hơn rất nhiều và ít bị ảnh hưởng bởi biến động giá năng lượng như chúng ta đã trải qua trong năm nay”, cô nói.

Đối với các hộ gia đình muốn giảm hóa đơn năng lượng, lượng khí thải carbon của họ hoặc cả hai, các tấm pin mặt trời là một trong những cách dễ nhất và rẻ nhất để thực hiện điều đó. Các tấm PV dựa trên silicon là một công nghệ trưởng thành, giá của chúng đã giảm mạnh trong 10 năm qua và một mảng trên mái nhà chỉ mất vài ngày để lắp đặt. Nhưng với sự hỗ trợ của chính phủ đối với việc lắp đặt năng lượng mặt trời không còn dành cho các hộ gia đình, chi phí trả trước là một rào cản đối với nhiều người và những người lắp đặt có danh sách chờ đợi dài.

Tồi tệ hơn, các tấm pin mặt trời không phù hợp với tất cả các ngôi nhà, vì lý do kỹ thuật hoặc vì hình thức của chúng. “Ở Anh, chúng tôi rất ý thức về tính thẩm mỹ của các tòa nhà,” nói bức tường Mike, một nhà vật lý tại Đại học Loughborough Trung tâm Công nghệ Hệ thống Năng lượng Tái tạo. “Có một số tòa nhà, đặc biệt là những tòa nhà cũ, người ta sẽ không lắp đặt các tấm pin mặt trời vì chúng trông không đẹp hoặc không phù hợp với tổng thể.” Anne Cranston, người đứng đầu các dự án của Nhà thờ Gloucester, lưu ý rằng nhóm của cô phải chứng minh rằng các tấm bảng sẽ “tàng hình” nhất có thể trước khi các nhà chức trách lập kế hoạch chấp nhận chúng.

Trong mọi trường hợp, việc lắp đặt một vài tấm pin mặt trời trên mái nhà hiếm khi đủ để giải phóng các hộ gia đình khỏi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Rõ ràng, Mặt trời không chiếu sáng vào ban đêm, trong khi mức chiếu nắng trực tiếp thông thường trung bình – thước đo năng lượng của Mặt trời trên một đơn vị diện tích – đối với Bắc Âu không quá vài kWhr/m2. Do đó, ngay cả vào những ngày mùa đông nắng nhất, một dãy PV trên mái nhà điển hình của Vương quốc Anh sẽ không tạo ra đủ năng lượng để sưởi ấm ngôi nhà bên dưới nó – như tôi đã phát hiện ra khi tôi lắp đặt các tấm pin mặt trời tại nhà riêng của mình vào tháng XNUMX (xem hộp “Mỗi lần một nhà ”).

Nếu các tấm pin mặt trời không phải là câu trả lời hoàn chỉnh, thì những chủ hộ muốn chấm dứt (hoặc ít nhất là giảm) sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch - và những người thiếu nguồn cung cấp nước nóng La Mã tiện lợi của Tu viện Bath - phải tìm các giải pháp khác. Một lựa chọn là loại bỏ các nồi hơi đốt khí đốt truyền thống và thay thế chúng bằng các hệ thống sưởi thay thế. Thật vậy, như một phần trong cam kết của chính phủ Vương quốc Anh nhằm đạt được lượng khí thải carbon bằng không vào năm 2050, bắt đầu từ năm 2025, việc lắp đặt nồi hơi đốt gas trong các ngôi nhà mới xây ở Vương quốc Anh sẽ không còn hợp pháp nữa. Nhưng những nỗ lực để trang bị thêm các cơ sở hiện có đang tiến hành chậm chạp. Vậy làm thế nào chúng ta sẽ “làm xanh” nguồn cung nhà ở của Vương quốc Anh?

