Ik heb een huis volledig op elektriciteit omgebouwd. Here’s How It Worked – and What It Cost

Ik heb een huis volledig op elektriciteit omgebouwd. Here’s How It Worked – and What It Cost

Barry Cinnamon is CEO van het Californische Cinnamon Energy Systems.

***

Ik schrijf dit in San Jose onder een Mars-achtige rode lucht, met af en toe lichte as die valt en een vage geur van rook in de lucht. De zonne-output is met 60 procent gedaald, ook al zijn de branden minstens 50 mijl van hier.

Sommigen zeggen dat dit het nieuwe normaal is. Naar alle waarschijnlijkheid zal het nog erger worden naarmate we meer extreme weersomstandigheden meemaken en de zeespiegel stijgt door smeltende ijskappen. Veel mensen in Californië staan letterlijk machteloos omdat onze nutsinfrastructuur geen gelijke tred houdt met de effecten van klimaatverandering, nog versterkt door de toenemende elektriciteitsbehoeften van onze samenleving.

Gelukkig genoeg kan met de huidige beschikbare zonne-, batterij- en warmtepomptechnologie elk gebouw onder twee verdiepingen met een zonnedak een netto-generator van energie zijn – in wezen koolstofnegatief. Bovendien kunnen gebouwen, met op het net aangesloten batterijen, gemakkelijk de veerkracht bieden die ons net nodig heeft tijdens stroomtekorten en black-outs.

Altruïsme daargelaten, is opwekking voor bestaande gebouwen minder duur dan behoud. Het is kosteneffectiever om zonne-energie en opslag toe te voegen dan om de efficiëntie van de gebouwschil te verbeteren of om bestaande HVAC-apparatuur vóór het einde van de levensduur te vervangen door nieuwe apparatuur met hoge efficiëntie.

Tijd om die brug naar aardgas te verbranden

Voormalig Amerikaans minister van Energie Ernest Moniz positioneerde aardgas als de brug naar hernieuwbare energiebronnen. We hebben die brug overgestoken; on-site hernieuwbare energiebronnen zijn nu goedkoper dan aardgas voor alle toepassingen, behalve industriële proceswarmte en lange-afstandsvrachtwagens.

De mensheid staat voor een “alle hens aan dek” noodsituatie op het gebied van klimaatverandering. Aangezien zonne-energie en opslag op daken snel en goedkoop kunnen worden geïnstalleerd, moeten we niet stoppen bij nul koolstof – we moeten ernaar streven om alle gebouwen zo snel mogelijk koolstofnegatief te maken.

De economische aspecten voor de klant voor duurzame energie ter plaatse zijn overtuigend. Neem een huis dat per jaar 1.000 thermische meter aardgas voor ruimteverwarming gebruikt; tegen $2/therm, komt dat neer op $2.000 per jaar. De huidige warmtepompen zouden 8.300 kilowattuur per jaar verbruiken om dezelfde hoeveelheid warmte te leveren; tegen $0,30/kWh komt dat neer op ongeveer $2.500 voor elektriciteit.

Met zonne-energie van het dak in de vergelijking tegen een gemiddeld tarief van $0,10/kWh, zouden de jaarlijkse bedrijfskosten voor de warmtepomp echter $830 bedragen. Soortgelijke energiewiskunde toont ook aan dat een warmtepompboiler superieur is aan een boiler op aardgas.

Het overwinnen van onze verslaving aan fossiele brandstoffen is de uitdaging, aangezien gebouwen verantwoordelijk zijn voor 28 procent van het totale energiegebruik in Californië. Helaas is er maar weinig literatuur over de praktijkvoorbeelden van elektrificatie van bestaande gebouwen. Is een elektrificatie retrofit praktisch, kosteneffectief en comfortabel? Is het mogelijk voor gebouwen om alle energie die ze nodig hebben op jaarbasis op te wekken?

Om dat uit te vinden, ben ik begonnen aan een project om een 50 jaar oud huis in San Jose volledig op elektriciteit om te bouwen. Geen fossiele brandstoffen meer.

