Residential heating, primarily powered by natural gas, accounts for a significant portion of residential sector energy use and carbon emissions in many parts of the world. Hence, there is a push towards decarbonizing residential heating by transitioning to energy-efficient heat pumps powered by an increasingly greener and less carbon-intensive electric grid. However, such a transition will add additional load to the electric grid triggering infrastructure upgrades, and subsequently erode the customer base using the gas distribution network. Utilities want to guide these transition efforts to ensure a phased decommissioning of the gas network and deferred electric grid infrastructure upgrades while achieving carbon reduction goals. To facilitate such a transition, we present a network-aware optimization framework for decarbonizing residential heating at city scale with an objective to maximize carbon reduction under budgetary constraints. Our approach operates on a graph representation of the gas network topology to compute the cost of transitioning and select neighborhoods for transition. We further extend our approach to explicitly incorporate equity and ensure an equitable distribution of benefits across different socioeconomic groups. We apply our framework to a city in the New England region of the U.S., using real-world gas usage, electric usage, and grid infrastructure data. We show that our network-aware strategy achieves 55% higher carbon reductions than prior network-oblivious work under the same budget. Our equity-aware strategy achieves an equitable outcome while preserving the carbon reduction benefits of the network-aware strategy.


翻译:以天然气为主要动力的住宅供暖,占世界许多地方住宅部门的能源使用和碳排放的很大一部分。因此,正在推动通过向节能热泵的过渡,实现住宅供暖脱碳化。但这种过渡将增加电网的负荷,引发基础设施升级,并随后通过天然气分配网络侵蚀客户基础。公用事业要指导这些过渡努力,以确保天然气网络分阶段退役,推迟电网基础设施升级,同时实现碳减排目标。为了促进这种过渡,我们提出了一个城市规模住宅供暖脱碳网络优化框架,目标是在预算限制下最大限度地减少碳。我们的方法是以天然气网络的图示形式运作,以计算转型和选择社区过渡的成本。我们进一步扩展了我们的方法,明确纳入公平,确保在不同社会经济群体之间公平分配利益。我们把框架应用到美国新英格兰地区的城市,利用真实的天然气使用、电利使用和电网化优化框架,在预算限制下实现最大程度的碳减排目标。我们在55个网络中实现了我们先前的碳减排战略。我们展示了我们在55个网络中实现成本减排战略。

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