Lokalt likströmsnät för kontorsbyggnader försedda med solceller: En ekonomisk och teknisk utvärdering

UPTEC ES 18 017

Examensarbete 30 hp April 2018

Lokalt likströmsnät för

kontorsbyggnader försedda med solceller

En ekonomisk och teknisk utvärdering

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten

Besöksadress:

Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0

Postadress:

Box 536 751 21 Uppsala

Telefon:

018 – 471 30 03

Telefax:

018 – 471 30 00

Hemsida:

http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Evaluation of a local direct current grid for office buildings with solar power

Alexander Flyckt

This thesis evaluates a local direct current grid (DC-grid) where four office buildings with photo-voltaic (PV) facilities has been

connected. The power system has been analyzed and a model of the grid has been developed to quantify the increased own consumption and the reduction of power peaks. The results has been used to evaluate the grid from an economic point of view to answer if the installation of the grid was profitable. The grid has also been evaluated from a technical standpoint and future possibilities has been identified.

The study shows that an own consumption of solar power was increased from 81,6 per cent in average to 99,2 per cent, which resulted in a reduction of annual consumed power by 34 MWh. The power peaks was reduced with 196 kW in total annually. The analysis also shows that the electrical contract can be changed for in one of the buildings.

The annual operating costs was reduced by 13 kSEK along with the reduction in energy equating to roughly 34 kSEK in savings, resulting in approximately 47 kSEK of total annually savings. With an

investment cost of 531 kSEK and a cost of capital set to 5 per cent, the installed DC-grid is profitable. Future possibilities identified was to connect more buildings and PV systems to the grid, analyze electrical consumption for greater understanding, implementation of energy storage and fast electrical vehicle chargers.

ISSN: 1650-8300, UPTEC ES18 017 Examinator: Petra Jönsson

Ämnesgranskare: Cecilia Boström Handledare: Ulf Näslund

Populärvetenskaplig sammanfattning

Andelen solceller ökar i Sverige och allt fler investerar i solcellsanläggningar, från bostadsför- eningar till fastighetsbolag och även privatpersoner. Andelen installerad effekt har ökat nära 70 procent årligen de senaste fem åren. Eftersom ersättningen är relativt låg för solel som säljs till elnätet är det mest lönsamt att använda elen och därmed minska andelen el som behöver köpas.

Därför anpassas ofta solcellsanläggningar mot fastighetens förbrukning av el istället för att beläg- ga hela takets yta.

På senare år har allt fler aktörer efterfrågat möjligheten att flytta solel mellan fastigheter. Detta kan idag ske genom det befintliga elnätet men utlöser då energiskatt på den el som flyttas. Ett annat alternativ är att binda samman två eller flera fastigheter i ett eget elnät. Detta kräver dock undantag från nätkoncessionslagen vilket enbart får utföras i vissa fall.

Samtidigt som andelen solel ökar i våra system har allt mer elektrisk utrustning i våra hem och arbetsplatser gått över från att baseras på växelström till likström. Datorer, mobiltelefoner, LED- belysning är alla i grunden likströmsutrustning. Sveriges elnät är uppbyggt främst av växelström och detsamma gäller för elnäten i fastigheterna. Detta beror främst på den historiska utvecklingen där uppkomsten av transformatorer möjliggjorde transport av el långa sträckor vilket inte gick att lösa tekniskt för likström. Idag har utvecklingen av kraftelektronik gjort att möjligheterna för likström är större. En av fördelarna med att använda likström är lättare regleringsmöjligheter och att inte innehar någon reaktiv effekt. Dessutom med sker förluster vid varje omvandlingssteg som skulle kunna minskas om både förbrukare och produktion båda består av likström.

På området science park i Uppsala har Vasakronan installerat ett likströmsnät som sammanbinder fyra stycken av deras kontorsfastigheter som alla har solcellsanläggningar installerade på taken.

Likströmsnätet och en av husens solanläggning installerades samtidigt och baseras på teknik från företaget Ferroamp. Installationen har utförts i syftet att öka egenförbrukningen av solel och sam- tidigt minska effekttopparna eftersom abonnemangsformen som innehas innebär att den högsta effekttoppen per månad ökar kostnaden. Syftet med detta arbete är att utvärdera om och uppskat- ta hur mycket egenförbrukningen ökar samt om effekttoppar minskar med installationen. Utifrån dessa resultat har lönsamheten bedömts. Vidare har även framtidsmöjligheterna som likströmsnä- tet medför diskuterats.

En modell av likströmsnätet har upprättats utifrån data över solproduktion samt elförbrukning från år 2016. Modellen visar att egenförbrukningen i de fyra fastigheterna ökar från 81,6 procent i me- delvärde till 99,2 procent vilket medför ett minskat elbehov med ca 34 megawattimmar (MWh).

Totalt minskar även effekttopparna med 196 kilowatt (kW) över året. Dessutom finns möjligheten att byta ut ett av abonnemangen i en fastighet från ett effektabonnemang till ett säkringsabonne- mang vilket resulterar i besparingar på 4 700 kr.

Sammanlagt blir årliga besparingarna ca 47 tusen kr (kSEK) vilket innebär att installationen, med en investeringskostnad på 531 kSEK för likströmsnätet och en kalkylränta på fem procent, är lönsam sett över en 20 års period. En känslighetsanalys visar att de besparingsåtgärder som föreslagits inte är nödvändiga för att nätet ska anses vara lönsamt.

Systemet möjliggör även att fler närliggande fastigheter kan anslutas i framtiden vilket även Va- sakronan planerar att göra. Högupplöst data och analysverktyg kan användas för att förstå elför- brukningen i fastigheterna i större utsträckning än tidigare. Även om det idag är svårt att ekono- miskt motivera ett energilager kan det i framtiden, vid lägre batteripriser, enkelt anslutas i nätet.

Även möjligheten att bygga ut snabbladdning för elbilar finns.

Även om en stor del av den elektriska utrustning i husen som har hög elkonsumtion inte går att drivas med likström, så som exempelvis kylmaskiner och fläktar, finns det ett ökat intresse av detta och i framtiden kan sådan möjligheter finnas. När frekvensomriktare för fläktar behöver bytas ut bör man se över om möjligheterna för att installera likströmsversioner för att minska omvandlingsförluster.

Exekutiv sammanfattning

Arbetet har utvärderat Vasakronans installation av ett lokalt likströmsnät mellan fyra kontorsfas- tigheter med solceller för att besvara hur mycket av egenkonsumtionen av solel som kan ökas och effekttoppar som kan reduceras. Genom en modellering har dessa kvantifierats och resultatet har sedan använts för att bedöma investeringen i systemet ekonomiskt. Utöver detta har även en teknisk utvärdering utförts och framtidsmöjligheter identifierats.

Egenkonsumtionen ökade från 81,6 till 99,2 procent vilket resulterade i en minskad årlig mängd inköpt el på 34 MWh. Effekttopparna minskade med 196 kW per år. Möjligheten att byta ett av elabonnemangen har även identifierats vilket resulterar i besparingar på 4 700 kr per år. Totalt minskar de årliga kostnaderna med ca 47 kSEK. Med en investeringskostnad på 531 kSEK och en kalkylränta på 5 procent är investeringen lönsam.

Vidare har möjligheten att ytterligare öka egenkonsumtion och minska effekttoppar identifierats om kylmaskiner kan driftas för att korrelera bättre med solelsproduktionen.

Den besparing som identifierats genom att byta elabonnemang i en av fastigheterna bör övervakas.

Genom att samla data över 2018 och sedan analysera denna kan ett väl underbyggt beslut fattas om förändringen medför besparingar som överväger de nackdelar finns.

Systemet ger möjligheter att utöka storleken på solcellsanläggningarna på taken ytterligare och ansluta fler byggnader i likströmsnätet. Vid nybyggnation av solcellsanläggningar på närliggande hus bör möjligheten och nyttan med att ansluta dessa mot likströmsnätet utredas.

Vid minskade kostnader för energilager kan även ett sådant anslutas till likströmsnätet vilket bör utredas i framtiden.

De analysverktyg och den högupplösta data som systemet bidrar till bör användas för att skapa en god förståelse för systemet och identifiera möjligheter att förbättra egenförbrukningen av solel och ytterligare minska effekttoppar.

Förord

Detta examensarbete är det sista avslutande momentet efter fem års studier på Civilingenjörspro- grammet på Uppsala Universitet och Sveriges lantbruksuniversitet. Arbetet har utförts av Alexan- der Flyckt under hösten 2017 fram till våren 2018 på Vasakronan i Uppsala.

