För att förbereda en urban tillströmning på 2,5 miljarder människor fram till 2050 är det viktigt att skapa städer som är koldioxidsnåla, motståndskraftiga och livsdugliga. Städerna bidrar inte bara till den globala klimatförändringen genom att släppa ut merparten av de antropogena växthusgaserna, utan är också särskilt sårbara för effekterna av klimatförändringarna och extrema väderförhållanden. Vi utforskar alternativ för att etablera hållbara energisystem genom att minska energiförbrukningen, särskilt inom byggnads- och transportsektorerna, och tillhandahålla robusta, decentraliserade och förnybara energikällor. Genom tekniska framsteg i krafttäthet kommer stadsintegrerad förnybar energi att vara bättre lämpad för att tillgodose de höga energibehoven i växande stadsområden. Flera ekonomiska, tekniska, beteendemässiga och politiska utmaningar måste övervinnas för innovation för att förbättra hållbarheten i städerna. S ince 2007 har en större andel av världens befolkning bott i stadsområden än i landsbygdsområden. En ökad urbanisering förväntas fortsätta, med två tredjedelar av världens befolkning som beräknas bo i stadsområden fram till 2050, en nettoinströmning av städer på 2,5 miljarder människor (1). Städerna i dag är i allmänhet inte utrustade för att hantera den dramatiska stadstillväxten och belastningen på befintlig infrastruktur på ett hållbart sätt, särskilt när det gäller deras energisystem. För att städerna ska vara hållbara måste de själva, eller i de resurser de har, bli koldioxidsnåla, motståndskraftiga och livsdugliga (2). Även om metoderna för utvärdering av städernas utsläppsavtryck kan variera avsevärt (3), med 54 % av befolkningen i stadsområdena, beräknas städerna för närvarande stå för 60–70 % av de antropogena utsläppen av växthusgaser (4). De två huvudstrategierna för övergången till en stad med låga koldioxidutsläpp är att övergå från fossila bränslen till renare energikällor och att minska energiförbrukningen i städerna. Den koldioxidsnåla övergången kan åstadkommas genom energieffektivitetsåtgärder, beteendeåtgärder, och införliva kolsänkor såsom urbana parker. Städerna och deras energisystem bör också vara motståndskraftiga mot naturliga och mänskliga hot (2). Städernas energisystem blir allt mer sårbara för effekterna av klimatförändringar och extrema väderförhållanden, inklusive stormar, översvämningar och höjda havsnivåer samt naturkatastrofer och katastrofer orsakade av människor. Dessutom påverkar energisystemen i städerna direkt stadsbornas välbefinnande och lycka. Hälsovillkor, ekonomisk konkurrenskraft, kulturell dragningskraft och social, könsmässig och rasmässig jämlikhet påverkas av högenergisektorer som transport, livsmedelsproduktion och vattenkvalitet. Här utvärderar vi några av de mer lovande tekniska framstegen som kan hjälpa stadsområdena att bli hållbara städer. Det finns många möjligheter, men med fokus på stadsintegrerad förnybar energi definierad som distribuerad, icke-fossil bränsleenergi som genereras lokalt i stadsområden-har potential att hjälpa städer att uppfylla flera hållbarhetsbehov. Många av dessa förnybara energikällor ökar det regionala energioberoendet och kan vara överflödiga med andra källor, vilket ökar motståndskraften. Även om det finns flera befintliga hinder för deras antagande kommer lösningarna att innebära ökad effekttäthet hos teknik för förnybar energi, förbättrad infrastruktur som kan stödja omfattande integrerade energiproduktionssystem och ökad energieffektivitet i städerna, särskilt inom byggnadssektorn. Omkring 75 % av den energi som genereras globalt förbrukas i städer (5). Att generera stadsintegrerad energi på platsen för energianvändning skulle i hög grad kunna bidra till de miljömässiga, ekonomiska och sociala aspekterna av hållbarhet i städerna. Fyra karakteristiska fördelar med sådana distribuerade energisystem är förmågan att i) erbjuda låga till inga koldioxidutsläpp, ii) kompensera kapitalintensiva investeringar för nätuppgraderingar, iii) ge lokal energioberoende och nätsäkerhet, och iv) motivera socialt kapital och sammanhållning (6). Med ett begränsat tillgängligt installationsutrymme innebär produktion av förnybar energi inom stadsområden