TVE-F 17 004 maj
Examensarbete 15 hp
Juni 2017
Projektet solceller på Kungliga
slottets i Stockholm tak
En symbolisk vägledning till hållbar utveckling
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
The project solar panels on the roof of the Royal
Palace of Stockholm
Gustaf Berendt
A study has been conducted to determine whether it is possible to install solar panels on the roof of the Royal Palace of Stockholm. Simulations have been
performed using physical models of the motion of the sun in Stockholm, solar panel angular dependence and atmospheric effects. Moreover, interviews with
representatives from involved parties and gathering of market data have been conducted in order to understand what economical, antiquarian, legal, political and technical obstacles may be encountered and what is required for the installation of solar panels.
Results show that a maximized solar plant on the roof of the Royal Palace of Stockholm, covering a total area of 4470 square meters would generate 500 MWh electricity annually. The electricity could be used to reduce the energy cost of operation leading to a decrease in electricity cost of approximately 675 000 SEK annually. An investment of 8 000 000 SEK is required according to market prices. Results indicate there are solutions to the antiquarian, legal, political and technical obstacles.
ISSN: 1401-5757, TVE-F 17 004 maj Examinator: PhD Martin Sjödin
Ämnesgranskare: PhD Teresa Zardán Gómez de la Torre Handledare: Riksmarskalk professor Svante Lindqvist
Innehåll
1 Populärvetenskaplig sammanfattning 5
2 Inledning 7
3 Solceller 8
3.1 Fysikaliska principer . . . 8
3.1.1 Fotoner och svartkroppstrålning . . . 8
3.1.2 Halvledare. . . 11
3.1.3 Maximal teoretisk verkningsgrad . . . 13
3.1.4 Solens position . . . 15
3.1.5 Solpanelers vinkelberoende . . . 17
3.1.6 Atmosfärens absorption av solstrålning och solstrålningens energiin-nehåll . . . 20
3.2 Andra typer av solceller . . . 22
3.2.1 Nanokristalina solceller/Grätzelsolceller . . . 22
3.2.2 Perovskitsolceller . . . 22
3.2.3 Tunnfilmssolceller. . . 23
3.3 Tillverkning . . . 23
3.4 Utveckling . . . 24
3.5 Kostnadsutveckling för olika typer av anläggningar . . . 25
3.6 Trender i utvecklingen . . . 26
4 Anslutning till nätet 27 4.1 Tekniska krav . . . 27
4.2 Lagring i batterier . . . 27
4.3 Legala krav . . . 28
4.4 Ekonomiska krav/begränsningar. . . 29
5 Politiska randvillkor 30 5.1 De statliga subventionernas variation beroende på förändrade el- och oljepriser 30 5.2 Politiska mål . . . 33
5.3 Investering i ny teknik i byggnader som är kulturminnesmärkta . . . 34
6 Kungliga slottet 35 6.1 Byggnadsteknisk beskrivning . . . 35
6.2 Slottets elförsörjning . . . 39
6.3 Slottets årliga energibehov . . . 39
6.4 Antikvariska aspekter . . . 41
7 Aktörer 41 7.1 Hans Majestät Konungen och Hovet . . . 41
7.2 Statens fastighetsverk . . . 42
7.3 Riksantikvarieämbetet . . . 43
7.4 Stockholms stad . . . 43
7.5 Länsstyrelsen . . . 44
7.6 Regering och departement . . . 44
7.7 Tillverkare och leverantörer . . . 44
7.8 Kända byggnader med solceller . . . 45
8 Projektets historia och projektet i dag 45 9 Resultat 47 9.1 Hur Kungliga slottet på bästa sätt skulle kunna förses med solceller på taket 47 9.2 Investeringskrav . . . 51
9.3 Beslutskrav . . . 52
10 Diskussion 53 11 Slutsatser 57 12 Referenser 58 12.1 Litteratur och tidsskrifter . . . 58
12.2 Intervjuer . . . 59
12.3 Hemsidor . . . 60
13 Appendix 65 13.1 Matlabkod. . . 65
1
Populärvetenskaplig sammanfattning
Sedan år 2010 har det funnits en solcellsanläggning på Kungliga slottets i Stockholm tak (Slottet). Solcellsanläggningen har varit avsedd för att undersöka förutsättningarna för en större solcellsanläggning på taket. Det är Statens fastighetsverk som äger Slottet och har till uppgift att förvalta fastigheten. Det har sedan 2010 pågått en förstudie om det är möj-ligt att applicera en större anläggning där. Det var de Kungliga Hovstaterna (Hovet) som initierade idén om ett projekt. Idén antogs av Statens fastighetsverk som därefter inledde förstudien.
Det är flera aktörer som bestämmer om ett projekt blir av eller inte. H.M. Konungen måste formellt säga ja till en anläggning i och med Kungens dispositionsrätt till Slot-tet. I beslutsfattandet ingår flera myndigheter och remissinstanser. Statens fastighetsverk måste ta fram ett underlag och därefter genomföra en upphandlingsprocess. Riksantikva-rieämbetet gör också en bedömning utifrån ett kulturmiljövårdsperspektiv. Slutligen ska Stadsbyggnadsnämnden vid Stockholms stad bevilja bygglov för en anläggning. Det finns också aktörer som inte har någon formell bestämmanderätt, men som kan driva opinion kring projektet. Dessa är Länsstyrelsen i Stockholms län, regering och riksdag. Förutom aktörers bestämmande finns det också legala, antikvariska och tekniska randvillkor som måste beaktas.
Slottets tak har en yta om 7 200 m2 varav 4 470 m2 lämpar sig för en solcellsanlägg-ning. Lutningen på taken varierar mellan ungefär 11o till 15, 2o. Genom att använda sig av fysikaliska principer har det i rapporten kunnat simuleras att om man på Slottets tak utnyttjar all möjlig yta kan en anläggning producera ungefär 500 000 kWh elektricitet år-ligen. Med dagens elpris leder detta till en årlig besparing om ungefär 675 000 kronor. Den simulerade producerade energin täcker energibehovet för kylanläggning och uppvärmning av Slottet. Simulationen visar också att av Slottets olika längor är det den norra längan som producerar mest energi och att den tillsammans med den östra längan producerar energi året om. Den södra och västra längan producerar betydligt mindre energi under vintern. De olika längornas energiproduktion beror på Slottets taklutning och längornas riktning i förhållande till de olika vädersträcken.
Under 2016 genomfördes en utredning av Skellefteå kraft, om hur taket på Slottet skulle kunna beläggas med solceller. De gjorde undersökningen från februari till slutet av april.
Tanken var att det på Kungens 70-årsdag skulle överlämnas en gåva som bestod i budska-pet att en anläggning skulle installeras. I slutet av april valde dock Statens fastighetsverk att avsluta sammarbetet med Skellefteå kraft men de gick ändå upp och överlämnade gå-van. Därmed är det i dag inte en fråga om en anläggning kommer att bli av utan en fråga om när. I dagsläget finns det ett ramavtal för solcellsanläggningar, en antidiskriminerings-klausul och en teknisk rambeskrivning som Statens fastighetsverk har tagit fram för sina fastigheter. Vidare finns det ett flertal förslag på solcellsanläggningar för Slottets tak.
Det är genomförbart att övervinna antikvariska och tekniska hinder. Vägledande för hur detta ska gå till kan vara de positiva resultaten av den befintliga testanläggningen. På Slottets tak finns det också redan balustrader och räcken som skyddar mot fall. Detta till-sammans med att taket har väldigt liten lutning medför att det inte behöver vidtas några ytterligare säkerhetsåtgärder vid eventuell installation.
Det finns ett stort symbolvärde i att installera en solcellsanläggning på Slottets tak. Det finns även ett miljömässigt värde och en ekonomisk vinning. Genom att installera en sol-cellsanläggning kan Kungen och Statens fastighetsverk visa på ett energimässigt hållbart ansvarstagande och det kan bana väg för ytterligare teknisk och legal utveckling vad gäl-ler solcelgäl-ler i Sverige. Det finns ett brett folkligt stöd för solcelgäl-ler och därmed ligger en installation rätt för ”Sverige i tiden”.
2
Inledning
På Kungliga slottet i Stockholm (Slottet) har det under flera år diskuterats om taket ska beläggas med en solcellsanläggning. En solcellsanläggning på taket skulle kunna bidra till minskade energikostnader för Slottets verksamhet och visa på ett energimässigt hållbart ansvarstagande från flera förvaltande parters håll. För att applicera anläggningen finns det dock många tekniska, antikvariska, legala och politiska randvillkor samt olika aktörers bestämmande som man måste ta hänsyn till vid utformningen av en sådan anläggning på Slottet. Projektet består av att ta reda på vad som krävs för en anläggning och vilka hinder som måste övervinnas samt optimala tekniska och antikvariska lösningar. För att uppnå resultat har jag fokuserat på att genomföra så många intervjuer som möjligt med de aktörer som kan tänkas bestämma och med solcellsproducerande företag. Jag har i första hand försökt att ta kontakt med högre chefer för att sedan bli hänvisad till de inom organisationen som besitter mest kunskap. Vidare har jag använt mig av litteratur som beskriver solcellers fysikaliska principer. Detta för att genomföra en så bra simulation som möjligt för hur Slottets tak kan appliceras med solceller. I min simulation har jag valt att begränsa mig till solceller med en, i linje med hur solcellsmarknaden ser ut, rimlig verkningsgrad. Figur 1 visar hur det skulle kunna se ut om man applicerade solceller på Slottets tak.
