Na corrida para reduzir as emissões de carbono que causam o aquecimento global, o setor de edifícios está ficando para trás. Enquanto as emissões de dióxido de carbono (CO 2 ) no setor de energia elétrica dos EUA caíram 34% entre 2005 e 2021, as emissões no setor de edifícios diminuíram apenas 18% no mesmo período. Além disso, em locais extremamente frios, a queima de gás natural para aquecer casas pode constituir uma parcela substancial do portfólio de emissões. Portanto, medidas para eletrificar edifícios em geral, e aquecimento residencial em particular, são essenciais para descarbonizar o sistema de energia dos EUA.

Mas essa mudança aumentará a demanda por eletricidade e diminuirá a demanda por gás natural. Qual será o impacto líquido dessas duas mudanças nas emissões de carbono e no custo da descarbonização? E como os setores de energia elétrica e gás natural lidarão com os novos desafios envolvidos em seu planejamento de longo prazo para futuras operações e investimentos em infraestrutura?

Um novo estudo feito por pesquisadores do MIT com o apoio do MIT Energy Initiative (MITEI) Future Energy Systems Center desvenda os impactos de vários níveis de eletrificação do aquecimento residencial nos sistemas conjuntos de energia e gás natural. Uma estrutura de modelagem especialmente elaborada permitiu que eles estimassem não apenas os custos e emissões adicionais para o setor de energia para atender à nova demanda, mas também quaisquer mudanças nos custos e emissões resultantes para o setor de gás natural.

As análises trouxeram alguns resultados surpreendentes. Por exemplo, elas mostram que — sob certas condições — mudar 80% das casas para aquecimento por eletricidade poderia cortar as emissões de carbono e, ao mesmo tempo, reduzir significativamente os custos nos setores combinados de gás natural e energia elétrica em relação ao caso em que há apenas uma mudança modesta. Esse resultado depende de duas mudanças: os consumidores devem instalar bombas de calor de alta eficiência, além de tomar medidas para evitar perdas de calor em suas casas, e os planejadores nos setores de energia e gás natural devem trabalhar juntos para tomar decisões de infraestrutura e operações de longo prazo. Com base em suas descobertas, os pesquisadores enfatizam a necessidade de políticas estaduais, regionais e nacionais fortes que incentivem e apoiem as etapas que os proprietários de imóveis e planejadores da indústria podem tomar para ajudar a descarbonizar o setor de construção de hoje.

Para analisar os impactos da eletrificação do aquecimento residencial nos custos e emissões nos setores combinados de energia e gás, uma equipe de especialistas do MIT em tecnologia de construção, modelagem de sistemas de energia, técnicas de otimização e mais desenvolveu uma estrutura de modelagem de duas partes. Os membros da equipe incluíam Rahman Khorramfar , um pós-doutorado sênior no MITEI e no Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS); Morgan Santoni-Colvin SM '23, um ex-assistente de pesquisa de pós-graduação do MITEI, agora um associado na Energy and Environmental Economics, Inc.; Saurabh Amin , um professor no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental e pesquisador principal no LIDS; Audun Botterud , um cientista pesquisador principal no LIDS; Leslie Norford , um professor no Departamento de Arquitetura; e Dharik Mallapragada , um ex-cientista pesquisador principal do MITEI, agora um professor assistente na New York University, que liderou o projeto. Eles descrevem seus novos métodos e descobertas em um artigo publicado no periódico Cell Reports Sustainability em 6 de fevereiro.

O primeiro modelo na estrutura quantifica como vários níveis de eletrificação mudarão a demanda de uso final por eletricidade e gás natural, e os impactos de possíveis medidas de economia de energia que os proprietários podem tomar para ajudar. “Para realizar essa análise, construímos um modelo 'de baixo para cima' — o que significa que ele analisa o consumo de eletricidade e gás de edifícios individuais e, em seguida, agrega seu consumo para obter uma demanda geral por energia e gás”, explica Khorramfar. Ao assumir uma ampla gama de “arquétipos” de construção — ou seja, agrupamentos de edifícios com características físicas e propriedades semelhantes — juntamente com tendências no crescimento populacional, a equipe poderia explorar como a demanda por eletricidade e gás natural mudaria em cada um dos cinco caminhos de eletrificação assumidos: “negócios como de costume” com eletrificação modesta, eletrificação média (cerca de 60% das casas são eletrificadas), alta eletrificação (cerca de 80% das casas fazem a mudança) e eletrificação média e alta com “melhorias de envelope”, como vedação de  vazamentos de calor e adição de isolamento.

A segunda parte da estrutura consiste em um modelo que pega os resultados de demanda do primeiro modelo como entradas e “cootimiza” o sistema geral de eletricidade e gás natural para minimizar o investimento anual e os custos operacionais, ao mesmo tempo em que adere a quaisquer restrições, como limites de emissões ou disponibilidade de recursos. A estrutura de modelagem permite, portanto, que os pesquisadores explorem o impacto de cada caminho de eletrificação na infraestrutura e nos custos operacionais dos dois setores que interagem.

Como estudo de caso, os pesquisadores escolheram a Nova Inglaterra, uma região onde o clima às vezes é extremamente frio e onde a queima de gás natural para aquecer casas contribui significativamente para as emissões gerais. “Os críticos dirão que a eletrificação nunca vai acontecer [na Nova Inglaterra]. É muito caro”, comenta Santoni-Colvin. Mas ele observa que a maioria dos estudos se concentra no setor elétrico isoladamente. A nova estrutura considera a operação conjunta dos dois setores e, em seguida, quantifica seus respectivos custos e emissões. “Sabemos que a eletrificação exigirá grandes investimentos na infraestrutura elétrica”, diz Santoni-Colvin. “Mas o que não foi bem quantificado na literatura é a economia que geramos no lado do gás natural ao fazer isso — então, a economia no nível do sistema.”

