Flerfamiljshus självförsörjande på solenergi : En jämförelse av olika kombinationer av PVT, solceller och solfångare i ett hybridsystem

FLERFAMILJSHUS

SJÄLVFÖRSÖRJANDE PÅ SOLENERGI

En jämförelse av olika kombinationer av PVT, solceller och solfångare i ett

hybridsystem

SARO MANJIKIAN

PAULINE LUNDGREN

Akademin för ekonomi, samhälle och teknik Kurs: Examensarbete inom Energiteknik Kurskod: ERA206

Ämne: Energiteknik Högskolepoäng: 15 hp

Program: Högskoleingenjörsprogrammet i Energiteknik

Handledare: Bengt Stridh Examinator: Amir Vadiee

Uppdragsgivare: Bengt Stridh, MDH Datum: 2020-06-15

E-post:

smn17004@student.mdh.se pln16009@student.mdh.se

ABSTRACT

The rise in population causes serious issues in larger cities since the electrical grid is becoming overloaded. Simultaneously, the demand on more sustainable energy production and the use of renewable energy sources increase. Renewable energy based off-grid electrical systems are a possible solution to decrease the magnitude of these issues. The purpose of this thesis is to compare solar cells, solar thermal collectors and PVT (Photovoltaic thermal hybrid solar collectors) and design the most suitable combination of solar panels for a self-sufficient multi-family house in Jönköping, Sweden. The solar panels were compared from a cost and energy production perspective, then a suitable renewable energy system with all three types of panels was constructed and optimized using Opti-CE, which is a MATLAB-based software. During the course of this thesis, an interview was made with Hans-Olof Nilsson who is a co-founder of Nilsson Energy and owner of a self-sufficient off-grid house. The results show that PVT-panels have higher energy production per area and 22% higher LCC (life cycle cost) than regular solar cells in combination with solar thermal collectors. Optimization results indicate that the house cannot be self-sufficient by installing solar panels on the given roof area only, rather the area of installed solar collectors should be increased to a minimum of 1497 𝑚2_{. With the given roof area of 900 𝑚}2 _{the house can only}

be self-sufficient a maximum of 75% of the time. The results also indicate that the

introduction of compact systems with the simultaneous decrease of cost will make renewable off-grid energy systems more attractive in the future.

Keywords: Off-grid, self-sufficient, PVT, photovoltaics, Opti-CE, multi-family house,

SAMMANFATTNING

Det finns i nuläget flera klimatmål i världen som har till avsikt att införa mer hållbar

energiproduktion med förnybara bränslen och energikällor. Samtidigt ökar belastningen på de lokala elnäten vilket skapar intresse för att hitta olika sätt att säkra elförsörjningen. I denna studie undersöktes möjligheten för ett flerfamiljshus att gå off-grid och bli självförsörjande på förnybar energi från solen.

För att ta vara på energi från solen kan olika typer av solpaneler användas. Solceller används för att omvandla solstrålning till elektrisk ström. Solfångare omvandlar energin från

solstrålarna till värme. PVT-paneler fungerar som en kombination av solceller och solfångare.

Syftet med denna studie är att jämföra solceller, solfångare och PVT-paneler ur ett kostnads- och energiproduktionsperspektiv, samt att dimensionera lämpligast kombination för

energiförsörjandet av ett flerfamiljshus.

Examensarbetet inleddes med att samla nödvändig information om solstrålning och

solvinklar samt vilka komponenter som krävs för att flerfamiljshuset ska kunna gå off-grid. I litteraturstudien tas även upp tidigare relaterade arbeten om off-grid. En intervju med Hans-Olof Nilsson, grundare av Nilsson energy och ägare av ett off-grid-hus, gjordes för att få värdefull information om hans erfarenheter och kunskap om off-grid-system och vision gällande off-grid-system i framtiden. För beräkning och simulering användes den MATLAB-baserade mjukvaran Opti-CE. Ytterligare kod som behövdes för att utföra simuleringarna har adderats i denna studie. Elanvändning och värmebehov per timme och år uppskattades enligt en given modell för ett flerfamiljshus beläget i Jönköping.

Resultaten visar att PVT-paneler producerar ungefär 0,2% mer el per yta än vanliga solceller med samma verkningsgrad vid STP. Samtidigt har PVT-panelerna 26% mindre

värmeproduktion än plana solfångare. För att matcha PVT-panelernas produktion med solceller kombinerat med solfångare krävs 74% större area än med bara PVT. För projekt med begränsad installationsarea kan därför PVT-paneler vara ett bra alternativ.

Baserat på resultaten från jämförelsen konstruerades ett energisystem med alla tre typer av paneler och systemet optimerades i Opti-CE.

Optimering av systemet visade ingen möjlig lösning på takets befintliga area som kan möjliggöra flerfamiljshusets självförsörjande, däremot kunde huset vara självförsörjande maximalt 75% av tiden. Optimeringen utan arearestriktion visade att huset kan bli

självförsörjande 100% av tiden om takarean utökas från 900 m2 _{till minst 1497 m}2 _{eller om} solpaneler installeras på andra ytor, såsom byggnadens fasad, gårdshustak och

cykelförrådstak, så att produktionen motsvarar den från den utökade takarean. Andra åtgärder för att öka energiproduktionen kan vara att använda solpaneler med högre verkningsgrad och att placera dem i optimal lutning och väderstreck.

Utöver dessa resultat indikerar studien på att kostnaden för dessa system minskar om systemen blir större och försörjer fler lägenheter. Det kan rekommenderas att

överdimensionera systemen något om det finns osäkerheter i klimat- och

energikonsumtionsdata, då överdimensioneringen inte är så kostsam när man väl investerat i systemet.

Studien tyder på att off-grid-system kan komma att bli mer attraktiva och mer vanligt

förekommande i framtiden. De kan vara användbara i många olika applikationer, exempelvis till byggnader belägna på avlägsna eller svåråtkomliga platser och i projekt där krav på säkerhet och nätstabilitet finns. Samtidigt som systemkostnaden har minskat och

prognostiseras att fortsätta minska så blir systemen mer kompakta, vilket kan locka ägare till mindre bostadshus och villor att investera i systemen.

Nyckelord: off-grid, energisjälvförsörjande, flerfamiljshus, solenergi, solpaneler, solcell,

Innehåll

2.2 Beräkning, simulering och optimering... 3

2.3 Känslighetsanalys ... 4 2.4 Litteraturstudie ... 4 2.5 Intervju ... 4 3 LITTERATURSTUDIE ...5 3.1 Solvinklar ... 5 3.2 Solstrålning ... 5

3.3 Olika typer av solpaneler ... 6

3.3.1 Solceller ... 6 3.3.2 Solfångare ... 7 3.3.3 PVT ... 7 3.4 Energilagring ... 8 3.4.1 Termiskt lager ... 8 3.4.2 Kemiskt lager ... 8 3.4.3 Vätgaslagring ... 8

3.5 Vätgasproduktion och konsumtion ... 9

3.5.1 Elektrolys ... 9 3.5.2 Bränslecell ... 9 3.6 LCC och LCOE ...10 3.7 Relaterade arbeten ...10 3.8 Opti-CE ...12 4 AKTUELL STUDIE ... 12

4.2 Energisystemets uppbyggnad ...13 4.3 Beräkningar ...15 4.3.1 Solvinklar ...15 4.3.2 Solstrålning ...15 4.3.3 Solceller ...16 4.3.4 Solfångare ...16 4.3.5 LCC och LCOE ...17 4.5 Känslighetsanalys ...19 5 RESULTAT ... 20

5.1 Simulering och jämförelse av solpanelerna ...20

5.1.1 Fall A ...20 5.1.2 Fall B ...22 5.2 Optimering av systemet ...22 5.2.1 Med arearestriktion ...23 5.2.2 Utan arearestriktion ...23 5.3 Känslighetsanalys ...25

