He convertido completamente una casa a la electricidad. Así es como funcionó – y lo que costó

He convertido completamente una casa a la electricidad. Así es como funcionó – y lo que costó

Barry Cinnamon es director general de Cinnamon Energy Systems de California.

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Escribo esto en San José bajo un cielo rojo como el de Marte, con ligeras cenizas cayendo de vez en cuando y un leve olor a humo en el aire. La producción solar ha bajado un 60 por ciento a pesar de que los incendios que arden están al menos a 50 millas de aquí.

Algunos dicen que esto es la nueva normalidad. Con toda probabilidad, las cosas empeorarán a medida que experimentemos más fenómenos meteorológicos extremos y el nivel del mar aumente por el derretimiento de las capas de hielo. Mucha gente en California se encuentra literalmente sin energía, ya que nuestra infraestructura de servicios públicos no está a la altura de los efectos del cambio climático, magnificados por las crecientes necesidades de energía eléctrica de nuestra sociedad.

Afortunadamente, con la tecnología solar, de baterías y de bombas de calor disponible en la actualidad, todos los edificios de menos de dos pisos con un tejado soleado pueden ser generadores netos de energía, esencialmente carbono-negativos. Además, con baterías conectadas a la red, los edificios pueden proporcionar fácilmente la resistencia que nuestra red necesita durante los cortes de energía y los apagones.

Altruismo aparte, la generación es menos cara que la conservación para los edificios existentes. Es más rentable añadir energía solar y almacenamiento que mejorar la eficiencia de la envoltura del edificio o sustituir los equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado existentes antes de que terminen su vida útil por nuevos equipos de alta eficiencia.

Es hora de quemar ese puente hacia el gas natural

El anterior secretario de Energía de EE.UU., Ernest Moniz, situó el gas natural como el puente hacia las energías renovables. Hemos cruzado ese puente; las energías renovables in situ son ahora más baratas que el gas natural para todas las aplicaciones, excepto para el calor de los procesos industriales y el transporte de larga distancia.

La humanidad se enfrenta a una emergencia de cambio climático de «todos a una». Dado que la energía solar en los tejados y el almacenamiento pueden instalarse de forma rápida y económica, no deberíamos detenernos en el carbono cero, sino que deberíamos esforzarnos por hacer que todos los edificios sean negativos en carbono lo antes posible.

La economía de los clientes para las energías renovables in situ es convincente. Pensemos en una casa que utiliza 1.000 termias de gas natural al año para la calefacción; a 2 dólares por termia, eso supone 2.000 dólares al año. Las bombas de calor actuales consumirían 8.300 kilovatios-hora al año para proporcionar la misma cantidad de calor; a 0,30 dólares/kWh, eso supone unos 2.500 dólares de electricidad.

Sin embargo, con la energía solar en el tejado en la ecuación a una tarifa media de 0,10 dólares/kWh, los costes operativos anuales de la bomba de calor serían de 830 dólares. Un cálculo energético similar también demuestra que un calentador de agua con bomba de calor es superior a un calentador de agua de gas natural.

El reto es superar nuestra adicción a los combustibles fósiles, ya que los edificios representan el 28% del uso total de energía en California. Desgraciadamente, la literatura sobre los casos reales de electrificación de edificios existentes es limitada. ¿Es una readaptación de la electrificación práctica, rentable y cómoda? ¿Es posible que los edificios generen toda la energía que necesitan anualmente?

Para averiguarlo, me embarqué en un proyecto para convertir una casa de 50 años de San José completamente en eléctrica. Se acabaron los combustibles fósiles.

En el camino, me encontré con algunos escollos, pero también me llevé algunas sorpresas muy positivas. La siguiente discusión desglosa estas experiencias de electrificación de edificios en tres etapas básicas: preparación, generación y conversión.

Los detalles se muestran en la siguiente tabla y en la discusión que sigue.

Preparación: La fruta que pende de un hilo

La sabiduría convencional sugiere comenzar con una auditoría energética. He utilizado programas de auditoría energética durante más de 40 años, incluido el programa Home Energy Advisor del DOE. Lamentablemente, estos programas rara vez tienen en cuenta las tarifas locales de los servicios públicos, los incentivos para la energía solar y el almacenamiento, y la disminución de los costes de la energía solar y el almacenamiento, así como la nueva tecnología de bombas de calor y electrodomésticos.

Mi consejo contrario es dejar de lado la auditoría energética y centrarse en cambio en la fruta más fácil de conseguir: por lo general, la iluminación LED; el sellado de ventanas, puertas y conductos con fugas; y el funcionamiento eficiente de los aparatos eléctricos cuando las tarifas eléctricas son más bajas.