Gaandeweg stuitte ik op een paar struikelblokken, maar kreeg ook een aantal zeer positieve verrassingen. In de volgende bespreking worden deze ervaringen met elektrificatie van gebouwen opgedeeld in drie basisfasen: voorbereiding, opwekking en conversie.

Details zijn te zien in de volgende tabel en in de bespreking hieronder.

Voorbereiding: Laaghangend fruit

De conventionele wijsheid suggereert te beginnen met een energie-audit. Ik maak al meer dan 40 jaar gebruik van energie-auditprogramma’s, waaronder het Home Energy Advisor-programma van de DOE. Helaas houden deze programma’s zelden rekening met lokale energietarieven, zonne- en opslagstimulansen, en dalende zonne- en opslagkosten, evenals nieuwe warmtepomp- en apparaattechnologie.

Mijn tegendraadse advies is om de energie-audit uit te stellen en in plaats daarvan te concentreren op het laaghangende fruit – over het algemeen LED-verlichting; afdichting van lekkende ramen, deuren en kanalen; en elektrische apparaten efficiënt gebruiken wanneer de elektrische tarieven het laagst zijn.

Niettemin zijn er enkele producten en diensten die een real-time rapportage van het elektriciteitsverbruik bieden; deze diensten zijn heel nuttig bij het identificeren en vervolgens verminderen van het elektriciteitsverbruik van het gebouw.

Voor dit project was het economisch niet zinvol om de muren opnieuw te isoleren of de resterende ramen met enkel glas te upgraden. De oude zolderisolatie werd echter uitgezogen en 18″ ingeblazen cellulose werd toegevoegd, waardoor de R-waarde steeg van minder dan 7 tot 60.

Het was een no-brainer om alle gloeilampen en CFL-lampen te vervangen door LED’s. De oude zwembadpomp met één snelheid werd vervangen door een nieuwe pomp met variabele snelheid die zo stil is dat hij ’s nachts kan worden gebruikt wanneer de elektriciteitstarieven laag zijn. Het elimineren van vampierbelastingen, het gebruik van een setback-thermostaat en het bedienen van apparaten tijdens daluren leverden extra besparingen op.

Energie: Zonne-energie en opslag

Nadat de eenvoudige en goedkope energie-efficiëntiemaatregelen zijn uitgevoerd, is in bijna alle gevallen de volgende stap het opwekken van elektriciteit met een zonne-energiesysteem op het dak. De terugverdientijd van deze systemen is sneller dan bij het upgraden van functionele apparaten, het toevoegen van extra muurisolatie of het vervangen van deuren en ramen.

Omdat er geen gegevens beschikbaar waren over het vorige energieverbruik van het huis, werd geschat dat ongeveer 10 kW PV op het dak zou resulteren in een nul-elektriciteitsrekening – inclusief HVAC, waterverwarming, koken, zwembadpompen en één elektrisch voertuig. Ik heb ook 20 kWh energieopslag en twee omvormers geïnstalleerd (een met EV-laadmogelijkheden).

Huidige elektriciteitstarieven zijn $ 0,48/kWh van 16.00 tot 21.00 uur en $ 0,17/kWh tijdens de meeste andere tijden. Door overdag zonne-energie op te slaan in de batterij (in plaats van deze terug te verkopen aan het net tegen lagere middagtarieven) en deze energie vervolgens ’s nachts te gebruiken, kunnen klanten met een batterij effectief hoge piektarieven vermijden. Bovendien is er het voor de hand liggende voordeel van het hebben van reserve-energie voor essentiële belastingen in het huis tijdens black-outs veroorzaakt door storingen in de nutsapparatuur, branden en de openbare veiligheid stroomafsluitingen.

Omschakeling: Vervang alle gastoestellen

Het is zelden kosteneffectief om nieuwe, hoogrendementstoestellen te kopen om bestaande, functionele apparaten te vervangen. Beter om te wachten tot de oude apparaten sterven, tenzij de efficiëntie van het bestaande apparaat extreem laag is of er andere redenen zijn (zoals comfort, lawaai of dwingende milieuschuld).