Figur 1: Bilden visar en skiss på hur det skulle kunna se ut med en solcellsanläggning på Slottets tak. Foto: Bonnier arkiv/TT retusch Mods
3
Solceller
3.1 Fysikaliska principer
3.1.1 Fotoner och svartkroppstrålning
För att förstå solceller måste man först förstå vad solljus är och hur det kan komma att absorberas. Solljus, liksom annat ljus, består av fotoner som enligt kvantfysikens lagar följer partikeldualitet och därmed också uppvisar vågbeteende. Fotoner är ljuspartiklar, eller ljuskvanta som har energin ¯hω, där ¯h är Planks konstant dividerat med 2π och ω är frekvensen hos partiklarna. Dessa energier brukar i normalfallet vara mellan 1.5 och 3.5 eV för fotoner som kommer från solen.1 Om en kropp absorberar all fotonstrålning med energier ¯hω kallas den för en svartkropp. I praktiken kan man tänka sig ett hål i en uppvärmd inneslutning. Solen kan approximeras som en svartkropp då den är tillräckligt tjock och icke reflekterande. Svartkroppsstrålning följer Planks strålningslag
u(ν, T ) = 8πhν 3 c3 1 ekThν − 1 (1)
som beskriver fördelningen av energin per volyms- och frekvensenhet som funktion av fre-kvensen hos fotonerna och temperaturen hos svartkroppen samt där h är Plancks konstant, c är ljusets hastighet i vakum och k är Boltzmanns konstant.2
Genom integration erhålls den totala energin per volymsenhet3
U (T ) = 8πh c3 Z ∞ 0 dν ν 3 ekThν − 1 = 8πh c3 ( kT4 h ) 4· 6 ∞ X 1 1 n4 | {z } π/4 = aT4. (2)
Om strålning kommer vinkelrätt från en area kan man notera att hälften av strålningen är inkommande och hälften utgående om termisk jämnvikt råder (vilket är fallet för en svartkropp).4 Energin hos strålningen, E kommer att gå genom ett volymselement dA · dx
på tiden dt. En schematisk uppställning hur det ser ut kan ses i Figur 2.
1 Würfel. 2009, s 11 2 Gasiorowicz. 2003, s 3 3Gasiorowicz. 2003, s. 3 4Hyperphysics (18/5-17)http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/radpow.html#c1
Figur 2: Figuren visar en schematisk uppställning över härledningen av Stefan-Boltzmans lag.
Energin kan vidare uttryckas som funktion av den utstrålade effekten vid vinkelrät utstrål-ning enligt
dE dλ = 2
dR
dλdtdA (3)
R är den utstrålade effekten per areaenhet och λ är våglängden hos strålningen. Siffran 2 kommer från att att hälften av strålningen också går i negativ x-riktning. Den utstrålade effekten kan även stråla med en viss vinkel θ. Den utstrålade effekten blir starkare och tiden för energin att gå genom volymselementet blir större med ökad vinkel. I Figur 2 kan det observeras hur uppställningen ser ut. Ekvation (3) omformateras därför något enligt
dR cosθ · dλ dt cosθdA = c 2 dE dλ (4)
vilket är ekvivalent med
dR dλ = c 2cos 2θ · du dλ (5)
Den snittade utstrålade effekten ges därför av ett medelvärde av cos2θ. Funktionen cos2θ är periodisk och det räcker därför med att integrera över en period enligt
M = 1 2π Z 2π 0 cos2θ = 1 2 (6)
Slutligen erhålls Stefan-Boltzmans lag dQ dt = c 2 · M · U (T ) = c 4· U (T ) = σT 4. (7)
som beskriver den totala utstrålade effekten per volymsenhet och σ = 15h2π53kc42.
På grund av att rymdvinkeln sett från jorden till solen är mycket liten (cirka 6.8 ·10−5 sr5) är fördelningen av energiflödet endast cirka 1 kWm−2 på jorden. En del av förluster-na beror också på att det sker energiförluster i form av att gaser i atmosfären absorberar fotonstrålning av specifika energier.6 Materialet som solceller består av har också en förmå-ga att reflektera solstrålning och all solstrålning når därmed inte den absorberande delen av solcellen. Till exempel reflekterar kisel ungefär 35 procent av den inkommande solstrål-ningen.7 Det kan därför vara praktiskt att använda sig av en lins eller speglar för att samla de inkommande solstrålarna. Det är ett sätt att öka temperatur och/eller effektivitet hos solcellerna.
5
Würfel. 2009, s 28
6
Würfel. 2009, s 27
3.1.2 Halvledare
Figur 3: Bilden visar en sche-matisk skiss av sammanlän-kade kiselatomer. Struktu-ren har väldigt dåligt ledan-de egenskaper på grund av att det inte finns några fria elektroner i rörelse.
Figur 4: Bilden visar en sche-matisk skiss av sammanlän-kade kiselatomer och en fos-foratom, ett p-dopat materi-al.
Figur 5: Bilden visar en sche-matisk skiss av sammanlän-kade kiselatomer och en bo-ratom, ett n-dopat material
Den vanligaste halvledaren är kisel. Kisel har 14 elektroner varav fyra valenselektroner. Vid tillverkning av halvledare av kiseltyp utnyttjas det faktum att kiselatomerna organiserar sig på ett speciellt sätt. Kiselatomerna bildar ett mönster där en kiselatom sammanlän-kas med fyra andra och två kiselatomer delar på två valenselektroner sinsemellan.8 På så sätt uppnås fullt yttre elektronskal och så låg viloenergi som möjligt. Grundidén till att denna struktur fungerar för solceller är att elektronerna inte är särskilt hårt bundna till en kärna. En elektron kan då frigöras av till exempel en foton med tillräckligt hög ener-gi. Det leder till att det uppstår en bruten elektronbindning eller ett ”hål” som snabbt fylls av en intilliggande elektron. Det uppstår då en ny avsaknad av en elektron där den närliggande elektronen tidigare fanns och så vidare. Det leder till en påtvingad rörelse av elektroner eller en elektrisk ström. Den energi som krävs för att en elektron ska excite-ras kallas bandgap. Då solljus består av ett spektrum av fotoner med olika energinivåer medför det att vissa delar av spektrumet med för låg energi inte kan absorberas och att vissa delar med högre energi än nödvändigt förlorar överskottet av energi i form av värme.9
Ett sätt att förstärka kiselplattans ledande egenskaper är att dopa materialet. Med det menas att man medvetet förorenar kislet med något annat ämne som till exempel är bor
8
Green. 2002, s 20
9
eller fosfor. Bor har tre valenselektroner, vilket betyder att det i kiselstrukturen kommer att uppstå en avsaknad av en elektron på de ställen där kislet binder till en boratom. Fosfor har å andra sidan fem valenselektroner vilket betyder att det kommer att finnas ett överskott av en elektron vid varje fosforatom. Det skapas på så sätt ett underskott eller överskott av en elektron som kan resultera i rörelse hos elektroner i strukturen. Det första fallet kallas negativ doping, eller n-doping och det senare fallet kallas positiv doping, eller p-doping. N- och p-doping leder i regel till bättre ledande egenskaper hos materialet. En jämförande skiss mellan vanligt kristallint kisel, en med fosfor p-dopad kiselstruktur och en med bor n-dopad kiselstruktur kan observeras i Figur 3, 4 samt 5.
Figur 6: Bilden visar en enkel bild av en kiselsolcell.
I Figur 6 visas en enkel uppställning av hur en typisk kiselsolcell fungerar. Förenklat uttryckt kan man säga att solljusets fotoner exciterar elektroner mellan kiselatomerna. Ge-nom att använda en assymetri av ett p-dopat och ett n-dopat material uppmuntras fria elektroner att röra sig i en riktning och ”hål” i en annan riktning. Det uppstår en elektrisk spänning som ger upphov till en ström genom lasten R.10 Det är den här uppställningen som i störst utsträckning också i dag används i komersiella anläggningar som mono- och polykristallina solceller.
10
Kiselsolceller har i dag en marknadsandel om 90 procent.11 Monokristallina solceller har högst verkningsgrad och består av homogent kiselkristall, medan polykristallina solceller består av en sammansättning av flera kiselkristaller. Verkningsgraden är högre och till-verkningsprocessen mer avancerad för monokristallina solceller, vilket gör att de i regel är dyrare. Mono- och polykristallina solcellspaneler är tunna utskurna skivor av kiselkristall-strukturer.