5.3.1 Solceller med högre verkningsgrad ...25

5.3.2 Solstrålning ...26

5.3.3 Energikonsumtion ...26

5.4 Intervju med Hans-Olof Nilsson - ägare av ett energisjälvförsörjande hus ...27

5.4.1 Teknik ...27 5.4.2 Ekonomi ...28 5.4.3 Framtid ...29 6 DISKUSSION... 30 6.1 Felkällor ...33 7 SLUTSATSER ... 33

8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE... 34

REFERENSER ... 35

BILAGA 1: DATABLAD SOLFÅNGARE ...1

BILAGA 2: DATABLAD SOLCELLER (DUALSUN) ...5

BILAGA 3: DATABLAD PVT ...7

BILAGA 4: INDATA OPTI-CE ...9

FIGURFÖRTECKNING

Figur 1 Filer i Opti-CE. ... 3

Figur 2 Jordens elliptiska bana runt solen ... 5

Figur 3 En skiss av solvinklar ... 5

Figur 4 Diffus, direkt och reflekterad strålning mot en lutad yta ... 6

Figur 5 En skiss över energibandgap för elektroner ... 7

Figur 6 En skiss av elektrolyscell och kemiska formeln för vatten sönderdelning. ... 9

Figur 7 En skiss av bränslecell och kemiska formeln för processen ... 10

Figur 8 Skiss över flerfamiljshusets byggnader, publiceras med tillstånd från Yellon. ... 13

Figur 9 Kopplingsschema över byggnadens energisystem. ...14

Figur 10 Iterationsmodell för solfångarens medeltemperatur...16

Figur 11 Solstrålning och värme- och elproduktion per timme för ett år från PVT ... 20

Figur 12 Elproduktion per timme för ett år från solceller (PV) respektive PVT ...21

Figur 13 Värmeproduktion per timme för ett år från solfångare respektive PVT ...21

Figur 14 Värmeverkningsgraden som funktion av temperaturdifferens mellan modultemperatur och omgivningstemperatur för solfångare respektive PVT ... 22

Figur 15 Energimängd i lager per timme under två års simulering, om takets befintliga area används ... 23

Figur 16 Energimängd i lager per timme under två års simulering (Fall 1) ... 24

Figur 17 Energimängd i lager per timme under två års simulering (Fall 2) ... 25

Figur 18 Elproduktion per timme för ett år från solceller (Jinko Solar) respektive PVT ... 26

TABELLFÖRTECKNING

Tabell 2 Energiproduktion från PVT, solceller eller solfångare på area A. ... 20

Tabell 3 Ytan som krävs för solceller kombinerat med solfångare för att få samma energiproduktion som PVT. ... 22

Tabell 4 Optimeringsresultat med takets befintliga area. ... 23

Tabell 5 Optimeringsresultat utan arearestriktion. ... 24

Tabell 6 Elproduktion från PVT och solceller från två olika fabrikat. ... 25

Tabell 7 Optimeringsresultat om solstrålningen är 10% lägre eller högre än ursprungliga data. ... 26

Tabell 8 Optimeringsresultat om energikonsumtionen är 10% lägre eller högre än ursprungliga data. ... 26

BETECKNINGAR

Beteckning Beskrivning Enhet

A Area 𝑚2

𝑑_𝑛 Årlig värdeminskning SEK

𝐺 Strålning 𝑊/𝑚2 i Real kalkylränta % L Longitud ° N Projektets livstid år Q Värmeöverföringseffekt 𝑊 R Antal ersättningar - s Restvärde SEK tr Skattenivå % T Temperatur 𝐾

U_AbsFluid Intern värmeöverföringskoefficient 𝑊/𝑚2_{, 𝐾}

v Vindhastighet 𝑚/𝑠

𝑎₁ Förlustkoefficient 𝑊/𝑚2_{, 𝐾}

𝑎₂ Förlustkoefficient 𝑊/𝑚2_{, 𝐾}2

𝑎_𝑛 Årliga underhålls- och driftskostnader SEK

𝛼_𝑠 Solhöjdsvinkel ° 𝛾_𝑠 Sol azimutvinkel ° 𝛿 Deklination ° 𝜆_𝑙 Latitud ° 𝜔 Timvinkel ° 𝛽 Lutningsvinkel ° 𝛾 Vridningsvinkel ° ρg Markens reflektionsvärde - η Verkningsgrad - 𝜇 Koefficient - 𝜃𝑧 Zenitvinkeln °

FÖRKORTNINGAR

Förkortning Beskrivning

LCC Livscykelkostnad LCOE Levelized cost of energy ICC Investeringskostnad

NOCT Nominal operating cell temperature PEM Polymer Electrolyte Membrane PV Photovoltaic (Solcell)

PVT Photovoltaic thermal hybrid solar collector (Kombinerad solcell och solfångare)

STC Standard test conditions

DEFINITIONER

Definition Beskrivning

Energisystem Ett system av komponenter som tillsammans möjliggör produktion, distribution och konsumtion av energi Off-grid Att inte vara ansluten till elnätet och därmed inte

kunna köpa eller sälja el

Verkningsgrad Förhållandet mellan utnyttjad och tillförd energi i ett system

1

1

INLEDNING

Allt eftersom vårt samhälle blir mer medvetet om miljöförstöringarna och utsläppen som orsakas av energiproduktion så syns mer förnybara energisystem och bränslen på

marknaden. Med förnybara energikällor syftar man på energikällor som inte är ändliga och i många fall går de att utnyttja utan att ta av jordens resurser. I Sverige använder vi förnybara energikällor såsom sol, vind, vatten och biobränsle.

Denna studie behandlar självförsörjande av energi i ett flerfamiljshus som är off-grid och alltså inte kopplat till elnätet. Den huvudsakliga energikällan är solenergi som kan ge både värme och el. Studien har till avsikt att undersöka huruvida ett sådant energisystem är möjligt för ett flerfamiljshus och undersöka vilken kombination av solpaneler som är lämpligast.

1.1

Bakgrund

Hållbar energi för alla är ett av FN:s 17 globala mål för hållbar utveckling. Europeiska unionens nya direktiv om förnybar energi upprättar ett nytt mål för EU att uppfylla minst 32% av sitt totala energibehov med förnybar energi till 2030 (European Commission, 2020). Sverige har som mål att elproduktionen ska vara helt förnybar år 2040 (Energimyndigheten, 2020a). Dessutom finns ett mål att Sverige inte ska ha några nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären senast år 2045 (Regeringskansliet, 2017).

Det finns flera sätt att nå dessa mål, till exempel att producera energi från förnybara källor som havsbaserade vindkraftparker eller att använda förnybara bränslen. Ett annat sätt är att bygga självförsörjande byggnader som använder sig av förnybar och ren energi från solen. År 2018 stod sektorn för bostäder och service för 40% av den totala energianvändningen i Sverige (Energimyndigheten, 2019c).

Ett faktum är att den totala solinstrålningen på jorden under två timmar motsvarar den energi som skulle täcka hela världens energibehov under ett helt år (Energimyndigheten, 2020b). Ett problem är att vi med dagens teknik är långt ifrån att kunna ta tillvara på all denna energi, men vi kan samtidigt se att den tekniska utvecklingen går framåt. Det finns olika typer av teknik man kan använda sig av för att omvandla solstrålningen till el och värme och på grund av den snabba utvecklingen kan man se stora förändringar i verkningsgrader och pris hos komponenterna. Solceller används för att omvandla solstrålning till elektrisk ström och idag finns det ett flertal olika typer av solceller på marknaden. De som dominerar är monokristallina och polykristallina solceller som båda baseras på kisel. Solfångare, å andra sidan, omvandlar energin från solstrålarna till värme och kan under sommarmånaderna fungera bra som ett komplement till ett värmesystem. Men för att kunna producera både el och värme från solenergin så finns PVT-paneler. PVT-panelerna består dels av material som skapar el och dels av material som absorberar värme.

En annan utmaning med övergången mot förnybara energikällor är att klara efterfrågan på värme och el trots vädrets instabilitet. Solenergi är komplext på så sätt att solinstrålningen är som störst mitt på dagen, då användningen i hemmen tenderar att vara som lägst. Ett kanske

2

ännu större problem är den låga produktionen under vinterhalvåret i de nordiska

väderförhållandena, då behovet av energi ökar i hemmen. Produktionen går alltså inte hand i hand med konsumtionen och detta kan bland annat lösas genom att sälja eller köpa el från elnätet. Men i ett off-grid-system är detta inte möjligt och för att kunna ta tillvara på

överskottsenergin för att kunna använda den vid behov, behöver den lagras. Energilagring i stora skalor, som till exempel kraftverksdammar, har använts länge. Men intresset för energilagring i mindre skala har ökat kraftigt de senaste åren och därmed har även tekniken inom ämnet utvecklats (Sol i väst, 2018). Energilagring i mindre skala kan vara någon form av batterier eller vätgaslager tillsammans med bränsleceller.