In voorbereiding op dit volledige elektrificatieproject werd het oorspronkelijke 200-amp hoofddienstpaneel opgewaardeerd tot een nieuw “solar-ready” dienstpaneel. Omdat dit werk werd gedaan op hetzelfde moment als de zonne- en batterij-installatie, was het federale belastingkrediet van toepassing op deze upgrade.

Hoewel de bestaande gasoven functioneerde, werkte de aircocompressor niet betrouwbaar en was het kanaalwerk in het huis in slechte staat. Om zowel voor verwarming als airconditioning te zorgen, werd een warmtepompsysteem met twee zones geïnstalleerd, samen met twee ventilatoreenheden, nieuw leidingwerk en twee op internet aangesloten thermostaten.

Merk op dat dit geen “gesplitst” kanaalloos systeem was, maar eerder een traditioneel kanaalsysteem dat gebruikmaakte van de bestaande ventilatie-indelingen in elke kamer. Tijdens de werking is dit hoogrendement HVAC-systeem op basis van inverters bijna niet te horen. Bovendien nam de buitencompressor minder ruimte in beslag dan de bestaande cilindrische aircocompressor, en door het verwijderen van de oude gasoven en het ontluchtingssysteem kwam er extra ruimte vrij in de garage.

San Jose heeft een kortingsprogramma om de installatie van warmtepompboilers aan te moedigen. De bestaande 65-gallon gasboiler werd vervangen door een 65-gallon warmtepompboiler. Omdat de tijdvaktarieven extra voordelen boden voor het doen van de was tijdens daluren, werd de gasdroger vervangen door een elektrische droger.

Nadat deze veranderingen waren doorgevoerd, was de antieke gaskookplaat het enige gasapparaat dat nog in het huis aanwezig was. Een inductiekookplaat werd geïnstalleerd om dit gasfornuis te vervangen, waarmee de elektrificatie van het huis werd voltooid. Er bleven echter twee zelden gebruikte gastoestellen voor buiten: de gasverwarming van het zwembad/spa en de gasgrill. Aangezien deze vervuilende gastoestellen zelden worden gebruikt – en er geen aantrekkelijke elektrische opties zijn – werden ze op hun plaats gelaten.

Lessen uit het verleden

• Woningen die volledig zijn geëlektrificeerd – warmtepomp HVAC, warmtepompboiler, elektrisch fornuis/oven, elektrische droger, zonne-energie, opslag, EV – kunnen niet rondkomen met kleinere elektrische diensten van 100 of 125 ampère. De kosten voor individuele consumenten kunnen variëren van $5.000 voor een eenvoudige upgrade van de elektriciteitsvoorziening tot meer dan $20.000 als de ondergrondse bedrading of transformatoren moeten worden aangepast. De ingenieurskosten van het nutsbedrijf en vertragingen van zes maanden of meer zijn typisch. Steden en staten die van plan zijn om bestaande gebouwen van elektriciteit te voorzien, moeten manieren vinden om de kosten voor het upgraden van de elektriciteitsvoorziening proactief te stroomlijnen en te verlagen. Geen enkele huiseigenaar die bij zijn volle verstand is zou drie tot zes maanden zonder verwarming of warm water zitten te wachten op een verbetering van de elektriciteitsvoorziening. Zij zullen kapotte aardgastoestellen gewoon vervangen door nieuwe.

• De warmtepomptechnologie heeft zich snel ontwikkeld. HVAC-aannemers begrijpen echter mogelijk niet de integratieproblemen met zonne-energie, opslag en noodstroom. In sommige offertes die ik ontving, werd aardgas of elektrische back-upwarmte aanbevolen, evenals oudere en minder efficiënte warmtepomptechnologie die niet zou werken tijdens een stroomstoring. De geïnstalleerde warmtepomp op basis van een inverter met meerdere zones is compact en efficiënt, en heeft een lage werkings- en opstartstroomafname.