Jag vill tacka alla som har bidragit och hjälpt till att jag har klarat av att slutföra arbetet. Min handledare Ulf Näslund på Vasakronan och jag har haft många djuplodade, nördiga och givande diskussioner som fått mig att komma vidare med arbetet. Du är verkligen rätt person på rätt plats!

Min ämnesgranskare Cecilia Boström har under hela arbetets gång bidragit med tid, sitt stöd och givande kommentarer. Båda ni har verkligen funnits tillgängliga och stöttat mig när jag behövt.

Tack till klasskompis Daniel Furén för ditt bidrag som opponent. Jag vill även tacka Mats Karl- ström, Anton Östlund och Sebastian Merchant på Ferroamp för alla diskussioner och uppgifter ni har försett mig med. Tack till Jimmy Johansson på Vasakronan och Jan Burell på Bravida för att ni tog er tid och springa runt med mig i elanläggningarna. Tack till min far Bengt Flyckt och klasskompis Artur Lauritzen för korrekturläsningen ni gjort och pekat ut stavfel och tokigheter.

Slutligen vill jag ge alla människor på Vasakronan kontoret i Uppsala ett stort tack för att ni har gjort att jag känt mig extremt välkommen och som en del av er. Jag kommer sakna er alla och våra lunch- och fikarumsdiskussioner samt lunchpingis, afterwork, lunchträning, backintervaller och allt roligt jag fått vara med på. Ni är ett härligt gäng!

Uppsala, mars 2018 Alexander Flyckt

Innehåll

Populärvetenskaplig sammanfattning . . . . i

Exekutiv sammanfattning. . . . ii

Förord . . . . iii

1 Introduktion . . . . 1

1.1 Syfte . . . . 1

1.2 Avgränsningar . . . . 2

1.3 Disposition . . . . 2

2 Bakgrund och teori. . . .3

2.1 Elsystem . . . .3

2.1.1 Flytt av solel och nätkoncession . . . . 3

2.1.2 Växelström i byggnader . . . . 4

2.1.3 Likström i byggnader . . . .5

2.2 Solcellsanläggningar . . . . 6

2.3 Elektriska förbrukare . . . .8

2.3.1 Belysning. . . . 8

2.3.2 Fläktar. . . . 9

2.3.3 Kylmaskiner . . . . 9

2.3.4 Frekvensomriktare för motordrift . . . . 10

2.4 Ekonomi . . . . 11

2.4.1 Elkostnader . . . .11

2.4.2 Solcellsintäkter . . . .11

2.4.3 Nätavgifter. . . .11

2.4.4 Kostnader för Vasakronans likströmsnät . . . . 13

2.4.5 Kostnader för solcellsanläggning på hus 303. . . .13

2.4.6 Besparingsmöjligheter . . . .14

2.4.7 Investeringskalkyler . . . . 14

2.5 Studerat system. . . . 15

2.5.1 Anslutna byggnader i likströmsnätet . . . . 16

2.5.2 Beskrivning av det installerade likströmsnätet . . . . 17

2.5.3 Beskrivning av Ferroamps system . . . . 18

2.6 Liknande projekt. . . . 21

2.6.1 Eksta bostads likströmsnät . . . . 21

2.6.2 Energimyndighetens kontor i Eskilstuna. . . . 22

2.6.3 Glava Energy center. . . . 22

2.6.4 Gnesta kommun, datahall . . . . 22

2.6.5 Microgrid for office. Obihiro City, Hokkaido, Japan . . . . 23

2.6.6 DCC+G project, office building. Fraunhofer Institute, Erlangen, Germany 23 2.6.7 Living Laboratory. Aalborg University, Aalborg, Danmark . . . . 24

3 Modell . . . .26

3.1 Teoretiskt grundfall . . . . 26

3.2 Teoretisk modell av likströmsnätet . . . .26

3.3 Förenklingar och antaganden. . . . 27

3.4 Modelldiskussion. . . . 27

4 Metod . . . .29

4.1 Effektanalys av grundfall . . . . 29

4.1.1 Effektanalys per månad . . . . 29

4.1.2 Effektanalys per dygn . . . .29

4.1.3 Effekttoppsanalys. . . . 29

4.2 Ökad egenförbrukning av solel . . . .29

4.3 Minskning av effekttoppar . . . . 30

4.4 Byte av abonnemang . . . . 30

4.4.1 Möjligheter för minskad säkringsstorlek utifrån effekt . . . . 30

4.4.2 Möjligheter för minskad säkringsstorlek utifrån elanläggning . . . . 30

4.4.3 Besparing vid minskad säkringsstorlek . . . . 30

4.5 Ekonomisk analys. . . . 30

4.5.1 LCC-kalkyl . . . .31

4.5.2 Känslighetsanalys . . . . 31

4.6 Datainsamling och behandling . . . . 32

4.6.1 Datainsamling . . . . 32

4.6.2 Bearbetning av data . . . . 33

5 Resultat . . . . 34

5.1 Effektanalys av grundfall . . . . 34

5.1.1 Effektanalys per månad . . . . 34

5.1.2 Effektanalys per dygn . . . .38

5.1.3 Effekttoppsanalys. . . . 38

5.2 Ökad egenförbrukning av solel . . . .41

5.3 Minskning av effekttoppar . . . . 41

5.4 Byte av abonnemang . . . . 43

5.4.1 Möjligheter för minskad säkringsstorlek utifrån effekt . . . . 43

5.4.2 Möjligheter för minskad säkringsstorlek utifrån elanläggning . . . . 44

5.4.3 Besparingar vid minskad säkringsstorlek. . . . 44

5.5 Ekonomisk analys. . . . 45

5.5.1 LCC-kalkyl . . . .45

5.5.2 Känslighetsanalys . . . . 45

6 Diskussion . . . . 46

6.1 Effektanalys av grundfall . . . . 46

6.1.1 Effektanalys per månad . . . . 46

6.1.2 Effektanalys per dygn . . . .46

6.1.3 Effekttoppsanalys. . . . 46

6.2 Ökad egenförbrukning av solel . . . .47

6.3 Minskning av effekttoppar . . . . 47

6.4 Byte av abonnemang . . . . 47

6.5 Ekonomisk analys. . . . 48

6.6 Framtidsmöjligheter . . . . 48

6.6.1 Anslutning av befintliga solcellsanläggningar till likströmsnätet . . . . 48

6.6.2 Energilager . . . . 49

6.6.3 Anslutning av ytterligare fastigheter . . . . 49

6.6.4 Elbilsladdning . . . . 49

6.6.5 Analyser. . . . 50

6.6.6 Likströmsdrift. . . .50

6.6.7 Rationalisering av kylsystem . . . . 51

7 Slutsatser . . . . 52

8 Rekommendationer. . . . 53

Bilaga A: LCC-kalkyl. . . . 58

Tabeller

Tabell 2.1:Avgifter för säkringsabonnemang område söder för företag år 2017. Höglasttid är mellan vardagar kl 06-22 under månaderna januari, februari, mars, november och december.

Källa: [38]. . . .12 Tabell 2.2:Avgifter för effektabonnemang (säkring över 63 A) område söder för företag år 2017. Höglasttid är mellan vardagar kl 06-22 under månaderna januari, februari, mars, november och december. Högbelastningsavgift betalas enbart under samma månader som höglasttid. Källa: [39] . . . . 12 Tabell 2.3:Sammanställda investeringskostnader för Vasakronans likströmsnät, avrundat till närmaste kSEK.. . . . 13 Tabell 2.4:Sammanställda investeringskostnader för solcellsanläggningen på hus 303. . . . . 13 Tabell 2.5:Grundläggande information om byggnaderna anslutna till Vasakronans

likströmsnät. . . . . 16 Tabell 2.6:Information om vilken förbrukning och produktion som var ansluten till de olika abonnemangen oktober 2017.. . . . 17 Tabell 4.1:LCC kalkylens ingående parametervärden.. . . .31 Tabell 4.2:Information om vilken förbrukning och produktion som var anslutet till de olika abonnemangen år 2016. . . . . 32 Tabell 5.1:Resultat för beräkning av egenförbrukning för 2016.. . . .41 Tabell 5.2:Grundfallet jämfört med modellens effekttoppar. I kolumnerna för modellen där värdena har en grön bakgrund har en minskning skett, röd bakgrund en ökning och vit

bakgrund ingen förändring. Samtliga värden i tabellen har enheten kilowatt [kW]. . . . 42 Tabell 5.3:Resultaten utifrån den LCC-kalkyl som utförts. I kolumnerna ses grundläget och modellens värden. Kostnader och nuvärde är avrundat till närmaste kSEK. . . . . 45 Tabell 5.4:Resultaten av känslighetsanalysen. I kolumnerna ses orginalvärdet och den

brytpunkt när investeringen skulle varit på gränsen mellan lönsam och icke-lönsam.