3.1.3 Maximal teoretisk verkningsgrad
Solceller består av halvledare, det vill säga material som har hög resistens, men vars le-dande egenskaper kan förändras (med till exempel doping). Detta betyder i sin tur att absorbtionen av solstrålning hos en solcell karaktäriseras av en gräns på inkommande fo-toners energi hνg.12 Det är med stor sannolikhet endast fotoner med högre energi som
absorberas (fotoner med lägre energi reflekteras eller transmitteras).13
År 1961 publicerade William Shockley och Hans J. Queisser en artikel i Journal of applied physics14 där de härledde en teoretisk maximal verkningsgrad för solceller av kiseltyp. De gjorde följande antaganden:
1. Solstrålningen som absorberas kommer från en sol som har en temperatur på 6 000 Kelvin.
2. Solen och solcellen kan anses vara svartkroppar.
3. Fotoner med energier lägre än bindningsenergin hos en elektron i en solcell absorberas inte men alla fotoner med högre energi absorberas.
4. Rörelsen av elektroner i strukturen av halvledare i solcellen kan ske obehindrat.
5. Den enda mekanismen för rekombination av elektron/hålpar är den som generar en foton (Den motsatta reaktionen till att en foton absorberas).
Ponera att reflektion avvärjs genom ett antireflexfilter och att en halvledarplatta är tillräck-ligt tjock så att ingen fotonstrålning transmitteras.15 Låt fc vara andelen energi som inte
ger upphov till rekombination. Tre relevanta energisamband kan sammanfattas i termer av
11
The German Solar Energy Society. 2013, s 20
12 Wolf. 2012 s 133 13 Würfel. 2009, s 24 14 Shockley W. Queisser H. J. 1961, s 510 15 Würfel. 2009, s 24
temperatur, spänning och frekvens. Dessa är
• kTs= qVs, Ts är solens temperatur och Vs är den motsvarande spänningen.
• kTc= qVc, Tc är solcellens temperatur och Vc är den motsvarande spänningen.
• Eg = hνg = qVg, Eg är en elektrons bindningsenergi, ν är en absorberande fotons
frekvens och Vg är den motsvarande spänningen.
Därutöver är q laddningen, k är Boltsmans konstant och h är Planks konstant. Slutligen är absorbtionen beroende av sannolikheten att en foton ska absorberas av en foton, ts. En schematisk skiss över uppställningen sammanfattas i Figur 7.
Figur 7: Bilden visar uppställningen som Shockley och Queisser antog i sin artikel från 1961. Den vänstra bilden är en solcell med sfärisk geometri som omges av en svartkropp. Den högra bilden är en solcellsplatta omgiven av en sfärisk svartkropp. Solljuset har infallsvinkel θ mot solcellsplattans normal.
Låt Qs vara antalet kvanta med en frekvens som är större än νg som absorberas av
halv-ledarplattorna i en solcell. Med hänsyn tagen till termisk jämnvikt är
Qs= c 4· Ug(νg, Ts) hν = 2π c2 Z ∞ νg dν ν 2 ekTshν − 1 = 2π c2( kTs h ) 3Z ∞ xg dx x 2 ex− 1 (8)
där xg = Eg/kTsoch den maximala utstrålade effekten ges av Stefan-Boltzmans lag
(ekva-tion (7)). Därmed ges en teoretisk maximal verkningsgrad för uppställningen i den vänstra bilden i Figur 7, endast som funktion av xg
η(xg) = hνgQs dt dQ = hνg 2π c2( kTs h ) 3 1 σT4 s Z ∞ xg dx x 2 ex− 1 = 15 π4xg Z ∞ xg dx x 2 ex− 1 (9)
Detta leder till en teoretisk verkningsgrad på cirka 44 procent16, om man utgår från att både solen och solcellen är svartkroppar.
Shockley och Queisser kunde dock visa genom att göra ett mer rimligt antagande med en platt solcell (bilden till höger i Figur 7) att verkningsgraden inte kan uppnå 44 procent utan blir cirka 30 procent.17 De vidareutvecklade ekvation 9 till att gälla mer generellt som en funktion av xg, solpanelens temperatur, ts samt frekvensen hos de inkommande fotonerna.
I dag forskas det mycket på olika tekniker för att lägga solceller i flera lager, med oli-ka bandgap, ha solceller som oli-kan variera sina bandgap på nanonivå eller ha en typ av reflekterande yta på baksidan m.m. Avsikten är att ta tillvara på de fotoner som inte ab-sorberas och därigenom ytterligare öka verkningsgraden. I teorin kan man därför i dag komma upp i högre verkningsgrader än vad som Shockley och Queisser uppnådde. Den effekt som ständigt kommer att finnas och som försämrar verkningsgraden är elektron-hålpars benägenhet att rekombinera. De kiselsolceller som till störst utsträckning används kommersiellt är i enskilda lager. Shokleys och Queissers verkningsgrad kan därför betraktas som en teoretisk högsta gräns för verkningsgraden för de solcellspaneler som kan komma att klä Slottets tak. De flesta solceller som finns på marknaden omvandlar dock en så låg nivå som 10-20 procent av solens energi. I de beräkningar som görs nedan kommer en verkningsgrad på 15 procent att användas för simulation.
3.1.4 Solens position
För att simulera en solcell måste man ta hänsyn till var solen befinner sig. Beroende på hur högt solen står och med vilken vinkel strålningen infaller mot solcellerna absorberas olika mycket solstrålning. Solens position kan beskrivas med hjälp av två vinklar.18
16
McEvoy A. Markvart T. Castaner L. 2013, 57-58
17
Gombert, Rau, Wehrspohn. 2015 s 22-24
18
α = arcsin(sin(δ)sin(φ) + cos(δ)cos(φ)cos(ω)) (10)
som är höjdvinkeln sett från en betraktares markplan och
β = arccos(sin(δ)cos(φ) − cos(δ)sin(φ)cos(ω)
cos(α) ) (11)
som är azimut samt φ är latituden, δ är jordens lutning relativt solen
δ = −23.45o· cos(360
365· (d + 10)) (12) där d är en dags nummer med den 1 januari som dag 1 av 365 samt ω är tidsvinkeln. Tidsvinkeln konverterar lokal soltid till antalet grader som solen rör sig.19 Tidsvinkeln är härledd från empiriska formler och kommer inte att tas upp här. Tidsvinkeln beror på ett antal faktorer, däribland vilken tid på dygnet det är. Solens höjdvinkel och azimuth är simulerade i bifogat Matlabscript. Hur höjdvinkeln och azimuth förhåller sig till solens och en betraktares positioner kan observeras i Figur 8.
Figur 8: Bilden visar höjdvinkel, α och azimut, β sett från en betraktare i mitten av figuren.
19
PVeducation (27/4-17) http://www.pveducation.org/pvcdrom/2-properties-sunlight/solar-time
3.1.5 Solpanelers vinkelberoende
Solpaneler är starkt beroende av vilken vinkel de är riktade mot solen. Optimalt ska pane-lernas normal vara riktad i linje med solljusets infallsriktning. Detta för att så stor yta som möjligt ska träffas av solstrålningen. Verkningsgraden hos solcellerna varierar därmed med höjdvinkel och med azimut. Kunskap om härledningen är hämtad från en artikel skriven av Alistair Sproul.20
Figur 9: Bilden visar en sfärisk geometri och uppställningen för härledning av solpanelers vinkelberoende.
Låt S vara den enhetsvektor som pekar mot solen från en betraktare i enlighet med geo-metrin i Figur 9. Låt också N, Z och E vara de vektorer som beskriver solens rörelse. S kan uttryckas i termer av vektorerna N, Z och E. N är den enhetsvektor som pekar mot nordpolen, E är enhetsvektorn som pekar rakt österut och Z är den enhetsvektor som lö-per parallellt med det horisontella markplanet. φ är latituden, δ är jordens lutning relativt solen och ω är tidsvinkeln. Hur de olika enhetsvektorerna och vinklarna förhåller sig till varandra kan observeras i en sfärisk geometri i Figur 9.
20
Sproul A. 2016 http://www.physics.arizona.edu/~cronin/Solar/References/Irradiance% 20Models%20and%20Data/SPR07.pdf
Efter tranformation till sfäriska koordinater är
E = sin(ω)ˆex+ cos(ω)ˆey
N = −sin(φ)cos(ω)ˆex− sin(φ)sin(ω)ˆey+ cos(φ)ˆez
Z = cos(φ)cos(ω)ˆex+ cos(φ)sin(ω)ˆey+ sin(φ)ˆez
Vidare är
S = cos(δ)ˆex+ sin(δ)ˆez. (13)
Det är dock praktiskt att uttrycka S i ett referenssystem bestående av E, N och Z. Upp-ställningen enligt Figur 10 leder till
S = cos(α)sin(β)E + cos(α)cos(β)N + sin(α)Z. (14)
Figur 10: Bilden visar hur S kan uttryckas i termer av höjdvinkeln och azimut samt av vektorerna E, N och Z.
