Jag konverterade ett hem helt och hållet till elektricitet. Så här gick det till – och vad det kostade

Jag konverterade ett hem helt och hållet till elektricitet. Så här gick det till – och vad det kostade

Barry Cinnamon är vd för Cinnamon Energy Systems i Kalifornien.

***

Jag skriver detta i San Jose under en Marsliknande röd himmel, med lätt aska som faller emellanåt och en svag röklukt i luften. Solproduktionen har minskat med 60 procent trots att de bränder som brinner ligger minst 80 mil härifrån.

Vissa människor säger att detta är det nya normala. Med all sannolikhet kommer det att bli värre när vi upplever fler extrema väderhändelser och havsnivåerna stiger på grund av smältande istäcken. Många människor i Kalifornien är bokstavligen maktlösa eftersom vår infrastruktur för allmännyttiga företag inte klarar av att hålla jämna steg med klimatförändringens effekter, vilket förstärks av vårt samhälles ökande behov av elkraft.

Troligtvis kan varje byggnad under två våningar med ett soligt tak med hjälp av den teknik för solceller, batterier och värmepumpar som för närvarande finns tillgänglig bli en nettogenerator av energi – i stort sett koldioxidnegativ. Med nätanslutna batterier kan byggnader dessutom lätt tillhandahålla den motståndskraft som vårt nät behöver vid elbrist och strömavbrott.

Altruism åsido, produktion är billigare än bevarande för befintliga byggnader. Det är mer kostnadseffektivt att lägga till solceller och lagring än att förbättra effektiviteten i byggnadens hölje eller att ersätta befintlig VVS-utrustning innan den är uttjänt med ny högeffektiv utrustning.

Det är dags att bränna den bron till naturgas

Den tidigare amerikanska energiministern Ernest Moniz positionerade naturgasen som bron till förnybara energikällor. Vi har gått över den bron; förnybara energikällor på plats är nu billigare än naturgas för alla tillämpningar utom industriell processvärme och långväga lastbilstransporter.

Människan står inför en klimatnödsituation med ”alla händer på däck”. Eftersom solceller på taket och lagring kan installeras snabbt och billigt bör vi inte stanna vid noll koldioxid – vi bör sträva efter att göra alla byggnader koldioxidnegativa så snabbt som möjligt.

Kundens ekonomi för förnybara energikällor på plats är övertygande. Tänk på ett hem som använder 1 000 termer naturgas för rumsuppvärmning per år. Med 2 dollar per termer blir det 2 000 dollar per år. Med nuvarande värmepumpar skulle man förbruka 8 300 kilowattimmar per år för att tillhandahålla samma mängd värme; med 0,30 dollar/kWh blir det ungefär 2 500 dollar för el.

Med solceller på taket i ekvationen till en genomsnittlig kostnad på 0,10 dollar/kWh skulle den årliga driftskostnaden för värmepumpen dock bli 830 dollar. Liknande energimatematik visar också att en varmvattenberedare med värmepump är överlägsen en varmvattenberedare med naturgas.

Att övervinna vårt beroende av fossila bränslen är en utmaning eftersom byggnader står för 28 procent av den totala energiförbrukningen i Kalifornien. Tyvärr finns det begränsad litteratur om de verkliga fallen av elektrifiering av befintliga byggnader. Är en elektrifiering eftermontering praktisk, kostnadseffektiv och bekväm? Är det möjligt för byggnader att generera all den energi de behöver på årsbasis?

För att ta reda på det gav jag mig in i ett projekt för att konvertera ett 50 år gammalt hus i San Jose helt till elektricitet. Inga fler fossila bränslen.

Under vägen stötte jag på några stötestenar men fick också några mycket positiva överraskningar. I följande diskussion delas dessa erfarenheter av elektrifiering av byggnader upp i tre grundläggande steg: förberedelser, produktion och konvertering.

Detaljer visas i följande tabell och i diskussionen nedan.

Förberedelser: Lågt hängande frukter

Konventionell visdom föreslår att man börjar med en energibesiktning. Jag har använt energibesiktningsprogram i över 40 år, inklusive DOE:s program Home Energy Advisor. Tyvärr tar dessa program sällan hänsyn till lokala energipriser, incitament för solenergi och lagring, sjunkande kostnader för solenergi och lagring samt ny teknik för värmepumpar och apparater.