I Sverige finns ett flertal byggnader som är självförsörjande på energi och ett exempel är Hans-Olof Nilsson som skapat sitt eget energisystem i sin villa i Angered

(Energimyndigheten, 2019). Där bygger systemet på solceller och solfångare i kombination med batterier som används som lager på sommaren och vätgas som lagras under

sommarhalvåret och sedan används i bränsleceller under vinterhalvåret.

I ett flerfamiljshus skulle självförsörjningen kunna göras med hjälp av ett flertal komponenter såsom solceller för el samt solfångare och värmepump för värme.

Överskottsenergin från solcellerna kan användas i en elektrolysör för att producera vätgas med endast vatten som råvara. Vätgasen kan trycksättas och lagras och sedan användas som bränsle i en bränslecell vid behov och fungerar som ett säsongsenergilager. För lagring dag till natt kan energin lagras i litium-jonbatterier.

1.2

Syfte

Syftet med denna studie är att jämföra solceller, solfångare och PVT-paneler ur ett kostnads- och energiproduktionsperspektiv, samt att dimensionera lämpligast kombination för

energiförsörjandet av ett flerfamiljshus.

1.3

Frågeställningar

• Hur ser skillnaden ut mellan PVT, solceller och solfångare sett från prestanda och ett ekonomiskt perspektiv?

• Hur ska flerfamiljshusets energisystem se ut för att det ska bli självförsörjande på energi?

• Hur ser framtiden ut för off-grid-system?

1.4

Avgränsning

Studien kommer att innehålla en övergripande beskrivning av de viktigaste komponenterna i ett off-grid-system. Arbetet fokuserar på att jämföra solpanelerna ur ett ekonomiskt och prestandaperspektiv. Arbetet fokuserar även på dimensioneringen av systemet. Matematiska modellen för vissa komponenter har förenklats i beräkningarna. I studien används enbart takytor som installationsarea till solpanelerna och inte fasadytor eller ytor på mark.

3

Flerfamiljshuset är uppdelat i två hus och behandlas som två hus i alla beräkningar, men i rapporten benämns de som ett hus för att undvika missförstånd om generalisering.

2

METOD

2.1

Utförande

Arbetet inleddes med jämförelsen av de olika solpanelerna. Först beräknades produktionen av värme och el per timme för ett år med PVT-panelerna på en viss area. Sedan undersöktes följande fall:

Fall A: Hur mycket el solcellerna kan producera respektive hur mycket värme solfångarna kan producera på samma area.

Fall B: Hur mycket yta som krävs för solfångare kombinerat med solceller att producera lika mycket energi som PVT. Här undersöks även panelernas LCC och LCOE.

Baserat på resultaten från jämförelsen dimensionerades en lämplig kombination av

solpaneler på flerfamiljshusets tak. Denna kombination optimeras i optimeringsfunktionen i Opti-CE, med avsikt att uppnå byggnadens energisjälvförsörjande.

2.2

Beräkning, simulering och optimering

Mjukvaran Opti-CE användes för att beräkna, simulera och optimera systemet. Mer bakgrundsfakta om mjukvaran finns under rubrik 3.8 Opti-CE.

I programvaran Opti-CE finns filer med kod för ett system innehållande batteri,

dieselgenerator, solceller, vindkraft, solstrålningsberäkning, simulering och optimering, se Figur 1.

4

Eftersom systemet i denna studie ej innefattar dieselgenerator och vindkraft så används inte dessa funktioner. Däremot har kod för solfångare och PVT adderats för jämförelsen av panelerna. Ny kod skrevs för att beräkna energiproduktionen från solfångare, sedan anpassades koden även för PVT-paneler. Till sist användes koden för att utföra simuleringarna.

För optimeringen adderades enklare kod för bränslecell, elektrolysör, vätgaslager, värmelagring och värmepump samt anpassning av Opti-CE till de nya komponenterna. Optimeringens mål är att få livscykelkostnaden så liten som möjligt samt att flerfamiljshuset ska vara helt energisjälvförsörjande.

Optimeringen av systemet görs med genetiska algoritmer som är en stokastisk metod och är baserad på Darwin’s teori om naturligt urval.

2.3

Känslighetsanalys

En känslighetsanalys gjordes för ett urval av parametrar för att undersöka hur stabila resultaten är om parametrarna förändras. De fall som undersöktes var:

• Om solcellerna byts till andra solceller med en högre verkningsgrad i paneljämförelsen.

• Om solstrålningen minskar eller ökar med 10% i optimeringen.

• Om energikonsumtionen minskar eller ökar med 10% i optimeringen.

2.4

Litteraturstudie

En litteraturstudie genomfördes, som består av vetenskapliga publikationer från databaser och böcker samt information från myndigheter och institut. Litteraturstudien inleds med beskrivning om solvinklar och solstrålning. Sedan beskrivs energisystemets komponenter, LCC och LCOE samt programmet Opti-CE. Till sist tas tidigare arbeten om off-grid upp.

2.5

Intervju

En intervju med Hans-Olof Nilsson genomfördes, för att få nytta av hans kunskap om off-grid-system och åsikter gällande off-grid i framtiden. Hans-Olof äger en

energisjälvförsörjande villa i Angered vilket gör att han kunde bidra med nyttig kunskap och erfarenhet av off-grid-system och dess komponenter. Hans-Olof är även en av grundarna till företaget Nilsson Energy, som levererar förnybara energisystemlösningar och har deltagit i flera off-gridprojekt.

Intervjun gjordes 2020-04-03 och innehållet ur intervjun delas med tillstånd från Hans-Olof Nilsson.

5

3

LITTERATURSTUDIE

3.1

Solvinklar

Relativt till en position på jordytan, rör sig solen i en ny bana varje dag (Duffie & Beckman, 2013). Detta är konsekvensen av jordens position relativt till solen i olika tider under året och jordaxelns lutning, vilket visas i Figur 2.

Tre vinklar används för att definiera solens läge relativt en position på jorden, som visas i Figur 3. 𝜃𝑧 Zenitvinkeln, infallsvinkeln av solstrålning

på en horisontell yta

𝛼_𝑠 Solhöjdsvinkel, komplementet till

zenitvinkeln

𝛾_𝑠 Sol azimutvinkel, vinkelförskjutningen från

söder. Förskjutningar öster om söder är negativa och väster om söder är positiva

3.2

Solstrålning

Solstrålningen på en specifik plats på jorden påverkas inte bara av solens position på himlen relaterat till platsen men också på grund av molnighet (SMHI, 2019). På grund av detta varierar solstrålningen ständigt.

Utanför atmosfären så har solens strålning en medeleffekt på 1361 [𝑊/𝑚2_{] på en yta riktad}

mot solen (Duffie & Beckman, 2013). Effekten varierar på grund av jordens elliptiska bana runt solen, vilket gör att jorden befinner sig på olika avstånd från solen under året. I januari befinner sig jorden som närmast solen medan avståndet är som längst i juni. Trots att jorden befinner sig längst bort från solen under de svenska sommarmånaderna så är solstrålningen

Figur 3 En skiss av solvinklar (Duffie & Beckman, 2013).

6

högre under denna tid. Detta beror på jordaxelns egen lutning och det är denna lutning som avgör solens placering på himlen. Solen är högt på himlen under sommarhalvåret och lågt på himlen under vinterhalvåret.

Man skiljer på direkt, diffus och reflekterad strålning mot en yta på jorden, detta illustreras i Figur 4. En solstråle kan dela upp sig i atmosfären på grund av partiklar, molekyler i luftens fuktighet och moln. Denna strålning kallas för diffus strålning. Strålningen som går direkt från solen till jordens yta kallas för direkt strålning och den strålning som studsar mot en yta kallas för reflekterad strålning. Dessa tre typer av strålning kallas tillsammans för global solinstrålning och består till störst del av diffus och direkt strålning. Enligt SMHI (2017) kan den globala solstrålningen mot en horisontell yta i Sverige variera mellan 700 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 _{och år}

i norra Sverige till 1100 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 _{och år i södra Sverige.}

3.3

Olika typer av solpaneler

3.3.1

Solceller

Energin från solstrålarna transporteras i form av fotoner och energimängden kan variera vid olika fotonvåglängder och avstånd mellan jorden och solen (Wenham, Green, Watt, &

Corkish, 2007). När dessa fotoner träffar solceller, tar solcellerna emot energin och frigör elektroner, och på så sätt skapas elektrisk ström genom en fotovoltaisk effekt.

