Ich habe ein Haus vollständig auf Elektrizität umgestellt. Hier ist, wie es funktionierte – und was es kostete

Ich habe ein Haus vollständig auf Elektrizität umgestellt. Hier ist, wie es funktionierte – und was es kostete

Barry Cinnamon ist Geschäftsführer des kalifornischen Unternehmens Cinnamon Energy Systems.

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Ich schreibe dies in San Jose unter einem marsähnlichen roten Himmel, an dem gelegentlich leichte Asche fällt und ein schwacher Rauchgeruch in der Luft liegt. Die Sonneneinstrahlung ist um 60 Prozent zurückgegangen, obwohl die Brände mindestens 50 Meilen von hier entfernt brennen.

Es gibt Leute, die sagen, das sei der neue Normalzustand. Aller Wahrscheinlichkeit nach wird es noch schlimmer werden, da wir immer mehr extreme Wetterereignisse erleben und der Meeresspiegel aufgrund schmelzender Eisschilde steigt. Viele Menschen in Kalifornien sind im wahrsten Sinne des Wortes machtlos, da unsere Versorgungsinfrastruktur mit den Auswirkungen des Klimawandels nicht Schritt halten kann, was durch den steigenden Strombedarf unserer Gesellschaft noch verstärkt wird.

Glücklicherweise kann mit der derzeit verfügbaren Solar-, Batterie- und Wärmepumpentechnologie jedes Gebäude mit weniger als zwei Stockwerken und einem sonnigen Dach ein Netto-Energieerzeuger sein – im Wesentlichen kohlenstoffnegativ. Darüber hinaus können Gebäude mit netzgekoppelten Batterien leicht die Ausfallsicherheit bieten, die unser Netz bei Stromengpässen und Stromausfällen benötigt.

Abgesehen vom Altruismus ist die Energieerzeugung bei bestehenden Gebäuden kostengünstiger als die Energieeinsparung. Es ist kosteneffizienter, Solaranlagen und Speicher hinzuzufügen, als die Effizienz der Gebäudehülle zu verbessern oder bestehende HLK-Anlagen vor dem Ende ihrer Lebensdauer durch neue hocheffiziente Anlagen zu ersetzen.

Es ist Zeit, die Brücke zum Erdgas zu schlagen

Der frühere US-Energieminister Ernest Moniz bezeichnete Erdgas als die Brücke zu den erneuerbaren Energien. Wir haben diese Brücke überquert; erneuerbare Energien vor Ort sind jetzt für alle Anwendungen außer industrieller Prozesswärme und Langstreckentransporten billiger als Erdgas.

Die Menschheit steht vor einem „alle Mann an Deck“-Klimanotfall. Da Solar- und Speicheranlagen auf Dächern schnell und kostengünstig installiert werden können, sollten wir nicht bei Null Kohlenstoff aufhören – wir sollten uns bemühen, alle Gebäude so schnell wie möglich kohlenstoffnegativ zu machen.

Die Wirtschaftlichkeit für erneuerbare Energien vor Ort ist überzeugend. Nehmen wir ein Haus, das jährlich 1.000 Thermometer Erdgas für die Raumheizung verbraucht; bei einem Preis von 2 Dollar/Thermometer macht das 2.000 Dollar pro Jahr aus. Aktuelle Wärmepumpen würden 8.300 Kilowattstunden pro Jahr verbrauchen, um die gleiche Wärmemenge bereitzustellen; bei 0,30 $/kWh sind das etwa 2.500 $ für Strom.

Wenn man jedoch die Solarenergie auf dem Dach zu einem durchschnittlichen Satz von 0,10 $/kWh in die Gleichung einbezieht, würden die jährlichen Betriebskosten für die Wärmepumpe 830 $ betragen. Ähnliche Energieberechnungen zeigen auch, dass ein Wärmepumpen-Wassererhitzer einem Erdgas-Wassererhitzer überlegen ist.

Die Überwindung unserer Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen ist die Herausforderung, da Gebäude 28 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in Kalifornien ausmachen. Leider gibt es nur wenig Literatur über die praktische Umsetzung der Elektrifizierung bestehender Gebäude. Ist eine Nachrüstung mit Strom praktisch, kosteneffizient und komfortabel? Ist es möglich, dass Gebäude die gesamte Energie erzeugen, die sie jährlich benötigen?

Um das herauszufinden, habe ich ein 50 Jahre altes Haus in San Jose vollständig auf Strom umgestellt. Keine fossilen Brennstoffe mehr.