Mitt motsatta råd är att inte göra en energibesiktning och i stället fokusera på de lågt hängande frukterna – i allmänhet LED-belysning, tätning av läckande fönster, dörrar och rörledningar samt effektiv användning av elektriska apparater när elpriserna är som lägst.

Det finns dock vissa produkter och tjänster som ger realtidsrapportering av elförbrukningen; dessa tjänster är mycket användbara när det gäller att identifiera och därefter minska byggnadens elanvändning.

För det här projektet var det inte ekonomiskt meningsfullt att återisolera väggarna eller uppgradera de återstående enkelglasfönstren. Den gamla vindsisoleringen sögs dock ut och 18 tum av inblåst cellulosa lades till, vilket höjde R-värdet från mindre än 7 till 60.

Det var en självklarhet att byta ut alla glödlampor och lågenergilampor mot LED-lampor. Den gamla poolpumpen med enkel hastighet byttes ut mot en ny pump med variabel hastighet som är så tyst att den kan drivas på natten när elpriserna var låga. Ytterligare besparingar gjordes genom att eliminera vampyrströmförbrukare, använda en termostat och använda apparater vid lågkonjunktur: När de enkla och billiga energieffektivitetsåtgärderna har genomförts är nästa steg i nästan alla fall att generera el med ett solcellssystem på taket. Återbetalningen för dessa system sker snabbare än om man uppgraderar funktionella apparater, lägger till ytterligare väggisolering eller byter ut dörrar och fönster.

Då det inte fanns några uppgifter om hemmets tidigare energiförbrukning uppskattades det att cirka 10 kW solcellsanläggningar på taket skulle resultera i en elräkning på noll – inklusive HVAC, vattenuppvärmning, matlagning, poolpumpar och ett elfordon. Jag installerade också 20 kWh energilagring och två växelriktare (en med laddningsmöjligheter för elfordon).

De nuvarande elpriserna är 0,48 dollar/kWh mellan kl. 16.00 och 21.00 och 0,17 dollar/kWh under de flesta andra tider. Genom att lagra solenergi i batteriet under dagen (i stället för att sälja den tillbaka till elnätet till lägre priser vid middagstid) och sedan använda den energin på natten kan batterikunderna effektivt undvika höga toppar i elpriserna. Dessutom har man den uppenbara fördelen att ha reservkraft för viktiga förbrukare i huset under strömavbrott som orsakas av fel på elnätsutrustning, bränder och strömavbrott för den allmänna säkerheten.

Konvertering: Det är sällan kostnadseffektivt att köpa nya, högeffektiva apparater för att ersätta befintliga, fungerande apparater. Det är bättre att vänta tills de gamla apparaterna dör om inte den befintliga apparatens effektivitet är extremt låg eller om det finns andra skäl (t.ex. komfort, buller eller tvingande miljöskuld).

Inför detta fullständiga elektrifieringsprojekt uppgraderades den ursprungliga 200-ampere huvudservicetavlan till en ny ”solcellsanpassad” servicetavla. Eftersom detta arbete utfördes samtidigt som installationen av solceller och batterier, gällde den federala skattelättnaden för denna uppgradering.

Den befintliga gasugnen fungerade visserligen, men luftkonditioneringskompressorn fungerade inte på ett tillförlitligt sätt och kanalerna i huset var i dåligt skick. För att ge både värme och luftkonditionering installerades ett tvåzonsvärmepumpssystem, tillsammans med två fläktaggregat, nya kanaler och två internetanslutna termostater.

Notera att detta inte var ett ”delat” kanallöst system utan snarare ett traditionellt kanalsystem som använde de befintliga luftventilerna i varje rum. I drift är detta högeffektiva inverterbaserade HVAC-system nästan omöjligt att höra. Dessutom tog utomhuskompressorenheten mindre plats än den befintliga cylindriska AC-kompressorn, och genom att ta bort den gamla gasugnen och ventilationssystemet frigjordes ytterligare utrymme i garaget.

San Jose har ett rabattprogram för att uppmuntra installation av varmvattenberedare med värmepump. Den befintliga 65-gallon gasvattenvärmaren ersattes med en 65-gallon värmepumpsvattenvärmare. Eftersom tidsbaserade taxor gav ytterligare fördelar för att tvätta under låglasttider ersattes gastorktumlaren med en elektrisk torktumlare.

