Eine Änderung an den schlechtesten Gebäuden hätte große Klimavorteile und senkte die Kosten

19. November 2020 durch Michael Barnard

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In Kanada gibt es fast 500.000 Geschäftsgebäude und in den USA etwa zehnmal so viele. Die mittlere Größe dieser Gebäude beträgt nur 5.000 Quadratfuß oder etwa 465 Quadratmeter. Und die schlimmsten 10% von ihnen sind undicht, haben Erdgasöfen, die Kohlendioxid ausstoßen, und alte Klimaanlagen, aus denen Kältemittel austreten, die hinsichtlich des globalen Erwärmungspotenzials absolut unangenehm sind.

Wie böse? Das ist eine kleine Geschichte. Und was eine Sache einen großen Teil der Probleme lösen wird, müssen Sie darauf warten.

Beginnen wir mit den verschiedenen Quellen von Treibhausgasemissionen aus Gebäuden und warum einige Gebäude viel schlimmer sind als andere.

Einige Gebäude verlieren mehr Energie als andere

Das erste ist, dass einige Gebäude nur sehr zugig sind. Sie lecken. Sie haben schlecht montierte Türen und Fenster, Risse in den Wänden und Löcher im Dach. Dies messen Gebäudeeffizienz-Experten mit Überdrucktests. Sie verschließen die absichtlichen Löcher in der Gebäudehülle, die für Lüftungssysteme erforderlich sind, stellen ein großes Gebläse in einer Tür auf und pumpen dann viel Luft mit 50 Pascal oder 75 Pascal ein, je nachdem, ob es sich um ein Wohn- oder Geschäftsgebäude handelt. Basierend darauf, wie viel Luft entweicht, können sie die Luftänderungen pro Stunde oder die Liter pro Sekunde pro Quadratmeter (lps / m2) Luft bestimmen, die entweicht. Je mehr Luft entweicht, desto undichter ist das Gebäude. Je mehr warme oder kühle Luft nach außen entweicht, desto mehr Energie wird zum Heizen und Kühlen des Gebäudes benötigt.

Gebäude viel weniger undicht zu machen, war jahrzehntelang eine große Anstrengung für die Bauindustrie und Effizienzprogramme, aber hier geht diese Einschätzung nicht hin. Die effizientesten Gewerbebauten liegen im Bereich von 2 lps / m2. Der Median pro Studie, auf die unten Bezug genommen wird, beträgt 6,9 lps / m2. Der Durchschnitt der schlechtesten Gebäude betrug 30 lps / m2. Das bedeutet, dass mehr als viermal so viel Luft – und damit Heiz- und Kühlenergie – aus diesen schlechten Gebäuden entweicht wie aus den mittleren und 15-mal so viel wie aus den guten. Das ist eine große Sache, denn diese Energie muss von irgendwoher kommen.

Bei den schlimmsten 10% der Gebäude handelt es sich irgendwo um Erdgas für Wärme und Netzstrom für Klimaanlagen. Und die Klimaanlagen sind alt, undichter als der Durchschnitt und haben Kältemittel mit hohem Treibhauspotential (GWP) anstelle der neuen, die der Kigali-Zusatz durch die Branche treibt. Lassen Sie uns diese nacheinander zerreißen.

"Erdgas" ist ein echtes Problem

Das erste, was man über Erdgas wissen muss, ist, dass es hauptsächlich Methan, CH4, ist, dh ein Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatome. Wenn Sie Methan verbrennen, bindet sich der Kohlenstoff mit Sauerstoff in der Atmosphäre unter Bildung von Kohlendioxid (CO2) und der Wasserstoff mit Sauerstoff unter Bildung von Wasserdampf (H2O). Letzteres ist kein Problem, das erste jedoch. Kohlenstoff hat ein Atomgewicht von 12, während Sauerstoff ein Atomgewicht von 16 hat, was bedeutet, dass jedes Kohlenstoffmolekül in Erdgas zu einem Molekül mit einem Atomgewicht von 44 wird, was dem 3,7-fachen der Masse des ursprünglichen Kohlenstoffs entspricht. Grundsätzlich bedeutet dies, dass Sie nach dem Wegwerfen der 10% Erdgas, bei denen es sich um zufällige andere Chemikalien handelt, die in einigen Fällen nicht einmal verbrennen, etwa doppelt so viel Kohlendioxid wie im ursprünglichen Erdgas haben.