Som nämnts ska solpanelens normal vara parallell med det instrålade solljuset. Det leder till att den andel av solljuset som träffar en solcellsplatta kan sammanfattas med ekvationen
It= Iscos(θ) (15)
där It är intensiteten som träffar solcellsytan, Isär den inkommande intensiteten och θ är
Med samma referenssystem som i Figur 10 kan man vidare ställa upp en solcellsplatta som beror på två vinklar, dels dess lutning, Ω, dels dess vridning, γ. Det visas i Figur 11. Normalen, n till solcellsplattan kan skrivas
n = sin(Ω)sin(γ)E + sin(Ω)cos(γ)N + cos(Ω)Z (16)
Det är viktigt att observera att i härledningen har man utgått från att jorden är en perfekt svär. Det är egentligen inte fallet. Det kan dock i och med mycket små skillnader mellan ekvatordiameter och poldiameter approximeras som en sådan. På grund av approximatio-nen uppstår små fel i modelluppställningen.
Figur 11: Bilden visar en solcellsplatta vriden med en viss vinkel både horisontellt, γ och vertikalt Ω i samma referenssystem som i Figur 10.
samt genom trigonometriska identiteter kan vinkeln mellan vektorerna erhållas enligt
cos(θ) = n · S
|n| · |S| = n · S
= sin(Ω)sin(γ)cos(α)sin(β) + sin(Ω)cos(γ)cos(α)cos(β) + cos(Ω)sin(α) = sin(Ω)cos(α)cos(γ − β) + cos(Ω)cos(α)
Panelernas vinkelberoende förhåller sig alltså enligt
It= Is· (sin(Ω)cos(α)cos(γ − β) + cos(Ω)cos(α)) (17)
3.1.6 Atmosfärens absorption av solstrålning och solstrålningens energiinne-håll
På grund av att atmosfärens olika gaser absorberar solstrålning har den strålning som når marken ett energiinnehåll på cirka 100 kWh per kvadratmeter och år. Beroende på med vilken vinkel solstrålningen infaller mot jorden så tar den olika lång väg genom atmosfä-ren. Ju längre väg, desto mer solstrålning absorberas i atmosfären innan den hinner nå jordens yta. Den optiska sträckan som ljuset färdas i atmosfären definieras som en kvot med sträckan som strålningen färdas om ljuset kommer vinkelrät mot jordens yta enligt21
AM = 1
cos(90 − α) + 0.50572(96.07995 − (90 − α)−1.6364. (18) AM står för ”air mass”, eller luftmassa. Solens intensitet minskar med ökad AM-koefficient. En uppskattning av intensiteten som funktion av AM-koefficienten vid jordens yta kan skrivas22
ID = 1.353 · 0.7AM
0.678
(19)
där ID är intensiteten i kW/m2 som når jordens yta. Faktorn 1.353 kommer från att
solstrålningen har en intensitet i den storleken när den anländer strax utanför jordens at-mosfär. Detta kan observeras som integralen till den blå kurvan i Figur 12.
Den maximala effekten som en solcell kan leverera mäts i dag inte i SI-enheter utan i Wp (”Watt peak”). Med detta menas den standardiserade toppeffekten. Det vill säga den
effekt som en solcell maximalt kan leverera under särskilda förhållanden. De särskilda för-hållandena involverar en temperatur hos solcellsplattan på 25o C och AM.1.5-spektrum. AM.1.5-spektrumet bygger på de olika parametrarna som gör att solens strålning blir
21Pveducation (31/5-17)
http://www.pveducation.org/pvcdrom/2-properties-sunlight/air-mass 22Pveducation (31/5-17)http://www.pveducation.org/pvcdrom/2-properties-sunlight/air-mass
svagare efter passage genom atmosfären. AM.1.5-spektrumet används för att simulera sol-cellsdata vid tillverkning av solceller. AM.1.5 leder till en intensitet som är ganska exakt 1 kW/m2 vid jordens yta. I den här rapporten kommer solcellers temperaturberoende inte att diskuteras. Det kan dock konstateras att solceller är känsliga för höga temperaturer. När man köper solcellerna finns det ofta angivet i specifikationen hur många procents verkningsgrad som solcellerna tappar som funktion av temperaturen.
Figur 12: Bilden visar solens spektrum simulerat för 5777 K (blått) vid jordens atmosfär, svartkroppsstrålning för en 5777 K svartkropp vid jordens atmosfär (orange) samt AM.1.5-spektrum - solens strålning vid jordytan (gult). Data för solens AM.1.5-spektrum vid dess yta är simulerat av professor Bengt Edvardsson vid Uppsala universitet och har erhållits efter mailkonversation med honom. Spektrumet har därefter använts för att simuleras utanför jordens atmosfär.
I Figur 12 kan tydliga energidippar (från AM.1.5)23 vid våglängderna 0.9, 1.2, 1.4 och 1.8 mikrometer observeras. Dessa beror på att gaser som syre, vattenånga och koldioxid i atmosfären absorberar fotoner med dessa specifika energier. Man kan observera att solens
23Pveducation (14/5-17) http://www.pveducation.org/pvcdrom/appendices/standard-solar-spectra
strålning följer svartkroppskurvan ganska väl, men att spektrat avviker. Avvikelserna beror på att solen inte är en perfekt svartkropp.
3.2 Andra typer av solceller
3.2.1 Nanokristalina solceller/Grätzelsolceller
Den första Grätzelsolcellen var uppbyggd av en 10 µm tunn genomskinlig film av titani-umdioxid, med partiklar i storleksordningen några få nanometer och täckt med ett tunt monolager av elektriskt ledande färgämne. Detta låg mellan två elektroder och samman-bands med ett elektrolyt. Den första Grätzelsolcellen kunde på grund av stor absorberande area, som uppstår på grund av färgämnets gropiga struktur och spektralegenskaper, ab-sorbera cirka 46 procent av solflödet och omvandla cirka 80 procent av den abab-sorberade energin till elektricitet. Verkningsgraden landade på mellan 7,1 till 7,9 procent.24 I dag
är det ungefär samma uppställning. Utvecklingen består i materialforskning för att hitta material som absorberar fotoner bättre. Solceller av elektrokemisk typ har varit kända se-dan 1970-talet, men omsatte då enbart 1 procent verkningsgrad. Solcellen fungerar på så sätt att elektroner i färgämnet absorberar fotoner och exciteras. Elektronerna tas sedan upp av titaniumdioxiden som ansluter till den ena elektroden. Avsaknaden av elektroner i färgämnet gör att det uppstår en spänning mellan elektroderna.25 Elektrolytet gör att
kretsen sedan sluts. I dag är Grätzelsolceller ett av de största forskningsområdena vad gäller solceller. Det används dock ännu inte kommersiellt, framförallt på grund av för dålig stabilitet.26
3.2.2 Perovskitsolceller
Perovskiter är en typ av material vars kemiska uppbyggnad kan varieras närmast oänd-ligt.27Solceller kan tillverkas av perovskit och i fall där perovskitmoduler har kombinerats med komersiella kiselmoduler har man kunnat uppnå en väldigt hög verkningsgrad. Det handlar om att ta vara på den transmitterade solstrålningen genom att lägga lager av solcellsmoduler bakom andra. Då sådana kombinationer har kunnat uppvisa hög verk-ningsgrad tror man att forskning kring detta ska kunna leda till billigare tillverkning av
24O’Regan B. Grätzel M. 1991 s 737-740 25Wolf. 2012 s 153
26Kungliga tekniska högskolan (4/4-17)https://www.kth.se/che/archive/arkiv/kemmar-1.82389 27
NyTeknik (4/4-17) http://www.nyteknik.se/energi/dramatisk-okning-av-verkningsgrad-hos-solceller-6395849
effektiva solceller i framtiden.28Liksom andra solcellstyper som man fortfarande forskar på är det stora problemet med perovskitbaserade solceller att det har dålig stabilitet.29
3.2.3 Tunnfilmssolceller
Det har skett en utveckling i tillverkning av tunnfilmssolceller sedan 1990.30 Tunnfilms-solceller består av en stabil grund av till exempel glas, metall eller plast som behandlas med ett mycket tunt lager av billiga fotoabsorberande halvledare i gasform. Metoden för att applicera de olika lagerna inkluderar applicering av en gas, användande av sputter och elektrolytbad.31Amorft kisel, koppar, indiumdiselenid (CIS), och kadmiumtellurid (CdTe) används som halvledarmaterial. Då dessa material har väldigt bra absorptionsförmåga med-för det att man kan använda väldigt tunna och indirekt billiga lager (mindre än 0.001 mm) än vad som är teoretiskt möjligt med kiselbaserade solceller. Materialen kan appliceras vid betydligt lägre temperaturer än vad man måste komma upp i för att tillverka kiselsolceller. Det medför ekonomiska och energimässiga besparingar i tillverkningen.32Dessa solceller är i regel mycket tunnare och mer flexibla, men ännu så länge mindre effektiva jämförda med mono- och polykristallina solceller. Tunnfilmspaneler skiljer sig också från kiselsolceller i den bemärkelsen att de redan i tillverkningsprocessen kopplas samman elektriskt genom strukturegenskaper så att varje lager i panelen utgör en solcell.