Sin embargo, hay algunos productos y servicios que proporcionan informes en tiempo real sobre el consumo de electricidad; estos servicios son bastante útiles para identificar y, posteriormente, reducir el uso de electricidad del edificio.

Para este proyecto, no tenía sentido económico volver a aislar las paredes o mejorar las ventanas de un solo cristal que quedaban. Sin embargo, se aspiró el antiguo aislamiento del ático y se añadieron 18″ de celulosa insuflada, lo que elevó el valor R de menos de 7 a 60.

No fue necesario sustituir todas las bombillas incandescentes y CFL por LED. La antigua bomba de la piscina de una sola velocidad fue sustituida por una nueva bomba de velocidad variable que es tan silenciosa que puede funcionar por la noche cuando las tarifas eléctricas eran bajas. La eliminación de las cargas de energía vampírica, el uso de un termostato de retroceso y el funcionamiento de los electrodomésticos en las horas de menor consumo generaron ahorros adicionales.

Generación: Solar y almacenamiento

Una vez aplicadas las medidas de eficiencia energética fáciles y baratas, en casi todos los casos, el siguiente paso es generar electricidad con un sistema de energía solar en el tejado. La recuperación de la inversión en estos sistemas es más rápida que si se actualizaran los electrodomésticos funcionales, se añadiera un aislamiento adicional a las paredes o se sustituyeran puertas y ventanas.

Dado que no se disponía de datos sobre el consumo energético anterior de la vivienda, se estimó que unos 10 kW de energía fotovoltaica en el tejado darían lugar a una factura eléctrica cero, incluyendo la climatización, el calentamiento del agua, la cocina, las bombas de la piscina y un vehículo eléctrico. También instalé 20 kWh de almacenamiento de energía y dos inversores (uno de ellos con capacidad para cargar vehículos eléctricos).

Las tarifas eléctricas actuales son de 0,48 $/kWh de 4 a 9 de la tarde y de 0,17 $/kWh durante la mayoría de las demás horas. Al almacenar la energía solar en la batería durante el día (en lugar de venderla a la red a las tarifas más bajas del mediodía) y luego utilizar esa energía por la noche, los clientes de la batería son capaces de evitar las altas tarifas eléctricas máximas. Además, existe la evidente ventaja de disponer de energía de reserva para las cargas esenciales de la casa durante los apagones provocados por fallos de los equipos de la compañía eléctrica, los incendios y los cortes de energía de la seguridad pública.

Conversión: Reemplace todos los aparatos de gas

Rara vez es rentable comprar aparatos nuevos de alta eficiencia para reemplazar los aparatos existentes y funcionales. Es mejor esperar a que los electrodomésticos viejos mueran, a menos que la eficiencia del electrodoméstico existente sea extremadamente baja o haya otras razones (como la comodidad, el ruido o la culpabilidad ambiental imperiosa).

En la preparación de este proyecto de electrificación completa, el panel de servicio principal original de 200 amperios se actualizó a un nuevo panel de servicio «preparado para la energía solar». Como este trabajo se realizó al mismo tiempo que la instalación solar y de baterías, el crédito fiscal federal se aplicó a esta actualización.

Aunque la caldera de gas existente funcionaba, el compresor del aire acondicionado no funcionaba de forma fiable y los conductos de la casa estaban en mal estado. Para proporcionar tanto calefacción como aire acondicionado, se instaló un sistema de bomba de calor de dos zonas, junto con dos unidades de ventilación, nuevos conductos y dos termostatos conectados a Internet.

Nótese que no se trataba de un sistema «dividido» sin conductos, sino más bien de un sistema tradicional con conductos que utilizaba las disposiciones de ventilación existentes en cada habitación. En funcionamiento, este sistema de climatización de alta eficiencia basado en un inversor es casi imposible de oír. Además, la unidad de compresor exterior ocupaba menos espacio que el compresor de aire acondicionado cilíndrico existente, y la eliminación del antiguo horno de gas y el sistema de ventilación liberó espacio adicional en el garaje.

San José tiene un programa de reembolso para fomentar la instalación de calentadores de agua con bomba de calor. El calentador de gas de 65 galones existente fue sustituido por un calentador de agua con bomba de calor de 65 galones. Dado que las tarifas por tiempo de uso proporcionaban beneficios adicionales a la hora de lavar la ropa fuera de las horas punta, se sustituyó la secadora de gas por una secadora eléctrica.

