W pełni przestawiłem dom na elektryczność. Here’s How It Worked – and What It Cost

W pełni przestawiłem dom na elektryczność. Here’s How It Worked – and What It Cost

Barry Cinnamon jest dyrektorem generalnym kalifornijskiej firmy Cinnamon Energy Systems.

***

Piszę to w San Jose pod czerwonym jak Mars niebem, na które od czasu do czasu spada lekki popiół, a w powietrzu unosi się słaby zapach dymu. Produkcja słoneczna spadła o 60 procent, mimo że płonące pożary znajdują się co najmniej 50 mil stąd.

Niektórzy twierdzą, że to nowa norma. Według wszelkiego prawdopodobieństwa będzie jeszcze gorzej, ponieważ doświadczamy więcej ekstremalnych zjawisk pogodowych, a poziom mórz podnosi się z powodu topnienia pokrywy lodowej. Wiele osób w Kalifornii jest dosłownie bezsilnych, ponieważ nasza infrastruktura użyteczności publicznej nie nadąża za skutkami zmian klimatycznych, spotęgowanymi przez rosnące potrzeby naszego społeczeństwa w zakresie energii elektrycznej.

Na szczęście, dzięki obecnie dostępnej technologii energii słonecznej, baterii i pomp ciepła, każdy budynek poniżej dwóch pięter ze słonecznym dachem może być generatorem energii netto – zasadniczo neutralnym pod względem emisji dwutlenku węgla. Ponadto, dzięki bateriom podłączonym do sieci, budynki mogą z łatwością zapewnić odporność, której nasza sieć potrzebuje podczas niedoborów mocy i przerw w dostawie prądu.

Altruizm na bok, generowanie energii jest mniej kosztowne niż jej oszczędzanie w przypadku istniejących budynków. Bardziej opłacalne jest dodanie energii słonecznej i magazynowania niż poprawa wydajności powłoki budynku lub wymiana istniejącego sprzętu HVAC przed końcem jego życia na nowy sprzęt o wysokiej wydajności.

Czas spalić ten most do gazu ziemnego

Poprzedni Sekretarz Energii USA Ernest Moniz pozycjonował gaz ziemny jako most do odnawialnych źródeł energii. Przekroczyliśmy ten most; odnawialne źródła energii na miejscu są teraz tańsze niż gaz ziemny we wszystkich zastosowaniach z wyjątkiem ciepła w procesach przemysłowych i transportu ciężarowego na długich trasach. Ponieważ dachowe instalacje słoneczne i magazynowanie energii można zainstalować szybko i niedrogo, nie powinniśmy poprzestawać na zerowej emisji dwutlenku węgla – powinniśmy dążyć do tego, aby wszystkie budynki były neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla tak szybko, jak to możliwe.

Ekonomia klientów w zakresie odnawialnych źródeł energii na miejscu jest przekonująca. Rozważmy dom, który zużywa 1 000 term gazu ziemnego do ogrzewania pomieszczeń rocznie; przy cenie 2 USD/term, daje to kwotę 2 000 USD rocznie. Obecne pompy ciepła zużyłyby 8 300 kilowatogodzin rocznie, aby zapewnić taką samą ilość ciepła; przy cenie 0,30 USD/kWh wychodzi około 2 500 USD za energię elektryczną.

Jednakże przy uwzględnieniu energii słonecznej na dachu przy średniej stawce 0,10 USD/kWh, roczne koszty eksploatacji pompy ciepła wyniosłyby 830 USD. Podobna matematyka energetyczna pokazuje również, że podgrzewacz wody z pompą ciepła jest lepszy od podgrzewacza wody na gaz ziemny.

Przezwyciężenie naszego uzależnienia od paliw kopalnych jest wyzwaniem, ponieważ budynki stanowią 28 procent całkowitego zużycia energii w Kalifornii. Niestety, istnieje ograniczona literatura na temat rzeczywistych przypadków elektryfikacji istniejących budynków. Czy modernizacja elektryfikacyjna jest praktyczna, opłacalna i wygodna? Czy możliwe jest, aby budynki generowały całą energię, której potrzebują w ciągu roku?

Aby się tego dowiedzieć, rozpocząłem projekt całkowitej konwersji 50-letniego domu w San Jose na energię elektryczną. Koniec z paliwami kopalnymi.