Kostnader är avrundat till närmaste kSEK. . . . . 45

Figurer

Figur 2.1: Exempel på elanläggning. Källa: [15]. . . .4

Figur 2.2: Ett exempel på elinstallation med solceller för en byggnad med växelström. Källa: [16] . . . . 5

Figur 2.3: Schematisk bild över ett enkelbussystem med direktanslutet batteri. Källa: [19]. . . .6

Figur 2.4: Schematisk bild över ett bipolärt singelbussystem med spänningen ± 380 V likström (Direct current, DC). Källa:[16] . . . . 6

Figur 2.5: IV-Kurva för en solcell. Källa: [21] . . . . 7

Figur 2.6: De vanligaste systemtopologierna för solcellsanläggningar. Modulen (PV) i figuren utgörs av en eller flera strängar av parallell/seriekopplade moduler. Topologi a) Ett enkelstegsteg för kraftomvandling (DC/AC i figuren) där MPPT, spänningsreglering och nätströmskontroll sker. (Nät är “Grid” i figuren). b) Tvåstegskraftomvandling där en DC/DC-omvandlare ansvarar för MPPT och AC/DC växelriktaren kontrollerar nätströmskontrollen. c) Tvåstegs växelriktare där varje sträng en dedikerad DC/DC-omvandlare med MPPT som kopplas till en gemensam DC/AC-växelriktare. Källa: [22] (något omarbetad.) . . . . 7

Figur 2.7: Fördelningen av den totala elförbrukningen i kontorslokaler för olika typer av utrustning. Källa: [23]. . . .8

Figur 2.8: Förenklat kretsschema för en asynkronmotor med frekvensomriktare för styrning av motorns varvtal. Spännings- och frekvensangivelser anger typiska värden. Källa: [14].. . . .10

Figur 2.9: Flygfoto över området science park med anslutna hus markerade i rött och likströmsnätet markerat i gult.. . . .16

Figur 2.10:Schematisk översikt hur byggnader och elsystemet såg ut efter installationen av likströmsnätet oktober 2017.. . . . 17

Figur 2.11:En överblick av Ferroamps teknik och system. Källa: [46], omarbetad av författare. 18 Figur 2.12:Schematisk bild över hur energyhubens ACE-funktion fördelar strömmarna jämnt över faser vid ojämn belastning. Källa: [46] . . . . 19

Figur 2.13:Exempel på energi- och effektvy från Ferroamps portal över 2018-01-10. Källa: [52] . . . . 20

Figur 2.14:Översikt över området Fjärås och Eksta Bostads likströmsnät.. . . . 21

Figur 2.15:Systemöversikt för likströmsnätet inom DCC+G projektet i Obihiro City, Hokkaido, Japan. Källa: [58].. . . . 23

Figur 2.16:Systemöversikt för likströmsnätet inom DCC+G-projektet i Fraunhoferinstitutet, Erlangen, Tyskland. Källa: [60]. . . . . 24

Figur 2.17:Schematisk bild över det Living Laboratory som installerats i Aalborg, Danmark. Källa: [61]. . . . .25

Figur 3.1: Schematisk bild över det grundfall som använts vid utvärdering av systemet.. . . .26

Figur 3.2: Schematisk bild över modellerat system. . . . . 27

Figur 3.3: Jämförelse av omvandlingssteg för a) det verkliga systemet och b) modellen. . . . . 28

Figur 4.1: Schematisk översikt hur byggnader och elsystemet såg ut 2016 . . . . 32

Figur 4.2: Import från elnätet för hus 303. Orange data är från 2017 och blå data från 2016.^{. . .}33

Figur 5.1: Årlig import från elnät och medeleffekt och maxeffekt per månad.. . . . 34

Figur 5.2: Årlig import från elnät och medeleffekt och maxeffekt per månad för hus 305, abonnemang för kyla.. . . .35

Figur 5.3: Import från nätet i den övre och faktisk förbrukning för hus 305 fastighetsel i det nedre diagrammet.. . . .36

Figur 5.4: Årlig import från elnät och medeleffekt och maxeffekt per månad.. . . . 37

Figur 5.5: Jämförelse mellan hus 305 kyla och hus 306. . . . . 38

Figur 5.6: Antalet effekttoppar för import av el till vänster och förbrukning till höger, indelat i dygnets timmar uppdelat mellan månaderna maj-september och övriga månader. . . . . 39

Figur 5.7: Antalet effekttoppar för import av el till vänster och förbrukning till höger, indelat i dygnets timmar uppdelat mellan månaderna maj-september och övriga månader. Kyla överst i rött och fastighetsel under i grönt. . . . . 40

Figur 5.8: Antalet effekttoppar för import av el till vänster och förbrukning till höger, indelat i dygnets timmar uppdelat mellan månaderna maj-september och övriga månader. . . . . 40

Figur 5.9: Import från elnät, export från elnät samt producerad solel under år 2016 . . . . 43

Figur 5.10:Elcentral i hus 304.. . . .44

Figur 5.11:Elcentral i hus 303, den mindre invikta bilden visar en strömtransformator.. . . .44

Förkortningar

AC växelström

ACE Adaptive Current Equalization technology DC likström (Direct current)

DCC+G DC Components and Grids

EC-motor elektroniskt kommuterade motor (electronically commutated motor) EI Energimarknadsinspektionen

EMS kontrollsystem för energi (energy managment system) ESM Energy storage manager

ESO Energy storage optimizer

FTX-system från- och tilluftssystem med återvinning HF-don högfrekvensdon

HVDC högspänd likström (High voltage direct current) I ström (Current intensity)

IKN icke koncessionspliktigt nät kSEK tusen kr

kW kilowatt kWh kilowattimme

LCC livscykelkostnaden (life cycle costs) MPPT maximum power point tracker MWh megawattimme

N-ledare neutralledare P effekt (Power)

PE-ledare skyddsjordsledare (Protective earthing) PWM pulsviddsmodulering (Pulse width modulation) SSO SolSträngOptimerare

µ -CHP mikrokraftvärmeverk (micro combined heat and power unit) UPS avbrottsfri strömförsörjning (Uninterruptible Power Supply) V spänning (Voltage)

1. Introduktion

Det finns få som har missat den explosionsartade utbyggnaden av solenergi som pågått i världen de senaste åren. Främst Kinas storsatsning har drivit ner priserna på solcellsmoduler[1] till en nivå där solceller kostnadsmässigt konkurrerar ut fossila bränslen som till exempel naturgas i vissa fall [2]. Solceller står idag för enbart ca 0,1 procent av den totala mängden el som används i Sverige men utbyggnadstakten ökar stadigt. Installerade effekten solceller har ökat nästan 70 procent årligen de senaste fem åren[3].

I takt med den växande andelen aktörer som investerar i solceller, ökar även efterfrågan av ett regelverk som är anpassat för ett energisystem med allt fler distribuerade energikällor. Idag får fö- retag och privatpersoner som investerar i solceller bäst ersättning genom att i största utsträckning använda den producerade solelen själva och därmed minska kostnaden för inköpt el [4]. Därför anpassas ofta solcellsanläggningarnas storlek efter elförbrukningen i byggnaden istället för att belägga hela den tillgängliga takytan. En möjlighet att öka andelen solel som används lokalt är att flytta solel till närliggande fastigheter direkt genom befintliga elnätet eller att sammankoppla dessa i ett eget lokalt elnät. Det finns dock lagar och skatteregler som förhindrar denna form av utförande till exempel det gällande regelverket för nätkoncession som begränsar uppförandet av elnät [5].

Växelström dominerar det rikstäckande elnätet såväl som elnäten i fastigheterna tack vare att växelströmstransformatorer möjliggjorde långa transporter med lägre förluster under den tidiga utvecklingen av elnäten. Inom fastigheter har alltmer elektrisk utrustning övergått till att använda likström, exempelvis datorer, mobiltelefoner, LED-belysning och annan elektronik. Inom tele- och kommunikation har likström länge varit standard medan alltfler nybyggda datacenter använder sig av likströmsteknik på grund av minskade förluster, minskad värmeutveckling samt kompatibili- teten med avbrottsfri strömförsörjning (Uninterruptible Power Supply, UPS). På senare tiden har även intresset ökat för fler lösningar med likström inom kontor och kommersiella fastigheter [6].

