Eu converti completamente uma casa para a eletricidade. Eis Como Funcionou – e Quanto Custou

Eu converti completamente uma casa para a eletricidade. Eis Como Funcionou – e Quanto Custou

Barry Cinnamon é CEO da Cinnamon Energy Systems da Califórnia.

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Eu estou escrevendo isso em San Jose sob um céu vermelho parecido com Marte, com cinza clara caindo ocasionalmente e um leve cheiro de fumaça no ar. A produção solar diminuiu 60%, embora os incêndios estejam a pelo menos 50 milhas daqui.

Algumas pessoas dizem que este é o novo normal. Com toda a probabilidade, as coisas vão piorar à medida que experimentamos eventos climáticos mais extremos e o nível do mar aumenta devido ao derretimento das camadas de gelo. Muitas pessoas na Califórnia estão literalmente impotentes uma vez que nossa infra-estrutura de serviços públicos não está conseguindo acompanhar os efeitos da mudança climática, ampliada pelas crescentes necessidades de energia elétrica de nossa sociedade.

Felizmente, com a tecnologia solar, bateria e bomba de calor atualmente disponível, cada edifício sob dois andares com um teto ensolarado pode ser um gerador líquido de energia – essencialmente carbono negativo. Além disso, com baterias ligadas à rede, os edifícios podem facilmente fornecer a resiliência que a nossa rede precisa durante faltas de energia e apagões.

Altruísmo à parte, a geração é mais barata do que a conservação para os edifícios existentes. É mais econômico adicionar energia solar e armazenamento do que melhorar a eficiência do revestimento do edifício ou substituir equipamentos de HVAC existentes antes do seu fim de vida útil por novos equipamentos de alta eficiência.

Tempo para queimar essa ponte para o gás natural

Former U.S. Energy Secretary Ernest Moniz posicionou o gás natural como a ponte para as energias renováveis. Atravessamos essa ponte; as energias renováveis no local são agora mais baratas do que o gás natural para todas as aplicações, exceto calor de processo industrial e caminhões de longo curso.

A humanidade está enfrentando uma emergência de mudança climática “todas as mãos no convés”. Como os telhados solares e o armazenamento podem ser instalados de forma rápida e barata, não devemos parar no carbono zero – devemos nos esforçar para tornar todos os edifícios negativos em carbono o mais rápido possível.

A economia do cliente para as energias renováveis no local é convincente. Considere uma casa que usa 1.000 therms de gás natural para o aquecimento do espaço por ano; a $2/therm, que funciona até $2.000 por ano. As bombas de calor actuais consumiriam 8.300 kilowatt-hora por ano para fornecer a mesma quantidade de calor; a $0,30/kWh, que resulta em cerca de $2.500 para electricidade.

No entanto, com o solar de cobertura na equação a uma taxa média de $0,10/kWh, os custos anuais de operação da bomba de calor seriam de $830. Matemática energética semelhante também demonstra que um aquecedor de água com bomba de calor é superior a um aquecedor de água a gás natural.

A superação do nosso vício em combustíveis fósseis é o desafio, uma vez que os edifícios são responsáveis por 28% do uso total de energia na Califórnia. Infelizmente, há pouca literatura sobre as instâncias do mundo real de eletrificação dos edifícios existentes. Será que um retrofit de electrificação é prático, económico e confortável? É possível para os edifícios gerarem toda a energia de que necessitam anualmente?

Para descobrir, embarquei num projecto para converter completamente uma casa de San Jose de 50 anos em electricidade. Acabaram-se os combustíveis fósseis.

Durante o caminho, encontrei alguns tropeços mas também tive algumas surpresas muito positivas. A discussão seguinte divide estas experiências de electrificação de edifícios em três fases básicas: preparação, geração e conversão.

Detalhes são mostrados na tabela seguinte e na discussão abaixo.

Preparação: Frutos pendentes baixos

Sabedoria convencional sugere começar com uma auditoria energética. Eu utilizo programas de auditoria energética há mais de 40 anos, incluindo o programa do DOE’s Home Energy Advisor. Infelizmente, estes programas raramente contabilizam as taxas de serviços públicos locais, incentivos solares e de armazenamento, e custos solares e de armazenamento em declínio, bem como a nova tecnologia de bombas de calor e aparelhos.