Das zweite, was man über 90% Methan in Erdgas wissen muss, ist, dass es tatsächlich ein viel stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid ist. Über 100 Jahre lang erzeugt Methan 28-26-mal so viel Erwärmung wie eine äquivalente Masse Kohlendioxid. Und Methan tritt aus den Brunnen aus, aus denen es gebohrt wurde, und aus den Rohren, die es durchlassen. Dies alles wird auf Kohlendioxidäquivalent oder CO2e reduziert. Dies hilft Analysten dabei, Äpfel-zu-Äpfel-Vergleiche zwischen verschiedenen Treibhausgasen durchzuführen.

Das dritte, was man über Erdgas wissen muss, ist, dass es Energie benötigt, um es zu extrahieren, zu verfeinern und zu verteilen. Und raten Sie mal, woher der größte Teil dieser Energie kommt. Das ist richtig, es werden mehr fossile Brennstoffe verbrannt als Strom, der in vielen Fällen auch mit fossilen Brennstoffen erzeugt wird. Die Kraft-Wärme-Kopplung mit Erdgas und Kohle in Regionen mit fossilen Brennstoffen ist unglaublich häufig. Und wieder bedeutet das Verbrennen von Gas oder Kohle mehr Kohlendioxid.

Die Kombination aus Leckage und Energiebedarf beträgt etwa 20% des Kohlendioxids, das beim Verbrennen von Erdgas zur Beheizung eines Gebäudes gemäß US-DOE-Studien entsteht. Daher müssen wir die Auswirkungen um diesen Betrag erhöhen. Das bedeutet, dass für jedes Gigajoule Heizung aus Erdgas Es werden 59,4 kg CO2e freigesetzt.

Undichte Gebäude verbrennen viel Erdgas

Aber wie viel Erdgas verbraucht ein 5.000 Quadratmeter großes Gebäude, um sich selbst zu heizen? Dafür habe ich mich einer Studie von Natural Resources Canada zum jährlichen Energieverbrauch von Gebäuden in verschiedenen Regionen des Landes zugewandt.

Ein Artikel von Diana Ürge-Vorsatza aus dem Jahr 2015 und Mitautoren von Erneuerbare und Nachhaltige Energie Bewertungen gaben an, dass 38% des Energieverbrauchs in Gebäuden im Durchschnitt zum Heizen und 8% zum Kühlen verwendet wurden. Für eines dieser undichten Gebäude würden sie ungefähr 690 GJ Erdgas zum Heizen verbrauchen, was bedeutet, dass sich allein dieser Faktor in ungefähr verwandelt 45 Tonnen CO2e.

Das ist eine Menge. Und es ist für ein kleines Geschäftshaus, eines dieser bescheidenen alten Bürogebäude, die sich überall in Nordamerika ausbreiten.

Klimaanlage hat verschiedene Probleme

Zunächst einmal verbraucht die Klimaanlage Energie, aber Strom. Der kanadische Durchschnitt liegt bei 140 Gramm CO2 / kWh, ist jedoch im ganzen Land sehr unterschiedlich. Die schwere Erzeugung fossiler Brennstoffe in Alberta liegt beispielsweise näher bei 800 Gramm CO2 / kWh, während die Wasserkraftwerke BC und Quebec zusammen mit dem nuklearen Ontario viel niedriger sind.

Die 8% der Energie, die für die Kühlung in Gebäuden verwendet wird, wird in etwas mehr als einer MWh Strom umgewandelt, der für die Klimatisierung in den undichtesten 5.000 Quadratfuß großen Gebäuden verwendet wird. Das sind weitere 145 kg CO2e auf dem Stapel.

Aber das ist nicht der große Schlag für die Klimaanlage. Das größere Problem ist das Austreten von Kältemitteln. Der Branchendurchschnitt liegt bei 3% Leckage pro Jahr, aber ältere Systeme lecken mehr, sodass ich 6% verwendet habe. Verschiedene HLK-Quellen lieferten die Faustregeln, die darauf hinwiesen, dass dieses undichte alte Gebäude mit wahrscheinlich 25 Bewohnern und etwa 20 Fenstern etwa 12,5 Tonnen Klimaanlage erfordern würde. Unterhaltsame Tatsache: Die Klimaanlage wird anhand der Energiemenge gemessen, die erforderlich ist, um eine imperiale Tonne Wassereis am Hudson River in 24 Stunden zu schmelzen. Die 12,5 Tonnen Klimaanlage benötigen ca. 17 kg Kältemittel. 6% pro Jahr bedeuten etwa einen Kilogramm Kältemittelverlust pro Jahr.