3.3 Tillverkning
Den omisskännliga kristalina kiselstrukturen som diskuteras i 3.1.2 framställs genom att extrahera kisel från sand, vilken vanligen till stor del består av kiseldioxid, kvarts för att sedan smältas och kylas ned. Det är när kislet sedan kyls som det arrangerar sig enligt mönstret som visas i Figur 1.
Processen börjar med att man tar sand bestående av kiseldioxid tillsammans med kol i en ljusbågsugn. Ugnen värms upp av en elektrisk ljusbåge. Ljusbågen uppstår mellan två elektroder med en spänningsskillnad som är tillräckligt stor för att jonisera luften mellan dem. Strömmen som uppstår mellan elektroderna hettar upp den omkringliggande luften till två tusen grader. Det leder till att bindningarna mellan syret och kislet bryts och syret
28NyTeknik (4/4-17) http://www.nyteknik.se/energi/dramatisk-okning-av-verkningsgrad-hos-solceller-6395849
29
Kloo L. Professor i tillämpad fysikalisk kemi, Intervju
30
The German Solar Energy Society. 2013, s.49
31
The German Solar Energy Society. 2013, s. 50
32
reagerar i sin tur med kolet och bildar koldioxid. Reaktionen kan sammanfattas
SiO2+ 2C −→ 2CO + Si. (20)
Processen i ljusbågsugnen medför 99 procent rent kisel.33 Solceller kräver nästan helt rent kisel och för att extrahera ytterligare föroreningar destilleras kislet. Vid destillation utnytt-jas ämnenas olika flyktighet på så sätt att man värmer upp ämnena och de avdunstar vid olika kokpunkter och kan ledas bort. Kislet sammanfogas sedan efter flera detillationspro-cesser till kiselstavar när tillräcklig kiselhalt har uppnåtts. Kislet p-dopas med föroreringar av bor under processens gång och skärs i 0,2 mm tunna skivor. Det är ett ordentligt spill av kisel i form av kiselspån. Plattorna tvättas sedan för att få bort oönskade skador som har uppstått efter sågningen. Tvättningen medför att plattorna slipas ned ungefär 0,01 mm på båda sidor. N-dopingen sker i en diffusionsugn där kislet som är p-dopat värms upp och låter det reagera med fofor. Det uppstår en naturlig p-n-brygga. Plattorna täcks sedan med antireflexegenskaper. Skivorna ritsas med en maskin på ena sidan för att applicera strömkollektorer och på andra sidan för att applicera kontakter. Slutligen etsas plattorna kring kanterna för att få en tydlig avdelning mellan p- och n-lagren och för att undvika kortslutningsströmmar kring kanterna (där panelerna är ihopkopplade med andra paneler). Vid tillverkning måste solcellspaneler genomgå olika typer av kvalitetstester. Till exempel testas verkningsgrad för olika typer av våglängder och man gör klimattest då solcellen får utstå en simulering av extrema väder- och värmeförhållanden.34
3.4 Utveckling
De senaste åren har utvecklingen av solceller gått framåt väldigt snabbt. Det släpps i prin-cip tio fackliga artiklar om solceller per dag och det söks i prinprin-cip ett till tre patent om solceller per dag.35Professor i oorganisk kemi vid Kungliga tekniska högskolan i Stockholm, Lars Kloo, tror att utvecklingen kommer att ske i samma takt som teknikindustrivågen. Drivkraften som han ser det är viljan att i framtiden vara ekonomiskt oberoende av energi och att vara konkurrenskraftig mot de fossila bränslena.
Solceller utvecklas med hjälp av nanoteknik. Företaget Sol Voltaic AB innehar världsre-kordet vad gäller verkningsgrad på solceller. De har utvecklat en teknik för att producera en film av nanotrådar som har möjlighet att absorbera en större del av solens spektrum.
33
The German Energy Society 2013, s 27
34
Ljunggren M Verkställande direktör på Solibro AB, Intervju
Filmen, som består av galliumarsenid, kan appliceras vid tillverkning av traditionella ki-selsolceller på grund av att den är mycket tunn. Filmen har möjlighet att ta tillvara på den solstrålning som inte absorberas utan går igenom kiselsolcellens absorbtionsområde. Genom att applicera filmen bakom kiselsolcellens absorbtionsområde tas en större del av solens spektrum tillvara.36
Enligt Energimyndighetens hemsida finns det stora förutsättningar inom näringslivet för att utveckla en framstående exportindustri i Sverige med solceller.37 Italien solelsproduk-tion motsvarade 2014 cirka 8 procent av den totala energiproduksolelsproduk-tionen. I Tyskland och Grekland var det cirka 7 procent.38 Det kan jämföras med Sveriges cirka 0,1 procent.39 Sverige har mycket outnyttjade ytor som skulle kunna förses med solceller och enligt Ener-gimyndighetens hemsida lika goda solförhållanden som i norra Tyskland.40Det finns därför stor potential för utbyggnad av solceller i Sverige. De stora forskningsområdena är fram-förallt att utveckla olika typer av nya halvledar- och hybridmaterial som ska kunna ersätta befintliga halvledare och ha bättre verkningsgrad.
3.5 Kostnadsutveckling för olika typer av anläggningar
Figur 13 visar prisutvecklingen för olika typer av anläggningar. Det kan konstateras att priset har gått ned markant de senaste åren för alla kommericiella typer av anläggningar.41 De olika kategorierna är baserade på storleken på den årliga producerade effekten. I figuren visas att priset för olika typer av solcellsmoduler har minskat.
36
Dahlén A, Björk M, Stassen A. Sol Voltaic AB, Intervju
37 Energimyndigheten (10/5-17) http://www.energimyndigheten.se/fornybart/solenergi/franforskningtillmarknad/ 38NyTeknkik (10/5-17) http://www.nyteknik.se/nyheter/solceller-sprider-sig-over-varlden-6343581 39
Dagens nyheter (10/5-17) http://www.dn.se/nyheter/sverige/kraftig-okning-av-solenergi-men-stora-skillnader-i-landet/ 40 Energimyndigheten (10/5-17) http://www.energimyndigheten.se/fornybart/solenergi/franforskningtillmarknad/ 41 Energimyndigheten (4/4-17) http://www.energimyndigheten.se/globalassets/fornybart/solenergi/national-survey-report-pv-power-application-sweden-2015.pdf
Figur 13: Grafen visar utvecklingen av priset på olika typer av solcellsanläggningar angivet i SEK/Wp, där Wp är den speciella standardiserade effekten (1 kW/m2 solinstrålning, 25oC celltemperatur och A.M.1.5-spektrum).
3.6 Trender i utvecklingen
Den tekniska utvecklingen går framåt vad gäller verkningsgrad, men framförallt vad gäller olika tillverkningsmetoder, avsedda för att minimera tillverkningskostnaderna och tillverk-ningstiden. Även prisutvecklingen på solcellers komponenter och material har reducerats avsevärt de senaste åren. Då tillverkningsmetoderna har blivit (nästan optimalt) mer ef-fektiva42har flera företag börjat rikta in sig på att tillverka solceller med bättre flexibilitet och estetiskt tilltalande lösningar. Företagen jobbar även med att ta fram solceller anpas-sade till faanpas-sader för att integrera solceller bättre i takplåt och tegelpannor. Det gäller både vad avser färgkomposition, så att materialen inte kontrasterar alltför mycket mot befintlig takyta, som metoder för att fästa solpaneler så att byggnaden som solpanelerna ska in-stalleras på inte tar skada.43 Man ser också en trend att företagen väljer att inrikta sig på att sälja helhetslösningar framför att begränsa sig till specifika solcellspaneler. Företagen säljer integrerade lösningar även med olika typer av energilagring.44 Det finns till exempel i dag energimässigt självförsörjande hus som inte är anslutna till elnätet utan drivs med
42Ljunggren M Verkställande direktör på Solibro AB, Intervju 43
Ljunggren M Verkställande direktör på Solibro AB, Intervju
44
hjälp av solceller, batteri- och vätgasdrift.45
4
Anslutning till nätet
4.1 Tekniska krav
En solcellsanläggning kopplas via växelriktare direkt mot en elcentral som i sin tur reglerar och väljer om elektricitet ska skickas ut på nätet eller användas i fastigheten. Det måste dras kablar mellan taket och växelriktare samt elcentral. Det behövs därför en mätare och någon typ av övervakande datorsystem som tydligt visar hur mycket elektricitet som produceras. Solcellslösningen behöver växelriktare på grund av att solcellerna producerar likström. Vare sig elektriciteten ska exporteras på nätet eller användas lokalt måste den omvandlas till växelström med en frekvens som kan synkroniseras med elnätet, lokalt eller regionalt. Det görs av växelriktaren. Vidare måste växelriktaren reglera så att växelström inte matas ut på nätet om nätet behöver stängas av för underhåll eller reparation. Tillses inte det kan det leda till att människor skadas. Därför behövs en växelströmsbrytare som kopplar efter växelriktaren.46 Mellan modulerna och växelriktaren behövs en likströmsbrytare i sådana fall det behöver göras underhåll på växelriktaren. Strömmen som produceras beror på solinstrålningen, modulens storlek och hur många moduler som är ihopkopplade. Flera på rad ihopkopplade moduler går under benämningen ”sträng”. Om flera strängar används måste strömmarna summeras i en kopplingslåda innan de kopplas till växelriktaren.