O meu conselho contrariante é de fazer a auditoria energética e concentrar-se, em vez disso, na fruta de suspensão baixa – geralmente, iluminação LED; vedação de janelas, portas e condutas com fugas; e operação eficiente de aparelhos eléctricos quando as taxas eléctricas são mais baixas.

Não obstante, existem alguns produtos e serviços que fornecem relatórios em tempo real do consumo de electricidade; estes serviços são bastante úteis na identificação e subsequente redução do consumo de electricidade nos edifícios.

Para este projecto, não fazia sentido, do ponto de vista económico, reabilitar as paredes ou melhorar as restantes janelas envidraçadas. No entanto, o antigo isolamento do sótão foi aspirado e foi adicionado 18″ de celulose soprada, elevando o valor R de menos de 7 para 60,

Foi um não-cérebro substituir todas as lâmpadas incandescentes e CFL por LEDs. A antiga bomba de piscina de velocidade única foi substituída por uma nova bomba de velocidade variável que é tão silenciosa que pode ser operada à noite, quando as taxas elétricas são baixas. A eliminação das cargas de energia dos vampiros, utilizando um termóstato de retrocesso e a utilização de aparelhos em tempos de vazio gerou poupanças adicionais.

Geração: Solar e armazenamento

Após as medidas de eficiência energética fáceis e baratas terem sido implementadas, em quase todos os casos, o próximo passo é gerar electricidade com um sistema de energia solar no telhado. O retorno para estes sistemas ocorre mais rapidamente do que aconteceria actualizando aparelhos funcionais, adicionando isolamento adicional de paredes ou substituindo portas e janelas.

Desde que não havia dados disponíveis sobre o consumo de energia da casa anterior, estimou-se que cerca de 10 kW de PV no telhado resultaria numa conta eléctrica zero – incluindo AVAC, aquecimento de água, cozinhar, bombas de piscina e um veículo eléctrico. Também instalei 20 kWh de armazenamento de energia e dois inversores (um com capacidade de carregamento EV).

As tarifas eléctricas actuais são de $0,48/kWh das 16 às 21 horas e $0,17/kWh durante a maioria dos outros períodos. Ao armazenar energia solar na bateria durante o dia (em vez de vendê-la de volta à rede a taxas mais baixas ao meio-dia) e depois usar essa energia à noite, os clientes da bateria são efetivamente capazes de evitar altas taxas de pico elétrico. Além disso, há o benefício óbvio de ter energia de reserva para cargas essenciais na casa durante apagões causados por falhas de equipamentos de utilidade pública, incêndios e desligamentos de energia de segurança pública.

Conversão: Substituir todos os aparelhos a gás

Raramente é rentável comprar aparelhos novos e de alta eficiência para substituir os aparelhos existentes e funcionais. É melhor esperar até que os aparelhos antigos morram, a menos que a eficiência do aparelho existente seja extremamente baixa ou que haja outras razões (como conforto, ruído ou culpa ambiental imperiosa).

Em preparação para este projeto completo de eletrificação, o painel de serviço principal original de 200 lâmpadas foi atualizado para um novo painel de serviço “pronto para uso solar”. Como este trabalho foi feito ao mesmo tempo que a instalação solar e bateria, o crédito fiscal federal foi aplicado a esta atualização.

Embora o forno a gás existente fosse funcional, o compressor de ar condicionado não funcionava de forma confiável e a tubulação da casa estava em mau estado. Para fornecer tanto aquecimento como ar condicionado, foi instalado um sistema de bomba de calor de duas zonas, juntamente com duas unidades de ventilação, novas condutas e dois termostatos ligados à Internet.

Notem que este não era um sistema “split” sem condutas, mas sim um sistema tradicional de condutas utilizando os esquemas de ventilação existentes em cada divisão. Em funcionamento, este sistema HVAC baseado em inversores de alta eficiência é quase impossível de ouvir. Além disso, o compressor exterior ocupava menos espaço que o compressor CA cilíndrico existente, e a remoção do antigo forno a gás e do sistema de ventilação libertou espaço adicional na garagem.

San Jose tem um programa de descontos para encorajar a instalação de esquentadores de água com bomba de calor. O aquecedor de água a gás existente de 65 galões foi substituído por um aquecedor de água com bomba de calor de 65 galões. Uma vez que o tempo de utilização proporcionou benefícios adicionais para lavar a roupa durante os tempos de vazio, o secador a gás foi substituído por um secador eléctrico.