Solceller kan tillverkas med olika sorters halvledare som kisel, indium och gallium. Halvledare har smalt bandgap och när fotonenergin tas emot, lyfts elektronerna till ledningsbandet, se Figur 5.

Figur 4 Diffus, direkt och reflekterad strålning mot en lutad yta (Duffie & Beckman, 2013).

7 Eftersom olika halvledare har olika bandgap, så varierar energibehovet för att frigöra elektroner. Solceller tillverkade av olika halvledare

producerar alltså energi vid olika fotonvåglängder (Duffie & Beckman, 2013). Kiselbaserade solceller är populärast på marknaden, på grund av att de har den mognaste produktionstekniken.

3.3.2

Solfångare

En solfångare är en typ av värmeväxlare som omvandlar solstrålning till värme (Duffie & Beckman, 2013). Det som skiljer solfångaren från andra värmeväxlare är att energin kommer från en

avlägsen källa i form av strålning och avger sin energi till en vätska. Plana solfångare,

vakuumsolfångare och koncentrerade solfångare är exempel på typer av solfångare som finns på marknaden. Den som är vanligast förekommande är den plana solfångaren som kan leverera värme upp till 100℃ över omgivningstemperaturen. Den värms av både direkt och diffus strålning och kräver inte mycket underhåll. Användningsområden är bland annat uppvärmning av tappvarmvatten, byggnader och industriella processer.

De viktiga komponenterna i en plan solfångare är den svarta solenergiabsorberande ytan som ska leda den absorberade värmen till vätskan, det transparenta höljet som minskar

konvektion- och strålningsförluster till omgivningen samt den isolerade baksidan som reducerar värmeledningsförluster. Solfångare kan installeras integrerade i tak eller fasad men kan också installeras i fristående konstruktioner och riktas i det läge som är optimalt vid den tid på året som den är avsedd att arbeta.

Under fyra till sex månader kan ett solvärmesystem bidra med mer än 90% av värmebehovet för ett hushåll, beroende på geografiskt läge och hur stor förbrukningen är

(Energimyndigheten, 2011). Dock måste det alltid kombineras med en annan värmekälla för att kunna försörja värmebehovet under hela året för en bostad i Sverige på grund av den instabila produktionen och låg produktion vintertid. Man kan se att verkningsgraden ökar i vissa system, till exempel för byggnader med egen panncentral, då de kompletteras av solvärme vilket förkortar systemens återbetalningstid.

3.3.3

PVT

Den elektriska verkningsgraden av en solcell minskar med en högre driftstemperatur. Tiwari & Gaur (2014) nämner att det kan behövas kylning av solceller och i en PVT-cell så tar man tillvara på denna värme. I ett PVT-system är alltså en hög driftstemperatur en fördel då panelen fungerar som kombinerad solcell och solfångare i ett och kan producera både elektricitet och värme samtidigt. Värmen i systemet extraheras från panelen med ett arbetsmedium som vanligtvis är vatten eller luft. I Sverige används en blandning av vatten

Figur 5 En skiss över energibandgap för elektroner (Wenham, Green, Watt, & Corkish,

8

och glykol för att undvika frysning. Arbetsmediet cirkulerar i rör som är fästa på baksidan av solcellen och värmen leds genom rören och absorberas av vätskan.

3.4

Energilagring

I off-grid-system används energilagring för att lagra energin när energiproduktionen är högre än energibehovet och spara den energin tills den behövs när produktionen är lägre än

efterfrågan (Huggins, 2016). Energi kan lagras i flera former, exempelvis termiskt, mekaniskt och kemiskt. Förnybara energikällor tillhandahåller sällan energi i en konstant hastighet, utan istället har de ibland ett bra mått på periodicitet. Ett exempel är solenergi som har dagliga cykler och då är energilagring nödvändigt.

I ett off-grid-energisystem för flerfamiljshus kan energin lagras termiskt och kemiskt. Det finns flera metoder att lagra energi i de tidigare nämnda formerna, valet av metod beror på lagringstiden och flexibiliteten.

3.4.1

Termiskt lager

Termisk energi lagras generellt i ett medium. Medietemperaturen fortsätter att öka när den absorberar och lagrar värme, och mediet kan ändra fas (fast-, vätske- eller gasform) beroende på mediets ämneskomposition (Demirel, 2016). Lagrad värme överförs vanligtvis med ett värmeväxlarsystem genom värmeöverföringsvätska. Det är vanligt att lagra värme i

ackumulatortankar med vatten, men vid stora mängder energi så kan lagring i stenmjöl vara fördelaktigt (Bärtås, 2016). Solvärmen leds då ner i rör som ligger inbäddade i ett

stenmjölsmagasin som kan anläggas under huset. Temperaturen brukar gå som lägst 8°C under vintertid och som högst 21°C under sommartid. Anledningen till att man inte vill överstiga 21°C är för att lagret inte får överstiga byggnadens innetemperatur, eftersom det kan innebära en risk för fuktvandring.

3.4.2

Kemiskt lager

Ett kemiskt energilagringsystem omvandlar den lagrade energin från kemisk till elektrisk energi (Zhi & Dai, 2018). Uppladdningsbara litiumjonbatterier har på grund av dess förmåga att upprätthålla upprepad laddning och urladdning använts allmänt som en miljövänlig och resursbesparande strömkälla. Litiumjonbatterier har högre spänning och längre cyklisk livslängd jämfört med andra laddningsbara batterier, och utöver detta har de högre energitäthet och effekttäthet.

3.4.3

Vätgaslagring

Väte är en lukt- och färglös gas (Makridis, 2016). Det är det lättaste och det vanligast förekommande grundämnet. Vid normala förhållanden är väte i gasform och under

kokpunkten, -253 grader Celsius, är den i vätskeform. På grund av gasens låga energidensitet per volymenhet är det en utmaning att lagra och transportera gasen på ett effektivt sätt.

9

Väte kan lagras i gasform, vätskeform och fast form. Det vanligaste sättet att lagra väte är att komprimera vätet till gas och förvara den i högtryckståliga stålcylindrar vid ett maximalt tryck av 200 bar. Men beroende på lagringskärlets material kan gasen förvaras vid högre tryck. Lättviktiga kompositcylindrar kan tåla tryck upp till 800 bar och då får gasen en densitet på 36 𝑘𝑔/𝑚3_{. Vid 300 bar och 298 Kelvin är gasens densitet 20 𝑘𝑔/𝑚}3 _(Makridis,

2016).

3.5

Vätgasproduktion och konsumtion

3.5.1

Elektrolys

Byman (2015) beskriver elektrolys som en process där elektrisk energi tillförs och framkallar en kemisk reaktion. I Figur 6 visas en skiss av en elektrolyscell. I

elektrolysprocessen spjälkas vatten till syre och vätgas med hjälp av likström. Mellan två elektroder skapas ett elektriskt fält där den negativa elektroden kallas för katod och den positiva elektroden kallas för anod. På katodsidan spjälkas två vattenmolekyler med hjälp av den elektriska strömmen till syrgas och hydroxidjoner. När hydroxidjonerna rör sig genom membranet produceras syre och en vattenmolekyl på anodsidan.

Det finns olika typer av elektrolys och samtliga tekniker består av samma

huvudkomponenter; elektrod, elektrolyt och membran. Elektrolysprocessens verkningsgrad avgörs av elektrolyscellens totala resistans och temperatur. Elektrolysen underlättas av högre temperaturer samtidigt som högre temperaturer är slitsamt på materialet.

Den vanligaste elektrolystekniken av vatten till vätgas är alkalisk elektrolys och elektrolysen sker vid en temperatur mellan 70–80°C och elektrolyten är en vattenlösning av 20–30% kaliumhydroxid.

