为什么高效建筑是电网脱碳的关键

  电线穿过加利福尼亚州费尔菲尔德的一个住宅开发项目。（梅琳娜·玛拉//盖蒂图片社）

  不难理解为什么能源效率投资将使家庭、办公室、商店和其他建筑物的脱碳变得更容易。不太明显但同样重要的是，更高效、更能响应电网的建筑在帮助缓解向无碳电网的过渡方面能发挥的作用。

  本周发布的一份报告进一步阐明了提高建筑物能源效率的前期投资与大幅度降低改用 100% 清洁电力的成本之间的关键关系。新报告还包括一些细节数据，以帮助公用事业公司和监督管理的机构将这些发现整合到他们的实际规划中。

  该报告来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室和能源咨询公司 Brattle Group，发现对商业和住宅建筑效率的大规模投资可以将到 2050 年实现全国无碳电力所涉及的电力系统年度成本降低多达 107 美元亿。与一切照旧的情况相比，这将使该国电力供应脱碳的成本降低三分之一以上。

  这些节省将需要对能源效率进行大量投资，并为建筑物配备所需的技术，以根据太阳能和风能的起伏来改变电力使用，这种能力被称为“需求灵活性”。

  即使在到 2050 年实现 80% 无碳电网的情景下，建筑升级节省的电网升级成本也超过了成本。在这两种情况下，能源效率 （EE） 和需求灵活性 （DF） 带来的电网节省都超过了建筑改进的成本。

  “如果我们现在能在使建筑物灵活性更好和高效方面取得进展，从长远来看，这将得到回报，“伯克利实验室研究科学家、该报告的主要作者贾里德·朗之万 （Jared Langevin） 说。

  Brattle Group 的负责人、报告的合著者 Ryan Hledik 同意，这些发现“突出了能源效率的重要性和更广泛地要求脱碳的灵活性，而不单单是在我们考虑建筑物脱碳时。这些投资是“使转型负担得起的关键”。

  更有利于电网的建筑与更便宜的清洁电网之间的联系相当简单。随着建筑物从化石燃料转向电加热和烹饪（这是减少碳排放的必要条件），它们需要提高电力的使用效率，以避免新的电力需求使电网不堪重负。

  可以将电力使用从电网紧张时期转移出来的技术，如智能恒温器控制的空调、电热水器、电网响应式冰箱、干衣机和洗碗机以及其他具有灵活性需求的工具，对于降低电网成本也至关重要。当极端天气将电网推向停电的边缘时，公用事业和电网运营商已经要求客户减少用电量，这样的做法被称为“需求响应”。

  这些需求管理技术的更具战略性的部署将减少对建造发电厂和电网基础设施的需求，以满足极高需求的罕见时刻，这可能占电网和发电厂总成本的四分之一。

  这些并不是新发现。公用事业公司和监督管理的机构已经在效率和需求灵活性方面做投资，作为新电网和发电投资的更便宜的“非电线替代方案”，尽管其速度比研究表明要充分挖掘其潜力所需的速度要慢得多。多年来，能源部一直在推动建筑物和电网之间的这种联系，作为其 Grid-Interactive Efficient Buildings Initiative 的一部分，该计划帮助资助了全国各地这些升级的试点项目。

  Brattle 之前与 DOE 的合作表明，到 2030 年，电网互动和高效建筑有可能节省 1000 亿至 2000 亿美元的电力系统成本。美国能源部使用来自劳伦斯伯克利国家实验室 （LBNL） 和其他几个国家实验室的数据来告知其目标，即到 2030 年将建筑行业的能源效率和需求灵活性比 2020 年的水平增加两倍。

  Langevin 和 Hledik 表示，LBNL 和 Brattle 最新的全国分析与过去的许多研究的不同之处在于，它依赖于更详细的数据，这一些数据与现实世界的电网建模过程相关联，并反映了建筑效率和电气化的真实趋势。这可能与试图获取建筑升级可以为其电网资本预算带来的全部价值的公用事业和监督管理的机构有关。

  “我们正试图以一种能用电力行业建模师和政策专家的语言来描述潜力，“Langevin 说。迄今为止，这在电网规划中基本上没有正真获得充分体现，但它“能够在一定程度上帮助公用事业方面的决策取得进展”。

  Hledik 说，目前，公用事业公司确实考虑将提高能源效率和需求灵活性作为其电网资本预算的一部分。但他们倾向于使用相当简单的方法来做到这一点。

  通常，他们会依靠历史数据来确定他们对未来建筑的期望，包括“一些不同的能源效率措施，这些措施在成本和节省方面看起来相似”。

  他指出，这是避免对效率投资的影响做出不切实际的假设的合理方法。但它也限制了规划者考虑新技术和逐步扩大的政策和经济驱动因素的不同组合影响的能力，这一些因素可能会使未来的建筑与过去的建筑的性能截然不同。