Usando sua estrutura, a equipe do MIT realizou execuções de modelos visando uma redução de 80% nas emissões do setor de construção em relação aos níveis de 1990 — uma meta consistente com as metas de política regional para 2050. Os pesquisadores definiram parâmetros, incluindo detalhes sobre arquétipos de construção, o sistema regional de energia elétrica, sistemas de geração renováveis existentes e potenciais, armazenamento de bateria, disponibilidade de gás natural e outros fatores-chave que descrevem a Nova Inglaterra.

Eles então realizaram análises assumindo vários cenários com diferentes misturas de melhorias residenciais. Enquanto a maioria dos estudos assume o clima típico, eles desenvolveram 20 projeções de dados climáticos anuais com base em padrões climáticos históricos e ajustados para os efeitos das mudanças climáticas até 2050. Eles então analisaram seus cinco níveis de eletrificação.

Em relação às projeções de negócios como de costume, os resultados da estrutura mostraram que a alta eletrificação do aquecimento residencial poderia mais do que dobrar a demanda por eletricidade durante os períodos de pico e aumentar a demanda geral de eletricidade em cerca de 60%. Assumir que as melhorias no envoltório do edifício sejam implantadas em paralelo com a eletrificação reduz a magnitude e a sensibilidade climática das cargas de pico e cria ganhos gerais de eficiência que reduzem a demanda combinada de eletricidade mais gás natural para aquecimento residencial em até 30% em relação aos dias atuais. Notavelmente, uma combinação de alta eletrificação e melhorias no envoltório resultou no menor custo médio para o sistema geral de energia elétrica-gás natural em 2050.

Substituir os fornos e caldeiras de gás natural existentes por bombas de calor reduz o consumo geral de energia. Santoni-Colvin chama isso de “algo como um resultado intuitivo” que poderia ser esperado porque as bombas de calor são “muito mais eficientes do que os antigos sistemas de queima de combustível fóssil. Mas, mesmo assim, ficamos surpresos com os ganhos.”

Outros resultados inesperados incluem a importância de os proprietários fazerem melhorias mais tradicionais de eficiência energética, como adicionar isolamento e vedar vazamentos de ar — etapas apoiadas por políticas de desconto recentes. Essas mudanças são críticas para reduzir os custos que, de outra forma, seriam incorridos para atualizar a rede elétrica para acomodar o aumento da demanda. "Você não pode simplesmente ir à loucura instalando bombas de calor nas casas de todo mundo se também não estiver considerando outras maneiras de reduzir os picos de carga. Então, realmente requer uma abordagem 'tudo acima' para chegar ao resultado mais econômico", diz Santoni-Colvin.

Testar uma série de resultados climáticos também forneceu insights importantes. A demanda por combustível de aquecimento é muito dependente do clima, mas a maioria dos estudos é baseada em um conjunto limitado de dados climáticos — geralmente um "ano típico". Os pesquisadores descobriram que a eletrificação pode levar a eventos de pico de carga elétrica estendidos que podem durar alguns dias durante invernos frios. Consequentemente, os pesquisadores concluem que haverá uma necessidade contínua de uma fonte de eletricidade "firme e distribuível"; ou seja, um sistema de geração de energia que possa ser confiável para produzir energia sempre que necessário — ao contrário dos sistemas solar e eólico. Como exemplos, eles modelaram algumas tecnologias possíveis, incluindo usinas de energia alimentadas por um combustível de baixo carbono ou por gás natural equipadas com equipamento de captura de carbono. Mas eles apontam que não há como saber que tipos de geradores firmes estarão disponíveis em 2050. Pode ser um sistema que ainda não está maduro, ou talvez nem exista hoje.

Ao apresentar suas descobertas, os pesquisadores observam várias ressalvas. Por um lado, suas análises não incluem o custo estimado para os proprietários de imóveis da instalação de bombas de calor. Embora esse custo seja amplamente discutido e debatido, essa questão está fora do escopo do projeto atual.

Além disso, o estudo não especifica o que acontece com os gasodutos de gás natural existentes. “Algumas casas vão eletrificar e sair do sistema de gás e não terão que pagar por isso, deixando outras casas com tarifas crescentes porque o custo do sistema de gás agora tem que ser dividido entre menos clientes”, diz Khorramfar. “Isso inevitavelmente levantará questões de equidade que precisam ser abordadas pelos formuladores de políticas.”

Por fim, os pesquisadores observam que políticas são necessárias para impulsionar a eletrificação residencial. O suporte financeiro atual para instalação de bombas de calor e medidas para tornar as casas mais eficientes termicamente são um bom começo. Mas tais incentivos devem ser acoplados a uma nova abordagem para planejar investimentos em infraestrutura de energia. Tradicionalmente, o planejamento de energia elétrica e o planejamento de gás natural são realizados separadamente. No entanto, para descarbonizar o aquecimento residencial, os dois setores devem se coordenar ao planejar futuras operações e necessidades de infraestrutura. Os resultados da análise do MIT indicam que tal cooperação poderia reduzir significativamente tanto as emissões quanto os custos do aquecimento residencial — uma mudança que produziria um passo muito necessário em direção à descarbonização do setor de edifícios como um todo.