Kompletně jsem přestavěl dům na elektřinu. Tady je návod, jak to fungovalo – a kolik to stálo

Kompletně jsem přestavěl dům na elektřinu. Tady je návod, jak to fungovalo – a kolik to stálo

Barry Cinnamon je generální ředitel kalifornské společnosti Cinnamon Energy Systems.

***

Tento článek píšu v San Jose pod rudou oblohou připomínající Mars, na kterou občas padá lehký popel a ve vzduchu je slabě cítit kouř. Sluneční výkon klesl o 60 procent, přestože požáry hoří nejméně 50 mil odsud.

Někteří lidé říkají, že je to nový normál. Se vší pravděpodobností se situace ještě zhorší, protože zažijeme více extrémních povětrnostních jevů a hladina moří se zvedne kvůli tání ledovců. Mnoho lidí v Kalifornii je doslova bez energie, protože naše infrastruktura veřejných služeb nedokáže držet krok s důsledky klimatických změn, které jsou umocněny rostoucími potřebami naší společnosti v oblasti elektrické energie.

Naštěstí díky v současnosti dostupným technologiím solárních panelů, baterií a tepelných čerpadel může být každá budova pod dvěma patry se slunnou střechou čistým výrobcem energie – v podstatě negativním zdrojem uhlíku. Navíc díky bateriím připojeným k síti mohou budovy snadno zajistit odolnost, kterou naše síť potřebuje při nedostatku energie a výpadcích.

Altruismus stranou, výroba energie je pro stávající budovy levnější než její úspora. Je nákladově efektivnější přidat solární energii a úložiště než zlepšit účinnost pláště budovy nebo vyměnit stávající zařízení HVAC před koncem jeho životnosti za nové vysoce účinné zařízení.

Čas spálit ten most k zemnímu plynu

Bývalý americký ministr energetiky Ernest Moniz umístil zemní plyn jako most k obnovitelným zdrojům. Tento most jsme překročili; obnovitelné zdroje energie na místě jsou nyní levnější než zemní plyn pro všechny aplikace s výjimkou průmyslového procesního tepla a dálkové nákladní dopravy.

Lidstvo čelí nouzové situaci v oblasti klimatických změn „všichni na palubu“. Vzhledem k tomu, že střešní solární zařízení a úložiště lze instalovat rychle a levně, neměli bychom se zastavit u nulových emisí uhlíku – měli bychom usilovat o to, aby všechny budovy byly co nejrychleji uhlíkově negativní.

Ekonomika zákazníků pro obnovitelné zdroje na místě je přesvědčivá. Vezměme si dům, který ročně spotřebuje na vytápění 1 000 tepelných jednotek zemního plynu; při ceně 2 USD za tepelnou jednotku to vychází na 2 000 USD ročně. Současná tepelná čerpadla by k zajištění stejného množství tepla spotřebovala 8 300 kilowatthodin ročně; při ceně 0,30 USD/kWh to vychází na přibližně 2 500 USD za elektřinu.

Při zapojení střešní solární energie s průměrnou sazbou 0,10 USD/kWh by však roční provozní náklady na tepelné čerpadlo činily 830 USD. Podobná energetická matematika také ukazuje, že ohřívač vody s tepelným čerpadlem je lepší než ohřívač vody na zemní plyn.

Překonání naší závislosti na fosilních palivech je výzvou, protože budovy představují 28 % celkové spotřeby energie v Kalifornii. Bohužel literatura o reálných případech elektrifikace stávajících budov je omezená. Je elektrifikace modernizace praktická, nákladově efektivní a pohodlná? Je možné, aby budovy vyráběly veškerou energii, kterou ročně potřebují?

Abych to zjistil, pustil jsem se do projektu kompletní přestavby 50 let starého domu v San Jose na elektřinu. Už žádná fosilní paliva.

Po cestě jsem narazil na několik překážek, ale také na několik velmi pozitivních překvapení. V následující diskusi jsou tyto zkušenosti s elektrifikací domu rozděleny do tří základních etap: příprava, výroba a konverze.

Podrobnosti jsou uvedeny v následující tabulce a v diskusi pod ní.

Příprava: Nízko visící ovoce

Obvyklá moudrost doporučuje začít energetickým auditem. Programy energetických auditů používám již více než 40 let, včetně programu DOE Home Energy Advisor. Bohužel tyto programy málokdy zohledňují místní sazby za energie, pobídky na solární energii a úložiště a klesající náklady na solární energii a úložiště, stejně jako nové technologie tepelných čerpadel a spotřebičů.