Auf dem Weg dorthin stieß ich auf einige Stolpersteine, erlebte aber auch einige sehr positive Überraschungen. Im Folgenden werden diese Erfahrungen mit der Gebäudeelektrifizierung in drei grundlegende Phasen unterteilt: Vorbereitung, Erzeugung und Umwandlung.

Die Einzelheiten sind in der folgenden Tabelle und in der nachfolgenden Diskussion dargestellt.

Vorbereitung: Niedrig hängende Früchte

Konventionelle Weisheit schlägt vor, mit einem Energieaudit zu beginnen. Ich verwende seit über 40 Jahren Energieauditprogramme, darunter auch das Home Energy Advisor-Programm des DOE. Leider berücksichtigen diese Programme nur selten die Tarife der örtlichen Energieversorger, die Anreize für Solar- und Speicheranlagen, die sinkenden Kosten für Solar- und Speicheranlagen sowie neue Wärmepumpen- und Gerätetechnologien.

Mein gegenteiliger Rat ist, die Energieprüfung auszulassen und sich stattdessen auf die niedrig hängenden Früchte zu konzentrieren – im Allgemeinen LED-Beleuchtung, das Abdichten undichter Fenster, Türen und Rohrleitungen sowie den effizienten Betrieb von Elektrogeräten, wenn die Strompreise am niedrigsten sind.

Es gibt jedoch einige Produkte und Dienste, die Echtzeitberichte über den Stromverbrauch liefern; diese Dienste sind recht hilfreich bei der Ermittlung und anschließenden Reduzierung des Stromverbrauchs von Gebäuden.

Bei diesem Projekt war es wirtschaftlich nicht sinnvoll, die Wände neu zu isolieren oder die verbleibenden einfach verglasten Fenster zu erneuern. Die alte Dachbodenisolierung wurde jedoch abgesaugt und mit 18 Zoll eingeblasener Zellulose versehen, wodurch sich der R-Wert von weniger als 7 auf 60 erhöhte.

Es lag auf der Hand, alle Glühbirnen und CFL-Lampen durch LEDs zu ersetzen. Die alte eintourige Poolpumpe wurde durch eine neue Pumpe mit variabler Drehzahl ersetzt, die so leise ist, dass sie auch nachts betrieben werden kann, wenn die Strompreise niedrig sind. Die Beseitigung von Stromfressern, die Verwendung eines Absenkungsthermostats und der Betrieb von Geräten zu Zeiten außerhalb der Spitzenlast führten zu weiteren Einsparungen.

Erzeugung: Solar und Speicherung

Nachdem die einfachen und kostengünstigen Energieeffizienzmaßnahmen umgesetzt wurden, ist der nächste Schritt in fast allen Fällen die Stromerzeugung mit einer Solaranlage auf dem Dach. Die Amortisation dieser Systeme erfolgt schneller als bei der Aufrüstung funktionstüchtiger Geräte, der zusätzlichen Isolierung von Wänden oder dem Austausch von Türen und Fenstern.

Da keine Daten über den bisherigen Energieverbrauch des Hauses vorlagen, wurde geschätzt, dass eine Aufdach-PV-Anlage von etwa 10 kW zu einer Stromrechnung von Null führen würde – einschließlich HLK, Warmwasserbereitung, Kochen, Poolpumpen und einem Elektrofahrzeug. Außerdem habe ich einen 20-kWh-Energiespeicher und zwei Wechselrichter (einer davon mit Ladefunktion für Elektrofahrzeuge) installiert.

Die derzeitigen Stromtarife liegen zwischen 16 und 21 Uhr bei 0,48 $/kWh und zu den meisten anderen Zeiten bei 0,17 $/kWh. Indem die Solarenergie tagsüber in der Batterie gespeichert wird (anstatt sie zu den niedrigeren Mittagspreisen an das Netz zu verkaufen) und dann nachts genutzt wird, können Batteriekunden die hohen Spitzenstromtarife vermeiden. Außerdem haben sie den offensichtlichen Vorteil, dass sie bei Stromausfällen, die durch Ausfälle von Versorgungseinrichtungen, Brände und Stromabschaltungen der öffentlichen Sicherheit verursacht werden, über eine Notstromversorgung für die wichtigsten Verbraucher im Haus verfügen.

Umstellung: Ersetzen Sie alle Gasgeräte

Es ist selten kosteneffektiv, neue, hocheffiziente Geräte zu kaufen, um bestehende, funktionierende Geräte zu ersetzen. Es ist besser zu warten, bis die alten Geräte ausgedient haben, es sei denn, der Wirkungsgrad des vorhandenen Geräts ist extrem niedrig oder es gibt andere Gründe (wie Komfort, Lärm oder zwingende Umweltgründe).