Po drodze natknąłem się na kilka przeszkód, ale spotkało mnie też kilka bardzo pozytywnych niespodzianek. Poniższa dyskusja dzieli te doświadczenia związane z elektryfikacją budynków na trzy podstawowe etapy: przygotowanie, wytwarzanie i konwersję.

Szczegóły przedstawiono w poniższej tabeli oraz w dyskusji poniżej.

Przygotowanie: Low-hanging fruit

Konwencjonalna mądrość sugeruje rozpoczęcie od audytu energetycznego. Używam programów audytu energetycznego od ponad 40 lat, włączając w to program Domowego Doradcy Energetycznego DOE. Niestety, programy te rzadko uwzględniają lokalne stawki mediów, zachęty związane z energią słoneczną i magazynowaniem oraz malejące koszty energii słonecznej i magazynowania, a także nowe technologie pomp ciepła i urządzeń.

Moją kontrariańską radą jest odpuszczenie audytu energetycznego i skupienie się na nisko wiszących owocach – ogólnie rzecz biorąc, oświetleniu LED; uszczelnianiu nieszczelnych okien, drzwi i przewodów wentylacyjnych; oraz używaniu urządzeń elektrycznych w sposób wydajny, gdy stawki za energię elektryczną są najniższe.

Niemniej jednak, istnieją pewne produkty i usługi, które zapewniają raportowanie zużycia energii elektrycznej w czasie rzeczywistym; usługi te są bardzo pomocne w identyfikacji i późniejszej redukcji zużycia energii elektrycznej w budynku.

Dla tego projektu, nie miało sensu ekonomicznego ponowne izolowanie ścian lub modernizacja pozostałych okien z pojedynczymi szybami. Jednakże starożytna izolacja poddasza została odkurzona i dodano 18″ wdmuchniętej celulozy, podnosząc wartość R z mniej niż 7 do 60.

Nie było sensu wymieniać wszystkich żarówek i CFL na LED. Stara pompa basenowa o jednej prędkości została zastąpiona nową pompą o zmiennej prędkości, która jest tak cicha, że może być używana w nocy, gdy stawki za energię elektryczną były niskie. Wyeliminowanie obciążeń wampirycznych, zastosowanie termostatu nastawnego i obsługa urządzeń poza godzinami szczytu wygenerowały dodatkowe oszczędności.

Generacja: Solar and storage

Odkąd łatwe i tanie środki efektywności energetycznej zostały wdrożone, w prawie każdym przypadku, następnym krokiem jest generowanie energii elektrycznej z systemem słonecznym na dachu. Zwrot kosztów dla tych systemów następuje szybciej niż w przypadku modernizacji funkcjonalnych urządzeń, dodania dodatkowej izolacji ścian lub wymiany drzwi i okien.

Ponieważ nie było dostępnych danych na temat poprzedniego zużycia energii w domu, oszacowano, że około 10 kW instalacji fotowoltaicznej na dachu spowodowałoby zerowy rachunek za energię elektryczną – w tym HVAC, ogrzewanie wody, gotowanie, pompy basenowe i jeden pojazd elektryczny. Zainstalowałem również 20 kWh magazynowania energii i dwa inwertery (jeden z możliwością ładowania EV).

Obecne stawki elektryczne wynoszą $0.48/kWh od 16 do 21:00 i $0.17/kWh w większości pozostałych godzin. Poprzez magazynowanie energii słonecznej w akumulatorze w ciągu dnia (zamiast sprzedawania jej z powrotem do sieci po niższych stawkach w południe), a następnie wykorzystanie tej energii w nocy, klienci akumulatorów są skutecznie w stanie uniknąć wysokich stawek za energię elektryczną w szczycie. Plus jest oczywista korzyść z posiadania zapasowej mocy dla podstawowych obciążeń w domu podczas blackoutów spowodowanych przez awarie sprzętu użyteczności publicznej, pożarów i bezpieczeństwa publicznego wyłączenia mocy.

Konwersja: Wymień wszystkie urządzenia gazowe

To rzadko jest opłacalne do zakupu nowych, wysokiej wydajności urządzeń, aby zastąpić istniejące, funkcjonalne urządzenia. Lepiej poczekać, aż stare urządzenia umrą, chyba że wydajność istniejącego urządzenia jest bardzo niska lub istnieją inne powody (takie jak komfort, hałas lub istotne poczucie winy za środowisko).