3.5.2

Bränslecell

En bränslecell konverterar kemisk potentiell energi, alltså energi lagrad i molekylära bindningar, till elektrisk energi (Hydrogenics, 2020). Det finns olika typer av bränsleceller och de namnges ofta av den typ av elektrolyt som används i bränslecellen. En

PEM-bränslecell använder väte som reagerar med syre och produkterna av reaktionen är vatten, elektricitet och värme. Det finns fyra viktiga grundelement i PEM-bränslecellen och dessa är anoden, katoden, elektrolyten och katalysatorn, vilket kan ses i Figur 7.

Figur 6 En skiss av elektrolyscell och kemiska formeln för vatten sönderdelning (Avfall Sverige,

10

Vätgas förs till den negativt laddade anoden. Gasen tvingas igenom katalysatorn som gör att vätemolekylen delar upp sig i två positivt laddade joner och två

elektroner. Elektronerna som har frigjorts från vätgasen leds till katoden genom en extern krets, vilket genererar ström. Samtidigt förs syre till katodsidan och när molekylerna tvingas igenom en annan katalysator delar syremolekylen upp sig till två negativt laddade syreatomer. Denna negativa laddning attraherar de positivt laddade jonerna genom elektrolyten, medan elektronerna blockeras. När katoden tar emot elektronerna från den externa kretsen reagerar de med syret och vätejonerna och bildar vattenmolekyler.

På grund av det höga energiinnehållet i väte och den höga verkningsgraden så kan bränsleceller användas i många olika applikationer, till exempel transport eller reservkraft.

Eftersom utsläppen endast består av vatten och värme förutspås bränslecellen ha en ledande roll i framtida energisystem (Hussain, 2018).

3.6

LCC och LCOE

LCC är en beräkning för en varas totalkostnad under hela varans nyttjandetid, från inköp till avveckling. Bland annat inkluderas investeringskostnad, driftkostnad och kostnad för underhåll. Vid köp av ny teknik kan LCC vara intressant, då exempelvis energikostnaderna under drift och underhållskostnad kan vara högre än själva investeringskostnaden. När man jämför olika alternativ kan en beräkning av LCC vara till hjälp för att välja det inköp som ger mest värde över tid (Upphandlingsmyndigheten, 2017).

En annan beräkning som också kan göras för jämförelseändamål är LCOE. LCOE används för att beräkna medelvärdet för produktionskostnaden per kWh under hela livslängden, med hänsyn tagen till degradering (Stridh & Larsson, 2017).

3.7

Relaterade arbeten

Enligt International Energy Agency (2017) har förnybara energikällor och off-grid börjat vinna mark sedan 2012 och denna förändring förväntas fortsätta att öka. Sedan 2012 står off-grid och mini-off-gridsystem för 6% av de nya anslutningarna i den elektriska världen.

Decentraliserade system, som off-grid-system, är den billigaste lösningen för försörjning av energi för avlägsna platser, och valet av förnybara energikällor i dessa projekt kan förklaras av den sjunkande kostnaden.

Off-grid-system för elförsörjning har funnits sedan länge och i en studie publicerad av IRENA nämns att de har funnits sedan 1940-talet i Sri Lanka och sedan 1950-talet i Kina.

Figur 7 En skiss av bränslecell och kemiska formeln för processen

(Dharmalingam, Kugarajah, & Sugumar, 2019).

11

Studien visar också att sedan 2015 har det funnits tusentals off-grid-system i världen. Dessa off-grid-system består oftast av dieselgeneratorer och är oftast placerade på öar. Bangladesh, Kambodja, Kina, Indien, Marocko och Mali är bland de länder med mer än 10 000 off-grid-solcellsnät för byar.

Off-grid-system kan också vara en lösning till vissa projekt i stora städer som har

elnätkapacitetbrist, såsom Stockholm. Enligt en studie utförd av elbolaget Ellevio (2019), har Stockholm en stor elnätkapacitetbrist. Vissa steg har tagits för att säkra elförsörjningen i Stockholm på kort sikt, dock är problematiken kvar på lång sikt. Den främsta anledningen till denna kapacitetsbrist är stadens tillväxt och nya bostäder som ansluts till elnätet. Att bygga självförsörjande bostäder och flerfamiljshus kan vara en lösning för städer som har

problematik med elnätkapaciteten.

Ett exempel på självförsörjande flerfamiljshus finns i Schweiz (ABB, 2018). Huset producerar energi för alla nio familjer utan att kompromissa med komforten. Byggnaden använder solceller på tak och fasad för energiproduktion, samt batterier och vätgasbehållare för energilagring. Utöver det har huset ett komplett automatiserat styrsystem, som kan styra olika energieffektiviserande eller konsumerande komponenter. Det automatiserade

styrsystemet bidrar till energisparande på många olika sätt med hjälp av sensorer inomhus och utomhus.

I Sverige finns ett annat exempel på liknande självförsörjande hus som är off-grid. Dock rymmer detta hus endast en familj och är konstruerat av ägaren till huset, Hans-Olof Nilsson (Informationscentrum för hållbart byggande, 2019). Systemet byggdes ursprungligen med komponenter som kan hittas på butikshyllor. Systemet är i princip den samma som huset i Schweiz, dock med en skillnad att utöver värmen från bränslecellen används solfångare för uppvärmning med en ackumulatortank för värme energilagring.

En annan studie från Sardinien som är värd att nämna är en studie gjord av Mura, Baccoli, Innamorati, & Mariotti (2015). Studien undersöker husets självförsörjande på energi med PVT-solpaneler endast på taket i kombination med batteri och vätgaslagring. Resultaten visar att energiautonomi är en verklighet för off-grid-hus, så länge huset är beläget i

Medelhavsområdet där flödet av solenergi liknar det på Sardinien.

McKenna, Merkel, & Fichtner (2016) har gjort en studie av den ekonomiska aspekten av självförsörjande hus i Tyskland. Resultaten visar en förbättring i den ekonomiska optimala nivån om systemet ökar i skala. Studien indikerar att det är ekonomiskt fördelaktigt att konstruera off-grid-system om systemet försörjer cirka 560 hushåll och mer.

Priserna för flera komponenter i off-grid-system har sjunkit mycket de senaste åren. I en studie gjord av IRENA nämns att priserna för solceller har minskat 90% från år 2009 till 2018 (International Renewable Energy Agency, 2019). I en annan studie av U.S Department of Energy nämns att priserna för PEM-bränsleceller har minskat med 60% från år 2006 till 2018 (U.S Department of Energy, 2018). Detta på grund av att det gjorts forskning och teknisk utveckling av till exempel katalysatorn och elektrodprestandan i bränslecellen.

12

3.8

Opti-CE

Opti-CE är en öppen mjukvara som används för att simulera, optimera och designa

hybridkraftsystem. Mjukvaran är tillverkad av olika forskare, professorer och doktorander från olika institut och universitet runt om i världen. Opti-CE används av forskare, konsulter och beslutsfattare som arbetar med olika frågor bland annat inom hybridkraftsystem och har använts i över tio publikationer sedan den släppts den 1 september 2016 (Opti-CE, 2020a) (Opti-CE, 2020b).

Opti-CE använder genetisk algoritm i MATLAB med syfte att hitta den mest lämpliga

kapaciteten för de valda komponenterna i det hybrida kraftsystemet. Mjukvaran används för att minimera LCC för det valda systemet och för att maximera energiproduktionen från de förnybara energikällorna för att möta energibehovet. I den aktuella versionen (v3) kan Opti-CE simulera och optimera hybrida sol-vind-batteri-dieselsystem (Campana & Zhang, 2017).

4

AKTUELL STUDIE

4.1

Byggnaden och energibehovet

Det tänkta flerfamiljshuset är beläget i Jönköping, som är en tätort i nordvästra Småland och har latitud 57.7811° och longitud 14.1586 ° . Flerfamiljshuset är uppdelat i två hus, hus 1 och hus 2, och består av 44 lägenheter med en snittarea på 88 kvadratmeter vardera. Den totala tillgängliga ytan på taken för installation av solpaneler (blå och orange rutor i Figur 8) är ca 900 m2_{, varav en area på maximalt 196 m}2 _{är avsedd för PVT-paneler (blå rutor). För att} förtydliga vilken area som används i simuleringarna kallas den blå arean för area A. Takens lutning är 15° och båda husen har en del riktad 30° öster om söder och en del riktad 60° öster om söder.

Energibehovet enligt modellen som är erhållen från uppdragsgivaren visar ett årligt värmebehov på 141.05 MWh och elförbrukning på 67.94 MWh.