Giữ nhiệt trong

Các ngôi nhà ở Vương quốc Anh mất nhiệt nhanh hơn trung bình gấp ba lần so với các ngôi nhà ở các nước châu Âu khác

Các chuyên gia mà tôi đã nói chuyện trong bài viết này đã thống nhất ở một điểm: mọi thứ sẽ dễ dàng hơn nhiều nếu nhà ở được cách nhiệt tốt hơn. Walker nói: “Thực sự, câu trả lời là cách nhiệt, cách nhiệt, cách nhiệt, bởi vì đó đơn giản là cách tốt nhất để giảm chi phí năng lượng của bạn. “Hiệu quả không thực sự được quan tâm đúng mức,” đồng ý Zoe Robinson, giáo sư về tính bền vững tại Đại học Keele.

Những con số thật tỉnh táo. một năm 2020 nghiên cứu bởi công ty công nghệ sưởi ấm thông minh Tado° đã phát hiện ra rằng trung bình các ngôi nhà ở Vương quốc Anh mất nhiệt nhanh hơn ba lần so với các ngôi nhà ở các quốc gia châu Âu khác. Sử dụng dữ liệu thu thập được từ 80,000 khách hàng trên khắp châu Âu, các nhà phân tích tại Tado° đã kết luận rằng một ngôi nhà ở Vương quốc Anh được sưởi ấm tới 20°C vào một ngày 0°C sẽ giảm trung bình XNUMX độ sau XNUMX giờ khi tắt hệ thống sưởi, so với chỉ giảm XNUMX độ. cho một ngôi nhà ở Đức.

Hiệu suất kém này một phần là do nguồn cung nhà ở của Vương quốc Anh đã cũ. Nhưng Laurie Peter, một chuyên gia từ Bath về sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra nhiên liệu, cho biết vấn đề này cũng lan sang những ngôi nhà mới hơn. Ông lập luận: “Các chính phủ kế nhiệm đã nới lỏng các quy định về xây dựng nhà ở, đồng thời cho biết thêm rằng điều này đúng đối với lượng khí thải carbon tổng thể của ngôi nhà cũng như việc sử dụng năng lượng của nó. “Chúng ta ít nhiều vẫn còn ở thời Victoria về mặt xây dựng và cách nhiệt, đó là một sự ô nhục, thẳng thắn mà nói.”

Do sự kết hợp giữa các tòa nhà cũ hơn và các quy định lỏng lẻo, một nửa trong số 28.5 triệu ngôi nhà ở Anh có tường cách nhiệt giống như Tu viện Bath - có thể nói là không có. Kính hai lớp phổ biến hơn, nhưng theo 2020–2021 Khảo sát nhà ở tiếng anh, 14% gia đình người Anh vẫn thiếu nó. Tồi tệ hơn, tỷ lệ trang bị thêm có rơi khỏi vách đá. Trong năm 2012, khoảng 2.3 triệu ngôi nhà đã lắp đặt gác xép mới, vách ngăn hoặc vách đặc cách nhiệt, nhưng con số này đã giảm xuống dưới 200,000 mỗi năm sau khi chính phủ thay thế chương trình trang bị thêm thành công bằng các biện pháp khuyến khích tỏ ra kém hiệu quả hơn.

Một nhà tại một thời điểm

Tôi sống trong một hộ gia đình có hai nhà vật lý, vì vậy khi chúng tôi thay thế lò hơi đốt gas bằng một máy bơm nhiệt và lắp đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà, chúng tôi coi việc lắp đặt này như một thí nghiệm khoa học với kết quả mà chúng tôi có thể theo dõi theo thời gian. Chúng ta sẽ sử dụng ít năng lượng hơn? Và nó có tạo ra bất kỳ sự khác biệt nào đối với hóa đơn của chúng tôi không?

Margaret Harris và máy bơm nhiệt của cô ấy

Ngôi nhà bậc thang bằng gạch thời Edward của chúng tôi tương đối hiệu quả so với tuổi của nó, với cửa sổ lắp kính hai lớp, gác xép và tường cách nhiệt. Mặc dù vậy, việc chuyển sang bơm nhiệt cần có sự chuẩn bị. Sau khi đo các phòng và cửa sổ của chúng tôi, những người lắp đặt (một công ty ống nước địa phương chuyên cung cấp máy bơm nhiệt) đã tính toán rằng chúng tôi sẽ cần một máy bơm nhiệt 8 kW, một bình chứa nước nóng hiệu suất cao mới và các bộ tản nhiệt dài hơn, rộng gấp đôi trong mọi phòng.

