Muutin kodin täysin sähkökäyttöiseksi. Näin se toimi – ja mitä se maksoi

Muutin kodin täysin sähkökäyttöiseksi. Näin se toimi – ja mitä se maksoi

Barry Cinnamon on kalifornialaisen Cinnamon Energy Systemsin toimitusjohtaja.

***

Kirjoitan tätä San Josessa Marsin kaltaisen punaisen taivaan alla, josta satunnaisesti putoaa kevyttä tuhkaa ja ilmassa on heikko savun haju. Aurinkoteho on laskenut 60 prosenttia, vaikka palavat tulipalot ovat ainakin 50 mailin päässä täältä.

Joidenkin mielestä tämä on uusi normaali. Todennäköisesti asiat pahenevat, kun sään ääri-ilmiöt lisääntyvät ja merenpinta nousee jääpeitteiden sulamisen vuoksi. Monet ihmiset Kaliforniassa ovat kirjaimellisesti voimattomia, koska yleishyödyllinen infrastruktuurimme ei pysy ilmastonmuutoksen vaikutusten tahdissa, joita yhteiskuntamme kasvava sähköenergiantarve entisestään lisää.

Nykyaikaisen aurinko-, akku- ja lämpöpumpputeknologian avulla jokainen alle kaksikerroksinen rakennus, jossa on aurinkoinen katto, voi onneksi olla nettoenergiantuottaja – ja näin ollen periaatteessa hiilinegatiivinen. Lisäksi verkkoon kytkettyjen akkujen avulla rakennukset voivat helposti tarjota sähköverkkomme tarvitsemaa häiriönsietokykyä sähköpuutteiden ja sähkökatkosten aikana.

Altruismia lukuun ottamatta, sähköntuotanto on olemassa oleville rakennuksille edullisempaa kuin energiansäästö. On kustannustehokkaampaa lisätä aurinkoenergiaa ja varastointia kuin parantaa rakennuksen vaipan tehokkuutta tai korvata nykyiset LVI-laitteet ennen niiden käyttöiän päättymistä uusilla korkean hyötysuhteen laitteilla.

Aika polttaa silta maakaasuun

Aiempi Yhdysvaltain energiaministeri Ernest Moniz asetti maakaasun sillaksi kohti uusiutuvia energialähteitä. Olemme ylittäneet tuon sillan; paikan päällä käytettävät uusiutuvat energialähteet ovat nyt maakaasua halvempia kaikissa sovelluksissa lukuun ottamatta teollisuuden prosessilämpöä ja pitkän matkan kuorma-autoliikennettä.

Ihmiskunnalla on edessään hätätilanne, jossa ilmastonmuutos vaatii ”kaikki kädet kannelle”. Koska aurinkoenergia ja varastointi voidaan asentaa nopeasti ja edullisesti, meidän ei pitäisi pysähtyä hiilidioksidipäästöttömyyteen, vaan pyrkiä tekemään kaikista rakennuksista hiilidioksidipäästöttömiä mahdollisimman nopeasti.

Uusiutuvien energialähteiden taloudellinen kannattavuus paikan päällä on vakuuttavaa. Ajatellaanpa kotia, joka käyttää 1 000 termiä maakaasua tilojen lämmitykseen vuodessa; 2 dollaria termiä kohti laskettuna se tekee 2 000 dollaria vuodessa. Nykyiset lämpöpumput kuluttaisivat saman lämpömäärän tuottamiseen 8300 kilowattituntia vuodessa; 0,30 dollaria/kWh:lla laskettuna se tekee noin 2500 dollaria sähköä.

Vuosittaiset käyttökustannukset lämpöpumpulle olisivat kuitenkin 830 dollaria, jos aurinkoenergiaa käytettäisiin katolla keskimäärin 0,10 dollaria/kWh:lla. Samanlainen energiamatematiikka osoittaa myös, että lämpöpumppuvedenlämmitin on parempi kuin maakaasuvedenlämmitin.

Haasteena on päästä eroon riippuvuudestamme fossiilisiin polttoaineisiin, sillä rakennusten osuus Kalifornian kokonaisenergiankulutuksesta on 28 prosenttia. Valitettavasti on vain vähän kirjallisuutta olemassa olevien rakennusten sähköistämisen todellisista tapauksista. Onko sähköistäminen käytännöllistä, kustannustehokasta ja mukavaa? Onko mahdollista, että rakennukset tuottavat kaiken tarvitsemansa energian vuositasolla?

Saadakseni sen selville aloitin hankkeen, jossa 50 vuotta vanha San Josen talo muutettiin kokonaan sähköiseksi. Ei enää fossiilisia polttoaineita.

