5.4 Intervju med Hans-Olof Nilsson ägare av ett energisjälvförsörjande hus
5.4.1 Teknik
Hans-Olofs energisystem
Energisystemet består av solceller och solfångare samt växelriktare till solcellerna. Han har även ett batterisystem och växelriktare som omvandlar strömmen till växelström. Till systemet tillhör även en elektrolysör och en torkare som torkar vätgasen ner till dewpoint -70°C så att all fukt och kondens avlägsnas från gasen. Gasen trycksätts sedan av kompressorn till 300 bar och förvaras i tryckkärl av stål. Anledningen till att trycket är just 300 bar är för att få plats med den mängden gas som behövs i en given volym. Han nämner att om gasen lagras i högre tryck blir komponenterna mycket dyra. Till vätgassystemet finns säkerhetsventiler och strömningsventiler för ständig tryckövervakning. Vätgasen används i en bränslecell för att producera elektricitet och samtidigt genereras värme som används i huset. Överskottsvärmen från solfångare, elektrolysör och bränslecellen lagras i en ackumulatortank.
Solceller och solfångare
Hans-Olof förklarar att han har installerat för mycket solfångare i sitt system. Sammanlagt är det 20 kvadratmeter solfångare som levererar ungefär 6500 kWh per år. Huset förbrukar knappt 2000 kWh. Om han hade byggt systemet idag hade han valt att endast installera solceller, eftersom det finns värme att ta vara på från bränslecellen och elektrolysören. Hur mycket solcellerna levererar beror från år till år och också hur ren luften är.
Årsproduktionen varierar mellan 20 000 – 23 000 kWh el även om himmeln ser klar och blå ut för ögat. Han har förutom 150 kvadratmeter solpaneler på taket, även solceller integrerade i syd- och västfasaden. Vidare förklaras att sydfasaden ger ett bra utbyte på vintern med låg solinstrålning och västfasaden är väldigt bra på sommaren, speciellt på eftermiddagen och vid solnedgången.
Värme från bränslecell och elektrolysör
I intervjun berättas att om man använder både el och värme från elektrolysör och
bränslecell så blir verkningsgraden upp till 80%. Man kan alltså tillgodogöra sig nästan 80% av den solel som lagras i vätgas om man även använder den termiska energin.
28
Batterier
Hans-Olof använder blybatterier i sitt system, på grund av att det var det billigaste
alternativet när han byggde systemet. Han förklarar att svagheten med blybatterier är att de endast har ca 2000 laddcykler, vilket motsvarar 5-6 år om batteriet laddas upp och ur en gång per dygn. När han köpte dem för 5-6 år sedan kostade de 1000 kr/kWh, medan
litiumjonbatterierna kostade ungefär 12 000 kr/kWh. Hans-Olof berättar att han planerar att byta till litiumjonbatterier på grund av att de har blivit billigare och har uppåt 8000
laddcyklar vilket räcker i 20-25 år.
Säkerhet
Systemet är väldigt säkert enligt Hans-Olof, det har ett egetutvecklat styrsystem RE8760CA som håller ihop de sju huvudkomponenterna. Eftersom systemet ligger inom de fyra
väggarna utan behov av externa molntjänster så har man stor kontroll över det. Därmed är det säkrare än ett publikt nät, när det gäller driftstörningar.
Att leva off-grid
När Hans-Olof byggde sitt system var målet att det skulle det vara som ett vanligt hem. Systemet skulle kunna ta samma energikonsumtion som innan utan några problem. Hans- Olof berättar vidare om fördelarna av att vara off-grid. Han menar att det egentligen ska vara bättre att leva i ett sådant här hus, jämfört med hus med ett traditionellt energisystem, eftersom all energi kommer från solen och är garanterat CO2 fri. Man är även helt oberoende och sköter sig själv, om det till exempel blir strömavbrott i området så klarar man sig på sin egen energi för huset, elbilsladdningen med mera. Man har även kontroll över
kostnaden. Han har ett intresse för att visa att det går att leva off-grid och att det är ett sätt att avlasta vårt befintliga nät för att till exempel ge plats åt fler energiförbrukare.
