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建筑事务

为什么能源效率比以往任何时候都重要

我们的家庭和车辆向全电力的过渡意味着对已经有限的清洁、可再生能源的需求增加,这使得能源效率变得至关重要

来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的2021年美国能源流程图

有些人说,如果我们使用可再生能源来运行热泵和电动汽车,我们就不会产生碳排放,所以能源效率不再是关键问题。他们还说,我们将需要比现在少得多的能源,因为我们没有把大部分能源转化为能源余热和二氧化碳,也就是所谓的拒绝了能源“但事实上,我们需要同样数量的有用能源,而且这种能源既不便宜,也不容易找到。这就是为什么我们的家庭和交通方式的能源效率比以往任何时候都更加重要。

麦克阿瑟奖得主索尔·格里菲斯(Saul Griffith)是“万物电气化”概念的支持者。他在书中声称,《电气化:一个乐观主义者关于清洁能源未来的剧本在一个全电力国家,我们只需要现在使用的42%的能源。迈克尔·巴纳德的文章有了热泵的热量,美国的能源需求将下降50%提出相应的主张。在这两种情况下,作者都引用了我所说的“解释一切的图表”,我的意思是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的能源消耗流程图。它表明,从本质上减去所有被拒绝的能量,我们一半或更多的能量需求消失了。

我一直不明白这一点。根据利弗莫尔的数据,我们需要31.8夸脱的“能源服务”或有用的燃烧化石燃料后的能量。如果我们使用风能和太阳能,我们仍然需要31.8 quads(千万亿btu)的有用能量。因为,艾莉森·贝尔斯这里解释得很好,它不是被拒绝的能量;它是将热能转化为有用功的成本。贝利斯并没有强调能源效率的重要性,他指出:“只有一种方法可以将图表右上方的大灰色块最小化:用可再生能源取代燃烧。”

格里菲斯写得更明确使充电“自上世纪70年代以来,对效率的强调是合理的,因为几乎没有人能为彻底的浪费辩护,几乎每个人都同意,回收利用、双层玻璃窗、更多的空气动力学汽车、更多的墙壁隔热材料和工业效率将使事情变得更好。”但是,虽然节能措施减缓了我们能源消费的增长速度,但它们并没有改变能源的构成。我们需要零碳排放,正如我经常说的那样,你不能通过‘提高效率’来实现零碳排放。”

格里菲斯建议,我们甚至不应该试图改变我们浪费能源的方式:

“如果美国人认为脱碳会导致广泛的匮乏——很多人把匮乏与效率联系在一起——他们就永远不会完全支持脱碳。如果人们仍然执着于失去豪车、汉堡和舒适的家,并为此争吵不休,我们就无法解决气候变化问题。很多美国人不会同意任何事情,如果他们认为这会让他们感到不舒服或带走他们的东西。”

热泵和峰值需求

但我不断回到利弗莫尔图表,以及需要31.8夸脱的有用能量。我们从风,水和太阳能中获得7.11四分之一的能量,水在下降,而不是上升。核能的发展不会很快,所以我们必须尽快找到16.56夸脱的绿色电力。

巴纳德指出,热泵可以产生显著的影响,减少大约三分之二的能源需求。在住宅和商业建筑中,从燃气热泵转换为电热泵大约需要2.6平方英尺,尽管我怀疑“热泵化”的房主会发现他们的新中央空调系统正在吞噬大量节省下来的能源。

巴纳德还建议,热泵可以提供许多低温工业功能。但假设他是对的,我们仍然需要至少13.96四分之一的能量,这是我们现在消耗的有用能量的三分之一以上。这些都不包括间歇性、季节性和高峰负荷所需的过度建设。

尤其是季节性因素,影响可能很大。在一篇文章对于被动房屋加速器,Skylar Swinford指出本研究报告称:“要想用可再生能源满足这个(1月)峰值,就需要1月份风力发电量增加28倍,或1月份太阳能发电量增加303倍,其他月份的发电量也会过剩。”

这听起来高得离谱,但为高峰需求储存电力是很难的。采用高效建筑可以显著减少这一问题,根据他们的计算,需要4.5倍的风能和36倍的太阳能;这还不包括存储和互连。

这是一个弹性问题

“电气化一切”组织中的一些人建议,有了热泵和清洁电力,我们可以少担心效率问题。我相信,这些数字表明,我们必须更加担心它。原因是:电会很贵,如果我们把所有东西都通电,我们将需要很多电。太阳能和风能可能是免费的,但需要大量新的基础设施,包括重建配电网络,并在全国范围内运行一些重要的高压直流输电。我们不仅在家里使用热泵,还在数百万辆汽车上使用热泵。为了使工业电气化,我们将需要运行电解槽,为钢铁和化肥生产氢气。我们将需要大量的果汁,必须谨慎和节约。