Matkan varrella törmäsin muutamiin kompastuskiviin, mutta sain myös erittäin myönteisiä yllätyksiä. Seuraavassa keskustelussa nämä talon sähköistämisestä saadut kokemukset jaetaan kolmeen perusvaiheeseen: valmistelu, tuotanto ja muuntaminen.

Tietoja on esitetty seuraavassa taulukossa ja alla olevassa keskustelussa.

Valmistelu:

Tavanomainen viisaus kehottaa aloittamaan energiakatselmuksella. Olen käyttänyt energiakatselmusohjelmia yli 40 vuoden ajan, myös DOE:n Home Energy Advisor -ohjelmaa. Valitettavasti näissä ohjelmissa otetaan harvoin huomioon paikalliset yleishyödylliset hinnat, aurinko- ja varastointikannustimet ja laskevat aurinko- ja varastointikustannukset sekä uusi lämpöpumppu- ja kodinkonetekniikka.

Minun vastakkainen neuvoni on jättää energiakatselmus väliin ja keskittyä sen sijaan matalalla roikkuviin hedelmiin – yleensä LED-valaistukseen, vuotavien ikkunoiden, ovien ja kanaviston tiivistämiseen ja sähkölaitteiden tehokkaaseen käyttöön silloin, kun sähkötariffi on alhaisin.

On kuitenkin olemassa joitakin tuotteita ja palveluja, jotka tarjoavat reaaliaikaista raportointia sähkönkulutuksesta; nämä palvelut ovat varsin hyödyllisiä rakennuksen sähkönkulutuksen tunnistamisessa ja sen jälkeen sen vähentämisessä.

Tässä hankkeessa ei ollut taloudellisesti järkevää eristää uudelleen seiniä tai päivittää jäljelle jääviä yksilasisia ikkunoita. Ikivanha ullakkoeristys imuroitiin kuitenkin pois ja lisättiin 18 tuumaa puhallettua selluloosaa, mikä nosti R-arvon alle 7:stä 60:een.

Ei ollut mitään järkeä korvata kaikki hehkulamput ja CFL-lamput LEDeillä. Vanha yksinopeuksinen allaspumppu korvattiin uudella taajuusmuuttajapumpulla, joka on niin hiljainen, että sitä voidaan käyttää yöllä, kun sähkötariffit olivat alhaiset. Lisäsäästöjä saatiin aikaan poistamalla vampyyrisähkökuormituksia, käyttämällä takaisintoimintatermostaattia ja käyttämällä laitteita hiljaisina aikoina.

Tuotanto: Aurinkoenergia ja varastointi

Kun helpot ja halvat energiatehokkuustoimenpiteet on toteutettu, lähes kaikissa tapauksissa seuraava askel on sähkön tuottaminen katolla sijaitsevalla aurinkosähköjärjestelmällä. Näiden järjestelmien takaisinmaksu tapahtuu nopeammin kuin päivittämällä toimivia kodinkoneita, lisäämällä seinien lisäeristystä tai vaihtamalla ovia ja ikkunoita.

Koska kodin aiemmasta energiankulutuksesta ei ollut tietoja, arvioitiin, että noin 10 kW:n aurinkokattosähköjärjestelmä johtaisi nollasähkölaskuun – mukaan lukien LVI-järjestelmät, vedenlämmitys, ruoanlaitto, uima-allaspumput ja yksi sähköauto. Asensin myös 20 kWh:n energiavaraston ja kaksi invertteriä (joista toisessa on EV-latausominaisuudet).

Tämänhetkinen sähkömaksu on 0,48 dollaria/kWh kello 16-21 ja 0,17 dollaria/kWh suurimpana muuna aikana. Varastoimalla aurinkoenergiaa akkuun päivällä (sen sijaan, että se myytäisiin takaisin verkkoon alhaisemmilla keskipäivän hinnoilla) ja käyttämällä energiaa yöllä, akkuasiakkaat pystyvät tehokkaasti välttämään korkeat sähköhuippumaksut. Lisäksi on ilmeinen hyöty siitä, että heillä on varavoimaa kodin tärkeimpiä kuormia varten sähkökatkojen aikana, jotka johtuvat laitevioista, tulipaloista ja yleisen turvallisuuden aiheuttamista sähkökatkoista.

Muunnos: Vaihda kaikki kaasulaitteet

On harvoin kustannustehokasta hankkia uusia, korkean hyötysuhteen laitteita nykyisten, toimivien laitteiden tilalle. Parempi odottaa, kunnes vanhat laitteet kuolevat, paitsi jos nykyisen laitteen hyötysuhde on erittäin heikko tai siihen on muita syitä (kuten mukavuus, melu tai pakottava ympäristösyyllisyys).