W ramach przygotowań do tego pełnego projektu elektryfikacji, oryginalny 200-amperowy główny panel serwisowy został zmodernizowany do nowego panelu serwisowego „gotowego na energię słoneczną”. Ponieważ ta praca została wykonana w tym samym czasie co instalacja solarna i bateryjna, federalna ulga podatkowa miała zastosowanie do tej modernizacji.

Ale istniejący piec gazowy był sprawny, sprężarka klimatyzacji nie działała niezawodnie, a przewody w domu były w złym stanie. Aby zapewnić zarówno ogrzewanie, jak i klimatyzację, zainstalowano dwustrefowy system pompy ciepła, wraz z dwoma zespołami wentylatorów, nowymi przewodami i dwoma podłączonymi do Internetu termostatami.

Zauważ, że nie był to system bezkanałowy typu „split”, ale raczej tradycyjny system kanałowy wykorzystujący istniejące układy odpowietrzników w każdym pomieszczeniu. Podczas pracy, ten wysokowydajny system HVAC oparty na inwerterze jest prawie niesłyszalny. Ponadto zewnętrzna jednostka sprężarki zajmowała mniej miejsca niż istniejąca cylindryczna sprężarka AC, a usunięcie starego pieca gazowego i systemu wentylacyjnego zwolniło dodatkowe miejsce w garażu.

San Jose ma program rabatowy zachęcający do instalacji podgrzewaczy wody z pompą ciepła. Istniejący 65-galonowy gazowy podgrzewacz wody został zastąpiony 65-galonowym podgrzewaczem wody z pompą ciepła. Ponieważ czas-of-use taryfy provided dodatkowe korzyści robić pralniom podczas poza szczytem czasów, gazowa suszarka wymieniał elektryczną suszarkę.

Po tych zmianach urządzenia zrobili, antyczna gazowa kuchenka była jedynym gazowym urządzeniem opuszczającym w domu. Indukcyjna płyta kuchenna została zainstalowana, aby zastąpić ten zakres gazu, tym samym kończąc elektryfikacji domu. Jednak dwa rzadko używane zewnętrzne urządzenia gazowe pozostały: gazowy basen / spa podgrzewacz i grill gazowy. Ponieważ te zanieczyszczające urządzenia gazowe są rzadko używane – i bez przekonujących opcji elektrycznych – zostały one pozostawione na miejscu.

Wyciągnięte wnioski

• Domy, które są w pełni zelektryfikowane – pompa ciepła HVAC, podgrzewacz wody z pompą ciepła, kuchenka elektryczna / piekarnik, suszarka elektryczna, słoneczna, magazynowa, EV – nie może dostać się na mniejszych 100-amp lub 125-amp usług elektrycznych. Koszty dla indywidualnych konsumentów mogą wahać się od 5.000 dolarów za prostą modernizację usług elektrycznych do ponad 20.000 dolarów, jeśli podziemne okablowanie lub transformatory muszą być aktualizowane. Typowe są wstępne opłaty inżynieryjne i opóźnienia wynoszące sześć miesięcy lub więcej. Miasta i stany, które planują elektryfikację istniejących budynków, muszą znaleźć sposoby na proaktywne usprawnienie i obniżenie kosztów modernizacji instalacji elektrycznej. Żaden właściciel domu przy zdrowych zmysłach nie będzie czekał od trzech do sześciu miesięcy bez ogrzewania lub ciepłej wody na modernizację elektryczną. Po prostu wymienią uszkodzone urządzenia na gaz ziemny na nowe.

• Technologia pomp ciepła rozwinęła się bardzo szybko. Jednak wykonawcy HVAC mogą nie rozumieć kwestii integracji z energią słoneczną, magazynowaniem i zasilaniem awaryjnym. Niektóre oferty, które otrzymałem, zalecały gaz ziemny lub elektryczne ciepło zapasowe, a także starszą i mniej wydajną technologię pomp ciepła, które nie będą działać podczas przerwy w dostawie prądu. Wielostrefowa pompa ciepła oparta na inwerterze, która została zainstalowana, jest kompaktowa i wydajna oraz ma niski pobór prądu podczas pracy i rozruchu.