Nhu cầu cao khiến những người lắp đặt phải làm việc trong một lịch trình dày đặc, vì vậy khi họ đề nghị cho chúng tôi một suất vào giữa tháng 2021, chúng tôi đã chấp nhận mặc dù điều đó có nghĩa là không có hệ thống sưởi trong tối đa hai tuần (điều này sẽ khó khăn hơn đối với các hộ gia đình có trẻ nhỏ hoặc người khuyết tật ). Tương tự như vậy, nhu cầu cao và các vấn đề về chuỗi cung ứng đã khiến việc lắp đặt bảng điều khiển năng lượng mặt trời bị trì hoãn đến tháng Hai. Nhưng sau khi quá trình trang bị thêm hoàn tất, nó hoạt động rất tốt, như biểu đồ sử dụng năng lượng của ngôi nhà này từ tháng 2022 năm XNUMX đến tháng XNUMX năm XNUMX cho thấy.

Biểu đồ hiển thị mức sử dụng năng lượng

Máy bơm nhiệt bắt đầu hoạt động vào ngày 19 tháng 2021. Trong thời gian còn lại của mùa đông và đầu mùa xuân, mức sử dụng năng lượng trung bình hàng ngày của ngôi nhà chúng tôi (đường màu xanh lam) bằng khoảng một nửa so với cùng kỳ năm 2021 (lưu ý rằng bộ dữ liệu năm 2022 dựa trên số liệu hàng quý hoặc hai tháng một lần, trong khi mức sử dụng từ tháng 3 năm XNUMX trở đi được ghi lại hàng tuần). Các tấm pin mặt trời được lắp đặt vào ngày XNUMX tháng XNUMX có tác động nhỏ hơn, một phần do thiếu không gian và ngân sách cho pin đồng nghĩa với việc một số điện năng được xuất lên lưới (đường màu xanh lá cây) thay vì được sử dụng trong nhà (đường màu hồng). Ngôi nhà cũng tiếp tục nhập điện (đường dây màu cam) vào buổi tối, vào những ngày nhiều mây và vào thời điểm có nhu cầu sử dụng cao. Tuy nhiên, vào cuối mùa xuân và đầu mùa hè, sản lượng trung bình hàng ngày của các tấm pin thường xuyên vượt quá mức sử dụng trung bình hàng ngày của ngôi nhà – một kết quả đáng mừng.

Lợi ích tài chính ít rõ ràng hơn. Điện của Vương quốc Anh đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm năng lượng tái tạo, khí đốt, hạt nhân và (hiếm khi) than đá, nhưng giá điện được gắn với nguồn đắt nhất (hiện tại là khí đốt). Giá điện của Vương quốc Anh cũng bao gồm thuế môi trường không áp dụng cho khí đốt mặc dù chi phí môi trường cao hơn. Vì vậy, trong khi ngôi nhà của chúng tôi đang sử dụng ít năng lượng hơn, năng lượng mà nó tiếp tục nhập khẩu đắt hơn đáng kể so với khí đốt trên cơ sở mỗi đơn vị. Việc bán điện từ các tấm pin mặt trời cũng như trợ cấp bơm nhiệt từ chương trình Khuyến khích nhiệt tái tạo trong nước (hiện đã đóng cửa) của chính phủ Vương quốc Anh, nhưng phần này của vấn đề cuối cùng là về chính trị, không phải vật lý.

bơm nhiệt

Ngoài việc khiến các hộ gia đình phải gánh chịu hóa đơn năng lượng cao hơn và tăng lượng khí thải carbon, lớp cách nhiệt kém còn hạn chế các lựa chọn thay đổi cách sưởi ấm nhà cửa. Các kế hoạch của chính phủ Vương quốc Anh để đạt được lượng khí thải carbon ròng bằng không phụ thuộc rất nhiều vào thay thế nồi hơi khí đốt tự nhiên bằng máy bơm nhiệt, với mục tiêu 19 triệu máy bơm nhiệt vào năm 2050 so với khoảng 250,000 hiện nay. Đó là một chiến lược, theo một số cách, có ý nghĩa.