Tämän täydellisen sähköistämishankkeen valmistelemiseksi alkuperäinen 200 ampeerin pääkeskuspaneeli päivitettiin uuteen ”aurinkoenergiakäyttöön soveltuvaan” keskukseen. Koska tämä työ tehtiin samaan aikaan aurinko- ja akkuasennuksen kanssa, liittovaltion verohyvitystä sovellettiin tähän päivitykseen.

Vaikka nykyinen kaasu-uuni oli toimiva, ilmastoinnin kompressori ei toiminut luotettavasti ja talon kanavisto oli huonossa kunnossa. Sekä lämmityksen että ilmastoinnin tarjoamiseksi asennettiin kaksivyöhykkeinen lämpöpumppujärjestelmä, kaksi puhallinyksikköä, uudet kanavistot ja kaksi internetiin kytkettyä termostaattia.

Huomaa, että kyseessä ei ollut ”jaettu” kanavaton järjestelmä, vaan perinteinen kanavoitu järjestelmä, jossa käytettiin nykyisiä tuuletusaukkojen sijoitteluja kussakin huoneessa. Toiminnassa tätä korkean hyötysuhteen invertteripohjaista LVI-järjestelmää on lähes mahdoton kuulla. Lisäksi ulkokompressoriyksikkö vei vähemmän tilaa kuin nykyinen lieriömäinen ilmastointikompressori, ja vanhan kaasu-uunin ja ilmanpoistojärjestelmän poistaminen vapautti autotallissa lisätilaa.

San Josella on alennusohjelma, jolla kannustetaan lämpöpumppuvedenlämmittimien asentamista. Nykyinen 65 gallonan kaasuvedenlämmitin korvattiin 65 gallonan lämpöpumppuvedenlämmittimellä. Koska käyttöaikamaksut toivat lisäetua pyykinpesuun hiljaisina aikoina, kaasukuivausrumpu korvattiin sähkökuivausrummulla.

Kun nämä laitemuutokset oli tehty, antiikkinen kaasukeittotaso oli ainoa talossa jäljellä oleva kaasulaite. Tämän kaasulieden tilalle asennettiin induktioliesi, jolloin kodin sähköistäminen saatiin päätökseen. Jäljelle jäi kuitenkin kaksi harvoin käytettyä kaasulaitetta: kaasulla toimiva uima-altaan lämmitin ja kaasugrilli. Koska näitä saastuttavia kaasulaitteita käytetään harvoin – ja koska pakottavia sähkövaihtoehtoja ei ole – ne jätettiin paikoilleen.

Oppien oppi

• Kodit, jotka on täysin sähköistetty – lämpöpumppu-ilmanvaihtojärjestelmä, lämpöpumppuvedenlämmitin, sähköllä toimiva liesi/uuni, sähköllä toimiva kuivausrumpu, aurinkoenergiaa käyttävä varaaja, sähköautomaatti – eivät tule toimeen pienemmillä 100 ampeerin tai 125 ampeerin sähköpalveluilla. Yksittäisten kuluttajien kustannukset voivat vaihdella 5 000 dollarista yksinkertaisen sähköpalvelun päivittämiseen reilusti yli 20 000 dollariin, jos maanalaisia johtoja tai muuntajia on päivitettävä. Tyypillisiä ovat yleishyödyllisten laitosten suunnittelumaksut ja vähintään kuuden kuukauden viiveet. Kaupunkien ja osavaltioiden, jotka suunnittelevat olemassa olevien rakennusten sähköistämistä, on löydettävä keinoja virtaviivaistaa ja vähentää sähköpalvelujen päivityskustannuksia ennakoivasti. Yksikään täysjärkinen asunnonomistaja ei odottaisi kolmesta kuuteen kuukautta ilman lämpöä tai kuumaa vettä sähköjärjestelmän päivittämistä. He yksinkertaisesti vaihtavat rikkinäiset maakaasulaitteet uusiin.

• Lämpöpumpputekniikka on kehittynyt nopeasti. LVI-urakoitsijat eivät kuitenkaan välttämättä ymmärrä aurinkoenergian, varastoinnin ja varavoiman integrointikysymyksiä. Joissakin saamissani tarjouksissa suositeltiin maakaasua tai sähköistä varalämpöä sekä vanhempaa ja vähemmän tehokasta lämpöpumpputekniikkaa, joka ei toimisi sähkökatkoksen aikana. Monivyöhykkeinen invertteripohjainen lämpöpumppu, joka asennettiin, on pienikokoinen ja tehokas, ja sen käyttö- ja käynnistysvirran kulutus on alhainen.