Sveriges största fastighetsföretag Vasakronan har ett långsiktigt miljömål att minska sin energi- användning till 50 procent under branchsnittet samt att halvera effektbehovet. För att uppnå dessa mål väljer man att satsa på nya energilösningar i form av exempelvis solceller, energilager och liknande. År 2007 investerade Vasakronan i sin första solanläggning och har idag totalt 49 st sol- cellsanläggningar i drift. På området Science Park i Uppsala har Vasakronan anslutit fyra stycken kontorsfastigheter med solceller på taken i ett lokalt likströmsnät. Syftet är att öka egenförbruk- ningen av solel samt minska effekttoppar i systemet och dessutom vara i framkant och våga satsa på ny teknik. Likströmsnätet baseras på teknik från det svenska företaget Ferroamp som har fått flertalet priser för sina innovativa produkter [46]. Projektet är ett av de första i sitt slag i Sverige och unikt i sin utformning, vilket innebär att det inte finns historisk kunskap som Vasakronan kan luta sig på vid bedömning av systemets tekniska nytta samt om investeringen är lönsam. Genom att modellera likströmsnätet ämnar detta arbetet att bedöma investeringen tekniskt och ekonomiskt.

1.1 Syfte

Syftet med detta arbete är att besvara om det är möjligt med ett lokalt likströmsnät att öka egenför- brukningen av solel och minska effekttoppar, samt ge en uppskattning i vilken grad detta kommer ske. Vidare ämnar arbetet att utvärdera Vasakronans installation av ett lokalt likströmsnät eko- nomiskt för att besvara om det är en lönsam investering för Vasakronan. Dessutom har detta nät utvärderats tekniskt för att identifiera vilka möjligheter som nätet möjliggör nu och i framtiden.

1.2 Avgränsningar

Beräkningar och modelleringar i studien är begränsad till det likströmsnät som Vasakronan instal- lerat på området Uppsala science park och de fyra byggnader som anslutits.

Data som använts utgörs av förbruknings- och produktionsdata över år 2016 med undantaget som beskrivs i kapitel 4.6.2.

1.3 Disposition

Nedan beskrivs indelningen av rapportens överrubriker och dess innehåll.

Kapitel 1, Introduktion Ämnet introduceras, syftet med studien presenteras, avgränsningar klar- görs samt dispositionen av rapporten redogörs.

Kapitel 2, Bakgrund och teori Grundläggande teori och fakta läggs fram för elnät följt av sol- cellsanläggningar och elektriska förbrukare inom kontorsbyggnader. Därefter beskrivs det utvalda systemet i detalj. Kapitlet avslutas med en sammanfattning av olika projekt som identifierats ha likheter med eller visar framtidsmöjligheter för Vasakronans projekt.

Kapitel 3, Modell Beskriver hur vasakronans likströmsnät har modellerats. Kapitlet avslutas med en diskussion om modellens utformning, brister och antaganden.

Kapitel 4, Metod Klargör hur beräkningar har utförts på den upprättade modellen.

Kapitel 5, Resultat Presenterar resultaten från de utförda beräkningarna. Kapitlet avslutas med en beskrivning om datainsamling samt hur denna data bearbetats.

Kapitel 6, Diskussion Resultaten, dess rimlighet, brister och vilka slutsatser som kan dras disku- teras. Därefter lyfts framtidsmöjligheter för likströmsnätet.

Kapitel 7, Slutsatser Slutsatserna från det föregående kapitlet i sammanfattas i punktform.

Kapitel 8, Rekommendationer Rekommendationer för vidareutveckling av likströmsnätet och framtida studier presenteras.

2. Bakgrund och teori

I detta kapitel presenteras grundläggande teori och fakta läggs fram för elnät i Sverige samt i byggnader Därefter beskrivs solcellsanläggningar och elektriska förbrukare inom kontorsbyggna- der samt det studerade systemet återges i detalj. Kapitlet avslutas med en sammanfattning av olika projekt som identifierats ha likheter med eller visar framtidsmöjligheter för Vasakronans projekt.

2.1 Elsystem

Elnätet i Sverige är indelat i stamnät, regionnät och lokalnät där spänningsnivåerna i dessa är mellan 220-440 kV för stamnätet, 40-130 kV för regionnätet och lägre än 40 kV i lokalnätet [7]. Stamnätet ägs och förvaltas av den statliga myndigheten Svenska Kraftnät medan region- och lokalnäten förvaltas och byggs ut via så kallad nätkoncession. Det innebär att staten har gett uppdraget till en eller flera aktörer att driva, underhålla och förvalta regionnätet.

Majoriteten av Sveriges 15 000 km långa stamnät utgörs av transmissionsledningar för växelström där enbart ett antal anslutningar mot andra länder är baserad på högspänd likström (High voltage direct current, HVDC). Denna teknik används med fördel när två elnät av olika frekvens ska anslutas mot varandra, vilket utesluter behov av synkronisering. Andra fördelar för HVDC är att kablarna generellt har högre kapacitet, lägre förluster och högre elkvalitét än växelströmssidans motsvarighet [8].

I kapitel 2.1.1 lyfts den ökande efterfrågan att flytta solel och hinder för detta, samt nätkoncession förklaras utförligare. Därefter ges en beskrivning över de vanligaste uppbyggnaderna av växel- strömsnät i våra fastigheter i kapitel 2.1.2. Efter det presenteras de vanligaste användningarna av likströmsnät inom fastigheter samt grundläggande systemtopologier i kapitel 2.1.3.

2.1.1 Flytt av solel och nätkoncession

I takt med det ökande intresset för solceller i Sverige efterfrågar allt fler aktörer om möjligheten att flytta producerad solel mellan olika fastigheter [9]. Idag utgör nätkoncessionslagen vissa hin- der för att koppla samman fastigheter i ett eget lokalt elnät eftersom de undantag som finns inte är anpassat mot den växande andelen småskalig produktion av solel [5]. Det finns även andra skatte- mässiga hinder till exempel om en fastighetsägare istället skulle använda det befintliga elnätet för att flytta solel producerad på taket av en fastighet till en annan närliggande fastighet. Då utlöser det full energiskatt även om ingen försäljning sker.

Som beskrevs i kapitel 2.1 förvaltas region- och lokalnät utifrån koncession. För att få bygga el- ledningar utan tillstånd och kunna upprätta ett lokalt elnät, i likhet med det som Vasakronan gjort, krävs det undantag från kravet på nätkoncession. Energimarknadsinspektionen (EI) är myndighe- ten som hanterar ärenden för undantag och ett sådant nät kallas icke koncessionspliktigt nät (IKN) [10].

Vasakronans likströmsnät kan luta sig mot två undantag för nätkoncession i “Förordning (2007:215) om undantag från kravet på nätkoncession enligt ellagen (1997:857)”. Ett av undantagen återfinns i § 9 som undantar områden som sjukhus, skolor, forskningsinstitut eller liknande, eftersom det

bedrivs forskningsverksamhet i byggnaderna anslutna till likströmsnätet¹. Det andra undantaget är § 22a som säger följande: “Ett internt nät som förbinder två eller flera elektriska anläggningar för produktion, vilka utgör en funktionell enhet, får byggas och användas utan nätkoncession.”.

Främst har paragrafen hanterat vindkraftparker där produktionsanläggningar har haft långa av- stånd mellan varandra men paragrafen går möjligen att tolkas gälla även för två solcellsanlägg- ningar som kan sammankopplas.

Eftersom det finns få liknande nät utbyggda i Sverige är det otydligt vad som är undantaget från koncession. I rapporten “Koncessionsplikten – i kollision med utbyggd mikroproduktion?” [5]

konstaterar Energimyndigheten att regelverket för koncession inte är anpassat för det energisystem som växer fram idag med en ökande mängd prosumenter (en konsument av el som även producerar el, producent, konsument, prosument) och en översyn av regelverket rekommenderas.

2.1.2 Växelström i byggnader

Växelström är den vanligaste formen av el som används i våra hushåll och byggnader. Växelström innebär att polariteten växlar från plus till minus flera gånger per sekund. I Sverige sker dessa väx- lingar 50 gånger per sekund, dvs. med frekvensen 50 Hz. Har man en helt resistiv och balanserad trefaslast definieras den aktiva effekten enligt följande formel [12, s.70]:

P=√

3 ·Uh· I (2.1)

där

U_h= Huvudspänning I= Ström

Elen som ansluts till fastigheter består i normala fall av trefasig 400 V växelström (AC) [13]

och ansluts från kabelskåp till kundens elcentral genom en servisledning. Anslutningen görs i el- mätaren som mäter elen och har huvudsäkringar. Efter mätaren är huvudcentralen ansluten där säkringar återfinns. I figur 2.1 återges ett exempel på en elcentral med traditionella gängsäkringar, idag har de flesta normcentraler automatsäkringar/dvärgbrytare. I anläggningar med högre märk- strömmar än 35 A används ofta knivsäkringar [14].

Figur 2.1.Exempel på elanläggning. Källa: [15]

Huvudsäkringen är det som bestämmer hur mycket effekt som anläggningen kan belastas med.