• Loodgieters verwarden warmtepompboilers soms met flashboilers of conventionele elektrische boilerboilers (die in sommige gebieden zelfs verboden zijn). Voor de installatie van een warmtepompboiler kan een extra 30-amp elektrisch circuit nodig zijn, wat een elektrische taak is die buiten het werkgebied van conventionele loodgieters valt.

• De dimensionering van een zonnesysteem is vrij eenvoudig als historische energiegegevens worden gebruikt. Ingewikkelder technische berekeningen zijn nodig om de extra zonnecapaciteit te bepalen die nodig is wanneer een warmtepompboiler, HVAC-systeem of EV wordt overwogen. Bij het ontwerp van het batterijsysteem moet rekening worden gehouden met zowel het beschikbare vermogen van de batterij als de energiecapaciteit van de batterij, en deze vermogens-/energievereisten zijn afhankelijk van de grootte van het zonnesysteem en van de apparaten die naar verwachting zullen werken tijdens een stroomstoring.

• Hoewel de hardware voor volledig elektrische woningen betrouwbaar is, bevinden de meeste software- en communicatieprotocollen zich nog in een vroeg stadium. Deze systemen (en hun respectieve mobiele telefoon-apps) praten zelden met elkaar. De grootste uitdagingen in dit project hadden te maken met het configureren van deze apps en ze betrouwbaar met elkaar te laten communiceren.

• Bij dit project waren zeven verschillende soorten gespecialiseerde aannemers betrokken: isolatie, zwembad, elektriciteit, zonne-energie/opslag, HVAC, loodgieterswerk en timmerwerk. Huiseigenaren die niet bekend zijn met de technische afwegingen, moeten overwegen een adviseur in de arm te nemen die inzicht heeft in de beschikbare apparatuurkeuzes, evenals in plaatselijke voorschriften, elektriciteitstarieven en stimuleringsmaatregelen.

• Het comfort en de veiligheid zijn bij dit project aanzienlijk verbeterd. Het elektrische systeem is veiliger; HVAC, waterverwarming en koken veroorzaken geen uitstoot of brandgevaar; verwarming en koeling zijn stil en comfortabeler; en de noodstroomvoorziening is automatisch, stil en veilig.

• Na een jaar in bedrijf te zijn geweest, is het duidelijk dat een zonne-energiesysteem op het dak van 10 kW de juiste grootte zou zijn geweest. Tijdens de installatie werden echter extra panelen geïnstalleerd, waardoor het systeem werd uitgebreid tot 12,8 kW. Na het eerste jaar heeft het systeem 17.404 kWh opgewekt, met een overschot van 7.788 kWh volgens de energierekening. Er zou veel minder overtollige energie zijn geweest als er thuis twee EV’s werden opgeladen in plaats van één. De 20 kWh energieopslag bood voldoende capaciteit om op 335 van de 365 dagen per jaar een piek in het energieverbruik te vermijden. Alleen op zeer warme, rokerige of bewolkte dagen was het nodig om tijdens piekuren stroom van het elektriciteitsnet af te tappen.

Beleidsaanbevelingen

De tastbare gevolgen van klimaatverandering dwingen Californië om gebouwen en transport op steeds kortere termijn te elektrificeren. Alle gastoestellen moeten worden vervangen, en goedkope en betrouwbare elektriciteit is ook essentieel. Het moderniseren van bestaande gebouwen met zonne-energie en opslag is de snelste en goedkoopste manier om dit doel te bereiken. Aangezien de incrementele kosten om meer zonne-energie en opslag toe te voegen relatief laag zijn, is het aanmoedigen van gebouwen om koolstofnegatief te worden gunstig voor het milieu, het netwerk en de belastingbetalers.