• Lumbers czasami mylili podgrzewacze wody z pompą ciepła z podgrzewaczami wody flash lub konwencjonalnymi elektrycznymi podgrzewaczami wody w zbiorniku (które są faktycznie zabronione w niektórych obszarach). Instalacja podgrzewacza wody z pompą ciepła może wymagać dodatkowego 30-amperowego obwodu elektrycznego, co jest zadaniem elektrycznym, które wykracza poza zakres pracy konwencjonalnych hydraulików.

• Wymiarowanie systemu solarnego jest dość łatwe, jeżeli wykorzystywane są historyczne dane dotyczące energii. Bardziej skomplikowane obliczenia inżynierskie są niezbędne do określenia dodatkowej pojemności słonecznej wymaganej w przypadku podgrzewacza wody z pompą ciepła, systemu HVAC lub pojazdu elektrycznego. Projekt systemu baterii musi uwzględniać zarówno moc dostępną z baterii, jak i pojemność energetyczną baterii, a te wymagania dotyczące mocy/energii zależą od wielkości systemu słonecznego, jak również od urządzeń, które mają działać podczas przerwy w dostawie prądu.

• Ale chociaż sprzęt dla domów całkowicie elektrycznych jest niezawodny, większość oprogramowania i protokołów komunikacyjnych jest nadal na wczesnym etapie. Systemy te (i ich odpowiednie aplikacje na telefony komórkowe) rzadko rozmawiają ze sobą. Największe wyzwania w tym projekcie dotyczyły konfiguracji tych aplikacji i uzyskania ich niezawodnej komunikacji.

• Projekt ten obejmował pracę siedmiu różnych typów specjalistycznych wykonawców: izolacji, basenu, elektryki, instalacji solarnych/składowania, HVAC, hydrauliki i stolarki. Właściciele domów, którzy nie są zaznajomieni z kompromisami inżynieryjnymi, powinni rozważyć zatrudnienie konsultanta, który rozumie dostępne możliwości wyboru sprzętu, a także lokalne kody, stawki elektryczne i zachęty.

• Komfort i bezpieczeństwo zostały znacznie poprawione w tym projekcie. System elektryczny jest bezpieczniejszy; HVAC, podgrzewanie wody i gotowanie nie powodują emisji ani zagrożenia pożarowego; ogrzewanie i chłodzenie są ciche i bardziej komfortowe; a zasilanie awaryjne jest automatyczne, ciche i bezpieczne.

• Po roku eksploatacji jasne jest, że 10 kW dachowy system słoneczny byłby odpowiedniej wielkości. Jednak w trakcie instalacji zainstalowano dodatkowe panele, zwiększając wielkość systemu do 12,8 kW. Po pierwszym roku system wygenerował 17 404 kWh, z nadwyżką 7 788 kWh zgodnie z rachunkiem za media. Nadwyżka energii byłaby znacznie mniejsza, gdyby w domu były ładowane dwa pojazdy elektryczne, a nie jeden. Magazyn energii o pojemności 20 kWh zapewniał wystarczającą pojemność, aby uniknąć szczytowego zużycia energii przez 335 z 365 dni w roku. Tylko w bardzo gorące, zadymione lub pochmurne dni konieczne było pobieranie energii z sieci w godzinach szczytu.

Zalecenia polityczne

Wymierne skutki zmian klimatycznych zmuszają Kalifornię do elektryfikacji budynków i transportu w coraz krótszym czasie. Wszystkie urządzenia gazowe muszą zostać wymienione, a niedroga i niezawodna energia elektryczna jest również niezbędna. Modernizacja istniejących budynków za pomocą instalacji solarnych i magazynowania energii jest najszybszym i najtańszym środkiem do osiągnięcia tego celu. Ponieważ koszt przyrostowy dodania większej ilości energii słonecznej i magazynowania jest stosunkowo niski, zachęcanie budynków do przejścia na gospodarkę neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla jest korzystne dla środowiska, sieci i płatników. Z finansowego punktu widzenia istnieje prywatny kapitał zarówno ze strony właścicieli budynków, jak i sektora bankowego. Jednak przejście to jest opóźniane i odsuwane na boczny tor przez zasiedziałe przedsiębiorstwa użyteczności publicznej. Dążenie przedsiębiorstw będących własnością inwestorów do generowania coraz większych zysków jest fundamentalnie sprzeczne z kalifornijską potrzebą szybkiego przejścia na bezpieczną i niedrogą energię elektryczną; jedynym rozwiązaniem jest przebudowa modelu biznesowego przedsiębiorstwa – co nie jest łatwym zadaniem.