13

4.2

Energisystemets uppbyggnad

I Figur 9 visas ett kopplingsschema över byggnadens energisystem. En del av

komponenterna, såsom kompressor och styrsystem, förbrukar el men det är inte inkluderat i figuren.

Elektricitet

På byggnadens tak installeras PVT-paneler och/eller solceller som förser byggnaden med el. Elen från panelerna sänds till en växelriktare som omvandlar likström till växelström innan den kan användas i byggnaden. Den överskottsel som inte blir använd i byggnaden lagras i ett litiumjonbatteri för korttidslagring från dag till natt. När litiumjonbatteriet är fulladdat förs ytterligare överskottsenergi till en elektrolysör som producerar vätgas. Vätgasen

komprimeras med en kompressor och lagras i en vätgastank och utgör ett säsongslager av bränsle som kan användas i en bränslecell vid behov. I bränslecellen omvandlas vätgasens kemiska energi till elektrisk energi och den likström som bildas omvandlas till växelström i växelriktaren innan den kan förse byggnaden med el.

Värme

PVT-paneler och/eller solfångare på byggnadens tak förser bygganden med värme. Även förlustvärmen som genereras när bränslecellen är i drift används i byggnaden.

Överskottsvärmen och förlustvärmen från elektrolysören lagras i ett värmelager som består av ett stenmjölsmagasin under huset. Tider då solfångarna, PVT och bränslecellen inte kan

14

bidra med tillräcklig värme används värmen som är lagrad, och ifall det finns ett ytterligare värmebehov startas en värmepump.

I Tabell 1 presenteras information om de givna solpanelerna som används i studien. För mer detaljerad information se datablad till solfångare, solceller och PVT som är bifogade i bilaga 1, 2 och 3.

Tabell 1 Information om solpanelerna.

Solpanel Typ Fabrikat Modell Effekt [W] Specifik

kostnad [𝑺𝑬𝑲/𝒎𝟐_] PVT Monokristallin solcell med integrerad solfångare

Dual Sun Dual Sun Spring 310 elektrisk + 1036 termisk

3400

Solceller Monokristallin solcell

Dual Sun Dual Sun Flash 310 1480

Solfångare Plan solfångare Svesol Svesol Premium AR-S

1875 2670

15

4.3

Beräkningar

4.3.1

Solvinklar

För att räkna zenitvinkeln, solhöjdvinkeln och azimutvinkeln behövs några nyckelparametrar såsom positionens latitud (𝜆_𝑙) och longitud (𝐿) och tidzonens standardlongitud (𝐿_𝑠𝑡). Utöver det behövs även deklinationsvinkeln (𝛿).

Slutligen beräknas strålningsinfallsvinkel mot en lutande yta, med en lutningsvinkel (𝛽), vridningsvinkel (𝛾) och timvinkeln (𝜔) som är solens vinkelförskjutning öster eller väster om den lokala meridianen enligt ekvation (8)

𝜃 = 𝑐𝑜𝑠−1_{(𝑐𝑜𝑠(𝛿) ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝜔) ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝛽) ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝛾) + 𝑐𝑜𝑠(𝛿) ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝜆}

𝑙) ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝛽) ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛾) −

𝑠𝑖𝑛(𝛿) ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜆_𝑙) ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝛽) ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛾) + 𝑐𝑜𝑠(𝛿) ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜆𝑙) ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛽) + 𝑠𝑖𝑛(𝛿) ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝜆𝑙) ∙

𝑐𝑜𝑠(𝛽)) [°] Ekvation (1)

Opti-CE har en inbyggd funktion för att beräkna strålningens vinkel mot en lutande yta för varje timme under ett år enligt ekvation (1). Dessa beräknar görs i funktionen

“RadiationCalculation” i Opti-CE, genom att mata in longitud, latitud och standardlongitud för platsen.

4.3.2

Solstrålning

I beräkningar används värdet på den totala strålningen mot en lutande yta, eftersom panelerna ligger olika i olika anläggningar beroende på anläggningens position på jorden relativt till solen (Duffie & Beckman, 2013). För att räkna fram den totala strålningen mot en lutande yta, behövs panelens lutningsvinkel, vridningsvinkeln och sol-vinklarna. Utöver det behövs metrologiska data (global strålning mot ett horisontellt plan och direkt strålning mot en yta vinkelrätt mot solen), samt markens reflektionsvärde.

Den totala strålningen mot en lutande yta är summan av direkt, diffus och reflekterad strålning mot den lutande ytan och räknas enligt ekvation (2).

𝐺 = 𝐺_𝑏+ 𝐺_𝑑+ 𝐺_𝑔 [𝑊/𝑚2_{] Ekvation (2)} Direkt strålning

𝐺_𝑏 = 𝐺_𝑏,𝑛∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜃) [𝑊/𝑚2_{] Ekvation (3)}

𝐺_𝑏,𝑛 = direkt strålning mot en yta vinkelrätt mot solen [𝑊/𝑚2_] Diffus strålning

𝐺𝑑 = 𝐺𝑑,ℎ∙1+𝑐𝑜𝑠(𝛽)₂ [𝑊/𝑚2] Ekvation (4)

16 Reflekterad strålning 𝐺_𝑔 = 𝜌_𝑔∙ 𝐺_ℎ∙1−𝑐𝑜𝑠(𝛽) 2 [𝑊/𝑚 2_{] Ekvation (5)} ρ_g= markens reflektionsvärde [-]

𝐺_ℎ= solens totala strålning mot ett horisontellt yta [𝑊/𝑚2_]

4.3.3

Solceller

Solcellseffekten beräknas enligt ekvation (6).

𝑃 = 𝐺 ∙ 𝐴_{𝑠𝑜𝑙𝑐𝑒𝑙𝑙}∙ 𝜂_{𝑠𝑜𝑙𝑐𝑒𝑙𝑙} Ekvation (6) Det är viktigt att ta hänsyn till att solcellsverkningsgraden är temperaturberoende och att den tappar effekt när temperaturen ökar. Verkningsgraden kan räknas fram vid olika

temperaturer enligt ekvation (7).

𝜂_{𝑠𝑜𝑙𝑐𝑒𝑙𝑙} = 𝜂_{𝑚𝑝,𝑟𝑒𝑓}+ 𝜇_{𝜂,𝑚𝑝}(𝑇_𝑐− 𝑇_{𝑐,𝑟𝑒𝑓}) Ekvation (7) 𝜂_{𝑚𝑝,𝑟𝑒𝑓} =solcellsverkningsgrad vid STC [-]

𝜇_{𝜂,𝑟𝑒𝑓} = effektivitetstemperaturkoefficient 𝑇_{𝑐,𝑟𝑒𝑓}= solcellstemperatur vid STC [K]

𝑇_𝑐 = solcellstemperatur [K], som är beroende av bland annat omgivningstemperatur och vindhastighet och kan räknas enligt ekvation (8) (Duffie & Beckman, 2013).

𝑇_𝑐 = 𝑇_𝑎+ (𝑇𝑁𝑂𝐶𝑇− 𝑇𝑎,𝑁𝑂𝐶𝑇) ∙ (_{𝐺𝑁𝑂𝐶𝑇}𝐺 ∙_{5.7+3.8∙𝑣}9.5 ∙ (1 − 𝜂𝑚𝑝,𝑟𝑒𝑓)) Ekvation (8)

𝑇_𝑎= omgivningstemperatur [K]

𝑇_{𝑁𝑂𝐶𝑇}= nominal operating cell temperature [K]

𝑇_{𝑎,𝑁𝑂𝐶𝑇}= omgivningstemperatur vid nominal operating cell temperature [K]

𝐺_{𝑁𝑂𝐶𝑇} = solstrålning vid nominal operating cell temperature [K] 𝑣 = vindhastighet [𝑚/𝑠]

4.3.4

Solfångare

Effekten för solfångare beräknas enligt ekvation (9) (Fischer, Muller-Steinhagen, Perers, & Bergquist, 2001).

Figur 10 Iterationsmodell för solfångarens medeltemperatur.

17

𝑄 = 𝐴 ∙ (𝜂 ∙ 𝐺 − 𝑎₁∙ (𝑇_𝑚− 𝑇_𝑎) − 𝑎₂∙ (𝑇_𝑚− 𝑇_𝑎)2_{) Ekvation (9)}

𝐴 = modularea [m2_]

𝑇_𝑚 = medeltemperatur i solfångare [K] 𝑎₁ och 𝑎₂ är förlustfaktorer.