särskilda utmaningar. Vi använder balansen mellan städernas höga energibehov och den tillgängliga energitätheten från förnybara energikällor som utgångspunkt för ett analytiskt ramverk för minskade koldioxidutsläpp i stadsområden (Fig. 1).................................................................. I de vågor av innovation som kommer att behövas kan dock strategier som sträcker sig från rymdbaserad solenergi till små modulära kärnkraftssystem, djupa geotermiska system och andra genereringsalternativ förändra energilandskapet. Förutom att minska utsläppen av växthusgaser kan dessa strategier minska förbrukningen av vatten, luft och andra resurser. Den senaste tidens ekonomiska och tekniska framsteg har gjort stadsintegrerad solenergi allt mer attraktiv. Sedan 2010 har det installerade priset på solenergi sjunkit med så mycket som 50 % (7). Trots betydande ekonomiska framsteg och förväntad kostnadsjämlikhet med fossila bränslen har teknik för förnybar energi ofta kritiserats för sin låga effekttäthet, vilket gör dem olämpliga för urbana tillämpningar. Konservativa uppskattningar av solcellers effekttäthet är omkring 10 W/m 2 (8), förutsatt att en genomsnittlig direkt solstrålning på 100 W/m 2, vilket är typiskt för Förenade kungariket, och en solcellseffektivitet på 10%. Solresursen är dock starkt regionberoende, och i vissa regioner kan den årliga direkta solstrålningen överstiga 300 W/m 2 (9). Många av de regioner som förväntas uppleva den största ökningen av urbaniseringen ligger i solrika regioner. Till exempel upplever majoriteten av den totala landytan i Indien en årlig direkt solstrålning på över 200 W/m 2 (10). Dessutom har effektiviteten hos solceller ökat stadigt och har redan överträffat 40 % i laboratoriet med hjälp av koncentrerade multikulturceller (11). Under optimala förhållanden kan därför solcellers effekttäthet överstiga 120 W/m 2. Flera studier har uppskattat solcellspotentialen i befintliga städer. Stadsintegrerade solceller kan tillgodose 62 % av de nuvarande elbehoven i Oeiras i Portugal (12) och 66 % av elbehoven i Bardejov i Slovakien (13). Hög effektivitet kommersiellt tillgängliga solceller endast på lämpliga tak kunde tillgodose 19,7 till 31,1 % av den dagliga efterfrågan på el och 47,7 till 94,1 % av den högsta efterfrågan på el i Mumbai, Indien (10). Med 20 % antagandegrad skulle soldrivna urbana mikrogrider kunna minska efterfrågan på elnät i Cambridge, MA, till nästan noll vid middagstid (14). Uppvärmningen står för 40–50 % av den globala energiefterfrågan och 75 % av energiefterfrågan inom byggnadssektorn (15). Urban solenergi, särskilt för rums- och hushållsvattenuppvärmning, har varit ett särskilt forskningsintresse. Med effektivitet upp till 80 % (15) erbjuder solvarmvattensystem en värmeeffekttäthet på upp till 240 W t/m 2 under optimala förhållanden (W t, Watt-termal), medan den globala genomsnittliga värmeeffekttätheten hos solfångare är 67 W t/m 2 (16). Eftersom solvärmda varmvattenberedare är billiga och kompakta visade en undersökning att 84 % av hushållen i Kina kunde installera systemet på sina tak (17). Solvärme används också för passiv och aktiv rumsuppvärmning. En undersökning av fem australiensiska städer visade att användningen av en trombemur kunde ge energibesparingar på upp till 17 procent (18). Säsongsbunden solvärmelagring är en metod som lagrar solvärme som samlas in under sommaren för uppvärmning under de kallare månaderna. Denna teknik står för upp till 91 % av det totala energibehovet i ett stort bostadshus i Richmond, VA (19). Solresursens exploateringsförmåga påverkas i hög grad av stadsformen. Även om högre byggnader erbjuder högre förhållande mellan yta och volym, vilket möjliggör ökad fasadintegrerad solenergi, ökar de också risken för vertikal obstruktion och skuggning (20). Även om byggnaden fasader ger nästan tredubbla området av byggnad tak, de
Kammen och Sunter utforskade alternativ för att etablera hållbara energisystem genom att minska energiförbrukningen, särskilt inom byggnads- och transportsektorerna REF.
City-integrated renewable energy for urban sustainability
{'venue': 'Science', 'journal': 'Science', 'mag_field_of_study': ['Business', 'Medicine']}