Máy bơm nhiệt hoạt động theo nguyên tắc giống như tủ lạnh, ngoại trừ việc chúng hút nhiệt từ không khí hoặc mặt đất bên ngoài để làm cho bên trong ấm hơn. Và nhờ các định luật nhiệt động lực học, chúng có hiệu quả rõ rệt: cứ mỗi đơn vị điện năng thu vào, chúng thải ra 3–4 đơn vị nhiệt (xem hộp “Cách thức hoạt động của máy bơm nhiệt”). Công nghệ này cũng đã trưởng thành về mặt thương mại, với các nhà sản xuất lớn như Mitsubishi Electric và Daikin sản xuất một loạt các mẫu mã.

Thật không may, một số khía cạnh của việc thiết lập năng lượng hiện tại của Vương quốc Anh đã gây khó khăn cho công việc. Chí Bân Vũ, một kỹ sư tại Đại học Glasgow, tổng kết tình hình. Anh ấy giải thích: “Ở Anh, hầu hết các ngôi nhà của chúng tôi đều được kết nối với lưới khí đốt, vì vậy hệ thống sưởi ấm trung tâm của chúng tôi được thiết kế cho nồi hơi. Bằng cách tuần hoàn nước ở 60, 70 hoặc thậm chí 80 °C, nồi hơi khí tự nhiên truyền thống có thể giữ cho ngôi nhà luôn thơm tho (mặc dù chi phí cao) ngay cả khi bộ tản nhiệt nhỏ và tường và gác xép cách nhiệt kém.

Ngược lại, hiệu suất của bơm nhiệt phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn của bơm nhiệt (chẳng hạn như không khí bên ngoài) và nguồn cung cấp của nó (nước hoặc không khí lưu thông xung quanh hệ thống sưởi ấm). Như Yu giải thích, nếu khoảng cách lớn, hiệu suất sẽ thấp. Để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng cao nhất, lý tưởng nhất là bạn muốn nguồn cung cấp của mình nằm trong khoảng từ 35 đến 45 °C.

Điều đó có thể tốt cho các hệ thống sưởi ấm dưới sàn như những hệ thống được sử dụng tại Tu viện Bath. Nhưng diện tích truyền nhiệt của bộ tản nhiệt kích thước tiêu chuẩn hiếm khi đủ lớn để giữ ấm cho căn phòng nếu nước lưu thông quanh chúng ở nhiệt độ tương đối ấm 45 °C. Kết quả là, những người cư ngụ có thể cảm thấy ớn lạnh một cách khó chịu – không phải là tin tốt cho bất kỳ ai đã dành thời gian và năng lượng để tháo nồi hơi gas và lắp đặt máy bơm nhiệt.

Bộ tản nhiệt lớn hơn và cách nhiệt tốt hơn có thể khắc phục vấn đề này – với một mức giá. Theo Yu, một máy bơm nhiệt nguồn không khí đủ mạnh để sưởi ấm một ngôi nhà liền kề điển hình thường có giá từ 3000 đến 5000 bảng Anh. Tuy nhiên, việc lắp đặt hoàn chỉnh, bao gồm cả việc trang bị thêm bộ tản nhiệt, có thể tốn kém hơn gấp đôi, khiến toàn bộ dự án đắt gấp XNUMX đến XNUMX lần so với việc lắp đặt một nồi hơi mới. “Đó là một tình huống đầy thách thức,” anh kết luận.