Exempelvis ger 63 A huvudsäkring ett effektuttag på 43,6 kW enligt ekvation 2.1.

1Uppgifter från Ulf Näslund, Chef Teknik & Service Uppsala, Vasakronan AB, 2018-01-19

Elinstallationen efter gruppcentralen utförs i nyare anläggningar oftast i ett 5-ledarsystem. Det innebär att förutom de tre faserna dras en neutralledare (N-ledare) och en skyddsjordsledare (Pro- tective earthing, PE-ledare) in. I äldre installationer var det vanligt att N-ledaren och PE-ledaren utfördes i samma ledare (PEN-ledare) [14]. Belastningarna som ansluts i gruppcentralen anslut- na via säkringar och uppdelad på de olika faserna. Belastningarna måste fördelas över de olika faserna jämnt för att systemet ska bli symmetriskt belastat.

Figur 2.2 ger ett exempel på en normal installation för byggnader med växelström och solceller anslutna.

Figur 2.2.Ett exempel på elinstallation med solceller för en byggnad med växelström. Källa: [16]

I exemplet är kylsystemet och luftkonditioneringen anslutna med likriktarsystem vilket är nor- malt i många moderna installationer där man använder frekvensomriktare för motordrift. Dessa omvandlar växelström till likström och sedan konverteras likströmmen, ofta genom pulsviddsmo- dulering (Pulse width modulation, PWM) till växelström med önskad frekvens vilket leder till att motorer kan styras på önskat varvtal. Belysningen i nya installationer består till stor del av LED-belysning som drivs med likström, till skillnad från äldre lysrör som drivs med växelström.

Elektriska förbrukare beskrivs mer detaljerat i kapitel 2.3.

2.1.3 Likström i byggnader

Inom telekommunikation har 48 V DC använts sedan 1920-talet och är idag en form av världs- standard [17]. I kommersiella byggnader är det främst datacenter som har haft en ökad övergång till likströmssystem. 2011 fanns ca 19 datacenter med 300-400 V DC i världen, varav flertalet in- stallerats i Sverige, exempelvis i Gnesta kommun, Ericsson i Stockholm, Söderhamn teknikpark och Energimyndighetens kontor i Eskilstuna m.fl. [18]. En anledning till att datacenter övergått mer till likström är behovet av UPS-system som består av batterier som i sig genererar likström.

Även det ökade intresset av solceller samt energilager har bidragit till utvecklingen [19]. Dessutom genererar likströmsdrift mindre värme från servrar och bidrar till minskat kylbehov för datacenter.

Det finns flertalet olika typer av topologier för likströmsnät som generellt kan indelas i tre olika ka- tegorier, enkelbus-, multibus- och omkonfigurerbara system. Enkelbussystem är den mest vanliga och utgör även basen i ett multibussystem. Vanligtvis ansluts ett batteri direkt till likströmsbusen vilket också är det vanligaste systemet inom telekomindustrin med systemspänningen 48 V DC.

En schematisk bild över ett sådant system ses i figur 2.3.

Det finns variationer av detta system där batteriet har dedikerade växelriktare för att kunna sty- ra batteriets i- och urladdning och därmed optimera batteriernas livslängd och öka flexibiliteten i systemet. Det går även att göra systemet mer flexibelt genom att använda sig av ett bipolärt singelbussystem där en plus, en minus och en mittenledare används. Ferroamps system utgörs av

Figur 2.3.Schematisk bild över ett enkelbussystem med direktanslutet batteri. Källa: [19]

det sistnämnda och ett exempel av ett liknande system återges i figur 2.4. Systemet i exemplet möjliggör att elektrisk utrustning kan anslutas mot spänningen 760 V DC eller 380 V DC.

Figur 2.4.Schematisk bild över ett bipolärt singelbussystem med spänningen ± 380 V DC. Källa:[16]

Jämför man växelströmsinstallationen i figur 2.2 med likströmsinstallationen i figur 2.4 ser man att flertalet omvandlingssteg kan uteslutas vid likström om den elektriska utrustningen kan drivas med likström.

2.2 Solcellsanläggningar

Solceller är konstruerade med hjälp av halvledarmaterial varav mono- och polykristallint kisel utgör de vanligaste materialen [4]. När solen träffar framsidan av en solcell skapas en elektrisk spänning mellan framsidan och baksidan av solcellen. Ansluter man solcellen mot en elektrisk last kan denna drivas av den genererade elektriciteten[20].

Den effekt man kan få ut från en solcell beror på vilken ström (Current intensity, I) och spänning (Voltage, V) den har. I figur 2.5 nedan visas ett exempel IV-kurva för en solcell. Den röda linjen visar hur spänningen och strömmen förhåller sig till varandra. Genom att multiplicera dessa med varandra ges den effekt (Power, P) som levereras av panelen. Vid den punkt som utgörs av de svar- ta linjerna uppstår den maximala effekten (Pmax), vilket sker vid spänningen Vmp och strömmen Imp [21]. För att optimera maximal effekt från en solcell används elektronik med funktioner som reglerar systemet för att uppnå maximal effekt. Denna typ av regulator kallas maximum power point tracker (MPPT).

Figur 2.5.IV-Kurva för en solcell. Källa: [21]

För att uppnå den önskade effekten i en solanläggning seriekopplas flera moduler vilket kallas sträng. För att ytterligare öka effekten i systemet kan strängar parallellkopplas [21]. Hela systemet för en solanläggning kan se ut på flera olika sätt, varav det finns tre grundläggande topologier gällande den elektriska designen med växelriktare och omvandlare som beskrivs i figur 2.6 nedan [22].

Figur 2.6.De vanligaste systemtopologierna för solcellsanläggningar. Modulen (PV) i figuren utgörs av en eller flera strängar av parallell/seriekopplade moduler. Topologi a) Ett enkelstegsteg för kraftomvandling (DC/AC i figuren) där MPPT, spänningsreglering och nätströmskontroll sker. (Nät är “Grid” i figuren). b) Tvåstegskraftomvandling där en DC/DC-omvandlare ansvarar för MPPT och AC/DC växelriktaren kontrol- lerar nätströmskontrollen. c) Tvåstegs växelriktare där varje sträng en dedikerad DC/DC-omvandlare med MPPT som kopplas till en gemensam DC/AC-växelriktare. Källa: [22] (något omarbetad.)

Topologi a) utgörs av en eller flera strängar moduler (PV i figuren) och ett steg av kraftomvand- ling i en växelriktare (DC/AC i figuren) för att sedan anslutas till nätet (Grid i figuren). MPPT regulatorn är placerad i växelriktaren. I b) finns ytterligare ett steg med en DC/DC-omvandlare där MPPT regulatorn återfinns och utspänningen från den regleras till ett speciellt område. I c) har varje sträng en dedikerad DC/DC-omvandlare med en MPPT som kopplas till en gemensam växelriktare.

De vanligaste anläggningarna hos Vasakronan utgörs av topologi a) i figur 2.6 medan likströms- nätet och Ferroamps system utgörs av topologi c). Ferroamps teknik beskrivs utförligare i kapitel 2.5.3. Storlekarna på solanläggningarna i det studerade systemet har från 51 till 70,6 kW i instal- lerad märkeffekt vilket återges i kapitel 2.5 i tabell 2.5.

Egenförbrukning definieras som den del av producerad solel som konsumeras av den byggnad som solcellsanläggningen är ansluten till [4]. Det överskott som produceras kan exporteras till el- nätet men genererar vanligtvis mindre intäkter än om elen kan förbrukas i byggnaden. Genom att öka egenförbrukningen kan man minska andelen inköpt el och därmed sänka kostnaderna. I media och annan litteratur benämns egenförbrukning även vid namn som egenkonsumtion, egenanvänd- ning m.fl. men i denna rapport har begreppet egenförbrukning använts [4]. Egenförbrukning kan beräknas med följande ekvation:

Egenförbrukning =Producerad solel - Exporterad el till nät

Producerad solel (2.2)

Producerad solel avser den mängd el som solanläggningen producerat och exporterad el avser den mängd som matats ut till elnätet. Det sker när solelen som produceras överstiger det faktiska elbehovet som finns för byggnaden. Egenförbrukning anges i procent.

Att använda energilager är en möjlighet att öka sin egenförbrukning genom att överskott från solen lagras i ett batteri istället för att exporteras till nätet. Den lagrade elen kan sedan användas senare under den tid då ingen solel produceras. Vasakronan har tidigare utvärderat de tekniska och ekonomiska möjligheterna vilket visade att med dagens priser på energilager är en investering svår att motivera [65].