In Vorbereitung auf dieses vollständige Elektrifizierungsprojekt wurde die ursprüngliche 200-Ampere-Hauptschalttafel durch eine neue „solarfähige“ Schalttafel ersetzt. Da diese Arbeiten gleichzeitig mit der Solar- und Batterieinstallation durchgeführt wurden, konnte die Steuergutschrift des Bundes für diese Aufrüstung in Anspruch genommen werden.

Der vorhandene Gasofen war zwar funktionstüchtig, aber der Klimakompressor arbeitete nicht zuverlässig, und das Kanalsystem im Haus war in schlechtem Zustand. Um sowohl die Heizung als auch die Klimaanlage zu betreiben, wurde ein Zwei-Zonen-Wärmepumpensystem mit zwei Gebläseeinheiten, neuen Kanälen und zwei Thermostaten mit Internetanschluss installiert.

Hierbei handelt es sich nicht um ein „Split“-Kanalsystem, sondern um ein herkömmliches Kanalsystem, das die vorhandenen Entlüftungsöffnungen in jedem Raum nutzt. Im Betrieb ist dieses hocheffiziente inverterbasierte HLK-System fast nicht zu hören. Außerdem beanspruchte die Kompressoreinheit im Außenbereich weniger Platz als der vorhandene zylindrische Klimakompressor, und durch die Entfernung des alten Gasofens und des Entlüftungssystems wurde zusätzlicher Platz in der Garage frei.

San Jose hat ein Rabattprogramm zur Förderung der Installation von Wärmepumpen-Wasserheizungen. Der vorhandene 65-Gallonen-Gas-Wassererhitzer wurde durch einen 65-Gallonen-Wärmepumpen-Wassererhitzer ersetzt. Da die Zeittarife zusätzliche Vorteile für das Wäschewaschen in den Nebenzeiten boten, wurde der Gastrockner durch einen elektrischen Trockner ersetzt.

Nach diesen Geräteänderungen war das antike Gaskochfeld das einzige Gasgerät im Haus. Als Ersatz für den Gasherd wurde ein Induktionskochfeld installiert, womit die Elektrifizierung des Hauses abgeschlossen war. Allerdings blieben zwei selten genutzte Gasgeräte für den Außenbereich übrig: die Gasheizung für den Pool/Spa und der Gasgrill. Da diese umweltschädlichen Gasgeräte nur selten benutzt werden und es keine überzeugenden elektrischen Alternativen gibt, wurden sie an Ort und Stelle belassen.

Lessons learned

• Häuser, die vollständig elektrifiziert sind – Wärmepumpen-Klimaanlage, Wärmepumpen-Wassererhitzer, Elektroherd/-ofen, elektrischer Trockner, Solaranlage, Stromspeicher, EV – kommen mit kleineren 100-Ampere- oder 125-Ampere-Stromanschlüssen nicht aus. Die Kosten für den einzelnen Verbraucher können von 5.000 Dollar für eine einfache Aufrüstung des Stromnetzes bis zu weit über 20.000 Dollar reichen, wenn unterirdische Leitungen oder Transformatoren erneuert werden müssen. In der Regel fallen Vorabkosten für die Planung an und es kommt zu Verzögerungen von sechs Monaten oder mehr. Städte und Staaten, die die Elektrifizierung bestehender Gebäude planen, müssen Wege finden, die Kosten für die Aufrüstung der Stromversorgung proaktiv zu rationalisieren und zu senken. Kein Hausbesitzer, der bei klarem Verstand ist, würde drei bis sechs Monate ohne Heizung oder Warmwasser auf eine elektrische Aufrüstung warten. Sie werden einfach defekte Erdgasgeräte durch neue ersetzen.

• Die Wärmepumpentechnologie hat sich rasant weiterentwickelt. Allerdings verstehen die Heizungs- und Klimaanlagenbauer möglicherweise nicht die Probleme der Integration von Solar-, Speicher- und Notstromanlagen. Einige Angebote, die ich erhielt, empfahlen Erdgas- oder Elektroheizungen sowie ältere und weniger effiziente Wärmepumpentechnologien, die bei einem Stromausfall nicht funktionieren würden. Die installierte Mehrzonen-Wärmepumpe auf Inverterbasis ist kompakt und effizient und hat eine niedrige Betriebs- und Anlaufstromaufnahme.