Solfångarens medeltemperatur beräknas med hjälp av en energibalans och Newton–

Raphsons iterationsmetod. Det inkommande vattnet kommer från värmelagret under huset och antas ha samma temperatur som lagret. Energi överförs från solstrålarna till solfångaren, och denna energi överförs vidare till mediet som flödar i solfångaren.

𝑄 = 𝑚̇ ∙ 𝐶𝑝 ∙ (𝑇_𝑢𝑡− 𝑇_𝑖𝑛) Ekvation (10) 𝑚̇ = massflöde [kg/s] Cp = Specifik värmekapacitet [kJ/kg,K] 𝑇_𝑢𝑡= temperatur ut ur solfångare [K] 𝑇_𝑖𝑛= temperatur in i solfångare [K]

4.3.5

PVT

För PVT-panelerna är beräkningsmetoden liknande för solceller och solfångare, dock beräknas celltemperaturen för solcellerna i PVT-panelen med hänsyn till temperaturen av solfångardelen i PVT-panelen (Lämmle, Oliva, Hermann, Korbinian, & Wolfgang, 2017). T_cell,PVT= T_m+_U Q

AbsFluid Ekvation (11)

U_AbsFluid = intern värmeöverföringskoefficient [𝑊/𝑚2_{, 𝐾]}

4.3.6

LCC och LCOE

Livscykelkostnaden beräknas i Opti-CE enligt ekvation (12). Denna beräkning tar hänsyn till investeringskostnad, underhålls- och driftkostnad, restvärde, ersättningskostnad och

skattereduktioner. Eftersom huset är off-grid görs beräkningarna utan skattereduktioner, som annars finns för solceller.

𝐿𝐶𝐶 = 𝐼𝐶𝐶 − ∑ 𝑑𝑛 (1+𝑖)𝑛∙ 𝑡𝑟 + ∑ 𝑎𝑛 (1+𝑖)𝑛∙ (1 − 𝑡𝑟) + ∑ 𝐼𝐶𝐶𝑐 (1+𝑖)𝑟𝑙𝑐∙ (1 − 𝑡𝑟) − 𝑠 (1+𝑖)𝑁 𝑅 𝑟=1 𝑁 𝑛=1 𝑁 𝑛=1 Ekvation (12) 𝐼𝐶𝐶 = Investeringskostnad [kr] N = projektets livstid [år] n = n:te året av projektet 𝑑_𝑛 =årlig värdeminskning [kr]

18 i = real kalkylränta [%]

tr = skattenivå [%]

𝑎_𝑛 = Årliga underhålls- och driftskostnader [kr] R = totala antalet ersättningar under projektets livstid r = r:te ersättningen

𝐼𝐶𝐶_𝑐 = investeringskostnad för komponenten som ska bli ersatt [kr] 𝑙𝑐 = livstiden på den ersatta komponenten

s = restvärde på den ersatta komponenten

LCOE beräknas med ekvation (13) genom att dividera LCC med total energi under livslängden, med hänsyn till degradering (Stridh & Larsson, 2017).

𝐿𝐶𝑂𝐸 = 𝐿𝐶𝐶 ∑ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑢𝑡𝑏𝑦𝑡𝑒 𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡∗(1+𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚𝑑𝑒𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔)𝑖−1 (1+𝑅)𝑖 𝑖=𝑁 𝑖=1 ⁄ Ekvation (13)

Där variabeln i = år, N = ekonomisk livslängd [år] och R = kalkylränta. Energiutbyte start är utbytet under första året (kWh/kW) och systemdegradering är årlig degradering.

4.4

Indata och antaganden

Opti-CE har en excel-fil som heter ”Input”, denna fil har fyllts i med:

• Klimatdata timme för timme för ett typiskt meteorologiskt år som hämtades från SMHI. I klimatdata ingår: 𝐺_ℎ, 𝐺_𝑑,ℎ, 𝑣 och 𝑇_𝑎.

• Platsdata: latitud, longitud och standardlongitud.

• Solpanelsdata som hämtades från databladen (se bilaga 1, 2 och 3). I solpanelsdata ingår: 𝜂_{𝑚𝑝,𝑟𝑒𝑓}, 𝜇_𝑚𝑝, 𝑇_{𝑐,𝑟𝑒𝑓}, 𝑉_𝑚𝑝, 𝑇_{𝑁𝑂𝐶𝑇}, 𝐴 och 𝑃_𝑚𝑝 för solceller och 𝜂_𝑟𝑒𝑓, 𝑎₁, 𝑎₂, 𝐴 och 𝑃 för solfångare.

• Energilagerdata: 𝜂 och 𝜎 för batteri och 𝜂 för värmelager.

• Växelriktardata: 𝜂.

• Systemkostnader där ingår specifik kostnad, drift- och underhållskostnad samt livslängd för alla komponenter, utöver detta inmatas projektets livslängd, skattenivå och ränta.

• Energikonsumtionsdata för elektricitet och värme (timme för timme under ett år). Datan är erhållen av uppdragsgivaren och är beräknat baserat på mätningar från SMHI.

19

Utöver det som nämndes ovan har några antaganden gjorts i beräkningarna:

• ρg= 0,2 (Markens reflektionsvärde).

• 𝑇_𝑖𝑛= 15° (Temperaturen av vatten-glykolmix in i PVT/solfångare antas vara

konstant. I verkligheten är den beroende av värmelagrets temperatur vilket opereras mellan 10–21 grader.)

• I beräkningarna av PVT-panelernas solcellstemperatur antas 𝑇_𝑐 vara lika med 𝑇_𝑚 (solfångardelens temperatur).

• 𝑚 =̇ 0,07 𝑘𝑔/𝑠 (Massflödet av vatten-glykolmix in i PVT/solfångare antas vara konstant. I verkligheten är det beroende av styrsystemet.)

• Den specifika värmekapaciteten för solfångarmediet (vatten- och glykolmix) antas vara samma som den för vatten; 𝐶𝑝 = 4,2 𝑘𝐽/𝑘𝑔, 𝐾 (medelvärde vid flytande form)

• Intern värmeöverföringskoefficient UAbsFluid antas vara 61,2 𝑊/𝑚2, 𝐾 (Lämmle, Oliva,

Hermann, Korbinian, & Wolfgang, 2017).

• Optimeringen görs under 17 520 timmar (2 år) och börjar den första maj och slutar sista april, med samma väderdata och energikonsumtion båda åren.

• I början av optimeringen är batteriet och vätgaslagret 10% uppladdade, och värmelagret 5% uppladdat.

• Årliga degraderingen antas vara 0,3%/å𝑟 vid beräkningar av LCOE.

• Vid omräkningar från USD till SEK har 9,2 använts som växlingskurs, baserat på dagens kurs (2020-06-08).

• Vid omräkningar från EUR till SEK har 10,4 använts som växlingskurs, baserat på dagens kurs (2020-06-08).

4.5

Känslighetsanalys

• Solcellernas verkningsgrad har stor påverkan på elproduktionen, därför gjordes en känslighetsanalys över elproduktionen om solceller med högre verkningsgrad jämförs med PVT. De solceller som undersöks är av modellen ”Cheetah HC 60 M” från Jinko Solar och har 20,45% verkningsgrad vilket är 1,35% högre verkningsgrad än

solcellerna från DualSun. Datablad till solcellerna från Jinko Solar finns i bilaga 6.

• Solstrålningen kan variera ±10% från år till år (SMHI, 2007). Solstrålningen som används i beräkningarna är för ett typiskt meteorologiskt år. Därför görs en

känslighetsanalys för att undersöka hur dimensioneringen av systemet förändras om solstrålningen är 10% högre respektive lägre än ursprungliga data.

• Även energikonsumtionen är en parameter i beräkningarna som kan förändras från år till år. Energikonsumtionen som används i beräkningarna är baserade på data från SMHI. En känslighetsanalys görs för att undersöka hur dimensioneringen av systemet förändras om energibehovet är 10% högre respektive lägre än ursprungliga data.

20

5

RESULTAT

5.1

Simulering och jämförelse av solpanelerna

5.1.1

Fall A

I fall A undersöktes hur stor energiproduktionen är om area A (196 m2_{) täcks av PVT-paneler,} solceller eller solfångare respektive. Tabell 2 visar resultatet av denna jämförelse.