Após estas alterações, o fogão a gás antigo era o único aparelho a gás que restava na casa. Um fogão de indução foi instalado para substituir esta gama de gás, completando assim a electrificação da casa. No entanto, dois aparelhos a gás raros utilizados ao ar livre permaneceram: o aquecedor a gás de piscina/spa e a grelha a gás. Como estes aparelhos a gás poluentes são raramente utilizados – e sem opções eléctricas convincentes – foram deixados no lugar.

Lessões aprendidas

• Lares totalmente electrificados – bomba de calor AVAC, aquecedor de água com bomba de calor, fogão/forno eléctrico, secador eléctrico, solar, armazenamento, EV – não podem passar em serviços eléctricos mais pequenos de 100 ou 125 amperes. Os custos para consumidores individuais podem variar de $5.000 para uma simples atualização do serviço elétrico até bem mais de $20.000 se a fiação subterrânea ou os transformadores precisarem ser atualizados. Taxas iniciais de engenharia de serviços públicos e atrasos de seis meses ou mais são típicos. Cidades e estados que planejam eletrificar edifícios existentes devem encontrar maneiras de racionalizar e reduzir os custos para atualizações de serviços elétricos de forma proativa. Nenhum proprietário no seu perfeito juízo esperaria de três a seis meses sem calor ou água quente por uma atualização elétrica. Eles simplesmente substituirão aparelhos a gás natural quebrados por novos.

• A tecnologia da bomba de calor avançou rapidamente. No entanto, os fornecedores de HVAC podem não compreender os problemas de integração com a energia solar, de armazenamento e de reserva. Algumas citações que recebi recomendam gás natural ou calor de reserva eléctrico, bem como a tecnologia mais antiga e menos eficiente da bomba de calor que não funcionaria durante uma falha de energia. A bomba de calor com inversor multi-zona que foi instalada é compacta e eficiente, e tem um baixo consumo de corrente de funcionamento e arranque.

• Aquecedores de água com bombas de calor por vezes confundem aquecedores de água com aquecedores de água com flash ou aquecedores de água com tanques eléctricos convencionais (que na realidade são proibidos em algumas áreas). A instalação de um aquecedor de água com bomba de calor pode requerer um circuito eléctrico adicional de 30amp, que é uma tarefa eléctrica que está fora do âmbito de trabalho dos canalizadores convencionais.

• Dimensionar um sistema solar é bastante fácil se forem utilizados dados históricos de energia. Cálculos de engenharia mais complicados são necessários para determinar a capacidade solar adicional necessária quando um aquecedor de água por bomba de calor, sistema HVAC ou EV está sendo considerado. O projeto do sistema de baterias deve considerar tanto a energia disponível da bateria quanto a capacidade energética da bateria, e esses requisitos de energia/energia dependem do tamanho do sistema solar, bem como dos aparelhos que se espera que estejam funcionando durante uma falta de energia.

• Embora o hardware para casas totalmente elétricas seja confiável, a maioria dos protocolos de software e comunicação ainda está em estágio inicial. Estes sistemas (e suas respectivas aplicações para celulares) raramente falam uns com os outros. Os maiores desafios neste projecto relacionavam-se com a configuração destas aplicações e com a sua comunicação fiável.

• Este projecto envolveu o trabalho de sete tipos diferentes de empreiteiros especializados: isolamento, piscina, electricidade, solar/armazenamento, AVAC, canalização e carpintaria. Os proprietários que não estão familiarizados com as técnicas de engenharia devem considerar a contratação de um consultor que compreenda as opções de equipamentos disponíveis, bem como os códigos locais, tarifas elétricas e incentivos.

• Conforto e segurança foram significativamente melhorados neste projeto. O sistema elétrico é mais seguro; AVAC, aquecimento de água e cozimento não criam emissões ou perigo de incêndio; aquecimento e resfriamento são silenciosos e mais confortáveis; e a energia de reserva é automática, silenciosa e segura.

• Após um ano de operação, é claro que um sistema solar de 10 kW no telhado teria sido o tamanho certo. No entanto, durante a instalação, foram instalados painéis adicionais, elevando o tamanho do sistema para 12,8 kW. Após o primeiro ano, o sistema gerou 17.404 kWh, com um excesso de 7.788 kWh, de acordo com a conta da concessionária. Teria havido muito menos excesso de energia se fossem cobrados dois EVs em casa, em vez de um. Os 20 kWh de armazenamento de energia proporcionaram capacidade suficiente para evitar o pico de consumo de energia em 335 dos 365 dias do ano. Somente em dias muito quentes, fumegantes ou nublados foi necessário utilizar energia elétrica durante os horários de pico.