Klingt nicht nach viel, oder? Mit Ausnahme des Problems, dass Kältemittel häufig ein sehr hohes Treibhauspotential aufweisen, das tausendmal höher ist als das von CO2. Das gebräuchlichste kommerzielle Kältemittel für Klimaanlagen ist ein HFC mit der Bezeichnung R134a und einem GWP von 1.430. Ein anderes, weniger häufig verwendetes HFKW-Kältemittel hat einen GWP von 14.900. Dieses eine Kilogramm R134a entspricht ungefähr 1.430 Kilogramm CO2.

Eine weitere lustige Tatsache: Die globale Erwärmung durch Kältemittel wäre schlimmer, wenn es nicht das Loch in der Ozonschicht gäbe. Das Montrealer Protokoll, das durch die Kigali-Änderung geändert wird, ersetzt ozonzerstörende FCKW-Kältemittel durch HFKW. Als unerwarteter Nebeneffekt haben HFKW ein etwas niedrigeres GWP als FCKW, sodass eine stärkere globale Erwärmung auf die Abkühlung zurückzuführen wäre als bereits. Ich habe nicht nachgesehen, aber ich bin sicher, dass ein Nerd wie ich auf und ab hüpfte und auf das immer noch hohe GWP von HFKW hinwies, als das Montrealer Protokoll ausgearbeitet wurde, aber ignoriert wurde.

Durch die Kombination von Energieverbrauch und Kältemittelleckage verursacht ein kleines altes Gebäude weitere 1,5 Tonnen CO2e-Emissionen pro Jahr. Das sind insgesamt fast 47 Tonnen CO2e zwischen Heizen und Kühlen.

Also, was ist die eine Änderung?

Wie bereits erwähnt, lag der Schwerpunkt in den letzten Jahrzehnten hauptsächlich darauf, Gebäude weniger undicht zu machen, und das ist gut so. Effizienz hilft. Sie können ein Gebäude mit 30 lps / m2 jedoch nicht in ein Gebäude mit 2 lps / m2 verwandeln. Sie können es wahrscheinlich mit viel Arbeit und guten Beratern und Auftragnehmern in die Nähe des Medians bringen. Es würde eine Vielzahl kleiner Änderungen erfordern, einschließlich des Ersetzens aller Fenster am wahrscheinlichsten. Es könnte jedoch eine Änderung vorgenommen werden, die die Emissionen drastisch senkt und auch die Betriebskosten des Gebäudes erhöht.

Setzen Sie ein Wärmepumpensystem ein.

Wärmepumpen tauschen Wärme zwischen der Innenseite des Gebäudes und der Außenseite aus. Es ist ihnen egal, ob sie Wärme ein- oder ausströmen. Sie sind sowohl Heiz- als auch Kühlsysteme. Sie ersetzen sowohl den Gasofen als auch die Klimaanlage. Da sie Wärme bewegen und nicht erzeugen, sind sie viel energieeffizienter als Gasöfen. Der Leistungskoeffizient (COP) liegt im Durchschnitt bei 3,5, was bedeutet, dass sie 3,5 mehr Wärmeenergie liefern als die Energie, die für ihre Stromversorgung erforderlich ist Im Gegensatz zu Erdgaskesseleinheiten, die eine absolute COP-Grenze von 1 haben, aber typischerweise 0,85 laufen. Ja, Wärmepumpen benötigen viermal weniger Energie, um die gleiche Wärmemenge für ein Gebäude zu erzeugen.

Wärmepumpen werden mit Strom und nicht mit Erdgas betrieben. Moderne Wärmepumpen werden mit von Kigali Amendment genehmigten HFKW mit GWP im Bereich von 8 und nicht von 1.430 aufgeladen. Moderne Wärmepumpen lecken auch weniger Kältemittel aus.

Alle Heiz- und Kühlanforderungen unseres alten undichten Gebäudes werden durch Heizen zu etwa 8,4 Tonnen CO2e und durch Kühlen zu etwa 0,15 Tonnen CO2e. Das ist vorbei 5-mal weniger Emissionen mit einer Wärmepumpe als die Systeme, die es ersetzte, ohne jegliche andere Änderungen am Gebäude oder an der Heizung oder Klimaanlage.