2.3 Elektriska förbrukare

Mellan 2005 till 2010 utförde energimyndigheten projektet “Statistik i lokaler” (STIL2) för att inventera energianvändningen i olika lokaler med speciellt fokus över elanvändningen [23]. Figur 2.7 visar indelningen av elförbrukningen inom kontorsfastigheter för olika kategorier av utrust- ning, exklusive uppvärmningen.

Figur 2.7.Fördelningen av den totala elförbrukningen i kontorslokaler för olika typer av utrustning. Källa:

[23]

De största elförbrukarna i kontorsanläggningar som identifierades var belysning, fläktar, dator- utrustning och kylmaskiner. I följande kapitel beskrivs de olika kategorierna i mer detalj, mark- nadstillgänglighet för produkter, vilka möjligheterna för likströmsdrift som finns samt vad som återfinns i de byggnader anslutna till Vasakronans likströmsnät.

2.3.1 Belysning

Inom STIL2 kom Energimyndigheten fram till att närmare 50 procent av kontorens installerade belysningseffekt bestod av lysrör med äldre konventionella drivdon som förbrukar el även när de är avstängda. Nyare högfrekvensdon (HF-don) återfanns enbart i 27 procent av belysningen.

Sedan STIL2 har en stor utveckling skett, bland annat på grund av ekodesigndirektivet som in- fördes år 2005 och reviderades 2009 [24], vilket har lett till utfasning av glödtrådslampor inom EU och att äldre energiineffektiv belysning byts ut. Energieffektiv LED-belysning har utvecklats både kvalitets- och prismässigt [25] och utgör en viktig roll för ökad energieffektivitet och möjlig-

heten att uppnå EU’s klimatmål 2020. Idag installeras uteslutande LED-belysning i Vasakronans nybyggen och det pågår fortlöpande projekt att byta ut belysningen i det äldre beståndet². LED-lampor består av lysdioder som utgörs av halvledare drivna av likström för att avge ljus.

Idag används oftast diodlikriktare för att omvandla växelströmmen i byggnaden till likström [26], ofta i form av en diodbrygga, då det är en enkel och billig lösning. Likriktaren sitter tillsammans med viss annan elektronisk utrustning i det som kallas drivdon vilket kan befinna sig antingen direktmonterad tillsammans med LED-lampan eller i ett separat steg före armaturen [27].

Med den ökade installationen av LED-belysning och även tillämpningen av likström i datahallar och liknande finns det produkter på marknaden för likströmsdrivdon, exempelvis från företaget Mean Well [28]. Även Philips har tagit fram prototyper och produkter som utformats för 380 V DC i och med “DC Components and Grids (DCC+G)” projektet som beskrivs i kapitel 2.6.6.

2.3.2 Fläktar

Fläktar används inom ventilationssystemet i kontorsfastigheter vilket idag oftast utgörs av från- och tilluftssystem med återvinning (FTX-system). Detta system innebär att man reglerar systemet med fläktar och använder ett värmeåtervinningsaggregat för att ta hand om en del av energin som finns i den uppvärmda frånluften [29].

Det finns flera olika metoder för reglering av fläktar, varav de vanligaste är strypreglering, spjäll- reglering och varvtalsreglering. För remdrivna fläktar kan även utväxlingen mellan motor och fläkt användas för reglering. Strypreglering innebär att motståndet i luftkanalen ändras vilket är en billig lösning sett till installationskostnad men är i grunden energiineffektiv. Energieffektivaste metoden att reglera är med hjälp av varvtalsstyrning av motorerna [30]. Detta sker med hjälp av frekvensomvandlare som beskrivs i detalj i kapitel 2.3.4 nedan.

En typ av motor som kan installeras för att öka energieffektiviteten är en elektroniskt kommutera- de motor (electronically commutated motor, EC-motor). Dessa motorer har permanentmagneter som med hjälp av elektronikstyrd likström kan regleras i önskad hastighet. Dessa är effektiva- re än vanliga varvtalsstyrda växelströmsdrivna motorer eftersom när magnetfältet skapas från växelström med hjälp av spolar uppstår förluster i form av värme [31]. EC-motorer har själva frekvensomvandlaren inbyggd vilket inte är fallet för vanliga AC-motorer.

Fläktsystemet inom byggnaderna anslutna till likströmsnätet drivs både av varvtalsstyrda motorer samt EC-motorer. EC-motorerna installerade inom nätet är inte utformade att drivas direkt med likström men det finns exempelinstallationer där detta utförts³.

2.3.3 Kylmaskiner

Det finns ett flertal olika lösningar för kylning av byggnader. Frikyla innebär att man använder kylan från en kostnadsfri källa exempelvis uteluften, berggrunden, jorden eller närliggande vat- tendrag. Även om kylmediet är kostnadsfritt tillkommer kostnader för drift av pumpar, fläktar och liknande. Nattkyla liknar frikyla och innebär att man sänker inomhustemperaturen under nattetid med den svalare uteluften. Detta fungerar under hela året, även under sommaren. Denna metod är effektivast i byggnader som besitter en stor förmåga att lagra värme i väggar, grund och bjälklag, dvs. hög värmetröghet. En faktor som påverkar värmetrögheten och därmed nattkyla negativt är ljudisolerande tak- och väggar. [32]

2Uppgifter 2018-01-12 från Åsa Westerlund, teknikenhetschef, Vasakronan.

3Uppgifter 2018-01-11 från Erik Brisenheim, teknisk chef, ebmpapst.

Fjärrkyla kan jämföras med fjärrvärme där ett centralt system kyler ner media och sedan distri- bueras i rörsystem och överförs till fastigheterna via värmeväxlare. I många fall är denna metod miljövänligare än lokal kompressordriven kyla och består av utrustning som är relativt enkel, billig och lättskött. [32]

Lokal kompressordriven kylmaskin är ofta dyrast och mest energikrävande av lösningarna. Prin- cipen för en kylmaskin är densamma som för ett vanligt kylskåp där temperaturen på kylmediet ändras med hjälpa av en kompressor och strypventil. Effektiviteten kan höjas genom att spillvär- men som genereras från kompressorn återvinns. [32]

Kylmaskinerna som sitter i husen anslutna till Vasakronans likströmsnät utgörs av kompressor- drivna kylmaskiner och är inte konstruerade för att drivas på likström och skulle kräva omfattande ombyggnation för detta ändamål⁴.

2.3.4 Frekvensomriktare för motordrift

Frekvensomriktare används för att varvtalsstyra motorer och därmed minska energianvändning- en och reglera olika processer [33]. Inom fastigheter används motorer för att driva bland annat pumpar, fläktar och hissar. Den vanligaste motorn inom industriellt bruk är asynkronmotorn och består som alla elmotorer av en stator och rotor [34]. Grundprincipen för en asynkronmotor är att man skapar ett roterande magnetfält i statorn som rotorn följer. Genom att styra hastigheten på magnetfältet kan man därmed styra motorns varvtal. Ett vanligt tillvägagångssätt för varvtalsre- glering beskrivs i figur 2.8 där inkommande växelspänning från elnätet omvandlas till likspänning genom en likriktare. Från likspänningen skapar en växelriktare växelspänning som kan variera i både frekvens och amplitud [14] och därmed kontrollera varvtalet.

Figur 2.8.Förenklat kretsschema för en asynkronmotor med frekvensomriktare för styrning av motorns varvtal. Spännings- och frekvensangivelser anger typiska värden. Källa: [14].

Utifrån denna krets är det teoretiskt möjligt att ansluta sig med likström direkt före eller efter likriktaren som ses i figuren, förutsatt att likströmmen förser växelriktaren med rätt spänningsnivå [35]. Att ansluta sig före likriktaren förenas dock med vissa förluster.

Det finns exempel där enfas frekvensomriktare testkörts med likström problemfritt vilket beskrivs utförligare i kapitel 2.6.3. Det finns även trefas frekvensomvandlare som har anslutningsmöjlighe- ter för likström från flertal tillverkare som exempelvis Schneider-Electric och Sigbi⁵. Anslutning av likström kan då behöva en DC/DC-omvandlare för att omvandla elen till rätt spänningsnivå.

4Uppgifter från Tomas Mellbom, Produktchef Vätskekylare och Luftbehandling, Daikin, 2018-01-22.

5Uppgifter från Schneider-Electric, Teknisk support, 2018-02-20 samt Mats Johannesson, Sigbi system AB, 2018-02- 19.

2.4 Ekonomi

I detta kapitel presenteras de kostnader förknippade till el för de byggnader som anslutits till Vasakronans likströmsnät. Därefter redogörs kostnader för installationen av likströmsnätet. Ef- tersom man i samband med likströmsnätet även byggde en av solcellsanläggningarna och dessa samverkar, har även dessa kostnader sammanfattas. Därefter beskrivs besparingsmöjligheterna förknippade med likströmsnätet. Sist beskrivs teorin bakom de investeringskalkyler.