• Huoltomiehet sekoittivat joskus lämpöpumppuvedenlämmittimet pikavedenlämmittimiin tai tavanomaisiin sähkösäiliöllisiin vedenlämmittimiin (jotka ovat itse asiassa kiellettyjä joillakin alueilla). Lämpöpumppuvedenlämmittimen asentaminen saattaa vaatia ylimääräisen 30 ampeerin sähköpiirin, mikä on sähkötehtävä, joka ei kuulu perinteisten putkimiesten työtehtäviin.

• Aurinkoenergiajärjestelmän mitoitus on melko helppoa, jos käytetään historiallisia energiatietoja. Tarvitaan monimutkaisempia teknisiä laskelmia, jotta voidaan määrittää tarvittava ylimääräinen aurinkokapasiteetti, kun harkitaan lämpöpumppuvedenlämmitintä, LVI-järjestelmää tai sähköautoa. Akkujärjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon sekä akusta saatavissa oleva teho että akun energiakapasiteetti, ja nämä teho/energiavaatimukset riippuvat aurinkojärjestelmän koosta sekä laitteista, joiden odotetaan olevan toiminnassa sähkökatkon aikana.

• Vaikka täyssähköisten kotien laitteistot ovat luotettavia, suurin osa ohjelmistoista ja tiedonsiirtoprotokollista on vielä alkuvaiheessa. Nämä järjestelmät (ja niiden kännykkäsovellukset) harvoin keskustelevat keskenään. Suurimmat haasteet tässä hankkeessa liittyivät näiden sovellusten konfigurointiin ja niiden saamiseen kommunikoimaan luotettavasti.

• Tässä hankkeessa oli mukana seitsemän erityyppistä erikoisurakoitsijaa: eristys-, uima-allas-, sähkö-, aurinko-/varastointi-, LVI-, putki- ja kirvesmiesurakoitsijat. Talonomistajien, jotka eivät tunne teknisiä kompromisseja, tulisi harkita sellaisen konsultin palkkaamista, joka ymmärtää käytettävissä olevia laitevaihtoehtoja sekä paikallisia sääntöjä, sähkötariffeja ja kannustimia.

• Viihtyvyys ja turvallisuus paranivat merkittävästi tässä hankkeessa. Sähköjärjestelmä on turvallisempi; LVI-, vedenlämmitys- ja ruoanvalmistusjärjestelmät eivät aiheuta päästöjä tai palovaaraa; lämmitys ja jäähdytys ovat hiljaisia ja miellyttävämpiä; ja varavoima on automaattinen, hiljainen ja turvallinen.

• Vuoden käytön jälkeen on selvää, että 10 kW:n aurinkokennojärjestelmä katolla olisi ollut oikea koko. Asennuksen aikana asennettiin kuitenkin lisää paneeleita, jolloin järjestelmän koko nousi 12,8 kW:iin. Ensimmäisen vuoden jälkeen järjestelmä tuotti 17 404 kWh, ja sähkölaitoksen laskun mukaan ylijäämä oli 7 788 kWh. Ylimääräistä energiaa olisi ollut paljon vähemmän, jos kotona olisi ladattu kaksi sähköautoa yhden sijaan. Energiavaraston 20 kWh:n kapasiteetti riitti välttämään energian huippukulutuksen 335 päivänä vuoden 365 päivästä. Ainoastaan hyvin kuumina, savuisina tai pilvisinä päivinä oli tarpeen ottaa sähköä sähkölaitokselta ruuhkahuippujen aikana.

Poliittiset suositukset

Kouriintuntuvat ilmastonmuutoksen vaikutukset pakottavat Kalifornian sähköistämään rakennuksia ja liikennettä yhä lyhyemmässä ajassa. Kaikki kaasulaitteet on korvattava, ja myös edullinen ja luotettava sähkö on välttämätöntä. Olemassa olevien rakennusten päivittäminen paikan päällä olevilla aurinko- ja varastointilaitteilla on nopein ja edullisin keino päästä tähän tavoitteeseen. Koska aurinkoenergian ja varastoinnin lisäämisen lisäkustannukset ovat suhteellisen alhaiset, rakennusten kannustaminen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen hyödyttää ympäristöä, sähköverkkoa ja veronmaksajia.