Moje opačná rada zní: vykašlete se na energetický audit a místo toho se zaměřte na nízko visící ovoce – obecně na LED osvětlení, utěsnění netěsných oken, dveří a potrubí a efektivní provoz elektrických spotřebičů v době, kdy jsou sazby za elektřinu nejnižší.

Naproti tomu existují některé produkty a služby, které poskytují hlášení o spotřebě elektřiny v reálném čase; tyto služby jsou docela užitečné při zjišťování a následném snižování spotřeby elektřiny v budově.

Pro tento projekt nemělo ekonomický smysl znovu izolovat stěny nebo modernizovat zbývající okna s jedním sklem. Byla však vysáta stará izolace podkroví a přidáno 18″ foukané celulózy, čímž se hodnota R zvýšila z méně než 7 na 60.

Nebylo od věci vyměnit všechny žárovky a CFL za LED. Staré jednorychlostní bazénové čerpadlo bylo nahrazeno novým čerpadlem s proměnlivými otáčkami, které je tak tiché, že může být provozováno v noci, kdy byly nízké sazby za elektřinu. Eliminace upíří zátěže, používání zpětného termostatu a provoz spotřebičů v době mimo špičku přinesly další úspory.

Generace: Solární energie a skladování

Po provedení snadných a levných opatření na zvýšení energetické účinnosti je téměř ve všech případech dalším krokem výroba elektřiny pomocí střešního solárního systému. Návratnost těchto systémů je rychlejší než při modernizaci funkčních spotřebičů, dodatečné izolaci stěn nebo výměně dveří a oken.

Protože nebyly k dispozici údaje o předchozí spotřebě energie v domě, bylo odhadnuto, že přibližně 10 kW střešní fotovoltaické elektrárny by vedlo k nulovému účtu za elektřinu – včetně HVAC, ohřevu vody, vaření, bazénových čerpadel a jednoho elektromobilu. Nainstaloval jsem také 20 kWh úložiště energie a dva střídače (jeden s možností nabíjení elektromobilů).

Současné sazby za elektřinu jsou 0,48 USD/kWh od 16 do 21 hodin a 0,17 USD/kWh ve většině ostatních časů. Ukládáním solární energie do baterie během dne (namísto jejího prodeje zpět do sítě za nižší polední sazby) a následným využitím této energie v noci se zákazníci s baterií mohou efektivně vyhnout vysokým sazbám za elektřinu ve špičce. Navíc je zde zřejmá výhoda záložního napájení nezbytných spotřebičů v domácnosti během výpadků proudu způsobených poruchami energetických zařízení, požáry a přerušením dodávky elektřiny pro veřejnou bezpečnost.

Přeměna: Výměna všech plynových spotřebičů

Zřídkakdy je nákup nových, vysoce účinných spotřebičů nákladově efektivní, aby nahradil stávající funkční spotřebiče. Lepší je počkat, až staré spotřebiče odejdou, pokud není účinnost stávajících spotřebičů extrémně nízká nebo pokud neexistují jiné důvody (například pohodlí, hluk nebo přesvědčivé ekologické viny).

V rámci přípravy tohoto projektu kompletní elektrifikace byl původní 200ampérový hlavní servisní panel modernizován na nový servisní panel „připravený na solární energii“. Protože tato práce byla provedena současně s instalací solárních panelů a baterií, uplatnila se na tuto modernizaci federální daňová úleva.

Ačkoli stávající plynová pec byla funkční, kompresor klimatizace nepracoval spolehlivě a potrubí v domě bylo ve špatném stavu. Pro zajištění vytápění i klimatizace byl instalován dvouzónový systém tepelného čerpadla spolu se dvěma ventilátorovými jednotkami, novým potrubím a dvěma termostaty připojenými k internetu.

Všimněte si, že se nejednalo o „dělený“ bezkanálový systém, ale o tradiční potrubní systém využívající stávající uspořádání větracích otvorů v každé místnosti. V provozu je tento vysoce účinný systém HVAC založený na invertorech téměř neslyšitelný. Navíc venkovní kompresorová jednotka zabírala méně místa než stávající válcový kompresor klimatizace a odstraněním staré plynové pece a větracího systému se uvolnil další prostor v garáži.

San Jose má program slev na podporu instalace ohřívačů vody s tepelným čerpadlem. Stávající 65galonový plynový ohřívač vody byl nahrazen 65galonovým ohřívačem vody s tepelným čerpadlem. Vzhledem k tomu, že časové sazby poskytovaly další výhody pro praní prádla v době mimo špičku, byla plynová sušička nahrazena elektrickou sušičkou.

Po provedení těchto změn spotřebičů zůstala v domě jediným plynovým spotřebičem stará plynová varná deska. Místo tohoto plynového sporáku byla instalována indukční varná deska, čímž byla elektrifikace domu dokončena. Zůstaly však dva zřídka používané venkovní plynové spotřebiče: plynový ohřívač bazénu/lázní a plynový gril. Vzhledem k tomu, že tyto plynové spotřebiče, které znečišťují životní prostředí, se používají jen zřídka – a protože neexistují žádné přesvědčivé elektrické možnosti – byly ponechány na místě.

Poučení

• Domy, které jsou plně elektrifikovány – HVAC s tepelným čerpadlem, ohřívač vody s tepelným čerpadlem, elektrický sporák/trouba, elektrická sušička, solární zařízení, úložiště, elektromobil – si nevystačí s menšími 100ampérovými nebo 125ampérovými elektrickými službami. Náklady pro jednotlivé spotřebitele se mohou pohybovat od 5 000 USD za jednoduchou modernizaci elektrických služeb až po částku výrazně přesahující 20 000 USD, pokud je třeba aktualizovat podzemní vedení nebo transformátory. Typické jsou počáteční poplatky za inženýrské služby a zpoždění v délce šesti a více měsíců. Města a státy, které plánují elektrifikaci stávajících budov, musí najít způsoby, jak aktivně zefektivnit a snížit náklady na modernizaci elektrických služeb. Žádný majitel domu by při zdravém rozumu nečekal tři až šest měsíců bez tepla nebo teplé vody kvůli modernizaci elektrické sítě. Jednoduše vymění nefunkční spotřebiče na zemní plyn za nové.

• Technologie tepelných čerpadel rychle pokročila. Dodavatelé HVAC však nemusí rozumět problematice integrace se solární energií, akumulací a záložním napájením. Některé nabídky, které jsem obdržel, doporučovaly záložní vytápění zemním plynem nebo elektřinou a také starší a méně účinnou technologii tepelných čerpadel, která by při výpadku proudu nefungovala. Instalované vícezónové tepelné čerpadlo s invertorem je kompaktní a účinné a má nízký odběr provozního a spouštěcího proudu.

• Inženýři někdy zaměňovali ohřívače vody s tepelným čerpadlem za bleskové ohřívače vody nebo běžné elektrické zásobníkové ohřívače vody (které jsou v některých oblastech skutečně zakázané). Instalace ohřívače vody s tepelným čerpadlem může vyžadovat dodatečný 30ampérový elektrický okruh, což je elektroinstalační práce, která je mimo rozsah práce běžných instalatérů.

• Vypočítání velikosti solárního systému je poměrně snadné, pokud se použijí historické údaje o spotřebě energie. Složitější inženýrské výpočty jsou nutné ke stanovení dodatečného solárního výkonu, který je zapotřebí, pokud se uvažuje o ohřevu vody tepelným čerpadlem, systému HVAC nebo elektromobilu. Při návrhu bateriového systému je třeba vzít v úvahu jak výkon dostupný z baterie, tak i energetickou kapacitu baterie, přičemž tyto požadavky na výkon/energii závisí na velikosti solárního systému i na spotřebičích, u nichž se předpokládá, že budou v provozu při výpadku proudu.

• Ačkoli je hardware pro plně elektrické domy spolehlivý, většina softwaru a komunikačních protokolů je stále v raném stádiu. Tyto systémy (a jejich příslušné aplikace pro mobilní telefony) spolu málokdy komunikují. Největší problémy v tomto projektu se týkaly konfigurace těchto aplikací a jejich spolehlivé komunikace.

• Na tomto projektu pracovalo sedm různých typů specializovaných dodavatelů: izolační, bazénové, elektrické, solární/skladovací, HVAC, instalatérské a tesařské práce. Majitelé domů, kteří nejsou obeznámeni s technickými kompromisy, by měli zvážit najmutí konzultanta, který se vyzná v dostupných možnostech zařízení, stejně jako v místních předpisech, sazbách za elektřinu a pobídkách.

• Komfort a bezpečnost se v tomto projektu výrazně zlepšily. Elektrický systém je bezpečnější; HVAC, ohřev vody a vaření nevytvářejí žádné emise ani nebezpečí požáru; vytápění a chlazení jsou tiché a pohodlnější; a záložní napájení je automatické, tiché a bezpečné.

• Po jednom roce provozu je jasné, že střešní solární systém o výkonu 10 kW by byl správnou velikostí. Během instalace však byly nainstalovány další panely, čímž se velikost systému zvýšila na 12,8 kW. Po prvním roce systém vyrobil 17 404 kWh s přebytkem 7 788 kWh podle vyúčtování za služby. Přebytečné energie by bylo mnohem méně, kdyby se doma nabíjely dva elektromobily, a ne jeden. Zásobník energie o kapacitě 20 kWh poskytl dostatečnou kapacitu, aby se zabránilo špičkové spotřebě energie v 335 z 365 dnů v roce. Pouze ve velmi horkých, zakouřených nebo zamračených dnech bylo nutné ve špičce odebírat energii z veřejných zdrojů.