5.4.2
Ekonomi
Hans-Olofs system
Investeringskostnaden för systemet för 5 år sedan, då han investerade i sitt energisystem, var ca 2.5 miljoner kronor. Idag skulle det kosta ca 1.5 miljoner och återbetalningstiden är ungefär 20 år. På sikt blir det också billigare att vara off-grid understryker Hans-Olof som gjorde detta av 100% teknikintresse och inte kortsiktig ekonomi.
29
Vätgaslagret är det dyraste av alla komponenter. Det är billigast att lagra vätgasen i tryckkärl av stål, men med glasfibertankar kan man enklare lagra vätgasen i högre tryck vilket ger en mindre volym.
System för flerfamiljshus
På frågan om det hade varit mycket dyrare att implementera systemet på flerfamiljshus svarar han att det inte skulle vara det. Nilsson Energy har tittat på olika konfigurationer på olika hus och kommit fram till att ett radhus med 10 lägenheter skulle kosta ungefär 800 000 kr per lägenhet.
Pristrend de närmsta 10 åren
Inom en 10-årsperiod kommer tillverkarna av elektrolysörer och bränsleceller minska priserna till en tiondel, enligt Hans-Olof. Bränslecellen som han har hemma kostar 400 000 kronor och om 10 år kommer den alltså att kosta 40 000 kronor. Det är en bra utveckling, precis som solcellerna, säger han.
5.4.3
Framtid
Hans-Olof tror att denna typ av system kommer att vara mer attraktivt i framtiden. Nilsson Energy arbetar just nu på att komprimera systemet i en ”IKEA-garderob”; ett skåp som är 2 meter högt, 60 cm brett och en meter djupt. Där kommer det rymmas en elektrolysör, kompressor, bränslecell, batterier och vattenrening. Allting utom vätgaslagret. Det kommer att underlätta installationen av sådana system i bostadshus och det kommer bli betydligt mer vanligt. Utöver det nämner han att vi kommer behöva avlasta näten som är överbelastade. Om fler bostäder och industrier har möjlighet att skapa sin egen energi så finns det möjlighet till expansion. Idag så är det förhållandevis enkelt att skapa sin egen energi med solceller och vi kommer att se det i hela världen.
Han lyfter fram att tekniken för systemen finns men att exempelvis statliga stöd hade hjälpt till för att göra det attraktivare. Det finns fortfarande lite stöd för solceller, och förr kunde man till exempel få stöd för att installera en värmepump. Man kan få en viss ersättning för batterier ihop med solceller av staten, men för långvariga energilösningar med
30
6
DISKUSSION
6.1
Jämförelsen av solpanelerna
Simuleringarna visade att elproduktionen från PVT-panelerna är 0,2%större än vanliga solceller. Eftersom båda de studerade panelerna från DualSun har samma verkningsgrad och samma panelarea förklaras produktionsökningen av kylningsprocessen som uppstår via värmeledning i solfångardelen av PVT-panelerna. I känslighetsanalysen studeras
solcellspaneler från en annan leverantör. Solcellerna är tillverkade av Jinko Solar och modellen heter Cheetah HC 60 M, och den har 20,45% verkningsgrad. Trots att
verkningsgradsskillnaden mellan solceller från Jinko Solar och DualSun bara är 1,35% så har solcellerna från Jinko Solar 10% större elproduktion än PVT-panelerna.