Después de realizar estos cambios en los electrodomésticos, la antigua placa de cocina de gas era el único aparato de gas que quedaba en la casa. Se instaló una placa de inducción para sustituir esta cocina de gas, completando así la electrificación de la casa. Sin embargo, quedaban dos aparatos de gas de exterior poco utilizados: el calentador de gas de la piscina/spa y la parrilla de gas. Dado que estos electrodomésticos de gas contaminantes rara vez se utilizan – y sin opciones eléctricas convincentes – se dejaron en su lugar.

Lecciones aprendidas

• Las casas que están totalmente electrificadas – calefacción, ventilación y aire acondicionado con bomba de calor, calentador de agua con bomba de calor, estufa/horno eléctrico, secadora eléctrica, energía solar, almacenamiento, EV – no pueden arreglárselas con servicios eléctricos más pequeños de 100 o 125 amperios. Los costes para los consumidores individuales pueden oscilar entre 5.000 dólares para una simple actualización del servicio eléctrico y más de 20.000 dólares si hay que actualizar el cableado subterráneo o los transformadores. Los gastos de ingeniería por adelantado y los retrasos de seis meses o más son habituales. Las ciudades y los estados que planean electrificar los edificios existentes deben encontrar formas de racionalizar y reducir los costes de las actualizaciones del servicio eléctrico. Ningún propietario en su sano juicio esperaría de tres a seis meses sin calefacción o agua caliente por una mejora eléctrica. Simplemente sustituirán los aparatos de gas natural averiados por otros nuevos.

• La tecnología de las bombas de calor ha avanzado rápidamente. Sin embargo, los contratistas de HVAC pueden no entender los problemas de integración con la energía solar, el almacenamiento y la energía de reserva. Algunos presupuestos que recibí recomendaban gas natural o calefacción eléctrica de reserva, así como una tecnología de bomba de calor más antigua y menos eficiente que no funcionaría durante un corte de energía. La bomba de calor multizona basada en un inversor que se instaló es compacta y eficiente, y tiene un bajo consumo de corriente de funcionamiento y de arranque.

• Los fontaneros a veces confundían los calentadores de agua con bomba de calor con los calentadores de agua de tipo flash o los calentadores de agua con depósito eléctrico convencionales (que en realidad están prohibidos en algunas zonas). La instalación de un calentador de agua con bomba de calor puede requerir un circuito eléctrico adicional de 30 amperios, que es una tarea eléctrica que está fuera del ámbito de trabajo de los fontaneros convencionales.

• Dimensionar un sistema solar es bastante fácil si se utilizan datos históricos de energía. Son necesarios cálculos de ingeniería más complicados para determinar la capacidad solar adicional necesaria cuando se considera un calentador de agua con bomba de calor, un sistema de climatización o un vehículo eléctrico. El diseño del sistema de baterías debe tener en cuenta tanto la potencia disponible de la batería como la capacidad energética de la misma, y estos requisitos de potencia/energía dependen del tamaño del sistema solar, así como de los aparatos que se espera que estén en funcionamiento durante un apagón.

• Aunque el hardware para los hogares totalmente eléctricos es fiable, la mayoría del software y los protocolos de comunicación están todavía en una fase inicial. Estos sistemas (y sus respectivas aplicaciones para teléfonos móviles) rara vez se comunican entre sí. Los mayores retos de este proyecto fueron configurar estas aplicaciones y conseguir que se comunicaran de forma fiable.

• Este proyecto contó con el trabajo de siete tipos diferentes de contratistas especializados: aislamiento, piscina, electricidad, energía solar/almacenamiento, climatización, fontanería y carpintería. Los propietarios de viviendas que no estén familiarizados con las compensaciones de ingeniería deberían considerar la posibilidad de contratar a un consultor que conozca las opciones de equipamiento disponibles, así como los códigos locales, las tarifas eléctricas y los incentivos.

• El confort y la seguridad mejoraron significativamente en este proyecto. El sistema eléctrico es más seguro; la climatización, el calentamiento del agua y la cocina no generan emisiones ni peligro de incendio; la calefacción y la refrigeración son silenciosas y más cómodas; y la energía de reserva es automática, silenciosa y segura.

• Después de un año de funcionamiento, está claro que un sistema solar en el tejado de 10 kW habría sido el tamaño adecuado. Sin embargo, durante la instalación, se instalaron paneles adicionales, aumentando el tamaño del sistema a 12,8 kW. Tras el primer año, el sistema generó 17.404 kWh, con un exceso de 7.788 kWh según la factura de la compañía eléctrica. El exceso de energía habría sido mucho menor si se hubieran cargado dos vehículos eléctricos en casa, en lugar de uno. Los 20 kWh de almacenamiento de energía proporcionaron suficiente capacidad para evitar los picos de consumo de energía en 335 de los 365 días del año. Sólo en los días muy calurosos, con humo o nublados fue necesario recurrir a la energía de la compañía eléctrica durante las horas punta.

