Ho convertito completamente una casa all’elettricità. Ecco come ha funzionato – e quanto è costato

Ho convertito completamente una casa all’elettricità. Ecco come ha funzionato – e quanto è costato

Barry Cinnamon è l’amministratore delegato della Cinnamon Energy Systems in California.

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Sto scrivendo questo a San Jose sotto un cielo rosso come Marte, con una leggera cenere che cade occasionalmente e un leggero odore di fumo nell’aria. La produzione solare è scesa del 60% anche se gli incendi che bruciano sono ad almeno 50 miglia da qui.

Alcuni dicono che questa è la nuova normalità. Con tutta probabilità, le cose peggioreranno man mano che sperimenteremo eventi meteorologici più estremi e il livello del mare aumenterà a causa dello scioglimento delle calotte di ghiaccio. Molte persone in California sono letteralmente senza energia, poiché la nostra infrastruttura di servizio non riesce a tenere il passo con gli effetti del cambiamento climatico, amplificato dal crescente bisogno di energia elettrica della nostra società.

Fortunatamente, con la tecnologia solare, delle batterie e delle pompe di calore attualmente disponibile, ogni edificio sotto i due piani con un tetto soleggiato può essere un generatore netto di energia – essenzialmente carbonio-negativo. Inoltre, con le batterie collegate alla rete, gli edifici possono facilmente fornire la resilienza di cui la nostra rete ha bisogno durante le carenze di energia e i blackout.

Altruismo a parte, la generazione è meno costosa della conservazione per gli edifici esistenti. È più conveniente aggiungere l’energia solare e lo stoccaggio che migliorare l’efficienza dell’involucro dell’edificio o sostituire le attrezzature HVAC esistenti prima della fine della loro vita con nuove attrezzature ad alta efficienza.

È ora di bruciare quel ponte verso il gas naturale

L’ex segretario all’energia degli Stati Uniti Ernest Moniz ha posizionato il gas naturale come il ponte verso le energie rinnovabili. Abbiamo attraversato quel ponte; le energie rinnovabili in loco sono ora più economiche del gas naturale per tutte le applicazioni, tranne che per il calore di processo industriale e per i trasporti a lungo raggio.

L’umanità sta affrontando un’emergenza “a tutto campo” per il cambiamento climatico. Dal momento che l’energia solare sui tetti e lo stoccaggio possono essere installati rapidamente ed economicamente, non dovremmo fermarci a zero carbonio – dovremmo sforzarci di rendere tutti gli edifici carbonio-negativi il più rapidamente possibile.

L’economia dei clienti per le energie rinnovabili in loco è convincente. Si consideri una casa che utilizza 1.000 terminali di gas naturale per il riscaldamento degli ambienti all’anno; a 2 dollari/term, si arriva a 2.000 dollari all’anno. Le attuali pompe di calore consumerebbero 8.300 kilowatt-ora all’anno per fornire la stessa quantità di calore; a 0,30 $/kWh ciò equivale a circa 2.500 $ per l’elettricità.

Tuttavia, con il solare sul tetto nell’equazione ad un tasso medio di 0,10 $/kWh, i costi operativi annuali per la pompa di calore sarebbero 830 $. Una matematica energetica simile dimostra anche che uno scaldabagno a pompa di calore è superiore a uno scaldabagno a gas naturale.

Superare la nostra dipendenza dai combustibili fossili è la sfida poiché gli edifici rappresentano il 28% dell’uso totale di energia in California. Sfortunatamente, c’è una letteratura limitata sulle istanze del mondo reale dell’elettrificazione degli edifici esistenti. Un retrofit di elettrificazione è pratico, conveniente e confortevole? È possibile per gli edifici generare tutta l’energia di cui hanno bisogno su base annuale?

Per scoprirlo, mi sono imbarcato in un progetto per convertire una casa di San Jose di 50 anni fa completamente all’elettricità. Niente più combustibili fossili.

Lungo la strada, ho incontrato alcuni ostacoli, ma anche alcune sorprese molto positive. La seguente discussione suddivide queste esperienze di elettrificazione degli edifici in tre fasi fondamentali: preparazione, generazione e conversione.

I dettagli sono riportati nella tabella seguente e nella discussione che segue.

Preparazione: Low-hanging fruit

La saggezza convenzionale suggerisce di iniziare con un audit energetico. Ho usato programmi di audit energetico per oltre 40 anni, incluso il programma Home Energy Advisor del DOE. Sfortunatamente, questi programmi raramente tengono conto dei tassi di utilità locali, degli incentivi per l’energia solare e l’immagazzinamento, e del calo dei costi dell’energia solare e dell’immagazzinamento, così come della nuova tecnologia delle pompe di calore e degli elettrodomestici.

