Am transformat complet o casă la electricitate. Iată cum a funcționat – și cât a costat

Am transformat complet o casă la electricitate. Iată cum a funcționat – și cât a costat

Barry Cinnamon este CEO al companiei californiene Cinnamon Energy Systems.

***

Scriu aceste rânduri în San Jose, sub un cer roșu ca pe Marte, cu cenușă ușoară care cade din când în când și cu un ușor miros de fum în aer. Producția solară a scăzut cu 60%, deși incendiile care ard sunt la cel puțin 80 de kilometri de aici.

Cei care spun că aceasta este noua normalitate. Cel mai probabil, lucrurile se vor înrăutăți pe măsură ce vom avea parte de mai multe fenomene meteorologice extreme și nivelul mării va crește din cauza topirii calotelor de gheață. Mulți oameni din California sunt literalmente neputincioși, deoarece infrastructura noastră de utilități nu reușește să țină pasul cu efectele schimbărilor climatice, amplificate de nevoile tot mai mari de energie electrică ale societății noastre.

Din fericire, cu ajutorul tehnologiei solare, a bateriilor și a pompelor de căldură disponibile în prezent, fiecare clădire sub două etaje cu un acoperiș însorit poate fi un generator net de energie – în esență, carbon-negativ. Mai mult, cu ajutorul bateriilor conectate la rețea, clădirile pot asigura cu ușurință reziliența de care rețeaua noastră are nevoie în timpul penuriei de energie și a penei de curent.

Lăsând la o parte altruismul, generarea este mai puțin costisitoare decât conservarea pentru clădirile existente. Este mai rentabil să se adauge energie solară și stocare decât să se îmbunătățească eficiența învelișului clădirii sau să se înlocuiască echipamentele HVAC existente înainte de sfârșitul duratei lor de viață cu echipamente noi de înaltă eficiență.

Este timpul să ardem acea punte către gazele naturale

Fostul secretar al energiei din SUA, Ernest Moniz, a poziționat gazele naturale ca fiind puntea către energiile regenerabile. Am trecut acel pod; energiile regenerabile la fața locului sunt acum mai ieftine decât gazele naturale pentru toate aplicațiile, cu excepția încălzirii proceselor industriale și a camioanelor pe distanțe lungi.

Omenirea se confruntă cu o urgență legată de schimbările climatice de tipul „toate mâinile pe punte”. Având în vedere că energia solară de pe acoperiș și stocarea pot fi instalate rapid și ieftin, nu ar trebui să ne oprim la zero carbon – ar trebui să ne străduim să facem ca toate clădirile să fie carbon-negative cât mai repede posibil.

Economia clienților pentru energiile regenerabile la fața locului este convingătoare. Să luăm în considerare o locuință care utilizează 1.000 de termene de gaz natural pentru încălzirea spațiilor pe an; la 2 dolari/terma, acest lucru înseamnă 2.000 de dolari pe an. Pompele de căldură actuale ar consuma 8.300 de kilowați-oră pe an pentru a furniza aceeași cantitate de căldură; la 0,30 dolari/kWh, acest lucru înseamnă aproximativ 2.500 de dolari pentru electricitate.

Cu toate acestea, dacă în ecuație intră și energia solară de pe acoperiș la o rată medie de 0,10 dolari/kWh, costurile anuale de funcționare pentru pompa de căldură ar fi de 830 de dolari. Un calcul energetic similar demonstrează, de asemenea, că un încălzitor de apă cu pompă de căldură este superior unui încălzitor de apă cu gaz natural.

Depășirea dependenței noastre de combustibilii fosili este o provocare, deoarece clădirile reprezintă 28% din consumul total de energie din California. Din păcate, există o literatură limitată privind cazurile reale de electrificare a clădirilor existente. Este o modernizare prin electrificare practică, rentabilă și confortabilă? Este posibil ca clădirile să genereze toată energia de care au nevoie anual?

Pentru a afla, m-am angajat într-un proiect de a converti complet la electricitate o casă veche de 50 de ani din San Jose. Gata cu combustibilii fosili.