2.4.1 Elkostnader

Elkostnader för kunder i Sverige består av tre delar, elhandel, elnät samt skatter och avgifter.

Kostnaden för elhandel sätts av elhandelsföretagen på en avreglerad marknad med full konkur- rens. Större delen av elhandelsföretagen köper el på den nordiska elbörsen, Nord Pool. Faktorer som påverkar priset för elhandel beror på faktorer som tillgång på vatten i de nordiska vatten- magasinen, väder och årstid, priser på fossila bränslen, efterfrågan samt EU:s handelssystem med utsläppsrätter. Elnätsavgifter beror på vilket elnätsföretag som äger elnätet där kunden bor. Elnäts- företagen har monopol på området där de äger näten och det är energimarknadsinspektionen som kontrollerar att kundens elnätskostnader är skäliga. Skatt som betalas på elen består av energiskatt och moms [36].

Vasakronans medelkostnader för fastigheter i Uppsala uppgick till 103 öre/kWh år 2017. Elhandel bestod av 36,3 öre/kWh, elnätsavgifter 35,7 öre/kWh samt energiskatten 31 öre/kWh⁶

2.4.2 Solcellsintäkter

Förutom den mängd solel som används direkt vid produktion kan även överskott i vissa fall säljas tillbaka till nätet. Vattenfall har exempelvis kravet att anläggningseffekten inte överstiger 43,5 kW samt att huvudsäkringen är mindre än 63 A för att få sälja överskott [37].

El som är producerad genom solceller är klassad som förnybar och ger därmed även möjligheten att tilldelas elcertifikat. För varje producerad MWh kan ett elcertifikat tilldelas. Dessa kan säljas på en öppen marknad där priset bestäms mellan köpare och säljare och kan därmed bidra till extra intäkter för solcellsproducerad el.

2.4.3 Nätavgifter

I Uppsala är Vattenfall Eldistribution AB nätägare och därmed är det deras abonnemang och priser som är tillgängliga för Vasakronan. Det finns två olika typer av abonnemang för elnät, säkringsabonnemang och effektabonnemang. Beroende på storleken på huvudsäkringen skiljer sig priserna för ett säkringsabonnemang, en utförlig lista presenteras i tabell 2.1.

Kostnaderna är uppdelade i fasta och rörliga avgifter varav den fasta avgiften för abonnemanget beror på huvudsäkringsstorleken. Den rörliga delen beror på om kunden valt enkel eller tidstariff.

Med enkeltariff är den rörliga kostnaden samma över hela året medan den med tidstariff är högre under höglasttid och lägre under övrig tid. Höglasttid innebär tid mellan vardagar kl 06-22 under månaderna januari, februari, mars, november och december.

Effektabonnemang tecknas om en huvudsäkring över 63 A är nödvändigt och utgörs av kostnader som presenteras i tabell 2.2 nedan.

6Uppgifter från Peter Linde, inköpare Vasakronan AB, 2017-12-19

Tabell 2.1. Avgifter för säkringsabonnemang område söder för företag år 2017. Höglasttid är mellan var- dagar kl 06-22 under månaderna januari, februari, mars, november och december. Källa: [38]

Fast avgift Säkring [A]

Enkeltariff E4

2017 [kr/år]

Tidstariff T4 2017 [kr/år]

16 3 276 3 276

20 4 580 4 580

25 5 728 5 728

35 7 840 7 840

50 11 268 11 268

63 15 196 15 196

Rörlig avgift Överföringsavgift

[öre/kWh] [öre/kWh]

Höglasttid 25,6 52,4

Övrigtid 25,6 14

Tabell 2.2. Avgifter för effektabonnemang (säkring över 63 A) område söder för företag år 2017. Höglasttid är mellan vardagar kl 06-22 under månaderna januari, februari, mars, november och december. Högbe- lastningsavgift betalas enbart under samma månader som höglasttid. Källa: [39]

Lågspänning N3T

Lågspänning N4

Enhet

Fast avgift 3 200 365 kr/månad

Månadseffektavgift 28 40 kr/kW, månad

Högbelastningsavgift 70 0 kr/kW, månad

Överföringsavgift höglasttid 22,1 52,4 öre/kWh

Överföringsavgift övrig tid 9,1 14,0 öre/kWh

Månadseffektavgiften som kan utläsas i tabellen betalas för varje månad för den högst uttagna medeleffekten per timme i kilowatt under månaden. Det innebär att avgiften bestäms utifrån den timme som har den högsta medeleffekten per månad.

Samtliga abonnemang som finns anslutna till likströmsnätet utgörs av typen Lågspänning N4 effektabonnemang enligt tabell 2.2.

2.4.4 Kostnader för Vasakronans likströmsnät

Utifrån fakturor i Vasakronans system har kostnader för installationen av likströmsnätet samman- ställts i tabell 2.3 nedan.

Tabell 2.3. Sammanställda investeringskostnader för Vasakronans likströmsnät, avrundat till närmaste kSEK.

Likströmsnät

Material och installation 423 kSEK Kanalisation och grävning 92 kSEK

Summa 516 kSEK

Eftersom nätet byggdes då samtliga byggnader redan var uppförda krävdes en stor del kanalisa- tionsarbeten med grävning i marken på området som ses i posten “Kanalisation och grävning” i tabellen. Totalkostnaden för likströmsnätet var 516 kSEK.

2.4.5 Kostnader för solcellsanläggning på hus 303

Kostnaderna för byggnationen av solanläggningen på hus 303:s tak har sammanfattats i tabell 2.4 nedan.

Tabell 2.4. Sammanställda investeringskostnader för solcellsanläggningen på hus 303.

Solcellsanläggning Hus 303

Solceller 652 kSEK

Installation 29 kSEK

EnergyHub XL 28 kSEK

Väggkapsling EnergyHub 4 kSEK

10 st SSO, Fördelningslåda 50 kSEK Investeringsstöd 30 % -228 000 kSEK

Summa 533 kSEK

Solanläggningen på hus 303 är direktansluten till likströmsnätet. Byggnationen av solceller utför- des av en entreprenör och anslutningen till nätet utfördes av en annan. Dessutom upphandlades själva solcellsinstallationen utan växelriktare. Därför har den del av kostnaderna för likströmsnätet som möjliggör solcellsanläggningen lagts på kostnaderna som ses i tabell 2.4. Kostnaderna består av SolSträngOptimerare (SSO), en fördelningslåda, en EnergyHub XL samt en del installationsar- beten. Det har dessutom beräknats att ett statligt stöd beviljas för solcellsanläggningen som uppgår till 30 procent av totala kostnaden för installationen. Totalkostnaden för solcellsanläggningen på hus 303 är 533 kSEK.

2.4.6 Besparingsmöjligheter

Tre metoder har identifierats som kan leda till ökade besparingar i och med utbyggnaden av lik- strömsnätet:

• Ökad egenförbrukning av solel

• Minskning av effekttoppar

• Sänkning av storleken på huvudsäkring och byte av abonnemang

Ökad egenförbrukning av solel

Som det beskrevs i kapitel 2.2 är egenförbrukningen en viktig faktor vid en solcellsinstallation.

Genom att uppnå en hög egenförbrukning kan mängden el som köps in minskas.

Minskning av effekttoppar

Vid ett effektabonnemang, som beskrivs i kapitel 2.4.3, beräknas månadseffektavgiften utifrån den timme under en månad som har haft högst medeleffekt. Genom att minska den högsta effekttoppen per månad kan därmed kostnader för elabonnemanget sänkas.

Minskad storlek på huvudsäkring och byte av abonnemang

Utifrån beskrivningen av effekt och säkringsabonnemang i kapitel 2.4.3 finns möjligheten att minska kostnader genom att byta ut effektabonnemanget till ett säkringsabonnemang. Detta kan generera besparingar i form av lägre kostnader totalt eftersom man inte betalar för effekt i ett säk- ringsabonnemang. Den minskade kostnaden för effekt kan överträffa den ökade fasta kostnaden för ett säkringsabonnemang. Att byta från ett effekt- till säkringsabonnemang eller nedåt medför ingen avgift, kostnaden utgörs av den elinstallationen som krävs för att bygga om anläggningen till en lägre säkring [40].

Enligt Ellagen 10 § [41] ska en anläggning med 63 A eller mindre säkring vara direktmätande.

Anläggningar med säkring större än 80 A ska ha strömtransformatorer för strömmätning. Där- av behövs krävs det en del ombyggnation i elcentralen för att övergå till direktmätning om en minskning av huvudsäkringen till 63 A eller lägre ska vara möjlig.