Il mio consiglio anticonvenzionale è di rinunciare alla verifica energetica e concentrarsi invece sui frutti a basso costo – generalmente, illuminazione a LED; sigillare finestre, porte e condutture che perdono; e far funzionare gli elettrodomestici in modo efficiente quando le tariffe elettriche sono più basse.

Ciononostante, ci sono alcuni prodotti e servizi che forniscono rapporti in tempo reale sul consumo di elettricità; questi servizi sono abbastanza utili per identificare e successivamente ridurre l’uso di elettricità dell’edificio.

Per questo progetto, non aveva senso dal punto di vista economico reisolare le pareti o aggiornare le restanti finestre a vetro singolo. Tuttavia, l’antico isolamento della soffitta è stato rimosso con l’aspirapolvere e sono stati aggiunti 18″ di cellulosa soffiata, aumentando il valore R da meno di 7 a 60.

È stato facile sostituire tutte le lampadine incandescenti e CFL con i LED. La vecchia pompa della piscina a velocità singola è stata sostituita con una nuova pompa a velocità variabile che è così silenziosa da poter funzionare di notte quando le tariffe elettriche erano basse. L’eliminazione dei carichi vampireschi, l’uso di un termostato di riserva e il funzionamento degli apparecchi in orari non di punta hanno generato ulteriori risparmi.

Generazione: Solare e stoccaggio

Una volta che le misure di efficienza energetica facili ed economiche sono state implementate, in quasi tutti i casi, il passo successivo è quello di generare elettricità con un sistema solare sul tetto. Il ritorno dell’investimento per questi sistemi avviene più velocemente di quanto non avvenga con l’aggiornamento degli elettrodomestici funzionali, l’aggiunta di un ulteriore isolamento delle pareti o la sostituzione di porte e finestre.

Non essendoci dati disponibili sul precedente consumo energetico della casa, è stato stimato che circa 10 kW di fotovoltaico sul tetto porterebbero a una bolletta elettrica pari a zero – compresi HVAC, riscaldamento dell’acqua, cottura, pompe della piscina e un veicolo elettrico. Ho anche installato 20 kWh di accumulo di energia e due inverter (uno con capacità di ricarica EV).

Le tariffe elettriche attuali sono 0,48 $/kWh dalle 4 alle 9 di sera e 0,17 $/kWh durante la maggior parte degli altri orari. Immagazzinando l’energia solare nella batteria durante il giorno (invece di rivenderla alla rete alle tariffe più basse di mezzogiorno) e poi usando quell’energia di notte, i clienti della batteria sono effettivamente in grado di evitare alti picchi di tariffe elettriche. Inoltre c’è l’ovvio vantaggio di avere energia di riserva per i carichi essenziali in casa durante i blackout causati da guasti alle apparecchiature di utilità, incendi e interruzioni di corrente per la sicurezza pubblica.

Conversione: Sostituire tutti gli elettrodomestici a gas

Raramente è conveniente acquistare nuovi elettrodomestici ad alta efficienza per sostituire quelli esistenti e funzionanti. Meglio aspettare che i vecchi elettrodomestici muoiano, a meno che l’efficienza dell’elettrodomestico esistente sia estremamente bassa o ci siano altre ragioni (come il comfort, il rumore o il senso di colpa ambientale impellente).

In preparazione a questo progetto di elettrificazione completa, il pannello di servizio principale originale da 200 amp è stato aggiornato con un nuovo pannello di servizio “solar-ready”. Poiché questo lavoro è stato fatto contemporaneamente all’installazione dell’impianto solare e delle batterie, il credito d’imposta federale è stato applicato a questo aggiornamento.

Anche se il forno a gas esistente era funzionante, il compressore dell’aria condizionata non funzionava in modo affidabile e le tubature della casa erano in cattive condizioni. Per fornire sia il riscaldamento che l’aria condizionata, è stato installato un sistema a pompa di calore a due zone, insieme a due unità di ventilazione, nuove condutture e due termostati collegati a internet.

Nota che questo non era un sistema “split” senza condutture, ma piuttosto un sistema tradizionale canalizzato che utilizzava i layout esistenti di ventilazione in ogni stanza. In funzione, questo sistema HVAC ad alta efficienza basato su inverter è quasi impossibile da sentire. Inoltre, l’unità esterna del compressore occupa meno spazio del compressore AC cilindrico esistente, e la rimozione del vecchio forno a gas e del sistema di ventilazione ha liberato ulteriore spazio nel garage.

San Jose ha un programma di sconti per incoraggiare l’installazione di scaldacqua a pompa di calore. Lo scaldabagno a gas esistente da 65 galloni è stato sostituito con uno scaldabagno a pompa di calore da 65 galloni. Poiché le tariffe a tempo di utilizzo fornivano ulteriori benefici per fare il bucato durante le ore non di punta, l’asciugatrice a gas è stata sostituita con un’asciugatrice elettrica.