4.2 Lagring i batterier
På marknaden finns det lösningar för energilagring. Det finns batterier och vätgasceller.47
Båda typerna kan användas till en solcellsanläggning.48 Vätgaslagring sker på så sätt att en elektrolysör använder ett överskott av el för att spjälka vatten till vätgas. Vätgasen kan sedan vid energibrist omvandlas till vatten igen genom en förbrännare. Energin utvinns dels i form av elektricitet, dels i form av värme. För Slottets tak är en batterilösning möjligen inaktuell då en solcellsanläggning aldrig kommer upp i en energiproduktion som
45 NyTeknik (13/5-17) http://www.nyteknik.se/nyheter/fri-fran-elnatet-med-egen-vatgas-6344197 46 Elsäkerhetsverket (10/5-17) http://www.elsakerhetsverket.se/globalassets/pdf/rapporter/elsakerhetsverket-rapport-informationsbehov-och-elsakerhetskrav-rorande-solcellsanlaggningar.pdf 47NyTeknik (3/5-17) http://www.nyteknik.se/nyheter/fri-fran-elnatet-med-egen-vatgas-6344197 48
kan täcka hela Slottets konsumtion. Om man däremot sätter en eventuell solcellslösning i det perspektivet att den ska försörja en viss del av Slottet eller försörja en viss del av Slottets elteknik kan det vara aktuellt med batterilagring. Vidare kan energilagring vara relevant ur säkerhetssynpunkt om Slottet av händelse skulle bli strömlöst. Eventuell energilagring i batterier eller vätgasceller kan fungera utmärkt som backup om man inte vill använda oljepannor. I dag är oljepannor den enda backupdriften som finns på Slottet.
4.3 Legala krav
Slottet är klassat som ett statligt byggnadsminne sedan 1989. För en solcellsanläggning krävs det därför ett tillståndsbeslut av Riksantikvarieämbetet enligt 6 § förordningen (2013:558) om statliga byggnadsminnen. För de skyddsbestämmelser som finns gäller bland annat att ”Byggnaderna får inte rivas vare sig i sin helhet eller delvis, inte byggas om, byggas till eller på annat sätt ändra sin exteriör.”49Undantag kan dock göras om det finns
särskil-da skäl enligt 7 § ovannämnsärskil-da förordning. Den myndighet som förvaltar Slottet är Statens fastighetsverk. Det är de som ska lämna in en ansökan till Riksantikvarieämbetet. När det gäller frågan om särskilda skäl så ska eventuell materiell förvanskning sättas i proportion till immateriell förvanskning av fastigheten (till exempel estetiken kring en uppsättning av paneler).50 Av Riksantikvarieämbetets miljöpolicy51 framgår att ”Riksantikvarieämbetet ska förebygga negativ miljöpåverkan genom att ta miljöhänsyn i alla beslut.”
Takanordningar ska enligt Boverkets byggregler 8:24152 ”förses med skyddsanordningar mot fall från tak om det inte är uppenbart onödigt med hänsyn till personsäkerheten vid byggnadens användning”. Eftersom Slottet är försett med takräcke och balustrader i bå-da riktningar, vilket kan observeras i Figur 14 och då takets lutning är liten behövs inga särskilda säkerhetsanordningar. Arbetet med att installera en anläggning kommer därmed att ta betydligt mindre tid eftersom det inte finns någon säkerhetsaspekt som man måste ta extra hänsyn till.
49
Skyddsbestämmelser för statliga byggnadsminnet Stockholms slott, Tre kronor 1, Stockholms stad och län, Riksantikvarieämbetet, 2016-08-29, Dnr 3.4.3-4350-2008
50Isola O. Handläggare på Riksantikvarieämbetet, Intervju
51Riksantikvarieämbetet (12/4-17) http://www.raa.se/om-riksantikvarieambetet/vart-miljoarbete/
52
Boverket (7/5-17)
Figur 14: Bilden visar vyn över en del av Slottets tak. Bilden visar också att det finns takräcken i samtliga riktningar.
Vidare måste Statens fastighetsverk söka bygglov för en solcellsanläggning.53 Regeringen vill dock ta bort bygglovet för solcellsanläggningar.54
Lagen (1992:1528) om offentlig upphandling, LOU, gäller vid upphandling som görs av Statens fastighetsverk. Det innebär att Statens fastighetsverk ska följa de bestämmelser som gäller för offentlig upphandling. Huvudregeln är att ”upphandlingen ska göras med utnyttjande av de konkurrensmöjligheter som finns och även i övrigt genomföras affärs-mässigt”.55 Det innebär också att en solcellsanläggning på Slottet är beroende av vilken teknisk beskrivning som efterfrågas av Statens fastighetsverk i det förfrågningsunderlag som ska ligga till grund för upphandlingen av en solcellsanläggning.
4.4 Ekonomiska krav/begränsningar
Statens fastighetsverk håller för närvarande på med fasadrenovering av Slottet. Det är ett projekt som kommer att pågå i flera år och som kommer att kosta mycket pengar. År 2016 uppgick renoveringskostnaderna till 29 miljoner kronor56 och året dessförinnan
53 Stockholms stad (8/5-17) http://www.stockholm.se/ByggBo/Bygglov/a-o-lanksidor/Solceller-och-solfangare/ 54 NyTeknik (8/5-17) http://www.nyteknik.se/energi/regeringen-slopa-bygglov-for-solceller-6833250
55Lagen 1992:1528 om offentlig upphandling, 1 kap. 4 § LOU 56
Statens fastighetsverk (7/5-17) http://www.sfv.se/globalassets/omoss/uppdragekonomi/ ekonomirapporter/sfv-arsredovisning-2016-sign-low.pdf
till cirka 32 miljoner kronor.57 Statens fastighetsverk har avsatt mellan 30 till 40 miljo-ner 2017 för fasad- och fönsterrenoveringar. Totalt kommer fasadrenoveringen att kosta ungefär en kvarts miljard kronor, vilket inte kan anses vara en obetydlig post för Slot-tets förvaltning.58Statens fastighetsverk får årligen anslag till Slottets förvaltning som ska räcka till all typ av underhåll. Vidare minskade Statens fastighetsverk totala anslag med ungefär 150 miljoner kronor 2016, det vill säga från 340 miljoner kronor år 201559till 195,5 miljoner kronor år 2016.60Avsatta medel för en eventuell solcellsanläggning på Slottes tak uppgår till två miljoner kronor.61 Dessa medel ska täcka alla komponenter som ska ingå i en solcellsanläggning inklusive kabeldragning och arbetskostnader.
5
Politiska randvillkor
5.1 De statliga subventionernas variation beroende på förändrade
el-och oljepriser
Den 1 juli 2009 infördes ett statligt stöd för solceller. Stödet riktar sig till de solcellssystem som är nätanslutna. Maximalt belopp som kan betalas ut är 1,2 miljoner kronor per an-läggning eller 37 000 kronor per kilowattimme producerad toppeffekt. Stödet kan endast täcka maximalt 30 procent av kostnaderna om det rör sig om ett företag och 20 procent för övriga. Stödet fördelas av länstyrelserna i Sverige. För att få ta del av stödet krävs en ansökan till länstyrelserna via Boverkets portal.62 I Tabell 1 och Figur 1563 kan man observera hur de statliga subventionerna har varierat sedan införandet av statligt stöd. Datan extrapoleras varje månad och tabellen ger därför ingen rättvis bild av det sista året 2017.
57Statens fastighetsverk (7/5-17)
http://www.sfv.se/globalassets/omoss/uppdragekonomi/ ekonomirapporter/sfv_ar_2015.pdf
58
Svenska dagbladet (7/5-17)https://www.svd.se/minst-20-ars-renovering-vantar-slottet 59 Energimyndigheten (7/5-17) http://www.sfv.se/globalassets/omoss/uppdragekonomi/ekonomirapporter/sfv_ar_2015.pdf 60Energimyndigheten (7/5-17) http://www.sfv.se/globalassets/omoss/uppdragekonomi/ekonomirapporter/sfv-arsredovisning-2016.pdf 61
Kampmann E Teknisk förvaltare på Statens fastighetsverk, Intervju
62 Energimyndigheten (8/5-17) http://www.energimyndigheten.se/fornybart/solenergi/solceller/stod-till-solceller/ 63Energimyndigheten (20/3-17) http://www.energimyndigheten.se/globalassets/fornybart/solenergi/manadsrapporter/2017/ manadsrapport-februari-2017.pdf
En annan typ av statlig subvention är skattereduktion för mindre anläggningar (säkringen i anslutningspunkten måste vara under 100 ampere) som uppgår till maximalt 30 000 kronor som man kan få reduktion för i deklarationen.64 Slutligen kan man också få rot-avdrag för solceller. Det går dock inte att erhålla både rotavdrag och investeringsstöd. Rotavdraget uppgår till maximalt 30 procent av arbetskostnaderna.65
År Beviljat belopp Utbetalt belopp 2009 28 425 721 54 000 2010 74 124 864 33 226 439 2011 71 180 219 81 020 965 2012 57 878 977 78 346 201 2013 115 888 657 73 158 184 2014 61 050 468 75 595 194 2015 85 666 305 78 172 626 2016 278 344 760 138 939 397 2017 36 995 813 30 850 923 Totalt 809 555 784 589 363 929
Tabell 1: Stapeldiagrammet visar beviljade avsatta statliga medel och utbetalda medel i Sverige.