Effectieve overgangen van deze omvang worden versneld door gunstige klanteconomieën. Vanuit financieel oogpunt is er particulier kapitaal van zowel gebouweigenaren als de banksector. Deze overgang wordt echter vertraagd en op een zijspoor gezet door gevestigde nutsbedrijven. De wens van nutsbedrijven die in handen zijn van investeerders om steeds meer winst te maken is fundamenteel in strijd met de behoefte van Californië aan een snelle overgang naar veilige en betaalbare elektriciteit; de enige oplossing is een grondige herziening van het bedrijfsmodel van de nutsbedrijven – geen gemakkelijke taak.

De bevindingen in de praktijk van dit project suggereren drie belangrijke beleidslijnen om de economie te verbeteren en de elektrificatie van gebouwen te versnellen:

1. Gastklanten eerlijk compenseren

Klanten en investeerders moeten een eerlijke compensatie blijven ontvangen voor zowel de energie (kWh) als het vermogen (kW) dat zij aan het net leveren. Zij moeten worden gecompenseerd voor de investeringen die zij doen in zonne-energie en opslag, vooral omdat deze miljoenen zonne- en accusystemen energie en stroom leveren tijdens stroomtekorten en stroomuitval. Verlies van winst voor investeerders in nutsbedrijven mag niet worden gebruikt als een reden om de kosten voor klanten te verhogen – vooral wanneer er snellere en minder dure alternatieven zijn voor belastingbetalers.

1. Elimineer papierwerk, vereenvoudig stimulansen, automatiseer interconnectie

Deze nodeloze bureaucratische kosten voegen 30 procent of meer toe aan elektrificatieprojecten, met name die welke betrekking hebben op verbeteringen die in wisselwerking staan met het elektrische netwerk. Het beheer van stimuleringsmaatregelen en interconnecties moet uit handen worden genomen van de gevestigde industrieën die duidelijk gekant zijn tegen deze maatregelen voor zelfopwekking en -behoud. Het is belachelijk dat de nutsbedrijven zo doelbewust en doeltreffend de stimuleringsprogramma’s zo slecht beheren dat de kosten voor het verwerken van dit papierwerk vaak de waarde van de stimulans zelf overtreffen. Vertragingen bij de interconnectie van vier tot zes maanden zijn kenmerkend voor batterijprojecten, waardoor de financiële voordelen voor klanten evenredig afnemen (een vertraging van vijf maanden bij een elektriciteitsrekening van $300 betekent dat een extra $1.500 naar het nutsbedrijf gaat in plaats van dat de klant bespaart).

1. Upgrade residentiële elektrische infrastructuur

Het proces om de elektrische dienst van een huis te upgraden is kapot en moet worden gereviseerd. Wanneer de boiler of oven van een huiseigenaar defect raakt, of wanneer ze een elektrische auto kopen, of wanneer ze een zonne-energiesysteem op hun dak willen installeren om in al hun (of meer) elektrische behoeften te voorzien, of wanneer ze een batterij willen installeren voor noodstroomvoorziening en netondersteuningsdiensten, kunnen ze niet zes maanden wachten en tot wel $ 20.000 uitgeven voordat hun nutsbedrijf aan een service-upgrade toekomt. Deze extra kosten en vertragingen zetten de inspanningen van huiseigenaren om te elektrificeren vaak volledig op een zijspoor. Een betere aanpak voor de overheid zou zijn om de verbetering van de elektriciteitsvoorziening te coördineren voor groepen huizen in de buurt. Huiseigenaren zouden niet hoeven te navigeren door de ondoorzichtige reeks nuts- en stadsregels voor upgrades, één aannemer zou kunnen worden geselecteerd om het dure ondergrondse en antenne-elektriciteitswerk in een buurt te doen, en huiseigenaren zouden vervolgens hun huizen kunnen elektrificeren wanneer dat uitkomt.

Door de overgang van Californië naar elektrificatie te versnellen, hebben we de mogelijkheid om de ergste gevolgen van de opwarming van de aarde te voorkomen, terwijl we tegelijkertijd het milieu en de economie verbeteren. Het goede nieuws is dat zowel de technologie als de economie aanwezig zijn om deze elektrificatie-inspanningen te ondersteunen.