Recomendaciones políticas

Los impactos tangibles del cambio climático están obligando a California a electrificar los edificios y el transporte en un plazo cada vez más corto. Es necesario sustituir todos los aparatos de gas, y también es esencial contar con electricidad barata y fiable. La mejora de los edificios existentes con energía solar y almacenamiento in situ es el medio más rápido y menos costoso para este fin. Dado que el coste incremental de añadir más energía solar y almacenamiento es relativamente bajo, animar a los edificios a ser negativos en carbono es beneficioso para el medio ambiente, la red y los contribuyentes.

Las transiciones efectivas de esta magnitud se aceleran por la economía favorable de los clientes. Desde el punto de vista financiero, existe capital privado tanto de los propietarios de edificios como del sector bancario. Sin embargo, esta transición está siendo retrasada y desviada por los servicios públicos tradicionales. El deseo de las empresas de servicios públicos propiedad de los inversores de generar beneficios cada vez mayores está fundamentalmente en desacuerdo con la necesidad de California de una rápida transición a una electricidad segura y asequible; la única solución es revisar el modelo de negocio de las empresas de servicios públicos, una tarea nada fácil.

Las conclusiones del mundo real de este proyecto sugieren tres políticas clave para mejorar la economía y acelerar la electrificación de los edificios:

1. Compensar de forma justa a los clientes de las centrales

Los clientes e inversores deben seguir recibiendo una compensación justa tanto por la energía (kWh) como por la potencia (kW) que proporcionan a la red. Deben ser compensados por las inversiones que realizan en energía solar y almacenamiento, especialmente porque estos millones de sistemas solares y de baterías proporcionan energía y potencia durante los cortes de energía y los apagones. La pérdida de beneficios para los inversores de las empresas de servicios públicos no debe utilizarse como justificación para aumentar los costes de los clientes, especialmente cuando existen alternativas más rápidas y menos costosas para los contribuyentes.

1. Eliminar el papeleo, simplificar los incentivos, automatizar la interconexión

Estos costes burocráticos innecesarios añaden un 30 por ciento o más a los proyectos de electrificación, especialmente los relacionados con las mejoras que interactúan con la red eléctrica. La gestión de los incentivos y las interconexiones debe dejar de estar en manos de las industrias tradicionales, que obviamente se oponen a estas medidas de autogeneración y conservación. Es absurdo que las empresas de servicios públicos de propiedad de los inversores gestionen tan deliberada y eficazmente los programas de incentivos que los costes de tramitación de este papeleo a menudo superan el valor del propio incentivo. Los retrasos en la interconexión de cuatro a seis meses son típicos en los proyectos de baterías, lo que reduce proporcionalmente los beneficios económicos para los clientes (un retraso de cinco meses con una factura eléctrica de 300 dólares significa que 1.500 dólares adicionales van a parar a la empresa de servicios públicos en lugar de ser ahorrados por el cliente).

1. Actualizar la infraestructura eléctrica residencial

El proceso para actualizar el servicio eléctrico de una casa está roto y debe ser revisado. Cuando el calentador de agua o la caldera se estropean, o se adquiere un vehículo eléctrico, o se quiere instalar una instalación solar en el tejado para satisfacer todas (o más) las necesidades eléctricas, o se quiere instalar una batería para tener energía de reserva y servicios de apoyo a la red, no se puede esperar seis meses y gastar hasta 20.000 dólares para que la empresa de suministro eléctrico se ponga a actualizar el servicio. Estos costes adicionales y los retrasos suelen desbaratar por completo los esfuerzos de los propietarios por electrificarse. Una mejor opción para los gobiernos sería coordinar las mejoras del servicio eléctrico en grupos de viviendas cercanas. Los propietarios no tendrían que navegar por el opaco conjunto de normas de los servicios públicos y de la ciudad para las actualizaciones, un contratista podría ser seleccionado para hacer el costoso trabajo eléctrico subterráneo y aéreo en un barrio, y los propietarios podrían entonces electrificar sus hogares cuando sea conveniente.

Al acelerar la transición de la electrificación de California, tenemos el potencial de evitar los peores impactos del calentamiento global, mientras que al mismo tiempo mejorar el medio ambiente y la economía. La buena noticia es que tanto la tecnología como la economía están preparadas para apoyar estos esfuerzos de electrificación.