Pe parcurs, am întâlnit câteva piedici, dar am avut și câteva surprize foarte pozitive. Discuția de mai jos împarte aceste experiențe de electrificare a clădirii în trei etape de bază: pregătire, generare și conversie.

Detalii sunt prezentate în tabelul următor și în discuția de mai jos.

Pregătire: Fructe ușor de cules

Înțelepciunea convențională sugerează să se înceapă cu un audit energetic. Am folosit programe de audit energetic timp de peste 40 de ani, inclusiv programul Home Energy Advisor al DOE. Din nefericire, aceste programe țin rareori cont de tarifele locale ale utilităților, de stimulentele solare și de stocare și de scăderea costurilor solare și de stocare, precum și de noua tehnologie a pompelor de căldură și a aparatelor electrice.

Consiliul meu contrar este să renunțați la auditul energetic și să vă concentrați în schimb pe fructele care se pot obține cu ușurință – în general, iluminatul cu LED-uri; etanșarea ferestrelor, ușilor și conductelor care prezintă scurgeri; și operarea eficientă a aparatelor electrice atunci când tarifele electrice sunt cele mai mici.

Cu toate acestea, există unele produse și servicii care oferă o raportare în timp real a consumului de energie electrică; aceste servicii sunt destul de utile pentru identificarea și, ulterior, reducerea consumului de energie electrică al clădirii.

Pentru acest proiect, nu a avut sens din punct de vedere economic să se refacă izolația pereților sau să se modernizeze ferestrele cu un singur geam rămase. Cu toate acestea, vechea izolație a mansardei a fost aspirată și au fost adăugați 18″ de celuloză suflată, crescând valoarea R de la mai puțin de 7 la 60.

A fost o soluție de la sine înțeleasă să înlocuim toate becurile incandescente și CFL cu LED-uri. Vechea pompă de piscină cu o singură viteză a fost înlocuită cu o nouă pompă cu viteză variabilă, care este atât de silențioasă încât poate fi operată noaptea, când tarifele la electricitate erau scăzute. Eliminarea încărcărilor de energie vampir, utilizarea unui termostat de reglare și operarea aparatelor electrocasnice la orele de vârf au generat economii suplimentare.

Generare: Solar și stocare

După ce au fost implementate măsurile ușoare și ieftine de eficiență energetică, în aproape toate cazurile, următorul pas este generarea de energie electrică cu un sistem solar pe acoperiș. Recuperarea investiției pentru aceste sisteme are loc mai repede decât prin modernizarea aparatelor funcționale, adăugarea de izolație suplimentară a pereților sau înlocuirea ușilor și ferestrelor.

Din moment ce nu existau date disponibile privind consumul anterior de energie al casei, s-a estimat că aproximativ 10 kW de energie fotovoltaică pe acoperiș ar duce la o factură de energie electrică zero – inclusiv HVAC, încălzirea apei, gătitul, pompele de piscină și un vehicul electric. Am instalat, de asemenea, 20 kWh de stocare a energiei și două invertoare (unul cu capacități de încărcare a vehiculelor electrice).

Tarifele electrice actuale sunt de 0,48 $/kWh între orele 16 și 21 și de 0,17 $/kWh în majoritatea celorlalte ore. Prin stocarea energiei solare în baterie în timpul zilei (în loc să o vândă înapoi în rețea la tarifele mai mici de la amiază) și apoi prin utilizarea acestei energii pe timp de noapte, clienții bateriei pot evita efectiv tarifele de vârf ridicate pentru energia electrică. În plus, există avantajul evident de a avea energie de rezervă pentru sarcinile esențiale din casă în timpul penele de curent cauzate de defecțiuni ale echipamentelor de utilități, incendii și întreruperi de energie electrică de siguranță publică.

Conversie: Înlocuiți toate aparatele pe gaz

Rarori este rentabil să achiziționați aparate noi, de înaltă eficiență, pentru a înlocui aparatele existente, funcționale. Este mai bine să așteptați până când aparatele vechi mor, cu excepția cazului în care eficiența aparatului existent este extrem de scăzută sau dacă există alte motive (cum ar fi confortul, zgomotul sau o vină imperioasă pentru mediu).