PVT-panelernas värmeproduktion är 26% mindre än vanliga solfångare i våra beräkningar. Denna skillnad förklaras av verkningsgradsskillnaden och de olika förlustfaktorerna. Enligt databladen är PVT-panelernas verkningsgrad 15,9% mindre än solfångarnas
och förlustfaktorerna är mycket större än solfångarnas. Förlustfaktorerna är viktiga faktorer och borde vara så små som möjligt. Deras påverkan är stor under vintern vilket syns tydligt i Figur 13, där solfångarna producerar värme medan PVT-panelerna inte gör det. Vid dessa tider när solstrålningen är svag sker det värmeproduktion i PVT-panelerna, dock är förlusterna lika stora eller större än produktionen. I Figur 14 ser vi att PVT-
panelernas värmeverkningsgradskurva är brantare än den för vanliga solfångare, vilket bekräftar att de temperaturberoende förlustfaktorerna hos PVT-panelerna är större än förlustfaktorerna hos vanliga solfångare.
PVT-panelerna producerar både värme och elektrisk energi på samma yta och resultatet visar att för att matcha denna produktion med vanliga solceller kombinerat med solfångare behövs en 74% större area dvs. 342 𝑚2, varav 197 𝑚2 för solceller och 145 𝑚2 för solfångare.
Resultatet visar därmed att PVT-panelerna har en större energiproduktion per area än solceller och solfångare. Från det ekonomiska perspektivet så är dock PVT-panelerna mer kostsamma. LCC och LCOE för PVT-panelerna är 22% större än kombinationen av solceller och solfångare. Därmed kan PVT-paneler vara en bra idé om man har en begränsad area.
6.2
Optimering av energisystemet
I början av optimeringen har det antagits att batteriet och vätgaslagret är 10% uppladdade och värmelagret 5% uppladdat. Att starta simuleringen med fulladdade lager är inte realistiskt, men de behöver vara lite laddade så att systemet kan klara sig tills
laddningsprocessen påbörjas. Därför valdes det att simuleringen startar i maj, för att då har laddningsprocessen precis börjat.
Systemets optimering gav ingen möjlig lösning för flerfamiljshusets självförsörjande på takets befintliga area som är 900 m2. Dock gav optimeringen dimensionerna på systemet som ger högsta möjliga antal timmar då huset är självförsörjande. Enligt optimeringen kan huset vara självförsörjande i 13 271 av 17 520 timmar, dock finns det felaktigheter i detta resultat
31
som kan bekräftas av Figur 15. I figuren ser vi att start- och slutpunkten inte matchar och att systemet inte är i balans. Detta innebär att lagren inte har blivit uppladdade i samma nivå som de startade på, vilket tyder på ett icke fungerande system. Antalet självförsörjande timmar under första året är ca 6 682 och i andra året är det ca 6 590. Antalet självförsörjande timmar under andra året ger en bättre indikation på systemets prestanda då lagringssystemet redan har urladdats innan början av andra året.
Optimeringen utan arearestriktion gav möjliga lösningar för flerfamiljshusets självförsörjande 100% av tiden. Två intressanta optimeringsresultat presenterades i resultatsektionen. Båda fallen har matchande start- och slutpunkter vilket indikerar på att systemen ligger i balans, se Figur 16 och Figur 17. Efter 8760 timmar (ett år) ser man att cykeln börjar om igen och har samma mönster som föregående år. Anledningen att dessa optimeringsresultat är intressanta är batteristorleken och utförandet som kan ses i Figur 16 och Figur 17. Systemet som presenteras i fall 1 är ett bättre system, därför att man kan se att vätgaslagret används i ett kortare intervall, från timme ~4 000 till ~7 800 och timme ~12 760 till ~16 760, vilket motsvarar från ungefär 15 september till 1 april både år ett och två respektive. Både batterierna och vätgascykeln har förluster, dock är batteriets förluster 5% vilket är mindre än förlusterna i vätgascykeln som är 20%. Genom att använda vätgaslagret mindre minskar man förlusterna som sker i vätgascykeln och utöver detta behöver man då 51 m2 mindre area för solpaneler än systemet som presenteras i fall 2. Från det ekonomiska perspektivet så är systemet som presenteras i fall 2 billigare med 300 000 kronor.