Tabell 2 Energiproduktion från PVT, solceller eller solfångare på area A.

Solpanel Yta [m2_{] Energislag Produktion [MWh/år]}

PVT 196 El 35,7

Värme 93,9

Solceller 196 El 35,6

Solfångare 196 Värme 127,5

I Figur 11visas el- och värmeproduktionen från PVT-panelerna på area A, samt den globala strålningen mot panelernas yta timme för timme under året. I figuren syns att

värmeproduktionen är högre än elproduktionen, på grund av att PVT har en högre verkningsgrad på värmedelen jämfört med eldelen.

21

I Figur 12 visas elproduktionen av solceller respektive PVT på samma area. PVT har 0.2% högre elproduktion än solcellerna.

I Figur 13visas värmeproduktionen från solfångare respektive PVT på samma area. PVT-paneler har 26% sämre värmeproduktion än solfångare.

Figur 12 Elproduktion per timme för ett år från solceller (PV) respektive PVT på area A.

22

I Figur 14 visas värmeverkningsgraden för solfångare och PVT vid olika ∆𝑇 = (𝑇_𝑚− 𝑇_𝑎). Kurvans lutning för PVT är brantare än solfångarens kurva och verkningsgraden är generellt lägre på grund av högre värmeförluster.

5.1.2

Fall B

I fall B beräknades ytan som krävs för solceller kombinerat med solfångare att producera lika mycket värme och el som PVT. Resultatet för detta tillsammans med LCC och LCOE för båda fallen redovisas i Tabell 3.

Tabell 3 Ytan som krävs för solceller kombinerat med solfångare för att få samma energiproduktion som PVT.

Panel Yta [m2_{] Total yta}

[m2_]

LCC [kSEK/W] LCOE [SEK/kWh]

PVT 196 196 2 469 0,029

Solceller 197 _{342 2 028}

0,024

Solfångare 145

5.2

Optimering av systemet

Optimeringen av systemet gjordes både med och utan arearestriktion. I fallet med arearestriktion användes takets befintliga area. När optimeringen gjordes utan

arearestriktion beräknades den takyta som saknas för att byggnaden ska bli självförsörjande. I samtliga optimeringar användes PVT-paneler, solceller och solfångare, men i olika

utsträckning.

Figur 14 Värmeverkningsgraden som funktion av temperaturdifferens mellan modultemperatur och omgivningstemperatur för solfångare respektive PVT vid global strålning 1000 W/m2.

23

5.2.1

Med arearestriktion

I optimeringen användes hela takets area på båda husen (900 𝑚2_{). Optimeringen av hela}

energisystemet gav ingen möjlig lösning för flerfamiljshusets självförsörjande på den givna arean. Dock gav optimeringen dimensionerna på systemet som ger högsta möjliga antal timmar då huset är självförsörjande. Resultatet presenteras i Tabell 4.

Tabell 4 Optimeringsresultat med takets befintliga area.

PVT [𝑚2_{] [𝑚}PV 2_] Solfångare _[𝑚2_] Total area [𝑚2_] Batteri kapacitet [k𝑊ℎ] Värmelager kapacitet [𝑘𝑊ℎ] Vätgaslager kapacitet [𝑘𝑊ℎ] LCC [MSEK] 196 658 45 899 138,5 31 616 24 163 27,7

I Figur 15 presenteras energimängden i värmelagret, vätgaslagret och batteriet under två års simulering. Figuren visar att huset kan vara självförsörjande i 13 271 av 17 520 timmar (6 682 timmar första året och 6 590 timmar andra året), vilket motsvarar 76% av tiden.

5.2.2

Utan arearestriktion

Optimeringen utan arearestriktion gav möjliga lösningar för flerfamiljshusets

självförsörjande 100% av tiden. I Tabell 5nedan presenteras två intressanta resultat.

Figur 15 Energimängd i lager per timme under två års simulering, om takets befintliga area används. (högra y-axeln visar batteriets energimängd).

24

Den mest signifikanta skillnaden i fallen är batteriets storlek, där det i fall 1 är mycket större. Panelarean i fall 1 är också 51 m2 _{mindre. Dock är LCC för fall 2 billigare med ca 300 000 kr.}

Tabell 5 Optimeringsresultat utan arearestriktion.

Fall PVT [𝑚2_{] [𝑚}PV 2_] Solfångare _[𝑚2_] Total area [𝑚2_] Batteri kapacitet [k𝑊ℎ] Värmelager kapacitet [𝑘𝑊ℎ] Vätgaslager kapacitet [𝑘𝑊ℎ] LCC [MSEK] 1 187 1 186 124 1 497 172 47 179 47 530 34,2 2 186 1 272 90 1 548 66 46 777 49 474 33,9

I Figur 16 och Figur 17 presenteras energimängden i värmelagret, vätgaslagret och batteriet under två års simulering. Figurerna visar att huset kan vara självförsörjande i 17 520 timmar, vilket motsvarar 100% av tiden. Figurerna visar också att startpunkterna och slutpunkterna för simuleringen matchar. Energimängden i vätgaslagret börjar minska efter timme ~4000 första året i fall 1 och i fall 2 sker detta tidigare.

Figur 16 Energimängd i lager per timme under två års simulering (Fall 1) (högra y-axeln visar batteriets energimängd).

25

5.3

Känslighetsanalys

5.3.1

Solceller med högre verkningsgrad

I Tabell 6 visas elproduktionen med solceller från fabrikaten DualSun (19,1% verkningsgrad) och Jinko Solar (20,45% verkningsgrad) på area A.

Tabell 6 Elproduktion från PVT och solceller från två olika fabrikat.

Solpanel Yta [m2_{] Energislag Produktion [MWh]}

PVT 196 El 35,7

Solceller (DualSun) 196 El 35,6 Solceller (Jinko Solar) 196 El 39,4

I Figur 18 visas elproduktionen av solceller (Jinko Solar) respektive PVT på samma area. Solcellerna (Jinko Solar) har 10% högre elproduktion än PVT.

Figur 17 Energimängd i lager per timme under två års simulering (Fall 2) (högra y-axeln visar batteriets energimängd).

26

5.3.2

Solstrålning

I Tabell 7 visas resultaten av optimeringen av systemet om solstrålningen är 10% högre eller 10% lägre än tidigare använda data. När solstrålningen är högre så behövs mindre area och lägre lagringskapacitet.

Tabell 7 Optimeringsresultat om solstrålningen är 10% lägre eller högre än ursprungliga data.

Fall PVT [𝑚2_{] [𝑚}PV 2_] Solfångare _[𝑚2_] Total area [𝑚2_] Batteri kapacitet [k𝑊ℎ] Värmelager kapacitet [𝑘𝑊ℎ] Vätgaslager kapacitet [𝑘𝑊ℎ] LCC [MSEK] +10% 185 1 108 75 1 368 164,3 43 794 47 159 33,8 −10% 183 1 345 131 1 659 184,1 49 799 49 919 34,7

5.3.3

Energikonsumtion

I Tabell 8 visas resultaten av optimeringen av systemet ifall energikonsumtionen är 10% högre och 10% lägre än tidigare använda data. När energikonsumtionen är högre så behövs mer area och större lagringskapacitet.

Tabell 8 Optimeringsresultat om energikonsumtionen är 10% lägre eller högre än ursprungliga data.

Fall PVT [𝑚2_{] [𝑚}PV 2_] Solfångare _[𝑚2_] Total area [𝑚2_] Batteri kapacitet [k𝑊ℎ] Värmelager kapacitet [𝑘𝑊ℎ] Vätgaslager kapacitet [𝑘𝑊ℎ] LCC [MSEK] +10% 193 1 312 192 1 697 192,3 51 035 52 620 36,3 −10% 183 1 063 143 1 389 158,5 41 941 44 180 33,1

27

5.4

Intervju med Hans-Olof Nilsson - ägare av ett

energisjälvförsörjande hus

Informationen i detta avsnitt är från en intervju är med Hans-Olof Nilsson, ägare av en energisjälvförsörjande villa i Angered i Sverige. Han är även en av grundarna av Nilsson Energy AB, ett företag som levererar förnybara energisystemlösningar. Samtlig information är från intervjun och delas med tillstånd från Hans-Olof.

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.