Dopo che questi cambiamenti sono stati fatti, l’antico piano cottura a gas era l’unico apparecchio a gas rimasto in casa. Un piano di cottura a induzione è stato installato per sostituire questa gamma di gas, completando così l’elettrificazione della casa. Tuttavia, rimanevano due apparecchi a gas esterni usati raramente: il riscaldatore della piscina/spa a gas e la griglia a gas. Dal momento che questi apparecchi a gas inquinanti sono usati raramente – e senza opzioni elettriche convincenti – sono stati lasciati al loro posto.

Lezioni imparate

• Le case che sono completamente elettrificate – HVAC a pompa di calore, scaldabagno a pompa di calore, stufa/forno elettrico, asciugatrice elettrica, solare, stoccaggio, EV – non possono andare avanti con piccoli servizi elettrici da 100 o 125 ampere. I costi per i singoli consumatori possono variare da 5.000 dollari per un semplice aggiornamento del servizio elettrico a ben oltre 20.000 dollari se il cablaggio sotterraneo o i trasformatori devono essere aggiornati. Le spese iniziali di ingegneria e i ritardi di sei mesi o più sono tipici. Le città e gli stati che pianificano l’elettrificazione degli edifici esistenti devono trovare il modo di ottimizzare e ridurre i costi per gli aggiornamenti del servizio elettrico. Nessun proprietario di casa sano di mente aspetterebbe da tre a sei mesi senza calore o acqua calda per un aggiornamento elettrico. Sostituiranno semplicemente gli apparecchi a gas naturale rotti con quelli nuovi.

• La tecnologia delle pompe di calore è progredita rapidamente. Tuttavia, gli appaltatori HVAC potrebbero non capire i problemi di integrazione con l’energia solare, lo stoccaggio e l’alimentazione di riserva. Alcuni preventivi che ho ricevuto raccomandavano il gas naturale o il calore elettrico di riserva, così come la tecnologia della pompa di calore più vecchia e meno efficiente che non funzionerebbe durante un’interruzione di corrente. La pompa di calore multizona basata su inverter che è stata installata è compatta ed efficiente, e ha una bassa corrente di funzionamento e di avvio.

• Gli idraulici a volte hanno confuso gli scaldabagni a pompa di calore con scaldabagni flash o scaldabagni elettrici convenzionali (che sono effettivamente vietati in alcune zone). L’installazione di uno scaldabagno a pompa di calore può richiedere un circuito elettrico aggiuntivo da 30 ampere, che è un compito elettrico che è al di fuori dell’ambito di lavoro degli idraulici convenzionali.

• Il dimensionamento di un sistema solare è abbastanza facile se si usano dati energetici storici. Sono necessari calcoli ingegneristici più complicati per determinare la capacità solare aggiuntiva richiesta quando si considera uno scaldabagno a pompa di calore, un sistema HVAC o un EV. La progettazione del sistema di batterie deve considerare sia la potenza disponibile dalla batteria che la capacità energetica della batteria, e questi requisiti di potenza/energia dipendono dalle dimensioni del sistema solare e dagli apparecchi che si prevede siano in funzione durante un’interruzione di corrente.

• Anche se l’hardware per le case completamente elettriche è affidabile, la maggior parte del software e dei protocolli di comunicazione sono ancora in una fase iniziale. Questi sistemi (e le loro rispettive applicazioni per cellulari) raramente parlano tra loro. Le maggiori sfide in questo progetto riguardavano la configurazione di queste applicazioni e la loro comunicazione affidabile.

• Questo progetto ha coinvolto il lavoro di sette diversi tipi di appaltatori specializzati: isolamento, piscina, elettricità, solare/accumulo, HVAC, idraulica e carpenteria. I proprietari di case che non hanno familiarità con i compromessi ingegneristici dovrebbero considerare l’assunzione di un consulente che comprenda le scelte di attrezzature disponibili, così come i codici locali, le tariffe elettriche e gli incentivi.

• Il comfort e la sicurezza sono stati notevolmente migliorati in questo progetto. L’impianto elettrico è più sicuro; l’HVAC, il riscaldamento dell’acqua e la cottura non creano emissioni o pericolo di incendio; il riscaldamento e il raffreddamento sono silenziosi e più confortevoli; e l’alimentazione di riserva è automatica, silenziosa e sicura.

• Dopo un anno di funzionamento, è chiaro che un sistema solare sul tetto da 10 kW sarebbe stata la dimensione giusta. Tuttavia, durante l’installazione, sono stati installati dei pannelli aggiuntivi, portando la dimensione del sistema a 12,8 kW. Dopo il primo anno, il sistema ha generato 17.404 kWh, con un eccesso di 7.788 kWh come da bolletta. Ci sarebbe stata molta meno energia in eccesso se due veicoli elettrici fossero stati caricati a casa, piuttosto che uno. I 20 kWh di accumulo di energia hanno fornito abbastanza capacità per evitare il picco di utilizzo dell’energia in 335 dei 365 giorni dell’anno. Solo nei giorni molto caldi, fumosi o nuvolosi è stato necessario utilizzare l’energia di servizio durante le ore di punta.