Viktigt att nämna är att areautökningen inte behöver vara på byggnadens tak utan solpanelerna kan även installeras på fasaden, förutsatt att produktionen motsvarar den produktion som den utökade takarean ger. Solpaneler som installeras på tak har oftast en högre energiproduktion eftersom de är placerade så att solstrålningen når panelen under en längre period och att panelen blir mer utsatt för direkt strålning. Däremot kan paneler som installeras på fasad ge ett bättre utbyte under vintertiden. I denna studie avgränsade vi solpanelsarean till flerfamiljshusets tak, men paneler kan också installeras på andra tak som på exempelvis cykelförråd och gårdshus. Om panelerna placeras i optimal lutning och väderstreck förbättras produktionen ytterligare. I studien gjord av Mura, Baccoli,
Innamorati, & Mariotti visade resultat att så länge huset är beläget i Medelhavsområdet där flödet av solenergi liknar det på Sardinien så är energiautonomi är en verklighet för off-grid- hus. I den studien användes endast taket som installationsarea, där PVT-paneler användes tillsammans med batteri och vätgaslagring. Om flerfamiljshuset var placerat på ett ställe med liknande väderförhållanden så hade resultaten sett annorlunda ut och energisjälvförsörjandet närmare en verklighet.
6.3
Ekonomi
I intervjun med Hans-Olof nämns att investeringskostnaden blir ca 800 000 kronor per lägenhet om systemet implementeras i ett flerfamiljshus med 10 lägenheter. Resultatet i vår studie, där byggnaden består av 44 lägenheter, är att LCC per lägenhet blir 780 000 kronor. Då LCC summerar kostnaden för systemet under hela livslängden innebär det att
32
investeringskostnaden är något lägre. Detta indikerar på att kostnaden sjunker med ett större system som försörjer fler lägenheter. Studien gjord av McKenna, Merkel, & Fichtner visade också en förbättring i ekonomin om systemet ökar i skala. Däremot indikerade deras studie på att det blir ekonomiskt fördelaktigt om systemet försörjer mer än 560 hushåll, vilket är en mycket större skala än vad denna studie behandlar.
Det bör nämnas att energisystemet är ett komplext system med många komponenter som inte har tagits hänsyn till varken vid beräkning av prestanda eller ekonomi i denna studie, så som styrsystem och ventiler med mera. Detta innebär att LCC-priset på 780 000 kronor per lägenhet egentligen är högre i verkligheten. I vår studie var systemets komponenter
förutbestämda vilket gjorde att vi kunde använda de priser som angetts. I andra fall finns det ett prisintervall för varje komponent vilket sannolikt ger ett stort prisspann om man tittar på hela systemet.
Då optimeringsresultaten är baserade på klimat- och energikonsumtionsdata och med hänsyn till att dessa data inte är konstanta och kan förändras hela tiden, görs
känslighetsanalys på dessa variabler. Resultatet presenterar de optimala dimensionerna för systemet vid varje fall. Från det ekonomiska perspektivet så är inte överdimensioneringen av systemet så kostsam när man redan har investerat i systemet. Jämför man med den dyraste lösningen som sker när energikonsumtionen är 10% högre än ursprungliga modellen, så ökar LCC med 6,1%. Det kan alltså rekommenderas att överdimensionera systemet när det finns osäkerheter över klimat- och konsumtionsdata. Utöver detta så har systemet en viss årlig degradering, och genom att överdimensionera systemet så kan man öka den långsiktiga pålitligheten av systemet.