• Klempner verwechselten manchmal Wärmepumpen-Wassererhitzer mit Durchlauferhitzern oder herkömmlichen elektrischen Tank-Wassererhitzern (die in einigen Gebieten sogar verboten sind). Die Installation eines Wärmepumpen-Wassererhitzers kann einen zusätzlichen 30-Ampere-Stromkreis erfordern, was eine elektrische Aufgabe ist, die außerhalb des Arbeitsbereichs herkömmlicher Klempner liegt.

• Die Dimensionierung einer Solaranlage ist recht einfach, wenn historische Energiedaten verwendet werden. Kompliziertere technische Berechnungen sind erforderlich, um die zusätzlich benötigte Solarkapazität zu ermitteln, wenn eine Wärmepumpen-Wasserheizung, ein HLK-System oder ein Elektrofahrzeug in Betracht gezogen wird. Bei der Auslegung des Batteriesystems muss sowohl die verfügbare Leistung der Batterie als auch die Energiekapazität der Batterie berücksichtigt werden, und diese Leistungs-/Energieanforderungen hängen von der Größe des Solarsystems sowie von den Geräten ab, die während eines Stromausfalls voraussichtlich in Betrieb sind.

• Obwohl die Hardware für vollelektrische Häuser zuverlässig ist, befinden sich die meisten Software- und Kommunikationsprotokolle noch in einem frühen Stadium. Diese Systeme (und ihre jeweiligen Handy-Apps) sprechen nur selten miteinander. Die größten Herausforderungen bei diesem Projekt bestanden darin, diese Apps zu konfigurieren und sie dazu zu bringen, zuverlässig miteinander zu kommunizieren.

• Das Projekt umfasste die Arbeit von sieben verschiedenen Fachfirmen: Isolierung, Pool, Elektrik, Solar/Speicher, HLK, Sanitär und Zimmerei. Hausbesitzer, die mit den technischen Kompromissen nicht vertraut sind, sollten einen Berater beauftragen, der sich mit den verfügbaren Ausrüstungen sowie mit den örtlichen Vorschriften, Stromtarifen und Anreizen auskennt.

• Komfort und Sicherheit wurden bei diesem Projekt erheblich verbessert. Das elektrische System ist sicherer; HLK, Warmwasserbereitung und Kochen verursachen keine Emissionen oder Brandgefahr; Heizung und Kühlung sind leise und komfortabler; und die Notstromversorgung erfolgt automatisch, leise und sicher.

• Nach einem Jahr Betrieb ist klar, dass eine 10-kW-Solaranlage auf dem Dach die richtige Größe gewesen wäre. Während der Installation wurden jedoch zusätzliche Paneele installiert, wodurch sich die Systemgröße auf 12,8 kW erhöhte. Nach dem ersten Jahr erzeugte das System 17.404 kWh, mit einem Überschuss von 7.788 kWh gemäß der Rechnung des Energieversorgers. Der Energieüberschuss wäre viel geringer gewesen, wenn zwei E-Fahrzeuge zu Hause geladen worden wären, statt nur eines. Die 20 kWh des Energiespeichers reichten aus, um an 335 von 365 Tagen im Jahr den Spitzenenergieverbrauch zu vermeiden. Nur an sehr heißen, rauchigen oder bewölkten Tagen war es notwendig, während der Spitzenzeiten Strom vom Versorgungsunternehmen zu beziehen.

Politische Empfehlungen

Die spürbaren Auswirkungen des Klimawandels zwingen Kalifornien, Gebäude und Verkehrsmittel in immer kürzerer Zeit zu elektrifizieren. Alle Gasgeräte müssen ersetzt werden, und auch preiswerte und zuverlässige Elektrizität ist unerlässlich. Die Aufrüstung bestehender Gebäude mit Solar- und Speicheranlagen vor Ort ist der schnellste und kostengünstigste Weg zu diesem Ziel. Da die zusätzlichen Kosten für zusätzliche Solar- und Speicherkapazitäten relativ gering sind, kommt die Umstellung von Gebäuden auf kohlenstoffneutrale Energie der Umwelt, dem Netz und den Steuerzahlern zugute.