Cách thức hoạt động của máy bơm nhiệt

Sơ đồ bơm nhiệt

Không giống như máy sưởi điện tiêu chuẩn, hoạt động bằng cách cho dòng điện chạy qua dây điện trở, máy bơm nhiệt hoạt động trên nguyên tắc nhiệt động giống như tủ lạnh. Trái tim của chúng là một chất lỏng hoạt động như difluoromethane bốc hơi ở nhiệt độ và áp suất tương đối thấp. Điều này cho phép chất lỏng hấp thụ nhiệt ngay cả từ các nguồn nhiệt độ thấp (Qnguồn) chẳng hạn như đất, nước hoặc không khí bên ngoài vào mùa đông.

Sau khi nó hấp thụ nhiệt, chất lỏng làm việc biến thành hơi và đi qua một máy nén, làm tăng nhiệt độ của nó hơn nữa và một bình ngưng, biến hơi ấm, áp suất cao thành chất lỏng. Nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn này thay đổi (Qcung cấp) sau đó được chuyển đến một hệ thống sưởi ấm trung tâm, và sau đó đến tòa nhà thông qua không khí được thổi qua các ống dẫn hoặc nước được lưu thông qua bộ tản nhiệt hoặc đường ống dưới sàn. Khi chất lỏng làm việc đã giải phóng phần lớn nhiệt của nó, nó sẽ được gửi qua một van giãn nở, làm giảm áp suất (và do đó là nhiệt độ của nó) để chu kỳ có thể bắt đầu lại.

Triển khai hydro

Một giải pháp thay thế cho việc hoán đổi nồi hơi lấy máy bơm nhiệt có thể là thay đổi nhiên liệu của nồi hơi thành hydro. Không giống như khí đốt tự nhiên, hydro không giải phóng carbon dioxide khi bị đốt cháy và về nguyên tắc, nó có thể được sản xuất theo cách thân thiện với môi trường. Đây là lý do đằng sau việc hoàn thành gần đây HyTriển khai dự án, trong đó hàng trăm ngôi nhà ở Vương quốc Anh đốt cháy hỗn hợp khí đốt tự nhiên và tới 20% hydro theo thể tích.

Nghiên cứu thí điểm được thiết kế để làm cho quá trình chuyển đổi trở nên dễ dàng nhất có thể đối với các chủ hộ gia đình. May mắn thay, nồi hơi gas hiện đại được thiết kế để xử lý tới 25% hydro, vì vậy rất ít ngôi nhà cần trang bị thêm. Cả hai giai đoạn thí điểm đều diễn ra trên các khu vực địa lý hạn chế (gần Đại học Keele ở Staffordshire và Winlaton ở đông bắc nước Anh), giúp giải quyết những lo ngại ban đầu của người dân về an toàn và chi phí một cách riêng lẻ.

Robinson, người tham gia HyDeploy với tư cách là một nhà khoa học xã hội tại Keele, nói rằng cho đến nay, dữ liệu khảo sát của cô ấy cho thấy mức độ chấp nhận cao của công chúng. Cô ấy nói: “Phần lớn mọi người thực sự không bận tâm đến điều đó, đặc biệt là vì với hydro hỗn hợp, họ không phải làm gì cả. "Nó chỉ xảy ra."

Đó là những điểm tốt. Dưới đây là một số nhược điểm. Các quy định của Vương quốc Anh thường hạn chế lượng hydro trong lưới khí ở mức dưới 0.1%, vì vậy việc triển khai các phân số cao hơn sẽ yêu cầu thay đổi chính sách. Một vấn đề khác là hydro ít đậm đặc hơn nhiều so với metan, điều đó có nghĩa là việc pha trộn 20% hydro theo thể tích (không phải khối lượng) sẽ giảm lượng khí thải carbon chỉ 7%. Hơn nữa, việc tăng tỷ lệ hydro hơn nữa không chỉ cần nồi hơi mới mà còn cả đường ống thay thế, vì hydro ở nồng độ cao khiến thép trở nên giòn.