6.4
Off-grid-system i framtiden
Off-grid-system kan vara en attraktiv lösning i framtiden speciellt i växande storstäder där nätet blir överbelastat på grund av den ökande befolkningen samt ökande efterfrågan på energi. Denna typ av system kan även vara en lösning till hus som ska byggas på avlägsna eller svåråtkomliga platser där nätanslutning inte är möjligt, till exempel öar. I projekt som kräver en stabil energiförsörjning, fri från avbrott och störningar kan pålitliga off-grid- systemlösningar implementeras. Då systemet ligger inom fyra väggar och inte behöver koppling till nätet, kan de även vara attraktiva i projekt som har ett extremt krav på säkerhet, såsom i försvarsmaktens luftvärnsanläggningar. Genom att bygga kompakta system, som Nilsson Energy arbetar på, så kan dessa system locka ägare till mindre bostadshus och villor som redan har investerat i solceller eller planerar att göra det. Hans-Olof nämner i intervjun att en stor fördel med off-grid-system är att man blir helt oberoende och om det blir
strömavbrott i området så klarar man sig på sin egen energi. Detta kan dock också ses som en svaghet eller risk då det annars kan vara problem som sköts av elbolagen. I off-grid-system får man själv ansvara för att åtgärda problemet eller anlita ett företag som säljer sådana tjänster. Enklare problem, som byte av en säkring, kan de flesta åtgärda. Vid mer
komplicerade problem så bör man anlita ett företag och det negativa som kan medfölja är att det kan ta tid att åtgärda problemet. Om man ska ansvara för att åtgärda problemen själv, så bör man ha en viss teknisk kunskap.
33
I många av ovan nämnda applikationer skulle dieselgenerator vara en enklare och billigare lösning, som också används i många off-grid-system vilket nämns i studien publicerad av IRENA. Dock är det inte längre en förnybar energikälla och man är också beroende av externt bränsle.
Eftersom systempriserna ser ut att sjunka som Hans-Olof nämner i intervjun, så talar det för att off-grid-system har en lovande framtid. Han nämner att ett system som kostade 2,5 miljoner kronor för fem år sedan (2015) skulle kosta 1,5 miljoner idag (2020). Han har också påpekat att priserna på litium-jonbatterier har sjunkit tillräckligt att valet att investera i dem blivit relativt enklare att ta. Han prognoserar också att andra komponenter kommer att följa samma trend som batterierna och sjunka 90% i pris om tio år. Dock nämner han att statliga stöd kan behövas för att ytterligare få ned priserna till en nivå att flera aktörer väljer att investera i off-grid-system.
Hans-Olofs prognosering kan låta optimistisk, men en prissänkning på 90% anses inte vara omöjlig. Exempelvis har priserna för solceller sjunkit 90% enligt IRENA och bränsleceller 60% enligt U.S Department of Energy under de senaste åren. Med andra ord kan man säga att potentialen till prissänkningar finns, men det är något som framtiden får utvisa.
6.5
Felkällor
• I känslighetsanalysen undersöks solstrålningen och energibehovet separat, men de har egentligen ett samband. När solstrålningen är mindre minskar även
utetemperaturen vilket leder till ett högre värmebehov. Mindre solstrålning ger alltså ytterligare krav på att systemet inte är underdimensionerat. Samma samband gäller för om solstrålningen är högre och värmebehovet minskar, men då kan behovet av att reglera ner temperaturen uppstå istället.
• Beräkningarna för alla komponenter förutom solpanelerna är på något sätt förenklade och skulle man önska noggrannare resultat så krävs detaljerade beräkningar för varje komponent. Exempelvis tar inte beräkningarna för värmelagret hänsyn till
temperaturökningen i lagret, vilket gör att all överskottsvärme lagras i den gjorda simuleringen, och i verkligheten skulle det leda till fuktvandring.
7
SLUTSATSER
• Resultaten visar att aktiv kylning förbättrar solcellens prestanda.
• PVT-panelerna har en större energiproduktion per area än kombinationen av solceller och solfångare och det gör att de kan vara bättre i projekt som har arearestriktioner.