人们担心放弃天然气,因为它可以在停电时保持温暖,即使炉子没有电也不能运行。但是,随着艾莉森·贝尔斯指出,“韧性从建筑外壳开始。”一个绝缘良好的房子可以在停电时保持一段时间的温暖;被动式房屋设计可以保持数周的温暖或凉爽。

我们必须削减高峰负荷。你的家可以是一个热电池。现在有很多议论关于能量转移,这家公司在夏威夷的风能和太阳能发电发生变化时,通过开关热水器来平衡电网。这不是一个新想法,只是亚历克斯·威尔逊(Alex Wilson)所写内容的一个更复杂的版本早在2009年GBA的时候。在设计合理的高效住宅中,热泵很可能被远程控制,在高峰时段关闭,由于房屋本身的储热,房屋保持温暖或凉爽。

底线是:如果我们不继续努力提高效率,要实现所有东西的电气化将会困难得多。

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Lloyd Alter是一名前建筑师和开发商。他的新闻生涯包括15年以上的他是Treehugger.com的设计编辑。如今,他在多伦多城市大学教授可持续设计。他的作品可以在碳的前期

11日评论

  1. Tim_O||# 1

    ~24个四分之一来自发电的废热和21个四分之一来自运输部门。一辆汽油车的效率约为30-35%,其余的都被热量消耗掉了。柴油则接近40%。将这些车辆转向电动汽车将使我们的需求减少12-13辆,因为电动汽车的比例接近80-90%。技术将继续发展,我们将到达那里。

    发电过程中产生的24夸特废热,我敢打赌其中很大一部分是煤和天然气。两者的效率都在30%左右。

    基本上,消除燃烧的物质,我们的废热就会显著下降。从热到运动(涡轮发电机或车轮)的转换有很多损失。

    1. 劳埃德改变||# 4

      我对这些数字的解读不同;我忽略了被拒绝的能量,只看有用的能量。我们仍然需要找到大约5.65夸脱的有用能源用于运输,可能更多,因为它们的效率只有80%到90%,就像你说的。这就是我的观点(也是我骑电动自行车的原因)

  2. charlie_sullivan||# 2

    那张“解释一切”的图表对很多事情都很有用,但我认为它真的误导了人们对效率的思考。如果你看一下住宅盒子,它是65%的效率,这意味着我们能做的最好的事情就是把35%的损失减少到0%,把家庭的能源输入减少35%。但如果我们看一下,例如,加热和冷却,我们可以将外壳的热阻增加三倍,从85%效率的炉子切换到300%效率的热泵,减少85%的能源消耗,或7倍。

    人们倾向于看这个图表,认为这些数字是硬数据。其中一些是,但最终使用部门使用的效率只是为了说明目的而制作的近似值。

  3. 用户- 723121||# 3

    40年前我们就知道如何建造高效节能和舒适的住房。它始于加拿大的双层墙和超级保温。如今,规范建造的寒冷气候的房屋可能使用2到3倍的能源来加热和冷却那些早期的双层墙房屋。我们无法理解的是,一直存在着一种反对提高效率的力量。一旦你意识到对立的力量是什么,拼图的各个部分就会变得清晰起来。我认为我们需要对净零能耗建筑有一个更好的定义。碳核算什么时候开始?

    奥特先生说得很对,我们需要非常高效的建筑。电力永远不会便宜,因为它作为一种燃料与化石燃料竞争。拥有密封和良好隔热外壳的新建筑可以以各种低成本的方式加热和冷却,这是聪明的钱会去的地方。所有昂贵的小玩意都不足以覆盖一栋设计和建造不佳的建筑。

    道格

  4. maine_tyler||# 5

    我认为电动汽车和热泵的使用本身应该被视为一种效率。但这并不意味着它们的使用不应受到进一步的效率审查。正如前面提到的,可能是峰值功率,而不是严格意义上的总能量,在如何应用效率措施中起着关键作用。如果过度建设可再生能源是平衡的一部分,那么很可能会有能源使用对预算无关紧要的时候,而我们仍然依赖的效率较低的过程应该被执行。

    离题一点:在这些类型的讨论中,我看到了为未来建立一个高效社会的概念与现在成为一个低消费社会的概念之间的紧张关系。我们能否在不“破坏”碳预算的情况下,建立一个高效的社会(超级隔热结构,热泵和电动汽车,更新公共交通基础设施,最后但并非最不重要的是,主要的可再生基础设施建设)?