Tämän laajuisia tehokkaita siirtymiä nopeuttaa suotuisa asiakastalous. Taloudellisesta näkökulmasta katsottuna yksityistä pääomaa löytyy sekä rakennusten omistajilta että pankkialalta. Vakiintuneet yleishyödylliset laitokset kuitenkin viivyttävät tätä siirtymää. Sijoittajien omistamien yleishyödyllisten laitosten halu tuottaa yhä suurempia voittoja on pohjimmiltaan ristiriidassa sen kanssa, että Kaliforniassa on siirryttävä nopeasti turvalliseen ja kohtuuhintaiseen sähköön; ainoa ratkaisu on muuttaa yleishyödyllisten laitosten liiketoimintamalli, mikä ei ole helppo tehtävä.

Tässä hankkeessa saadut reaalimaailman havainnot viittaavat kolmeen keskeiseen toimintatapaan, joiden avulla voidaan parantaa taloutta ja nopeuttaa rakennusten sähköistämistä:

1. Hallinta-asiakkaille on maksettava oikeudenmukainen korvaus

Asiakkaiden ja sijoittajien on jatkossakin saatava oikeudenmukainen korvaus sekä energiasta (kilowattitunnit (kWh)) että tehosta (kilowattitunnit (kW)), jonka ne tuottavat verkkoon. Heille on maksettava korvaus investoinneista, joita he ovat tehneet aurinkoenergiaan ja varastointiin, etenkin kun nämä miljoonat aurinko- ja akkujärjestelmät tuottavat energiaa ja tehoa sähköpuutteiden ja sähkökatkosten aikana. Yleishyödyllisten laitosten sijoittajille koituvia menetettyjä voittoja ei pitäisi käyttää perusteluna asiakaskustannusten korottamiselle – varsinkaan silloin, kun veronmaksajien kannalta on olemassa nopeampia ja edullisempia vaihtoehtoja.

1. Paperityön poistaminen, kannustimien yksinkertaistaminen, yhteenliittämisen automatisointi

Nämä tarpeettomat byrokratiakustannukset lisäävät sähköistämishankkeisiin 30 prosenttia tai enemmän, erityisesti sähköverkon kanssa vuorovaikutuksessa oleviin parannuksiin liittyviin hankkeisiin. Kannustimien ja yhteenliitäntöjen hallinnointi on otettava pois vakiintuneiden teollisuudenalojen käsistä, jotka selvästi vastustavat näitä omaan sähköntuotantoon ja energiansäästöön liittyviä toimenpiteitä. On naurettavaa, että sijoittajien omistamat yleishyödylliset laitokset hoitavat kannustinohjelmia niin tarkoituksellisesti ja tehokkaasti väärin, että paperityön käsittelykustannukset ylittävät usein itse kannustimen arvon. Liittymisen viivästyminen neljästä kuuteen kuukautta on tyypillistä akkuhankkeissa, mikä vähentää vastaavasti asiakkaiden saamaa taloudellista hyötyä (viiden kuukauden viivästys 300 dollarin sähkölaskulla tarkoittaa, että ylimääräiset 1 500 dollaria menee energialaitokselle sen sijaan, että asiakas säästäisi).

1. Asuntojen sähköinfrastruktuurin parantaminen

Prosessi, jonka avulla voidaan päivittää asuntojen sähköverkkopalveluja, on rikkinäinen, ja se on korjattava. Kun kodinomistajan vedenlämmitin tai uuni kuolee, tai hän ostaa sähköauton, tai hän haluaa asentaa aurinkokennon katolle täyttääkseen kaikki (tai useamman) sähkötarpeensa, tai hän haluaa asentaa akun varavoimaa ja verkon tukipalveluja varten, hän ei voi odottaa kuusi kuukautta ja kuluttaa jopa 20 000 dollaria siihen, että energialaitos ehtii päivittää palvelua. Nämä ylimääräiset kustannukset ja viiveet vievät usein kodinomistajien sähköistämispyrkimykset täysin sivuraiteille. Hallitusten kannalta parempi toimintatapa olisi koordinoida sähköpalvelujen päivittämistä läheisten talojen ryhmille. Asuntojen omistajien ei tarvitsisi selvitellä päivityksiä koskevia vaikeaselkoisia yleishyödyllisten laitosten ja kaupunkien sääntöjä, yksi urakoitsija voitaisiin valita tekemään kalliit maanalaiset ja maanpäälliset sähkötyöt naapurustossa, ja asuntojen omistajat voisivat sitten sähköistää kotinsa silloin, kun se on heille sopivaa.

Kiihdyttämällä Kalifornian siirtymistä sähköistämiseen voimme ehkäistä ilmaston lämpenemisen pahimmat seuraukset ja samalla parantaa ympäristöä ja taloutta. Hyvä uutinen on, että sekä teknologia että talous ovat valmiina tukemaan näitä sähköistämispyrkimyksiä.