När dessa apparatbyten genomfördes var den antika gaskokplattan den enda gasapparaten som fanns kvar i huset. En induktionshäll installerades för att ersätta denna gasspis och därmed slutfördes elektrifieringen av hemmet. Två sällan använda gasapparater för utomhusbruk fanns dock kvar: gasvärmaren för pool/spa och gasgrillen. Eftersom dessa förorenande gasapparater sällan används – och eftersom det inte finns några övertygande elalternativ – lämnades de kvar.

Lärdomar

• Hus som är helt elektrifierade – värmepump HVAC, värmepump varmvattenberedare, elektrisk spis/ugn, elektrisk torktumlare, solenergi, lagring, EV – kan inte klara sig med mindre 100 ampere eller 125 ampere elnät. Kostnaderna för enskilda konsumenter kan variera från 5 000 US-dollar för en enkel uppgradering av en eltjänst till långt över 20 000 US-dollar om underjordiska ledningar eller transformatorer måste uppdateras. Det är typiskt med förskottsavgifter för tekniska tjänster och förseningar på sex månader eller mer. Städer och stater som planerar att elektrifiera befintliga byggnader måste hitta sätt att proaktivt effektivisera och minska kostnaderna för uppgradering av elnätet. Ingen husägare som är vid sina sinnens fulla bruk skulle vänta i tre till sex månader utan värme eller varmvatten på en elektrisk uppgradering. De kommer helt enkelt att ersätta trasiga naturgasapparater med nya.

• Tekniken för värmepumpar har utvecklats snabbt. VVS-entreprenörer kanske dock inte förstår integrationsfrågorna med solenergi, lagring och reservkraft. Vissa offerter som jag fick rekommenderade reservvärme med naturgas eller el samt äldre och mindre effektiv värmepumpsteknik som inte skulle fungera under ett strömavbrott. Den inverterbaserade värmepumpen med flera zoner som installerades är kompakt och effektiv och har en låg drifts- och startströmförbrukning.

• Lampare förväxlade ibland vattenvärmare med värmepumpar med blixtvattenvärmare eller konventionella elektriska varmvattenberedare (som faktiskt är förbjudna i vissa områden). Installationen av en varmvattenberedare med värmepump kan kräva en extra 30 ampere elektrisk krets, vilket är en elektrisk uppgift som ligger utanför konventionella rörmokares arbetsområde.

• Dimensioneringen av ett solcellssystem är ganska enkel om man använder historiska energidata. Mer komplicerade tekniska beräkningar är nödvändiga för att fastställa den ytterligare solcellskapacitet som krävs när man överväger att installera en varmvattenberedare med värmepump, ett HVAC-system eller ett elfordon. Vid utformningen av batterisystem måste man ta hänsyn till både den tillgängliga effekten från batteriet och batteriets energikapacitet, och dessa effekt-/energikrav beror på solenergisystemets storlek och de apparater som förväntas vara i drift under ett strömavbrott.

• Men även om hårdvaran för helt elektriska hem är tillförlitlig befinner sig de flesta programvaror och kommunikationsprotokoll fortfarande i ett tidigt skede. Dessa system (och deras respektive mobilappar) pratar sällan med varandra. De största utmaningarna i det här projektet gällde att konfigurera dessa appar och få dem att kommunicera på ett tillförlitligt sätt.

• Det här projektet omfattade arbete av sju olika typer av specialentreprenörer: isolering, pool, el, sol/förvaring, HVAC, VVS och snickeri. Husägare som inte är bekanta med de tekniska avvägningarna bör överväga att anlita en konsult som förstår de tillgängliga utrustningsalternativen samt lokala föreskrifter, elpriser och incitament.

• Komfort och säkerhet förbättrades avsevärt i detta projekt. Elsystemet är säkrare, HVAC, vattenuppvärmning och matlagning skapar inga utsläpp eller brandrisker, uppvärmning och kylning är tyst och bekvämare, och reservkraft är automatisk, tyst och säker.

• Efter ett års drift står det klart att ett solcellssystem på taket med en effekt på 10 kW skulle ha varit den rätta storleken. Under installationen installerades dock ytterligare paneler, vilket ökade systemets storlek till 12,8 kW. Efter det första året genererade systemet 17 404 kWh, med ett överskott på 7 788 kWh enligt elräkningen. Överskottsenergin skulle ha varit mycket mindre om två elfordon hade laddats i hemmet i stället för ett. Energilagringen på 20 kWh gav tillräcklig kapacitet för att undvika toppförbrukning av energi 335 av 365 dagar på året. Endast under mycket varma, rökiga eller molniga dagar var det nödvändigt att ta ut el under topptider.