Một vấn đề nữa là phần lớn trong số 87 triệu tấn hydro mà thế giới sản xuất mỗi năm đến từ quá trình tái tạo khí mê-tan bằng hơi nước, khiến công nghệ trở nên “xám” hơn là “xanh”. Cách xanh chính để sản xuất hydro là sử dụng điện từ các nguồn tái tạo để tách nước thành oxy và hydro. Nhưng Peter, chuyên gia về nhiên liệu mặt trời tại Bath, nói rằng việc tìm đủ điện tái tạo để thực hiện điều này trên quy mô lớn là điều khó khăn. Ông nói: “Nếu bạn cố gắng tạo ra tất cả những thứ đó bằng quá trình điện phân do năng lượng mặt trời tạo ra, thì đây là một nhiệm vụ bất khả thi. “Không thể làm được.”

Peter chỉ ra rằng khoảng 40% hydro trên thế giới hiện đang được sử dụng để sản xuất phân bón, phần lớn còn lại được dùng để lọc dầu. Cả hai ngành công nghiệp đều khó khử cacbon hơn so với tiêu thụ năng lượng trong nước và Peter lập luận rằng việc đốt hydro trong gia đình cũng không có ý nghĩa gì về mặt hậu cần. Ông giải thích: “Việc tạo ra hydro 'xanh' bằng cách điện phân, đưa nó xuống đường ống và bạn đốt cháy nó, là năng lượng không hiệu quả so với việc cung cấp điện 'xanh' đến ngôi nhà của bạn. “Bản thân tôi không thấy hydro trở thành nhân tố chính đối với những gì đang diễn ra trong ngôi nhà của bạn.”

Về lâu dài, Robinson đồng ý rằng hydro trong nước “không có ý nghĩa” về mặt hiệu quả. Tuy nhiên, bà chỉ ra rằng việc lắp đặt các hệ thống sưởi ấm thay thế sẽ mất thời gian. “Một trong những vấn đề hiện nay là khi nồi hơi của ai đó gặp sự cố, phản ứng sẽ là thay thế nó bằng một nồi hơi khác,” cô nói. “Có một khoảng cách kỹ năng về kỹ sư sưởi ấm và lời khuyên mà mọi người nhận được.”

Theo quan điểm của Robinson, hydro có thể hoạt động như một “bước đệm”, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch cho đến khi máy bơm nhiệt trở nên rẻ hơn và phổ biến hơn. “Có thể [một khi] hydro pha trộn tạo ra thị trường sản xuất hydro xanh, sau đó bạn bắt đầu sử dụng hydro xanh ở một nơi khác trong hệ thống năng lượng.” Về mặt này, cô nhận thấy sự tương đồng giữa hydro xanh và năng lượng gió ngoài khơi vốn đắt đỏ cho đến khi các quốc gia và nhà sản xuất bắt đầu đầu tư vào nó, tạo ra đủ nhu cầu để giảm giá.

Từ hệ thống sưởi ấm đến hệ thống năng lượng

Ngoài máy bơm nhiệt và hydro, một số công nghệ khác có thể tạo thuận lợi cho con đường dẫn đến những ngôi nhà ít carbon hơn. Các tấm PV hiệu suất cao sử dụng silicon tinh thể và vật liệu được gọi là perovskites trong cấu trúc song song chuẩn bị đi vào sản xuất thương mại vào năm tới, và Walker nghĩ rằng họ sẽ tạo ra “tác động nghiêm trọng” đến chi phí năng lượng mặt trời. Tương tự, Walls cũng hào hứng với triển vọng phát triển các tấm pin mặt trời tích hợp cho ô tô điện và các tấm trông giống như mái ngói tiêu chuẩn, để giảm bớt sự phản đối về mặt thẩm mỹ đối với năng lượng mặt trời. Ông nói: “Trong số tất cả các loại năng lượng tái tạo, PV có cơ hội hấp dẫn nhất ở cấp độ dân cư.

Một lĩnh vực khác thu hút nhiều đổi mới là lưu trữ năng lượng. Nhiều cơ sở lắp đặt năng lượng mặt trời trong nước đã tích hợp pin lithium khi trời nhiều mây hoặc tối. Lưu trữ quy mô lớn hơn cũng trở thành hiện thựcvà công nghệ bơm nhiệt cũng không đứng yên. Tại Glasgow, Yu đã phát triển một máy bơm mới, linh hoạt kết hợp một thiết bị lưu trữ nhiệt giữa bình ngưng và van giãn nở.