Recomendações políticas

Os impactos tangíveis da mudança climática estão obrigando a Califórnia a eletrificar edifícios e transportes em um período de tempo cada vez mais curto. Todos os aparelhos a gás precisam ser substituídos, e a eletricidade barata e confiável também é essencial. A modernização dos edifícios existentes com energia solar e armazenamento no local é o meio mais rápido e menos dispendioso para este fim. Uma vez que o custo incremental para adicionar mais solar e armazenamento é relativamente baixo, encorajar os edifícios a serem negativos em termos de carbono é benéfico para o ambiente, para a rede e para os contribuintes.

Transferências eficazes desta magnitude são aceleradas por uma economia favorável para o cliente. Do ponto de vista financeiro, há capital privado tanto de proprietários de edifícios como da indústria bancária. No entanto, esta transição está sendo atrasada e desviada pelas concessionárias de serviços públicos já existentes. O desejo de que as empresas de serviços públicos de propriedade dos investidores gerem lucros crescentes está fundamentalmente em desacordo com a necessidade da Califórnia de uma transição rápida para eletricidade segura e acessível; a única solução é revisar o modelo de negócios das empresas de serviços públicos – não é uma tarefa fácil.

Os resultados do mundo real deste projecto sugerem três políticas-chave para melhorar a economia e acelerar a electrificação dos edifícios:

1. Compensar os clientes anfitriões

Os clientes e investidores devem continuar a receber uma compensação justa tanto pela energia (kWh) como pela energia (kW) que fornecem à rede. Eles devem ser compensados pelos investimentos que fazem em energia solar e armazenamento, especialmente porque estes milhões de sistemas solares e de baterias fornecem energia e energia durante a falta de energia e apagões. A perda de lucros para os investidores em serviços públicos não deve ser usada como uma lógica para aumentar os custos dos clientes – especialmente quando existem alternativas mais rápidas e menos dispendiosas para os pagadores de tarifas.

1. Eliminar a burocracia, simplificar os incentivos, automatizar a interconexão

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Estas despesas burocráticas desnecessárias acrescentam 30% ou mais aos projetos de eletrificação, especialmente aqueles relacionados com melhorias que interagem com a rede elétrica. A gestão de incentivos e interconexões deve ser tirada das mãos das indústrias incumbentes que obviamente se opõem a essas medidas de auto-geração e conservação. É ridículo que os serviços públicos de propriedade dos investidores gerem de forma tão deliberada e eficaz os programas de incentivos de forma errada que os custos de processamento desta documentação muitas vezes excedem o valor do próprio incentivo. Atrasos de interconexão de quatro a seis meses são típicos para projetos de baterias, reduzindo proporcionalmente os benefícios financeiros para os clientes (um atraso de cinco meses com uma conta de eletricidade de $300 significa que um adicional de $1.500 vai para a concessionária ao invés de ser economizado pelo cliente).

1. Infraestrutura elétrica residencial de upgrade

O processo de upgrade do serviço elétrico de uma casa está quebrado e deve ser revisado. Quando o aquecedor de água ou forno de um proprietário de uma casa morre, ou eles compram um veículo elétrico, ou eles querem instalar um telhado solar para atender a todas (ou mais) suas necessidades elétricas, ou eles querem instalar uma bateria para energia de reserva e serviços de suporte da rede, eles não podem esperar seis meses e gastar até $20.000 para a sua utilidade para se locomover para uma atualização do serviço. Estes custos extras e atrasos muitas vezes desviam completamente os esforços dos proprietários de casa para electrificar. Um melhor curso de ação para os governos seria coordenar as atualizações de serviços elétricos para grupos de residências próximas. Os proprietários de casas não teriam que navegar pelo conjunto opaco de serviços públicos e regras da cidade para atualizações, um empreiteiro poderia ser selecionado para fazer o caro trabalho elétrico subterrâneo e aéreo em um bairro, e os proprietários de casas poderiam então eletrificar suas casas quando conveniente.

Ao acelerar a transição de eletrificação da Califórnia, temos o potencial de evitar os piores impactos do aquecimento global, ao mesmo tempo em que melhoramos o meio ambiente e a economia. A boa notícia é que tanto a tecnologia quanto a economia estão no lugar para apoiar esses esforços de eletrificação.