Politiska rekommendationer

De påtagliga effekterna av klimatförändringarna tvingar Kalifornien att elektrifiera byggnader och transporter inom en allt kortare tidsram. Alla gasapparater måste bytas ut, och billig och tillförlitlig el är också nödvändig. Att uppgradera befintliga byggnader med solceller och lagring på plats är det snabbaste och billigaste sättet att uppnå detta. Eftersom tilläggskostnaden för att lägga till mer solceller och lagring är relativt låg, är det fördelaktigt för miljön, nätet och skattebetalarna att uppmuntra byggnader att bli koldioxidnegativa.

Effektiva övergångar av den här storleksordningen påskyndas av gynnsam kundekonomi. Ur ekonomisk synvinkel finns det privat kapital från både byggnadsägare och banksektorn. Denna övergång fördröjs dock och försvåras av de etablerade elbolagen. De investerarägda allmännyttiga företagens önskan att generera ökande vinster strider i grunden mot Kaliforniens behov av en snabb övergång till säker och prisvärd elektricitet.

De verkliga resultaten från detta projekt föreslår tre viktiga politiska åtgärder för att förbättra ekonomin och påskynda elektrifieringen av byggnader:

1. Färdigt kompensera värdkunder

Kunder och investerare måste fortsätta att få rättvis kompensation för både energi (kWh) och effekt (kW) som de levererar till nätet. De bör kompenseras för de investeringar de gör i solenergi och lagring, särskilt när dessa miljontals sol- och batterisystem tillhandahåller energi och effekt under elbrist och strömavbrott. Förlorade vinster för investerare i elbolag bör inte användas som en motivering för att öka kundernas kostnader – särskilt när det finns snabbare och billigare alternativ för skattebetalarna.

1. Eliminera pappersarbete, förenkla incitamenten, automatisera sammankopplingen

Dessa onödiga byråkratiska kostnader lägger till 30 procent eller mer till elektrifieringsprojekten, särskilt de som rör förbättringar som interagerar med elnätet. Hanteringen av incitament och sammankopplingar måste tas ur händerna på etablerade industrier som uppenbarligen motsätter sig dessa åtgärder för egenproduktion och bevarande. Det är löjligt att investerarägda företag så medvetet och effektivt missköter incitamentsprogrammen att kostnaderna för att behandla detta pappersarbete ofta överstiger värdet av själva incitamentet. Förseningar av sammankopplingen på fyra till sex månader är typiska för batteriprojekt, vilket i motsvarande grad minskar de ekonomiska fördelarna för kunderna (en försening på fem månader med en elräkning på 300 dollar innebär att ytterligare 1 500 dollar går till elbolaget i stället för att sparas av kunden).

1. Uppgradera bostädernas elinfrastruktur

Processen för att uppgradera hemmets elservice är trasig och måste ses över. När en husägares varmvattenberedare eller ugn dör, eller när de köper ett elfordon, eller när de vill installera en solcellsanläggning på taket för att tillgodose alla (eller fler) av sina elbehov, eller när de vill installera ett batteri för reservkraft och stödtjänster för nätet, kan de inte vänta i sex månader och spendera så mycket som 20 000 dollar på att deras elbolag ska hinna med en uppgradering av tjänsten. Dessa extrakostnader och förseningar leder ofta till att husägares ansträngningar att elektrifiera sig helt och hållet avbryts. Ett bättre tillvägagångssätt för regeringarna skulle vara att samordna uppgraderingar av elförsörjningen till grupper av närliggande bostäder. Husägare skulle inte behöva navigera i den ogenomskinliga uppsättningen av regler för uppgraderingar, en entreprenör skulle kunna väljas ut för att utföra det dyra elarbetet under jord och i luften i ett grannskap, och husägarna skulle sedan kunna elektrifiera sina hem när det passar dem.

Om att påskynda Kaliforniens övergång till elektrifiering har vi möjlighet att undvika de värsta konsekvenserna av den globala uppvärmningen, samtidigt som vi förbättrar miljön och ekonomin. Den goda nyheten är att både tekniken och ekonomin finns på plats för att stödja dessa elektrifieringsinsatser.