2.4.7 Investeringskalkyler

Syftet att utföra en investeringskalkyl är för att bedöma och jämföra lönsamheten för olika in- vesteringsalternativ. En av de vanligaste metoderna är nuvärdesmetoden [42] och används i den ekonomiska analys som utförs inom detta arbete.

Nuvärdesmetoden

På grund av inflation är pengar idag inte lika mycket värda i framtiden. Genom att beräkna fram- tida in- och utbetalningar i dagens pengavärde, dvs. nuvärdet, kan man utföra en kalkyl om en investering lönar sig utifrån de avkastningskrav man ställer på sin investering. Avkastningskraven kallas kalkylränta och anges i procent. Om en investerings nuvärde är större än grundinvesteringen anses investeringen vara lönsam.

Livscykelkostnader

För att bedöma en investering över sin livstid tar man oftast hänsyn till livscykelkostnaden (life cycle costs, LCC). LCC är alla kostnader som förknippas med investeringen över hela investe- ringens livstid [43].

Ekvationer som används vid en generell energiinvestering återges nedan, sammanfattat av energi- myndighetsinitiativet BELOK [44].

Investeringens totala LCC, LCC_total, beräknas enligt:

LCC_total= Cinvestering+C_underhåll+Cenergi−Crestvärde (2.3) Nuvärde av underhållskostnad, C_Underhåll

C_underhåll= a_underhåll·1 − 1(1 + i)⁻ⁿ

i (2.4)

Nuvärde av energikostnader, CEnergi

C_energi= E_energi· eenergi·1 − (^1+q_1+i)ⁿ

1+i

1+q− 1 (2.5)

Nuvärde av restvärde, CRestvärde

C_restvärde= c_restvärde· (1 + i)⁻¹ (2.6)

där

Cinvestering= Investeringens initiala kostnad, grundinvestering [kr]

a_underhåll= Årlig underhållskostnad [kr/år]

E_energi= Årligt energibehov [kWh/år]

e_energi= Dagens energipris [kr/kWh]

c_restvärde= Investeringens värde vid kalkylperiodens slut [kr]

n= Kalkylperiod [år]

i= Real kalkylränta [år]

q= Real årlig energiprisökning [år]

Känslighetsanalys

För att bedöma osäkerheten i ingående parametrar kan man utföra en känslighetsanalys av sin LCC-analys. Vilka parametrar som omfattas kan den som utför kalkylen välja. Parametrar som ligger utanför ens egen kontroll är lämpliga att analysera för att se hur känslig ens LCC-analys är mot förändringar av dessa [45].

2.5 Studerat system

I följande avsnitt beskrivs systemet som studerats och modellerats. Först presenteras de byggnader som är anslutna, verksamheten samt solcellsanläggningarna på taken. Därefter beskrivs själva lik- strömsnätet och samtliga abonnemang. I sista delen beskrivs Ferroamps utrustning och funktioner i djupare detalj.

2.5.1 Anslutna byggnader i likströmsnätet

I figur 2.9 nedan ges en överblick av området och byggnaderna som är anslutna till Vasakronans likströmsnät.

Figur 2.9.Flygfoto över området science park med anslutna hus markerade i rött och likströmsnätet marke- rat i gult.

Verksamheten i byggnaderna består av kontor samt en viss del labbverksamhet i samtliga hus förutom hus 303. Byggnaderna skiljer sig åt i storlek, vilket beskrivs i tabell 2.5 nedan. Hus 303 är minst och hus 306 är störst sett till uthyrd area som ses i den vänstra kolumnen.

Tabell 2.5. Grundläggande information om byggnaderna anslutna till Vasakronans likströmsnät.

Officiell Elimport Elimport Solceller Solel area 2016 per area installerad produktion

effekt 2016

[m²] [MWh] [kWh/m²] [kWp] [MWh]

Hus 303 2 150 53,1⁷ 24,7 60,5 -

Hus 304 4 451 286,4 64,3 54,3 41,6

Hus 305 4 290 293,6 68,4 51,0 40,5

Hus 306 5 236 305,2 58,3 70,6 59,4

I tabellen presenteras även elimporten under år 2016 och indelat per area. Hus 303 har lägst elimport medan hus 306 har högst årlig import medan hus 305 har högst elimport per ytenhet. I Vasakronans fastigheter står kunden generellt för sin egen verksamhets elförbrukning. Det inne- bär att den el som Vasakronan bekostar och administrerar består av el för ventilation, kyla och belysning för allmänna ytor (trapphus, garage etc.). I vissa byggnader finns även andra förbrukare som utrustning för vattenavhärdning, kompressorer för tryckluftssystem och liknande. I rapporten har termen “fastighetsel” använts för att beskriva all den förbrukning som Vasakronan står för för- utom kyla, eftersom kylan är ansluten på separat abonnemang i vissa fall som förtydligas i kapitel 2.5.2 nedan.

Samtliga tak i systemet har solcellsanläggningar installerade. Anläggningarna på hus 304, 305 och 306 installerades mellan åren 2014-2015 medan den på hus 303 installerades i samband med installationen av likströmsnätet som driftsattes i oktober år 2017.

7Data från år 2017

Ventilationssystemet i byggnaderna utgörs av FTX-system och kylsystemet består av lokala kom- pressordrivna kylmaskiner. Ventilations- och kylsystem beskrivs utförligare i kapitel 2.3.2 samt 2.3.3.

Uppvärmning i samtliga byggnader sker med hjälp av fjärrvärme genom Vattenfalls fjärrvärmenät.

2.5.2 Beskrivning av det installerade likströmsnätet

Under 2017 installerades likströmsnätet i den utformning som beskrivs i figur 2.10 nedan. Lik- strömsnätet driftsattes den 13 oktober 2017.

Figur 2.10.Schematisk översikt hur byggnader och elsystemet såg ut efter installationen av likströmsnätet oktober 2017.

Till varje anslutet abonnemang som Vasakronan äger installerades en EnergyHub växelriktare från Ferroamp. En solcellsanläggning installerades på taket av hus 303 och anslöts direkt till likströmsnätet genom Ferroamps DC/DC omvandlare SSO. Tekniken beskrivs mer ingående i kapitel 2.5.3.

I tabell 2.6 beskrivs vilka förbrukare samt produktion som är anslutet till vilket abonnemang.

Tabell 2.6. Information om vilken förbrukning och produktion som var ansluten till de olika abonnemangen oktober 2017.

Abonnemang Förbrukning Produktion

Hus 303 Fastighetsel & kyla Solanläggning⁸ Hus 304 Fastighetsel & kyla Solanläggning Hus 305 (1) Fastighetsel Solanläggning Hus 305 (2) Kylmaskin KA1-KA2 -

Hus 305 (3) Kylmaskin KA3 -

Hus 306 Fastighetsel & kyla Solanläggning

Som kan ses i figur 2.10 och i tabell 2.6 ovan har både hus 303 och 306 kyla och fastighetsel anslutet till samma abonnemang. Abonnemanget i hus 304 består enbart av fastighetsel eftersom hus 304 och 305 är sammanbundet med en ledningskulvert och kylsystemet i hus 305 förser båda husen med kyla. I hus 305 finns tre abonnemang, ett för fastighetsel och två för kylmaskiner som då försörjer både hus 304 och 305 med kyla. Kylmaskin KA3 installerade i slutet av 2017 och därmed togs den äldre kylmaskinen i hus 304 ur drift.

2.5.3 Beskrivning av Ferroamps system

Ferroamps system för likströmsnät kallas DC nanogrid. Likströmsnätet tillåter integration av sol- celler, energilager, småskalig vind och likströmslaster och utgörs av ett bipolärt singelbussystem liknande det som beskrevs i kapitel 2.1.3 och figur 2.4 med systemspänningen 760/±380 V DC.

I figur 2.11 visas en översikt av Ferroamps utrustning och systemtopologi. Systemet är utformat modulärt vilket innebär att det kan expanderas och anpassas allt efter önskemålen och behovet förändras. Det innebär att fler fastigheter och solcellsanläggningar kan anslutas i framtiden om det önskas.

Figur 2.11.En överblick av Ferroamps teknik och system. Källa: [46], omarbetad av författare.

Energyhub

Energyhub är en bidirektionell trefas-växelriktare och utgör hjärnan i Ferroamps system samt fungerar som bryggan mellan växelström och likström. Energyhuben samlar information och styr energiflödet mellan växel- och likströmsnätet, solpaneler och energilager. Huben bygger på en så kallad ”Power Module” som består av en 3 x 5 A (3,5 kW) trefasig, skalbar bidirektionell

8Anläggningen är ansluten direkt till likströmsnätet till skillnad från övriga solanläggningar.