Rzeczywiste wnioski z tego projektu sugerują trzy kluczowe polityki mające na celu poprawę ekonomiki i przyspieszenie elektryfikacji budynków:

1. Sprawiedliwe wynagradzanie klientów hostów

Klienci i inwestorzy muszą nadal otrzymywać sprawiedliwe wynagrodzenie zarówno za energię (kWh), jak i moc (kW), którą dostarczają do sieci. Powinni otrzymać rekompensatę za inwestycje, które poczynili w energię słoneczną i magazynowanie, zwłaszcza że te miliony systemów słonecznych i akumulatorów dostarczają energię i zasilanie podczas niedoborów mocy i przerw w dostawie prądu. Utracone zyski inwestorów nie powinny być wykorzystywane jako uzasadnienie do zwiększenia kosztów dla klientów – zwłaszcza, gdy istnieją szybsze i tańsze alternatywy dla podatników.

1. Eliminacja pracy papierkowej, uproszczenie zachęt, automatyzacja połączeń

Te niepotrzebne koszty biurokratyczne dodają 30 procent lub więcej do projektów elektryfikacji, szczególnie tych związanych z ulepszeniami, które współdziałają z siecią elektryczną. Zarządzanie zachętami i połączeniami międzysystemowymi musi zostać oddane w ręce zasiedziałych przedsiębiorstw, które w oczywisty sposób sprzeciwiają się tym środkom samoregeneracji i oszczędności energii. To niedorzeczne, że przedsiębiorstwa będące własnością inwestorów tak celowo i skutecznie źle zarządzają programami motywacyjnymi, że koszty przetwarzania tej papierkowej roboty często przekraczają wartość samej zachęty. Opóźnienia w podłączeniu do sieci, wynoszące od czterech do sześciu miesięcy, są typowe dla projektów związanych z bateriami, co proporcjonalnie zmniejsza korzyści finansowe dla klientów (pięciomiesięczne opóźnienie przy rachunku za 300 USD oznacza, że dodatkowe 1500 USD trafia do przedsiębiorstwa, zamiast zostać zaoszczędzone przez klienta).

1. Umodernizuj infrastrukturę elektryczną w budynkach mieszkalnych

Proces modernizacji usług elektrycznych w domu jest zepsuty i musi zostać odnowiony. Kiedy właściciel domu podgrzewacz wody lub piec umiera, lub zakupu pojazdu elektrycznego, lub chcą zainstalować na dachu słonecznej, aby spełnić wszystkie (lub więcej) ich potrzeb elektrycznych, lub chcą zainstalować baterię do zasilania awaryjnego i usług wsparcia sieci, nie mogą czekać sześć miesięcy i wydać aż 20.000 dolarów dla ich użyteczności, aby dostać się wokół do aktualizacji usług. Te dodatkowe koszty i opóźnienia często całkowicie odsuwają na bok wysiłki właścicieli domów zmierzające do elektryfikacji. Lepszym rozwiązaniem dla rządów byłoby koordynowanie modernizacji usług elektrycznych dla grup pobliskich domów. Właściciele domów nie musieliby poruszać się po nieprzejrzystym zbiorze przepisów komunalnych i miejskich dotyczących modernizacji, jeden wykonawca mógłby zostać wybrany do wykonania kosztownych podziemnych i napowietrznych prac elektrycznych w sąsiedztwie, a właściciele domów mogliby elektryfikować swoje domy, kiedy byłoby to wygodne.

Przyspieszając przejście Kalifornii na elektryfikację, mamy potencjał, aby uniknąć najgorszych skutków globalnego ocieplenia, jednocześnie poprawiając środowisko i gospodarkę. Dobrą wiadomością jest to, że zarówno technologia, jak i ekonomia są na miejscu, aby wspierać te wysiłki elektryfikacyjne.

.