În pregătirea acestui proiect de electrificare completă, panoul principal de servicii original de 200 de amperi a fost modernizat cu un nou panou de servicii „pregătit pentru energie solară”. Deoarece această lucrare a fost efectuată în același timp cu instalarea sistemului solar și a bateriei, creditul fiscal federal s-a aplicat la această modernizare.

Deși cuptorul pe gaz existent era funcțional, compresorul de aer condiționat nu funcționa în mod fiabil, iar rețeaua de conducte din casă era în stare proastă. Pentru a asigura atât încălzirea, cât și aerul condiționat, a fost instalat un sistem de pompă de căldură cu două zone, împreună cu două unități de ventilație, conducte noi și două termostate conectate la internet.

Rețineți că acesta nu a fost un sistem fără conducte „divizat”, ci mai degrabă un sistem tradițional cu conducte care folosea configurația de aerisire existentă în fiecare cameră. În timpul funcționării, acest sistem HVAC bazat pe invertor de înaltă eficiență este aproape imposibil de auzit. Mai mult decât atât, unitatea exterioară a compresorului a ocupat mai puțin spațiu decât compresorul cilindric de aer condiționat existent, iar îndepărtarea vechiului cuptor pe gaz și a sistemului de ventilație a eliberat spațiu suplimentar în garaj.

San Jose are un program de reduceri pentru a încuraja instalarea de încălzitoare de apă cu pompă de căldură. Încălzitorul de apă pe gaz existent de 65 de galoane a fost înlocuit cu un încălzitor de apă cu pompă de căldură de 65 de galoane. Deoarece tarifele în funcție de timpul de utilizare au oferit beneficii suplimentare pentru spălarea rufelor în afara orelor de vârf, uscătorul de rufe pe gaz a fost înlocuit cu un uscător electric.

După ce au fost făcute aceste schimbări de aparate, vechiul aragaz pe gaz a fost singurul aparat pe gaz rămas în casă. Un aragaz cu inducție a fost instalat pentru a înlocui acest aragaz pe gaz, finalizând astfel electrificarea casei. Cu toate acestea, au rămas două aparate de exterior pe gaz rar folosite: încălzitorul de piscină/spa pe gaz și grătarul pe gaz. Deoarece aceste aparate pe gaz poluante sunt rareori folosite – și neexistând opțiuni electrice convingătoare – au fost lăsate pe loc.

Lecții învățate

• Casele care sunt complet electrificate – HVAC cu pompă de căldură, încălzitor de apă cu pompă de căldură, aragaz/cuptor electric, uscător electric, solar, stocare, EV – nu se pot descurca cu servicii electrice mai mici de 100 sau 125 de amperi. Costurile pentru consumatorii individuali pot varia de la 5.000 de dolari pentru o simplă modernizare a serviciului electric până la mult peste 20.000 de dolari în cazul în care este necesară modernizarea cablurilor subterane sau a transformatoarelor. Taxele inițiale de inginerie pentru utilități și întârzierile de șase luni sau mai mult sunt tipice. Orașele și statele care plănuiesc să electrifice clădirile existente trebuie să găsească modalități de eficientizare proactivă și de reducere a costurilor pentru modernizarea serviciilor electrice. Niciun proprietar de locuință sănătos la cap nu ar aștepta între trei și șase luni fără căldură sau apă caldă pentru un upgrade electric. Ei vor înlocui pur și simplu aparatele cu gaz natural stricate cu altele noi.

• Tehnologia pompelor de căldură a avansat rapid. Cu toate acestea, este posibil ca antreprenorii HVAC să nu înțeleagă problemele de integrare cu energia solară, de stocare și de rezervă. Unele oferte de preț pe care le-am primit recomandau încălzirea de rezervă pe gaz natural sau electrică, precum și tehnologia mai veche și mai puțin eficientă a pompelor de căldură, care nu ar funcționa în timpul unei pene de curent. Pompa de căldură pe bază de invertor cu mai multe zone care a fost instalată este compactă și eficientă și are un consum redus de curent de funcționare și de pornire.