Zhibin Yu với máy bơm nhiệt nguyên mẫu

Thiết bị này lấy một phần nhiệt mà lẽ ra sẽ bị mất đi và cung cấp nhiệt cho hoạt động của máy bơm nhiệt. Ví dụ, nhiệt phụ trợ có thể được sử dụng để làm tan băng dàn nóng của máy bơm nhiệt, thường được yêu cầu khi nhiệt độ xung quanh giảm xuống dưới khoảng 6 °C. Nhìn chung, Yu cho rằng cải thiện 10% hiệu quả là khả thi với thiết kế của anh ấy, điều mà anh ấy tin rằng sẽ “tạo ra sự khác biệt lớn khi bạn nhìn vào thời gian hoàn vốn” cho việc lắp đặt máy bơm nhiệt.

Nhờ khả năng lưu trữ nhiệt phụ trợ trong chu trình, máy bơm nhiệt linh hoạt cũng sẽ mở ra những khả năng khác, chẳng hạn như khai thác nhiệt lượng mà chúng ta thải ra hàng ngày. “Ví dụ, khi chúng tôi tắm vòi sen,” Yu nhận xét, “chúng tôi đun nóng nước đến 70 hoặc 80 độ, pha với nước lạnh để giảm nhiệt độ xuống 35–40, sau đó nước rời vòi hoa sen ở 20–30 – nhiệt mà nó chứa chỉ bị thải ra ngoài hệ thống thoát nước.”

Một cách tiếp cận tốt hơn có thể là coi ngôi nhà của chúng ta là hệ thống năng lượng tích hợp. Yu nói: “Về cơ bản, bạn cố gắng quản lý các dòng năng lượng trong nhà, sưởi ấm và làm mát. “Bạn cần tủ lạnh, bạn cần tủ đông, bạn cần nồi hơi, bạn cần máy điều hòa không khí – bạn thải ra rất nhiều nhiệt, sau đó bạn lấy ra rất nhiều nhiệt từ không khí. Tại sao chúng ta không tích hợp các quy trình này?”

Đặt tiền lệ

Trở lại năm 2016, khi các cơ quan lập kế hoạch ra quyết định rằng Nhà thờ Gloucester rốt cuộc có thể có các tấm pin mặt trời trên mái nhà, họ đã cảnh báo giám đốc dự án Cranston rằng quyết định này không tạo tiền lệ cho các tòa nhà lịch sử khác. Sáu năm trôi qua, Cranston nói rằng “mọi thứ đã thay đổi đáng kể” cả ở cơ quan lập kế hoạch và bên trong Giáo hội Anh. “NetZero làm rõ thách thức trước mắt tất cả chúng ta,” cô nói. “Các tòa nhà di sản phải đóng vai trò của chúng.”

Tại Bath, Ward nhấn mạnh rằng con đường vẫn còn rộng mở để tu viện làm theo. Ông nói, hệ thống sưởi ấm địa nhiệt lấy cảm hứng từ La Mã của nhà thờ “rất được coi là bước đầu tiên trong việc đưa Bath hướng tới không có carbon”, với hội đồng thành phố và các cơ quan bảo tồn mong muốn theo đuổi các lựa chọn bổ sung. Khu phức hợp Nhà tắm La Mã của thành phố đã lắp đặt phiên bản riêng của hệ thống sưởi ấm của tu viện, và Ward và nhóm của anh ấy rất muốn đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà văn phòng của họ.

Ông nói: “Theo những gì chúng tôi biết, hiện tại không có giải pháp năng lượng bền vững nào trong thành phố, vì vậy chúng tôi đang thảo luận sớm với hội đồng và các bên liên quan khác để điều tra xem chúng tôi có thể lắp đặt hệ thống nhanh như thế nào. “Hy vọng là chúng ta có thể tiếp tục hợp tác để đẩy nhanh tiến độ.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý