Jeg konverterede et hjem fuldstændigt til elektricitet. Her er hvordan det fungerede – og hvad det kostede

Jeg konverterede et hjem fuldstændigt til elektricitet. Her er hvordan det fungerede – og hvad det kostede

Barry Cinnamon er administrerende direktør for Cinnamon Energy Systems i Californien.

***

Jeg skriver dette i San Jose under en Marslignende rød himmel med let aske, der af og til falder ned, og en svag lugt af røg i luften. Solproduktionen er faldet med 60 procent, selv om de brande, der brænder, ligger mindst 80 km herfra.

Nogle siger, at dette er det nye normale. Efter al sandsynlighed vil tingene blive værre, efterhånden som vi oplever flere ekstreme vejrbegivenheder, og havniveauet stiger på grund af smeltende iskapper. Mange mennesker i Californien er bogstaveligt talt magtesløse, da vores forsyningsinfrastruktur ikke kan holde trit med virkningerne af klimaændringerne, som forstærkes af vores samfunds stigende behov for elektrisk energi.

Glædeligvis kan enhver bygning på under to etager med et solrigt tag med den i øjeblikket tilgængelige sol-, batteri- og varmepumpeteknologi blive en nettogenerator af energi – i det væsentlige kulstofnegativ. Desuden kan bygninger med nettilsluttede batterier nemt levere den modstandsdygtighed, som vores net har brug for under strømsvigt og strømafbrydelser.

Altruisme til side, er produktion billigere end bevarelse for eksisterende bygninger. Det er mere omkostningseffektivt at tilføje solceller og lagring end at forbedre effektiviteten af bygningens skal eller at udskifte eksisterende HVAC-udstyr inden dets levetid med nyt højeffektivt udstyr.

Tid til at brænde den bro til naturgas

Den tidligere amerikanske energiminister Ernest Moniz positionerede naturgas som broen til vedvarende energi. Vi har krydset den bro; vedvarende energikilder på stedet er nu billigere end naturgas til alle anvendelser undtagen industriel procesvarme og langdistancetransport.

Menneskeheden står over for en “alle mand på dæk” klimaændrings-nødsituation. Da solenergi og lagring på hustage kan installeres hurtigt og billigt, bør vi ikke stoppe ved nul kulstof – vi bør stræbe efter at gøre alle bygninger kulstofnegative så hurtigt som muligt.

Kundernes økonomi i forbindelse med vedvarende energi på stedet er overbevisende. Tænk på et hjem, der bruger 1 000 termer naturgas til rumopvarmning om året; med 2 $/therm svarer det til 2 000 $ om året. De nuværende varmepumper ville forbruge 8 300 kilowatttimer om året for at levere den samme mængde varme; til 0,30 $/kWh svarer det til ca. 2 500 $ for elektricitet.

Men med solvarme på taget i ligningen til en gennemsnitlig pris på 0,10 $/kWh ville de årlige driftsomkostninger for varmepumpen være på 830 $. Lignende energimæssige beregninger viser også, at en vandvarmer med varmepumpe er bedre end en vandvarmer med naturgas.

Overvinde vores afhængighed af fossile brændstoffer er udfordringen, da bygninger tegner sig for 28 procent af det samlede energiforbrug i Californien. Desværre er der kun begrænset litteratur om de virkelige tilfælde af elektrificering af eksisterende bygninger. Er en elektrificering eftermontering praktisk, omkostningseffektiv og komfortabel? Er det muligt for bygninger at generere al den energi, de har brug for på årsbasis?

For at finde ud af det gik jeg i gang med et projekt, der gik ud på at omlægge et 50 år gammelt hus i San Jose helt til elektricitet. Ikke flere fossile brændstoffer.

Undervejs stødte jeg på et par snublesten, men fik også nogle meget positive overraskelser. I den følgende diskussion er disse erfaringer med elektrificering af bygninger delt op i tre grundlæggende faser: forberedelse, produktion og konvertering.

Detaljerne fremgår af følgende tabel og af diskussionen nedenfor.

Forberedelse: Lavthængende frugter

Konventionel visdom foreslår, at man starter med en energirevision. Jeg har brugt energirevisionsprogrammer i over 40 år, herunder DOE’s Home Energy Advisor-program. Desværre tager disse programmer sjældent højde for lokale forsyningspriser, incitamenter til solceller og lagring og faldende omkostninger til solceller og lagring samt ny varmepumpe- og apparatteknologi.

Mit modsatrettede råd er at droppe energirevisionen og i stedet fokusere på de lavt hængende frugter – generelt LED-belysning, tætning af utætte vinduer, døre og kanaler og effektiv drift af elektriske apparater, når elpriserne er lavest.

Der findes ikke desto mindre nogle produkter og tjenester, der giver mulighed for realtidsrapportering af elforbruget; disse tjenester er ganske nyttige til at identificere og efterfølgende reducere bygningens elforbrug.

For dette projekt gav det ikke økonomisk mening at efterisolere væggene eller opgradere de resterende enkeltglasvinduer. Den gamle loftsisolering blev dog støvsuget ud, og der blev tilføjet 18″ indblæst cellulose, hvilket øgede R-værdien fra mindre end 7 til 60.

Det var en selvfølge at udskifte alle gløde- og CFL-pærer med LED-pærer. Den gamle poolpumpe med én hastighed blev udskiftet med en ny pumpe med variabel hastighed, der er så støjsvag, at den kan drives om natten, når elpriserne var lave. Eliminering af vampyrstrømsbelastninger, brug af en termostat til nedregulering og drift af apparater på tidspunkter uden for spidsbelastningsperioden gav yderligere besparelser.

Generation: Når de nemme og billige energieffektivitetsforanstaltninger er blevet gennemført, er det næste skridt i næsten alle tilfælde at producere elektricitet med et solcelleanlæg på taget. Tilbagebetalingen af disse systemer sker hurtigere end ved at opgradere funktionelle apparater, tilføje ekstra vægisolering eller udskifte døre og vinduer.

Da der ikke forelå data om hjemmets tidligere energiforbrug, blev det anslået, at ca. 10 kW solcelleanlæg på taget ville resultere i en elregning på nul – inklusive HVAC, vandopvarmning, madlavning, poolpumper og et elbil. Jeg installerede også 20 kWh energilagring og to invertere (den ene med mulighed for opladning af elbiler).

De nuværende elpriser er 0,48 USD/kWh fra kl. 16 til 21 og 0,17 USD/kWh på de fleste andre tidspunkter. Ved at lagre solenergi i batteriet i løbet af dagen (i stedet for at sælge den tilbage til nettet til de lavere middagsrater) og derefter bruge denne energi om natten, kan batterikunderne effektivt undgå høje spidsbelastningstakster for elektricitet. Dertil kommer den indlysende fordel, at man har backupstrøm til vigtige forbrugere i huset under strømafbrydelser forårsaget af svigt i forsyningsudstyr, brande og strømafbrydelser for den offentlige sikkerhed.

Konvertering: Udskift alle gasapparater

Det er sjældent omkostningseffektivt at købe nye, højeffektive apparater for at erstatte eksisterende, funktionelle apparater. Det er bedre at vente, til de gamle apparater dør, medmindre effektiviteten af det eksisterende apparat er ekstremt lav, eller der er andre grunde (såsom komfort, støj eller tvingende miljøskyld).

I forbindelse med forberedelsen af dette komplette elektrificeringsprojekt blev det oprindelige 200-ampere hovedforsyningspanel opgraderet til et nyt “sol-klar”-forsyningspanel. Da dette arbejde blev udført samtidig med solcelle- og batteriinstallationen, gjaldt det føderale skattefradrag for denne opgradering.

Og selv om den eksisterende gasovn var funktionsdygtig, fungerede klimakompressoren ikke pålideligt, og rørledningerne i huset var i dårlig stand. For at levere både varme og aircondition blev der installeret et to-zone varmepumpesystem sammen med to ventilatorenheder, nyt kanalsystem og to internetforbundne termostater.

Bemærk, at dette ikke var et “split” kanalløst system, men snarere et traditionelt kanalsystem, der anvender de eksisterende luftudluftningslayouts i hvert rum. I drift er dette højeffektive inverterbaserede HVAC-system med høj effektivitet næsten umuligt at høre. Desuden fyldte den udendørs kompressorenhed mindre end den eksisterende cylindriske AC-kompressor, og fjernelsen af den gamle gasovn og udluftningssystemet frigjorde yderligere plads i garagen.

San Jose har et rabatprogram for at tilskynde til installation af vandvarmere med varmepumpe. Den eksisterende 65-gallon gasvandvarmer blev erstattet med en 65-gallon varmepumpevandvarmer. Da time-of-use-takster gav yderligere fordele ved at vaske tøj i perioder uden for spidsbelastningsperioderne, blev gastørretumbleren udskiftet med en elektrisk tørretumbler.

Når disse apparatændringer blev foretaget, var den antikke gaskogeplade det eneste gasapparat, der var tilbage i huset. En induktionskogeplade blev installeret som erstatning for denne gaskomfur, hvorved elektrificeringen af hjemmet blev fuldendt. Der var dog stadig to sjældent anvendte udendørs gasapparater tilbage: gasvarmeren til poolen/spabadet og gasgrillen. Da disse forurenende gasapparater sjældent bruges – og da der ikke er nogen overbevisende elektriske muligheder – blev de efterladt på stedet.

Lærdom

• Huse, der er fuldt elektrificerede – varmepumpe HVAC, varmepumpe vandvarmer, elektrisk komfur/ovn, elektrisk tørretumbler, solcelleanlæg, opbevaring, EV – kan ikke klare sig med mindre 100- eller 125-ampers elforsyninger. Omkostningerne for den enkelte forbruger kan variere fra 5 000 USD for en simpel opgradering af elforsyningen til langt over 20 000 USD, hvis der skal opdateres underjordiske ledninger eller transformatorer. Der er typisk tale om forudgående ingeniørgebyrer og forsinkelser på seks måneder eller mere. Byer og stater, der planlægger at elektrificere eksisterende bygninger, må finde måder til proaktivt at strømline og reducere omkostningerne ved opgradering af elforsyningen. Ingen husejer, der er ved sine fulde fem, ville vente tre til seks måneder uden varme eller varmt vand på en elektrisk opgradering. De vil simpelthen udskifte ødelagte naturgasapparater med nye.

• Varmepumpeteknologien har udviklet sig hurtigt. HVAC-installatører forstår dog måske ikke integrationsproblemerne med solenergi, lagring og nødstrøm. Nogle af de tilbud, jeg modtog, anbefalede naturgas eller elektrisk reservevarme samt ældre og mindre effektiv varmepumpeteknologi, som ikke ville fungere under en strømafbrydelse. Den inverterbaserede multizone-varmepumpe, der blev installeret, er kompakt og effektiv og har et lavt strømforbrug i drift og ved opstart.

• Plumbers forvekslede nogle gange varmepumpevandvarmere med flashvandvarmere eller konventionelle el-tankvandvarmere (som faktisk er forbudt i nogle områder). Installationen af en varmepumpevandvarmer kan kræve et ekstra 30-ampere elektrisk kredsløb, hvilket er en elektrisk opgave, der ligger uden for konventionelle blikkenslagers arbejdsområde.

• Dimensionering af et solcelleanlæg er forholdsvis let, hvis der anvendes historiske energidata. Mere komplicerede tekniske beregninger er nødvendige for at bestemme den yderligere solkapacitet, der kræves, når der overvejes en varmepumpevandvarmer, et HVAC-system eller et EV-system. Ved udformningen af batterisystemet skal der tages hensyn til både den tilgængelige effekt fra batteriet og batteriets energikapacitet, og disse effekt-/energikrav afhænger af solcelleanlæggets størrelse samt de apparater, der forventes at være i drift under en strømafbrydelse.

• Selv om hardwaren til helt elektriske hjem er pålidelig, er de fleste software- og kommunikationsprotokoller stadig på et tidligt stadie. Disse systemer (og deres respektive mobilapps) taler sjældent sammen. De største udfordringer i dette projekt vedrørte konfigureringen af disse apps og at få dem til at kommunikere pålideligt.

• Dette projekt involverede arbejdet fra syv forskellige typer specialentreprenører: isolering, pool, el, sol/opbevaring, HVAC, VVS og tømrerarbejde. Boligejere, der ikke er bekendt med de tekniske afvejninger, bør overveje at hyre en konsulent, der forstår de tilgængelige udstyrsvalg samt lokale regler, elpriser og incitamenter.

• Komfort og sikkerhed blev forbedret betydeligt i dette projekt. Det elektriske system er mere sikkert; HVAC, vandopvarmning og madlavning skaber ingen emissioner eller brandfare; opvarmning og køling er støjsvage og mere behagelige; og reservekraft er automatisk, støjsvag og sikker.

• Efter et års drift er det klart, at et 10 kW solcelleanlæg på taget ville have været den rigtige størrelse. Under installationen blev der imidlertid installeret yderligere paneler, hvilket øgede systemets størrelse til 12,8 kW. Efter det første år producerede systemet 17 404 kWh, med et overskud på 7 788 kWh ifølge regningen fra forsyningsvirksomheden. Der ville have været meget mindre overskudsenergi, hvis der var blevet opladet to elbiler i hjemmet i stedet for én. Energilageret på 20 kWh gav tilstrækkelig kapacitet til at undgå spidsforbrug af energi på 335 ud af 365 dage om året. Kun på meget varme, røgfyldte eller overskyede dage var det nødvendigt at trække strøm fra forsyningsvirksomhederne i spidsbelastningsperioder.

Politiske anbefalinger

De håndgribelige virkninger af klimaændringerne tvinger Californien til at elektrificere bygninger og transport inden for en stadig kortere tidsramme. Alle gasapparater skal udskiftes, og billig og pålidelig elektricitet er også afgørende. Opgradering af eksisterende bygninger med solcelleanlæg og lagring på stedet er det hurtigste og billigste middel til dette formål. Da de ekstra omkostninger ved at tilføje mere solcelleanlæg og lagring er relativt lave, er det til gavn for miljøet, nettet og skatteyderne at tilskynde bygninger til at blive kulstofnegative.

Effektive overgange af denne størrelsesorden fremskyndes af gunstige kundeøkonomiske forhold. Ud fra et finansielt synspunkt er der privat kapital fra både bygningsejere og banksektoren. Denne overgang bliver imidlertid forsinket og afsporet af de etablerede forsyningsselskaber. De investorejede forsyningsselskabers ønske om at skabe stigende overskud er grundlæggende i modstrid med Californiens behov for en hurtig overgang til sikker og billig elektricitet; den eneste løsning er at revidere forsyningsselskabernes forretningsmodel – ikke nogen nem opgave.

De reelle resultater fra dette projekt foreslår tre centrale politikker til at forbedre økonomien og fremskynde elektrificeringen af bygninger:

1. Godkendt rimelig kompensation til værtskunder

Kunder og investorer skal fortsat modtage en rimelig kompensation for både den energi (kWh) og effekt (kW), som de leverer til nettet. De bør kompenseres for de investeringer, de foretager i solceller og lagring, især fordi disse millioner af sol- og batterisystemer leverer energi og strøm under strømsvigt og strømafbrydelser. Tabte fortjenester for forsyningsvirksomhedernes investorer bør ikke bruges som begrundelse for at øge kundernes omkostninger – især når der findes hurtigere og billigere alternativer for skatteyderne.

1. Eliminer papirarbejde, forenkle incitamenter, automatisere sammenkobling

Disse unødvendige bureaukratiske omkostninger øger elektrificeringsprojekter med 30 procent eller mere, især dem, der er relateret til forbedringer, der interagerer med elnettet. Forvaltningen af incitamenter og sammenkoblinger skal tages ud af hænderne på de etablerede industrier, som tydeligvis er imod disse selvproduktions- og bevaringsforanstaltninger. Det er latterligt, at investor-ejede forsyningsselskaber så bevidst og effektivt misforvalter incitamentsprogrammer, at omkostningerne ved at behandle dette papirarbejde ofte overstiger værdien af selve incitamentet. Sammenkoblingsforsinkelser på fire til seks måneder er typiske for batteriprojekter, hvilket reducerer de økonomiske fordele for kunderne tilsvarende (en forsinkelse på fem måneder med en elregning på 300 dollars betyder, at yderligere 1.500 dollars går til forsyningsvirksomheden i stedet for at blive sparet af kunden).

1. Opgradering af boligers elektriske infrastruktur

Processen for at opgradere et boligs elektriske service er ødelagt og skal revideres. Når en husejers vandvarmer eller ovn dør, eller de køber et elbil, eller de ønsker at installere et solcelleanlæg på taget for at dække alle (eller flere) af deres elbehov, eller de ønsker at installere et batteri til backupstrøm og netstøttetjenester, kan de ikke vente seks måneder og bruge op til 20.000 dollars på, at deres forsyningsselskab får tid til at opgradere servicen. Disse ekstra omkostninger og forsinkelser sætter ofte husejernes bestræbelser på at elektrificere sig helt ud af spil. En bedre fremgangsmåde for myndighederne ville være at koordinere opgraderinger af elforsyningen til grupper af nærliggende huse. Husejerne ville ikke skulle navigere i det uigennemskuelige sæt af regler for opgraderinger fra forsyningsvirksomheder og byer, én entreprenør kunne udvælges til at udføre det dyre elektriske arbejde under jorden og i luften i et kvarter, og husejerne kunne derefter elektrificere deres hjem, når det passer dem.

Gennem at fremskynde Californiens overgang til elektrificering har vi mulighed for at undgå de værste virkninger af den globale opvarmning, samtidig med at vi forbedrer miljøet og økonomien. Den gode nyhed er, at både teknologien og økonomien er på plads til at støtte disse elektrificeringsbestræbelser.