• Pietrarii au confundat uneori încălzitoarele de apă cu pompă de căldură cu încălzitoarele de apă flash sau cu încălzitoarele de apă convenționale cu rezervor electric (care sunt de fapt interzise în unele zone). Instalarea unui încălzitor de apă cu pompă de căldură poate necesita un circuit electric suplimentar de 30 de amperi, ceea ce reprezintă o sarcină electrică care nu face parte din domeniul de activitate al instalatorilor convenționali.

• Dimensionarea unui sistem solar este destul de ușoară dacă se folosesc date energetice istorice. Sunt necesare calcule inginerești mai complicate pentru a determina capacitatea solară suplimentară necesară atunci când se ia în considerare un încălzitor de apă cu pompă de căldură, un sistem HVAC sau un VE. Proiectarea sistemului de baterii trebuie să ia în considerare atât puterea disponibilă de la baterie, cât și capacitatea energetică a bateriei, iar aceste cerințe de putere/energie depind de dimensiunea sistemului solar, precum și de aparatele care se preconizează că vor funcționa în timpul unei pene de curent.

• Deși hardware-ul pentru casele complet electrice este fiabil, majoritatea software-ului și protocoalelor de comunicare sunt încă într-un stadiu incipient. Aceste sisteme (și aplicațiile lor respective pentru telefoanele mobile) rareori vorbesc între ele. Cele mai mari provocări în acest proiect au fost legate de configurarea acestor aplicații și de a le face să comunice în mod fiabil.

• Acest proiect a implicat munca a șapte tipuri diferite de antreprenori specializați: izolație, piscină, electricitate, solar/stocare, HVAC, instalații sanitare și tâmplărie. Proprietarii de locuințe care nu sunt familiarizați cu compromisurile inginerești ar trebui să ia în considerare angajarea unui consultant care să înțeleagă opțiunile de echipamente disponibile, precum și codurile locale, tarifele electrice și stimulentele.

• Confortul și siguranța au fost îmbunătățite în mod semnificativ în acest proiect. Sistemul electric este mai sigur; HVAC, încălzirea apei și gătitul nu creează emisii sau pericol de incendiu; încălzirea și răcirea sunt silențioase și mai confortabile; iar alimentarea de rezervă este automată, silențioasă și sigură.

• După un an de funcționare, este clar că un sistem solar pe acoperiș de 10 kW ar fi fost dimensiunea potrivită. Cu toate acestea, în timpul instalării, au fost instalate panouri suplimentare, ridicând dimensiunea sistemului la 12,8 kW. După primul an, sistemul a generat 17 404 kWh, cu un excedent de 7 788 kWh, conform facturii de utilități. Excesul de energie ar fi fost mult mai mic dacă două vehicule electrice ar fi fost încărcate la domiciliu, în loc de unul singur. Cei 20 kWh de stocare a energiei au oferit o capacitate suficientă pentru a evita consumul maxim de energie în 335 din cele 365 de zile ale anului. Doar în zilele foarte călduroase, afumate sau înnorate a fost necesar să se tragă energie de la utilități în orele de vârf.

Recomandări de politici

Impactul tangibil al schimbărilor climatice obligă California să electrifice clădirile și transportul într-un interval de timp din ce în ce mai scurt. Toate aparatele pe gaz trebuie să fie înlocuite, iar energia electrică ieftină și fiabilă este, de asemenea, esențială. Modernizarea clădirilor existente cu sisteme solare și de stocare la fața locului este mijlocul cel mai rapid și cel mai puțin costisitor în acest scop. Deoarece costul incremental pentru a adăuga mai multă energie solară și stocare este relativ scăzut, încurajarea clădirilor de a deveni neutre din punct de vedere al emisiilor de dioxid de carbon este benefică pentru mediu, pentru rețea și pentru plătitorii de taxe.