Politická doporučení

Hmatatelné dopady změny klimatu nutí Kalifornii elektrifikovat budovy a dopravu ve stále kratším časovém horizontu. Je třeba nahradit všechny plynové spotřebiče a nezbytná je také levná a spolehlivá elektřina. Nejrychlejším a nejlevnějším prostředkem k dosažení tohoto cíle je modernizace stávajících budov pomocí solárních panelů a úložišť na místě. Vzhledem k tomu, že přírůstkové náklady na přidání dalších solárních panelů a úložišť jsou relativně nízké, je podpora budov, aby se staly uhlíkově negativními, prospěšná pro životní prostředí, síť i poplatníky.

Efektivní přechod tohoto rozsahu urychluje příznivá ekonomika zákazníků. Z finančního hlediska je k dispozici soukromý kapitál od vlastníků budov i bankovního sektoru. Tento přechod je však zdržován a odsouván na vedlejší kolej zavedenými energetickými společnostmi. Touha investorských utilit generovat rostoucí zisky je v zásadním rozporu s potřebou Kalifornie rychle přejít na bezpečnou a cenově dostupnou elektřinu; jediným řešením je přepracovat obchodní model utilit – což není snadný úkol.

Reálná zjištění z tohoto projektu navrhují tři klíčové politiky pro zlepšení ekonomiky a urychlení elektrifikace budov:

1. Spravedlivá kompenzace hostitelských zákazníků

Zákazníci a investoři musí nadále dostávat spravedlivou kompenzaci za energii (kWh) i výkon (kW), které dodávají do sítě. Měli by být kompenzováni za investice, které vložili do solárních a akumulačních systémů, zejména proto, že tyto miliony solárních a bateriových systémů poskytují energii a výkon při nedostatku energie a výpadcích. Ztracené zisky investorů energetických společností by neměly být používány jako důvod pro zvyšování nákladů zákazníků – zejména když existují rychlejší a levnější alternativy pro poplatníky.

1. Odstranit papírování, zjednodušit pobídky, automatizovat propojení

Tyto zbytečné byrokratické náklady přidávají projektům elektrifikace 30 a více procent, zejména těm, které se týkají zlepšení, jež komunikují s elektrickou sítí. Řízení pobídek a propojení je třeba vyjmout z rukou zavedených průmyslových odvětví, která jsou zjevně proti těmto opatřením v oblasti samovýroby a úspor. Je absurdní, že podniky ve vlastnictví investorů tak záměrně a efektivně špatně řídí pobídkové programy, že náklady na zpracování těchto dokumentů často převyšují hodnotu samotné pobídky. Pro projekty baterií je typické zpoždění připojení o čtyři až šest měsíců, což úměrně snižuje finanční přínosy pro zákazníky (pětiměsíční zpoždění s účtem za elektřinu ve výši 300 dolarů znamená, že dalších 1 500 dolarů připadne energetické společnosti, místo aby je zákazník ušetřil).

1. Modernizace elektrické infrastruktury v domácnostech

Proces modernizace elektrických služeb v domácnostech je nefunkční a musí být přepracován. Když majiteli domu odejde ohřívač vody nebo pec, nebo si pořídí elektromobil, nebo si chce nainstalovat střešní solární zařízení pro pokrytí všech (nebo více) svých elektrických potřeb, nebo si chce nainstalovat baterii pro záložní napájení a podpůrné služby sítě, nemůže čekat půl roku a utratit až 20 000 dolarů, než se jeho energetická společnost dostane k modernizaci služby. Tyto dodatečné náklady a zpoždění často zcela zmaří snahu majitelů domů o elektrifikaci. Lepším postupem pro vlády by bylo koordinovat modernizaci elektrických služeb pro skupiny blízkých domů. Majitelé domů by se nemuseli orientovat v nepřehledném souboru pravidel energetických společností a měst pro modernizaci, mohl by být vybrán jeden dodavatel, který by provedl nákladné podzemní a vzdušné elektrické práce v sousedství, a majitelé domů by pak mohli elektrifikovat své domy, kdy se jim to hodí.

Urychlením přechodu Kalifornie na elektrifikaci máme potenciál vyhnout se nejhorším dopadům globálního oteplování a zároveň zlepšit životní prostředí a ekonomiku. Dobrou zprávou je, že technologie i ekonomika jsou pro podporu tohoto elektrifikačního úsilí připraveny.