Der Kicker dabei ist natürlich, dass das Gitter dekarbonisiert. Die obigen Zahlen werden nur besser. Erdgas hat die Möglichkeit, einen Bruchteil der 20% der vor- und nachgelagerten Emissionen zu reduzieren, aber es gibt keine Möglichkeit, die Emissionskosten für die Verbrennung für Wärme in Gebäuden zu senken. Die Hauptlast der Klimaanlage liegt bei Kältemitteln, daher hilft nur die CO2e-Intensität des Stroms. Je mehr erneuerbare Energien in die Netze gelangen, desto geringer wird die Kohlenstoffbelastung des Stroms. Die Provinz Quebec mit ihrem massiven Wasserkraftprojekt im Norden und 4 GW Windenergie hat eine Kohlenstoffbelastung im Netz von 1,2 Gramm CO2e pro kWh, zwei Größenordnungen weniger als der kanadische Durchschnitt.

Wenn jedes Netz dort unten ist, sind Wärmepumpen nicht fünfmal besser als aktuelle Systeme, sondern 500mal besser in Bezug auf Emissionen. Das obige Modell geht von einer Verbesserung um 10% pro Jahr aus, was bedeutet, dass die Ergebnisse in späteren Jahren sinken, wenn sich das Netz verbessert.

Es gibt einen Grund, warum eine der wichtigsten Lösungen zur Eindämmung der globalen Erwärmung darin besteht, „alles zu elektrifizieren“.

Und dann gibt es die Kosteneinsparungen

Ich habe versprochen, auch über Kosteneinsparungen zu sprechen. Nachdem Sie ein paar Mal nachgerechnet haben, gibt es einige Faktoren. Erstens bedeutet die enorme Effizienzverbesserung einer Wärmepumpe gegenüber einem Erdgassystem, dass es selbst mit billigem Erdgas und teurem Strom so ziemlich eine Wäsche ist. Wenn es jedoch einen Kohlenstoffpreis gibt, der für Erdgas gilt, der nach den kanadischen Vorschriften einen Trend von 2,50 USD pro Gigajoule aufweist, ist das Wertversprechen sehr stark auf der Seite der Verwendung elektrisch betriebener Wärmepumpen.

Aber das ist nicht alles. Das Ersetzen von zwei Kapitalsystemen, die sich dem Ende ihrer Lebensdauer nähern, durch ein einziges System spart direkt Geld bei den Wiederbeschaffungskosten. Die Wartung für ein einzelnes System ist billiger als die Wartung für zwei Systeme. Kohlenmonoxiddetektoren können eliminiert werden. Die Versicherung für Gasöfen ist teurer. Die Berechnungen, die ich durchgeführt habe, deuten darauf hin, dass dies direkte Einsparungen von Zehntausenden von Dollar für Unternehmen während der gesamten Lebensdauer des Systems sind. Jeder, der sich mit Heiz- und Kühlsystemen am Ende seiner Lebensdauer befasst, sollte einige Zeit damit verbringen, Wärmepumpen über die Einwände der Anbieter nachzudenken, die vorhandene Einheiten durch neue Versionen derselben ersetzen möchten.

Was bedeutet dieses Netz?

Für Kanada gibt es ungefähr 50.000 kleine, alte undichte Geschäftsgebäude. Nur Wärmepumpen einzubauen und nichts anderes zu tun, würde etwa 1,9 Megatonnen CO2e pro Jahr und etwa 38 Megatonnen über 20 Jahre eliminieren. Das ist eine Menge. Im Kontext würde diese eine Änderung etwa 1% des kanadischen Ziels zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bis 2030 betragen. Und da die Kohlenstoffintensität des Netzes jedes Jahr abnimmt, erhöht sich die Dividende zur Emissionsreduzierung nur.

Angesichts des größeren Angebots an Gebäuden in den USA im Allgemeinen würde dies näher an 20 Megatonnen CO2e liegen, die dort jedes Jahr eliminiert werden und jedes Jahr zunehmen. Natürlich können wir in Kanada nicht 50.000 Wärmepumpen in 12 Monaten oder in den USA 500.000 Wärmepumpen pro Jahr einsetzen. Oder können wir?

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Verweise

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Stichworte: Amerika, Kanada, FCKW, Wärmepumpe, HFKW, Kigali-Änderung, Montrealer Protokoll, USA