Figur 15: Stapeldiagrammet visar beviljade avsatta statliga medel och utbetalda medel i Sverige.
I Tabell 1 och Figur 15 kan det observeras att det staliga stödet fick ett rejält tillskott år 2016. Samtidigt framgår det av Figur 1666 att oljepriset har gått ned samt Figur 17 och Tabell 267 att elpriserna för samtliga kategorier av hushållskunder har gått upp. Om sambanden analyseras kan det konstateras att det låga oljepriset kan leda till att privat-kunder har större möjlighet att investera i förnyelsebara energikällor då de får mer pengar att röra sig med. Det kan ses som en drivande kraft till varför priset på solceller sjunker. Även en höjning av statliga subventioner gynnar en positiv kostnadsutveckling av solceller. Slutligen kan det stigande elpriset också vara en drivande kraft på så sätt att ett förhöjt elpris medför att elkunder gärna söker sig till energikällor som de själva har möjlighet att
64 Skatteverket (11/4-17) https://www.skatteverket.se/privat/fastigheterochbostad/mikroproduktionavfornybarel/ skattereduktionformikroproduktionavfornybarel.4.12815e4f14a62bc048f4220.html 65 Energimyndigheten (9/5-17) http://www.energimyndigheten.se/fornybart/solenergi/solceller/stod-till-solceller/ 66
U.S Energy information administation (21/3-17) https://www.eia.gov/dnav/pet/hist/ LeafHandler.ashx?n=PET&s=RCLC1&f=D
67Statistiska centralbyrån (21/3-17) http://www.scb.se/hitta-statistik/statistik-efter-amne/ energi/prisutvecklingen-inom-energiomradet/energipriser-pa-naturgas-och-el/
styra över och som bonus kan de få ned sina elpriser. Av den enkla anledningen att gemene man i dag genom elnätet och de energiproducerande företagen har vant sig vid ständig funktion, utan att veta mycket om produktionen och tekniken bakom, finns det ingen stör-re möjlighet eller benägenhet att kontrollera elpriserna själva. En möjlighet att göra det är att installera solpaneler. Det finns alltså en drivkraft för solceller genom att man kan få en större kontroll över sin energikonsumtion.
Figur 16: Grafen visar utvecklingen av priset på råolja mellan år 2009 och februari 2017.
Figur 17: Grafen visar genomsnittligt to-talpris på elektricitet som betalades av oli-ka oli-kategorier av hushållskunder per halvår. I totalpriset ingår el, nät, elcertifikat, elskatt och mervärdesskatt. Priset anges i öre/kWh.
Det kan observeras att oljepriset har sjunkit radikalt de senaste åren från cirka 100 USD per fat till 50 USD per fat.
Förbrukarkategori Årlig konsumtion (kWh) DA < 1000 DB 1 000 - < 2 500 DC 2 500 - < 5 000 DD 5 000 - < 15 000 DE ≤ 15 000 År DA DB DC DD DE 2007 januari – juni 250 145 144 128 114 juli – december 270 161 150 136 122 2008 januari – juni 269 176 159 139 127 juli – december 293 192 172 149 136 2009 januari – juni 277 195 174 149 140 juli – december 285 189 171 148 135 2010 januari – juni 337 195 180 156 143 juli – december 309 197 182 158 143 2011 januari – juni 325 204 187 161 146 juli – december 309 203 186 161 144 2012 januari – juni 313 197 180 151 136 juli – december 308 193 178 152 136 2013 januari – juni 318 198 179 150 134 juli – december 307 195 179 154 137 2014 januari – juni 318 196 176 146 129 juli – december 329 200 173 148 128 2015 januari – juni 318 193 173 143 125 juli – december 322 195 175 145 125 2016 januari – juni 339 199 176 142 124 juli – december 351 211 189 156 135
Tabell 2: Tabellen visar genomsnittligt to-talpris på elektricitet som betalades av oli-ka oli-kategorier av hushållskunder per halvår. I totalpriset ingår el, nät, elcertifikat, elskatt och mervärdesskatt. Priset anges i öre/kWh.
5.2 Politiska mål
Om riksdagens partier står bakom en fortsatt utveckling av solceller betyder det att det också finns ett stöd för solceller hos det svenska folket. De huvudsakliga ståndpunkterna hos riksdagspartierna sammanfattas därför här nedan för att finna incitament för om det finns ett symbolvärde i att installera en solcellsanläggning på Slottets tak.
Centerpartiet har en positiv inställning till både solceller och en solcellsanläggning på Slottet. De vill att de statliga subventionerna som går till solceller även ska omfatta bo-stadsrätter. De är positiva till att en anläggning på Slottet blir av så länge processen genomförs korrekt. Rickard Nordin, Centerpariets klimat- och energipolitiske talesperson
driver gärna opinion för ett eventuellt solcellsprojekt.68
Moderaterna tror på en stabil energiförsörjning i form av kärnkraft och vattenkraft. De vill bygga ut kärnkraften och vattenkraften. De tror på ett energisystem som är funktio-nellt och till rimligt pris. De vill på sikt öka andelen förnybar energi, men tänker inte öka några forskningsanslag då de menar att de inte vill investera med skattemedel i teknik som kanske fungerar först i framtiden. De ligger på samma nivå vad gäller forskningsanslag till energiforskning som regeringen, 1,4 miljarder.69
Socialdemokraterna är för solceller och har under sin regeringstid ökat det statliga stö-det för solceller med totalt 1,4 miljarder kronor.70
Kristdemokraterna vill bygga ut solenergin i Sverige och göra det möjligt för ”juridiska personer som producerar solel för eget bruk att få reducerad skatt med 0.5 öre/kWh”.71
Liberalerna vill ”ta bort fastighetsskatten på produktionsanläggningar för solenergi”.72
Miljöpartiet vill ”satsa på utbyggnad av sol, vind och annan förnybar energi”.73
Vänsterpartiet vill ”satsa på energieffektivisering och förnybar energi som solenergi.”74
Sverigedemokraterna anser att ”solenergi inte inom en överskådlig tid kan utgöra mer än komplement till kärnkraften och vattenkraften.” De vill bygga ut kärnkraften.75
5.3 Investering i ny teknik i byggnader som är kulturminnesmärkta
Riksantikvarieämbetet får årligen in mellan 420 till 450 förfrågningar om att på något sätt ändra kulturminnesmärkta byggnader. Vid bedömningen går de, sedan Sveriges inträdande
68
Nordin R Klimat- och energipolitisk talesperson för Centerpartiet, Intervju
69
Hjälmared L Energipolitisk talesperson för Moderaterna, Intervju
70 Socialdemokraterna (13/5-17) https://www.socialdemokraterna.se/aktuellt/nyhetsarkiv/ Viktig-signal-infor-klimatmote/ 71Kristdemokraterna (13/5-17) https://kristdemokraterna.se/?post_type=politic&politic-categories=s 72 Liberalerna (13/5-17)https://www.liberalerna.se/politik/energi/ 73 Miljöpartiet (13/5-17)https://www.mp.se/politik/energi 74 Vänsterpartiet (13/5-17) http://www.vansterpartiet.se/politik/energi 75 Sverigedemokraterna (13/5-17)https://sd.se/var-politik/
i EU, efter proportionalitetsprincipen, det vill säga att de väger fördelar mot nackdelar. I varje enskilt fall gör de en särskild bedömning. De tar hänsyn till allt från förvanskning av fastigheten till energibesparingar. Typiska ändringar som består av ny teknik är när man på något sätt vill förändra användning, säkerhet, göra underhåll, brandskydd, handikap-panpassning samt tillvarata arbetsmiljöfrågor. Detta kan vidare bestå i allt från installation av hiss till brandlarm. De allra flesta ansökningar godkänns. Riksantikvarieämbetets vision är att främja utveckling och användning men att samtidigt, då det ligger i allmänhetens intresse, bevara unika miljöer.76
6
Kungliga slottet
6.1 Byggnadsteknisk beskrivning
Slottet är en byggnadsminnesmärkt fastighet.77 Slottets huvudborg består av fyra ihop-satta längor likt en ihålig kvadrat. Bilderna på de följande sidorna visar översiktligt hur Slottet ser ut. Den första bilden visar Slottet sett från ett helikopterperspektiv, det vill säga rakt ovanifrån. Bilden visar också längornas orientering sett från olika väderstreck. Den nedre delen av bilden har två rundade segment. Dessa segment är paviljongerna som också hör till Slottet och som är belägna vid den yttre borggården. Huvudbyggnaden är den på samma bild visade ihåliga kvadraten. Området innanför kvadraten kallas den inre borgården.