Transițiile eficiente de această amploare sunt accelerate de condițiile economice favorabile pentru clienți. Din punct de vedere financiar, există capital privat atât din partea proprietarilor de clădiri, cât și din partea sectorului bancar. Cu toate acestea, această tranziție este întârziată și deturnată de utilitățile istorice. Dorința utilităților deținute de investitori de a genera profituri din ce în ce mai mari este în mod fundamental în contradicție cu nevoia Californiei de a trece rapid la o energie electrică sigură și la prețuri accesibile; singura soluție este revizuirea modelului de afaceri al utilităților – o sarcină deloc ușoară.

Constatările din lumea reală ale acestui proiect sugerează trei politici cheie pentru a îmbunătăți economia și a accelera electrificarea clădirilor:

1. Compensarea echitabilă a clienților gazdă

Clienții și investitorii trebuie să continue să primească o compensație echitabilă atât pentru energia (kWh), cât și pentru puterea (kW) pe care o furnizează rețelei. Aceștia ar trebui să fie compensați pentru investițiile pe care le fac în sisteme solare și de stocare, mai ales că aceste milioane de sisteme solare și de baterii furnizează energie și putere în perioadele de penurie de energie și pene de curent. Profiturile pierdute de investitorii din utilități nu ar trebui să fie folosite ca motiv pentru a crește costurile pentru clienți – mai ales atunci când există alternative mai rapide și mai puțin costisitoare pentru plătitorii de taxe.

1. Eliminați birocrația, simplificați stimulentele, automatizați interconectarea

Aceste costuri birocratice inutile adaugă 30 % sau mai mult la proiectele de electrificare, în special cele legate de îmbunătățiri care interacționează cu rețeaua electrică. Gestionarea stimulentelor și a interconexiunilor trebuie să fie scoasă din mâinile industriilor istorice care se opun în mod evident acestor măsuri de autogenerare și conservare. Este ridicol faptul că societățile de utilități deținute de investitori gestionează atât de greșit, în mod deliberat și eficient, programele de stimulente, încât costurile de procesare a acestor documente depășesc adesea valoarea stimulentului în sine. Întârzierile de interconectare de patru până la șase luni sunt tipice pentru proiectele de baterii, reducând pe măsură beneficiile financiare pentru clienți (o întârziere de cinci luni cu o factură de energie electrică de 300 de dolari înseamnă că 1.500 de dolari suplimentari merg la compania de utilități în loc să fie economisiți de către client).

1. Actualizarea infrastructurii electrice rezidențiale

Procesul de actualizare a serviciului electric al unei locuințe este stricat și trebuie revizuit. Atunci când unui proprietar de locuință îi moare boilerul sau cuptorul, sau își achiziționează un vehicul electric, sau dorește să instaleze o instalație solară pe acoperiș pentru a-și satisface toate (sau mai multe) nevoile de energie electrică, sau dorește să instaleze o baterie pentru energie de rezervă și servicii de susținere a rețelei, nu poate aștepta șase luni și să cheltuiască până la 20.000 de dolari pentru ca firma de utilități să se ocupe de modernizarea serviciului. Aceste costuri suplimentare și întârzieri deseori anulează complet eforturile proprietarilor de locuințe de a se electrifica. Un curs de acțiune mai bun pentru guverne ar fi să coordoneze modernizarea serviciilor de electricitate pentru grupuri de case din apropiere. Proprietarii de locuințe nu ar trebui să navigheze prin setul opac de reguli ale utilităților și ale orașului pentru modernizări, un singur antreprenor ar putea fi selectat pentru a efectua lucrările electrice subterane și aeriene costisitoare într-un cartier, iar proprietarii de locuințe ar putea apoi să-și electrifice casele atunci când este convenabil.

Prin accelerarea tranziției de electrificare a Californiei, avem potențialul de a evita cele mai grave efecte ale încălzirii globale, îmbunătățind în același timp mediul și economia. Vestea bună este că atât tehnologia, cât și economia sunt pregătite pentru a sprijini aceste eforturi de electrificare.

.