34
• Med den befintliga takarean på 900 𝑚2 är det omöjligt för huset att bli helt
självförsörjande med detta system, däremot kan byggnaden bli självförsörjande maximalt 75% av tiden.
• Flerfamiljshuset kan bli helt självförsörjande om takarean utökas till minst 1497 𝑚2
eller om solpaneler installeras på andra ytor, som exempelvis byggnadens fasad så att produktionen motsvarar den från den utökade takarean.
• Off-grid-system kan vara en lösning till växande storstäder som har överbelastade nät.
• Off-grid-system kan vara ett attraktivt val i vissa projekt där någon form av krav på nätstabilitet eller säkerhet finns.
• Off-grid-system kommer att bli billigare och vanligare i framtiden.
8
FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE
• I denna studie har temperaturen i den termiska lagringen antagits vara konstant, medan den i verkligheten förändras ständigt. För att få ett noggrannare resultat behövs en matematisk modell för hur temperaturen förändras i lagret baserat på lagringsmediets egenskaper.
• Flerfamiljshusets tak bidrog inte med tillräcklig solpanelsarea för att byggnaden skulle bli självförsörjande. Det skulle kunna vara intressant att undersöka hur paneler kan installeras på fasaden, eventuella gårdstak samt mark för att uppnå
energisjälvförsörjandet.
• Det kan vara intressant att se hur resultaten skulle se ut med solpaneler med högre verkningsgrad.
35
REFERENSER
ABB. (2018, 03 07). World’s first energy self-sufficient multifamily house. Retrieved 05 05, 2020, from ABB: https://new.abb.com/news/detail/54973/worlds-first-energy-self- sufficient-multifamily-house
Avfall Sverige. (2013). integrering av vätgas och syntesgas med befintliga
biogasanläggningar. Avfall Sverige.
Byman, K. (2015). Lokaliseringsstudie för Power to gas. ÅF Infrastructure AB.
Bärtås, L. (2016, 08 18). Lagrar solvärme i sand - ASES. Retrieved 05 05, 2020, from Byggahus: https://www.byggahus.se/varme/lagrar-solvarme-sand-
ases?fbclid=IwAR2-
GrSx98GG9ek7sT0y4bToNnsktMTix32P2nQYRT1LUUzBCIzpgDDs_iM Campana, P. E., & Zhang, Y. (2017). Opti-CE User Manual.
Demirel, Y. (2016). Energy - Production, Conversion, Storage, Conservation, and Coupling. Springer.
Dharmalingam, S., Kugarajah, V., & Sugumar, M. (2019). Membranes for Microbial Fuel
Cells. Sciencedirect.
Duffie, J. A., & Beckman, W. A. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons, Inc.
Ellevio. (2019, 10 25). Krisen för Stockholms elförsörjning avvärjd på kort sikt. Retrieved 05 05, 2020, from Ellevio: https://www.ellevio.se/om-
oss/Pressrum/newsroom/2019/oktober/krisen-for-stockholms-elforsorjning- avvarjd-pa-kort-sikt2/
Energimyndigheten. (2011). Solklart – solvärme! Energimyndigheten. Energimyndigheten. (2019). Energiläget 2019. Energimyndigheten.
Energimyndigheten. (2019c). Energiläget. Retrieved 05 21, 2020, from Energimyndigheten: http://www.energimyndigheten.se/statistik/energilaget/
Energimyndigheten. (2020a). Sveriges energi- och klimatmål. Retrieved 04 23, 2020, from Energimyndigheten: http://www.energimyndigheten.se/klimat--miljo/sveriges- energi--och-klimatmal/
Energimyndigheten. (2020b). Solenergi. Retrieved 04 23, 2020, from Energimyndigheten: http://www.energimyndigheten.se/fornybart/solenergi/
European Commission. (2020). Renewable energy directive. Retrieved 04 01, 2020, from European Commission: https://ec.europa.eu/energy/topics/renewable-