Raccomandazioni politiche

Gli impatti tangibili del cambiamento climatico stanno costringendo la California a elettrificare gli edifici e i trasporti in tempi sempre più brevi. Tutti gli apparecchi a gas devono essere sostituiti, e anche l’elettricità economica e affidabile è essenziale. Aggiornare gli edifici esistenti con l’energia solare in loco e lo stoccaggio è il mezzo più veloce e meno costoso per raggiungere questo scopo. Dal momento che il costo incrementale per aggiungere più energia solare e di stoccaggio è relativamente basso, incoraggiare gli edifici a diventare negativi al carbonio è vantaggioso per l’ambiente, la rete e i contribuenti.

Transizioni efficaci di questa portata sono accelerate dall’economia favorevole del cliente. Da un punto di vista finanziario, ci sono capitali privati sia dai proprietari di edifici che dal settore bancario. Tuttavia, questa transizione è stata ritardata e sviata dalle utility storiche. Il desiderio dei servizi di proprietà degli investitori di generare profitti crescenti è fondamentalmente in contrasto con il bisogno della California di una rapida transizione verso un’elettricità sicura e accessibile; l’unica soluzione è quella di rivedere il modello di business dei servizi – un compito non facile.

I risultati del mondo reale di questo progetto suggeriscono tre politiche chiave per migliorare l’economia e accelerare l’elettrificazione degli edifici:

1. Compensare equamente i clienti host

I clienti e gli investitori devono continuare a ricevere una giusta compensazione sia per l’energia (kWh) che per la potenza (kW) che forniscono alla rete. Dovrebbero essere compensati per gli investimenti che fanno nel solare e nello stoccaggio, specialmente perché questi milioni di sistemi solari e di batterie forniscono energia e potenza durante le carenze di energia e i blackout. La perdita di profitti per gli investitori delle utility non dovrebbe essere usata come motivazione per aumentare i costi dei clienti – specialmente quando ci sono alternative più veloci e meno costose per i contribuenti.

1. Eliminare le scartoffie, semplificare gli incentivi, automatizzare l’interconnessione

Questi inutili costi burocratici aggiungono il 30% o più ai progetti di elettrificazione, particolarmente quelli relativi ai miglioramenti che interagiscono con la rete elettrica. La gestione degli incentivi e delle interconnessioni deve essere tolta dalle mani delle industrie storiche che sono ovviamente contrarie a queste misure di autogenerazione e conservazione. È ridicolo che i servizi pubblici di proprietà degli investitori gestiscano così deliberatamente ed efficacemente i programmi di incentivazione che i costi di elaborazione di queste pratiche spesso superano il valore dell’incentivo stesso. Ritardi di interconnessione da quattro a sei mesi sono tipici per i progetti di batterie, riducendo proporzionalmente i benefici finanziari per i clienti (un ritardo di cinque mesi con una bolletta elettrica di 300 dollari significa che altri 1.500 dollari vanno all’utility invece di essere risparmiati dal cliente).

1. Aggiornare l’infrastruttura elettrica residenziale

Il processo per aggiornare il servizio elettrico di una casa è rotto e deve essere revisionato. Quando lo scaldabagno o il forno di un proprietario di casa muore, o acquistano un veicolo elettrico, o vogliono installare un tetto solare per soddisfare tutte (o più) le loro esigenze elettriche, o vogliono installare una batteria per l’alimentazione di backup e servizi di supporto alla rete, non possono aspettare sei mesi e spendere fino a $ 20.000 per la loro utilità per ottenere un aggiornamento del servizio. Questi costi extra e questi ritardi spesso bloccano completamente gli sforzi dei proprietari di case per elettrificarsi. Una migliore linea d’azione per i governi sarebbe quella di coordinare gli aggiornamenti del servizio elettrico a gruppi di case vicine. I proprietari di casa non dovrebbero navigare nell’opaco insieme di regole di utilità e città per gli aggiornamenti, un appaltatore potrebbe essere selezionato per fare il costoso lavoro elettrico sotterraneo e aereo in un quartiere, e i proprietari di casa potrebbero poi elettrificare le loro case quando è conveniente.

Accelerando la transizione dell’elettrificazione della California, abbiamo il potenziale per evitare i peggiori impatti del riscaldamento globale, e allo stesso tempo migliorare l’ambiente e l’economia. La buona notizia è che sia la tecnologia che l’economia sono in grado di sostenere questi sforzi di elettrificazione.