Ein effektiver Übergang in dieser Größenordnung wird durch günstige wirtschaftliche Bedingungen für die Kunden beschleunigt. Aus finanzieller Sicht gibt es privates Kapital sowohl von Gebäudeeigentümern als auch vom Bankensektor. Dieser Übergang wird jedoch von den etablierten Versorgungsunternehmen verzögert und behindert. Das Bestreben investorengeführter Versorgungsunternehmen, steigende Gewinne zu erwirtschaften, steht im grundlegenden Widerspruch zu Kaliforniens Notwendigkeit eines raschen Übergangs zu sicherer und erschwinglicher Elektrizität; die einzige Lösung besteht darin, das Geschäftsmodell der Versorgungsunternehmen zu überarbeiten – keine leichte Aufgabe.

Die realen Ergebnisse dieses Projekts legen drei wichtige Maßnahmen nahe, um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern und die Elektrifizierung von Gebäuden zu beschleunigen:

1. Grundversorgungskunden fair entschädigen

Kunden und Investoren müssen weiterhin eine faire Entschädigung sowohl für die Energie (kWh) als auch für die Leistung (kW) erhalten, die sie ins Netz einspeisen. Sie sollten für ihre Investitionen in Solar- und Speicheranlagen entschädigt werden, zumal diese Millionen von Solar- und Batteriesystemen bei Stromengpässen und Stromausfällen Energie und Leistung liefern. Entgangene Gewinne für die Investoren der Energieversorger sollten nicht als Begründung für die Erhöhung der Kundenkosten dienen – vor allem dann nicht, wenn es schnellere und kostengünstigere Alternativen für die Gebührenzahler gibt.

1. Papierkram abschaffen, Anreize vereinfachen, Zusammenschaltung automatisieren

Diese unnötigen bürokratischen Kosten erhöhen die Kosten für Elektrifizierungsprojekte um 30 Prozent oder mehr, vor allem für Verbesserungen, die mit dem Stromnetz zusammenhängen. Die Verwaltung der Anreize und Verbindungen muss aus den Händen der etablierten Industrien genommen werden, die offensichtlich gegen diese Selbsterzeugungs- und Einsparungsmaßnahmen sind. Es ist lächerlich, dass die Energieversorgungsunternehmen, die sich im Besitz von Investoren befinden, Anreizprogramme so absichtlich und effektiv misshandeln, dass die Kosten für die Bearbeitung dieses Papierkrams oft den Wert des Anreizes selbst übersteigen. Bei Batterieprojekten kommt es in der Regel zu Verzögerungen von vier bis sechs Monaten, was die finanziellen Vorteile für die Kunden entsprechend schmälert (eine fünfmonatige Verzögerung bei einer Stromrechnung von 300 Dollar bedeutet, dass zusätzliche 1.500 Dollar an das Versorgungsunternehmen fließen, anstatt vom Kunden eingespart zu werden).

1. Aufrüstung der elektrischen Infrastruktur von Wohnhäusern

Das Verfahren zur Aufrüstung der elektrischen Versorgung eines Hauses ist fehlerhaft und muss überarbeitet werden. Wenn der Warmwasserbereiter oder der Ofen eines Hausbesitzers kaputt geht, wenn er ein Elektrofahrzeug kauft, wenn er eine Solaranlage auf dem Dach installieren möchte, um seinen gesamten Strombedarf (oder mehr) zu decken, oder wenn er eine Batterie für die Notstromversorgung und die Unterstützung des Stromnetzes installieren möchte, kann er nicht sechs Monate warten und bis zu 20.000 Dollar ausgeben, bis sein Versorgungsunternehmen eine Aufrüstung vornimmt. Durch diese zusätzlichen Kosten und Verzögerungen werden die Bemühungen der Hausbesitzer, ihr Haus zu elektrifizieren, oft völlig vereitelt. Besser wäre es, wenn die Behörden die Umrüstung von Gruppen nahe gelegener Häuser koordinieren würden. Die Hausbesitzer müssten sich nicht mit den undurchsichtigen Vorschriften der Versorgungsunternehmen und der Städte für die Aufrüstung herumschlagen, ein einziger Auftragnehmer könnte für die teuren unterirdischen und oberirdischen Elektroarbeiten in einer Nachbarschaft ausgewählt werden, und die Hausbesitzer könnten ihre Häuser dann elektrifizieren, wenn es ihnen passt.

Indem wir den Übergang zur Elektrifizierung in Kalifornien beschleunigen, haben wir die Möglichkeit, die schlimmsten Auswirkungen der globalen Erwärmung zu vermeiden und gleichzeitig Umwelt und Wirtschaft zu verbessern. Die gute Nachricht ist, dass sowohl die Technologie als auch die Wirtschaftlichkeit vorhanden sind, um diese Elektrifizierungsbemühungen zu unterstützen.