  他说，除了建模挑战之外，公用事业公司和监督管理的机构还对依赖客户在效率和负载转移方面做大规模投资持谨慎态度，因为这种投资将消除对新发电厂和更多电力线路的更多传统投资的需求。

  “他说，大多数公用事业和系统运营商传统上仍然更喜欢可以按下按钮并命令发电厂开始运行的资源。“他说，当谈到建筑效率和需求灵活性被认为是可靠的时，我们仍就有一些风险厌恶工作，以改变这种心态。 编译 陈讲运

  Langevin 说，这就是 LBNL 的数据集如此重要的原因——它能够在一定程度上帮助改变这种思维方法。新报告使用了一些目前可用的最详细的建筑能源数据，分解了一系列不同能源效率和需求灵活性措施对多种住宅和商业建筑类型的影响。该报告的模型还可以每年使用新数据来进行更新，这在某种程度上预示着使用它的电网规划者可以跟上建筑组合随时间的变化。

  他说，这包括“我们所说的行业级负载形状”——在电网区域层面以及小时级衡量数百种不同效率、电气化或灵活性措施的汇总、增量影响的衡量。在对高可再次生产的能源电网进行建模时，这种粒度水平至关重要，因为电网可能会因地理位置和一天中的时间而大幅度波动。尽管这种特异性很重要，但大多数公用事业规划者“还没见过这种级别的......在全国范围内的规划研究中表示的粒度。

  因此，新数据可以为公用事业公司及其州监督管理的机构，以及管理全国大片地区输电和发电规划的区域输电组织和独立系统运营商提供“一个很好的起点”，以了解提高效率和需求灵活性的机会，以便在其电网计划中发挥更大的作用。 他说。

  但是，公用事业公司、监督管理的机构和电网规划者如何相信所有这些建筑效率和需求灵活性投资实际上会以所需的规模出现，从而让他们放弃更昂贵但更熟悉的发电和电网容量投资呢？“这项工作的另一点新颖之处，”朗之万在谈到这份新报告时说，“是我们试图在自下而上的建模中反映的现实主义程度”。

  这种自下而上的建模包括地方、州和联邦能源效率以及建筑电气化政策的影响，包括《通货膨胀削减法案》带来的数十亿美元的税收抵免和激发鼓励措施。它还反映了现代建筑规范和标准，以及慢慢的变多更具成本效益和电网响应性的电加热和冷却系统，将跟着时间的推移鼓励更广泛的采用。

  “他说，美国已经采取了很多行动来推动建筑行业的脱碳。但大多数公用事业和电网规划仍然隐含地预测未来建筑能效部署的历史或当前水平。“我们没办法描述我们将看到更高水平的效率部署，不仅通过扩大的公用事业效率计划，还通过这一些其他部署杠杆。”

  如果公用事业公司和政策制定者希望充分的利用更高效和电网互动式建筑的成本削减价值，他们就没什么时间能浪费了。如果他们对建筑物真的慢慢的变高效和更好地满足需求灵活性缺乏信心，那么他们就必须建立所需的额外发电和电网容量，以满足他们在未来几年预期的峰值负载。这样做需要他们花钱，让更高效、更灵活的建筑能够在一定程度上帮助他们节省开支。

  Hledik 说，从长远来看，假如没有更高效和需求灵活的建筑，实现 100% 无碳电网的成本可能会变得高得令人望而却步。Brattle 的模型显示，“到 2035 年，你会说，好吧，化石发电已经消失了，我们正在建造的一切都是无碳的——我们应该全天候的灵活性”，以确保在所有条件下都能供电。

  正如许多大型高可再次生产的能源电网模型所表明的那样，Brattle 的模型表明，消除最后 20% 的电网碳排放是“当为所有新负载提供服务的成本变得很昂贵时”。

  Hledik 指出，这就是为什么升级建筑物如此重要的原因。电网限制已经阻碍了新的清洁能源项目的建设和连接。即使电网扩建项目能够克服许可挑战和公众反对，它们也在大多数情况下要十多年的时间才能从开始到完成。

  他说，面对扩大清洁能源供应系统的障碍，“电气化和能源效率成为跟上需求量开始上涨的一种方式”。“监督管理的机构将希望看到它以最实惠和最具成本效益的方式完成。”

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