    然后是杰文悖论。如果我们把社会比作计算机的进化,我们从耗电巨大的机器开始,这些机器只能执行非常基本的操作。快进到今天,我们拥有了非常强大和复杂的机器,但规模要小得多,效率却高得多。然而,与计算机诞生之初相比,我们今天运行计算机消耗了多少电力?那时,计算机只不过是被美化了的计算尺。

    我有时把我们的社会看作是一台自我组织的机器,它正在创造一个更先进、更高效、更复杂的自我。未来的可再生能源和庞大的电网——与计算机算法平衡,由高度加工的材料收集太阳能组成的复杂网络——可能会允许这一点,可能会产生更高效的未来,也许会把我们带到更“先进”的存在状态,但它最终会减缓完全改变前机械地球系统的机器的增长吗?也许有一天(仍然很遥远),这些机械系统将完全包围曾经在这里的东西(熟悉戴森球吗?),它将成为地球历史上的一个新范式:机器组织地球。
    ,还是……一场大流行会对机器制造商说出它的话。或者机器制造者会自我毁灭。

  5. frontrange||# 6

    这篇文章似乎忽略了使建筑更节能的实际方面:它真的很昂贵,而且我们想要升级的每一栋建筑都需要大量的劳动力。

    比起改造大量现有建筑,建造300倍的太阳能发电能力要容易得多,也便宜得多。

    1. maine_tyler||# 7

      因为劳动……
      那么,由于糟糕的经济核算,这是一场环境灾难吗?
      300倍的土地不再支持农业或森林,取而代之的是可能或不可能回收的有毒元素。

      1. frontrange||# 8

        是的,如果我们愚蠢地用太阳能取代农田或森林,可能会对部分环境造成毁灭性的破坏。但我们也可以把太阳能放在停车场、建筑物、旧垃圾填埋场、高速公路交汇处、海洋驳船、沙漠、荒地等地方。

        我们还可以将一些农业与太阳能结合起来,实现土地的双重利用(这只适用于某些作物)。我们肯定需要投入更多的资源来回收太阳能电池板和电池。

        但即使有了所有这些,建造大量的太阳能肯定会比大规模改造现有建筑更快、更便宜。我们仍然需要大量的太阳能来取代化石燃料,即使我们改造了很多现有的建筑。解决低成本的改造来提高建筑效率,比如在更换窗户时升级窗户或增加阁楼隔热层,这是有道理的,但这只能减少一小部分建筑能源需求(10%?20% ?)。剩下的能量仍然需要来自某个地方。

  6. maine_tyler||# 9

    “即使我们改造了很多现有的建筑,我们仍然需要大量的太阳能来取代化石燃料。”

    同意了。

    “但我们也可以把太阳能放在停车场、建筑物、旧垃圾填埋场、高速公路交汇处、海洋驳船、沙漠、贫瘠土地等地方。”

    是的,这些都是好事,但要满足你所说的巨大需求是不现实的。我最近参加了一个关于这个话题的网络研讨会,那些非常精通这个问题的人基本上说,要建立我们需要的公用事业规模的项目,使用你提到的那些地方根本不会削减它。这并不是说它们不应该被使用,但它不会覆盖它。

    也许更重要的是,所有这些类型的太阳能开发成本更高,因此,除非我们采取激励/抑制措施进行干预,否则我们将无法实现这一目标——我不确定我们是否会大规模地看到这一点。

    我故意表现得有点消极。我并不是说太阳能/风能/电池将成为发展的末日,但我们应该现实地看待它们的非零(轻描淡写)影响。

    最终,一个更好的经济核算系统(碳定价和其他环境外部性)将更好地指导成本效益决策过程(更多的太阳能与其他替代方案,如改造和保留化石发电)。

    不管它在这里的表现如何,我真的一点也不反对风能和太阳能……我只是有点怀疑,如果我们把它看作是1:1的资本主义社会运作方式的替代品,它最终会给我们带来什么。

  7. jollygreenshortguy||# 10

    我正在为此挣扎。也许有人能澄清一下。
    他们还说,我们将需要比现在少得多的能源,因为我们不会把大部分能源转化为废热和二氧化碳,也就是所谓的“废弃能源”。但事实上,我们需要同样数量的有用能源,而且这种能源既不便宜,也不容易找到。”
    我将概述一个快速的比较,也许这将有所帮助。
    我们有两个车队,100辆耗油车和100辆电动车。我们的电源是PV。
    我们想让每个车队行驶100英里。
    我们是否需要为两支车队提供“相同数量的有用能源”?

    在基础物理中我们以相同的加速度在相同的距离上移动相同的质量。所以在这个层面上,答案似乎是肯定的。另一方面,电动车队确实少了很多被拒绝的能源。所以我们的能量输入也会少很多。

    我写错什么了吗?

    1. maine_tyler||# 11

      我确实认为他提出他的论点的方式有点令人困惑,但我的看法是,他只是说,即使我们有完美的100%输入到输出转换,我们仍然使用大量的能量。

      这是对的,但同样正确的是,消除被拒绝的能量块将大大减少我们目前的投入。

      问题在于,输入的性质完全改变了——有好有坏。

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