Den andra bilden visar en av längorna som hör till huvudborgen i genomskärning. Den inre och den yttre väggen är olika höga på huvudborgen. Den inre väggen med höjden h1 är lägre än den högre väggen med höjd h2. Taket mellan väggarna är platt och lutar
innåt mot den inre borggården. Taket har lutningen α = arctan(h2−h1
b ), där b är en längas
bredd. Bredden hos längorna är olika breda medan inner- och ytterväggarna håller konstant höjd. Taken har därmed olika lutning på de olika längorna. De olika längorna går under benämningarna ”Norra”, ”Östra”, ”Södra” och ”Västra” längan. Längorna är inte riktade i exakt den riktning som benämningarna syftar till. Som framgår av Figur 8 i avsnitt 3.1.4 kan de olika vädersträcken uttryckas i antal grader. Om norr är 0o och öster är 90o kan man enligt Tabell 3 samt bilden på kommande sida se att längorna har en vridning med cirka 35.5o. Tabell 3 visar vridningen som en påtänkt panel skulle få om den monterades
76
Isola O Teknisk Handläggare på Riksantikvarieämbetet, Intervju
77
Statens fastighetsverk (20/4-17) http://www.sfv.se/sv/bygg-pa-kunskap/statliga-byggnadsminnen/
på en av längorna. Det vill säga 180o vridning sett från en längas riktning.
I Tabell 3 finns det två poster som anger total yta respektive användbar yta. Den an-vändbara ytan kommer från att det finns mycket skorstenar som skuggar delar av takytan samt ytor som av praktiska och estetiska skäl inte kan förses med solceller.
Del av Slottet Lutning Total yta Användbar yta Vridning Norra 15.2o 1500 m2 900 m2 144.5o Östra 11.2o 2100 m2 1260 m2 234.5o
Södra 13.5o 1500 m2 1050 m2 324.5o Västra 12.2o 2100 m2 1260 m2 54.5o
Tabell 3: Tabellen visar maximala möjliga yta på Slottets tak som kan beläggas med solceller samt de olika längornas lutning och orientering.
Slottet är 230 meter långt och 125 meter brett. Beroende på vid vilken länga man står är höjden från mark till tak olika och varierar mellan 25-30 meter. Höjden och den låga lutningen på taket gör att man inte ser taket från marken. Slottet är också en av de högsta byggnaderna i området. De byggnader som är högre är framförallt Storkyrkan och Riddarholmskyrkan. Detta medför att Slottets tak i huvudsak inte syns från intilliggande byggnader.
6.2 Slottets elförsörjning
Om solelen bidrar till att minska Slottets energibehov kan man enkelt uppskatta solelens värde. Om man däremot väljer att exportera producerad solel till nätet är det svårare att upskatta värdet av en kWh. Det är därför av intresse att sätta den producerade elen i proportion till Slottets årliga elbehov. Den anslutning till Slottet som i dag levererar mest elektricitet till Slottet är den östra servicen som levererar schablonmässigt cirka 74 procent av Slottets totala last.78
Slottet har två ställverk där el kommer in till Slottet från elnätet. Till det ena ställ-verket kommer det tre stycken 200-amperekablar och till det andra en 200-amperekabel. Utrustningen är cirka 20 år gammal, men bland det bästa i sitt slag och kan fortfarande anses vara toppmodern.79 Det första ställverket förser huvudborgen med energi, medan det andra förser paviljongerna vid den yttre borggården. Ställverken dirigerar all el till en elcentral som mäter och distribuerar elektriciteten till Slottets olika delar. All el kan övervakas på dator från en mätstation som finns i ett av ställverken. Ledningarna löper runt hela Slottet och leder upp och ned vid Slottets olika hörn. De ansluter därefter till råvinden. Under taket finns ett vindsutrymme som löper runt hela Slottet. Det finns, den gamla 1700-tals arkitekturen till trots, teknik som är toppmodern. Av intresse finns till exempel en kabelstege som löper längs hela vinden och som förser Slottets lokaler med elektricitet och internet. Det finns också en elcentral på vinden som testanläggningen är ansluten till.
6.3 Slottets årliga energibehov
För att få en överblick över Slottets årliga energibehov är det bra att sätta den totala energin i proportion till hur mycket som går åt till värme respektive kyla. Detta för att det i dag finns bra lösningar på hur man minskar förbrukningen på till exempel belysning genom att byta ut lampor mot LED-lampor och elektronik som blir smartare och drar mindre energi. Effektivitet för uppvärmning och kyla är å andra sidan beroende av hur välisolerad fastigheten är. Eftersom Slottet är ett skyddat statligt byggnadsminne kan man utgå från att det inte kommer att genomföras några större ombyggnationer för att isolera bättre.
78Utvärdering av solcellsanläggning på Stockholms slott, Jan-Erik Nowacki, Nowab 79
Figur 18: Figuren visar Slottets energiförbrukning åren 2013, 2014, 2015 och 2016 fördelat på de olika månaderna exklusive värme och kyla. Datan är hämtad från Statens fastighets-verk.
Figur 19: Figuren visar Slottets energiförbrukning för värme och kyla åren 2013, 2014, 2015 och 2016 fördelat på de olika månaderna. Datan är hämtad från Statens fastighetsverk.
Det kan konstateras, som man också ser i Figur 18 och 19, att värme och kyla utgör en väldigt stor del av Slottets energiförbrukning. Vidare kan det konstateras att förbrukningen är som störst sommartid. Det används ytterst lite energi till uppvärmning av Slottet som-martid liksom väldigt lite kyla vintertid. Med andra ord utgör kylanläggningen en väsentlig del av Slottets energiförsörjning.
6.4 Antikvariska aspekter
Om solpaneler ska installeras på Slottets tak finns det flera antikvariska aspekter som måste beaktas. För det första kommer man på något sätt att vara tvungen att göra hål i taket för att dra kablar. Enligt de skyddsföreskrifter som Riksantikvarieämbetet har utformat får detta inte göras utan särskild prövning. Man får inte heller göra hål i eller borttag i fasaden eller i kulturhistoriskt värdefulla skikt, utsmyckningar dekorativt måleri eller patina. Beroende på hur många växelriktare som behövs och var de är placerade kommer det att behövas göras olika många hål. Man kan dock tänka sig att det är tillräckligt med en till två växelriktare per länga beroende på hur stor toppeffekt en anläggning producerar. Det är viktigt att hålen inte medför onödig förvanskning av taket. Det får inte tas bort någon fast inredning i Slottet för att göra plats för eventuell kabeldragning eller förvaring av annan utrustning som hör till en solcellsanläggning. Man måste se till att applicering av paneler inte medför att taket tar skada. All typ av färgmässiga kontraster ska beaktas. Kablar och paneler får inte kontrastera allt för mycket mot fasaden eller takplåten.80 Vidare kan det ses till andra estetiska antikvariska aspekter såsom panelernas symmetrier och med vilken lutning och vridning panelerna installeras. Även byggnadens och områdets silluett ska beaktas i den bemärkelsen att stora förändringar av byggnaden kan medföra att byggnaden och området runt omkring på långt håll ser annorlunda ut.
7
Aktörer
7.1 Hans Majestät Konungen och Hovet
Slottet är en byggnad från 1700-talet som används dagligen. Förutom att Slottet används för representation och museiverksamhet inrymmer byggnaden också kontorslokaler m.m. både för Kungen och Drottningen, men också för majoriteten av de cirka 500 anställda vid de Kungliga hovstaterna (Hovet). Som tidigare nämnt går det därför åt mycket energi för
80Riksantikvarieämbetet (22/5-17) http://www.bebyggelseregistret.raa.se/bbr2/show/bilaga/ showDokument.raa?dokumentId=21000001831166&thumbnail=false
att hålla lokalerna i en så gammal byggnad arbetsmiljövänliga. Det ter sig därför naturligt att både Kungen och Hovet är aktörer i frågan om solceller ska bli av eller inte. I och med att Kungen har dispositionsrätt till Slottet måste även Kungen formellt säga ja för att det överhuvud taget ska bli en anläggning.81
En annan del av det hela är den mediala aspekten och uppmärksamheten som Hovet som organisation får om solceller installeras eller om någon annan typ av miljömässigt ansvars-tagande görs. Det finns ett värde i detta dels för förtroendet som då kan stärkas gentemot Kungen och Hovet som organisation, dels för den reklam som museiverksamheten får samt den potentiellt ökade kunskapsspridningen om Sveriges kulturarv som förmodligen fler kan komma att ta del av.
7.2 Statens fastighetsverk
Det finns över hela Sverige byggnader som staten äger. De som är av kulturhistoriskt värde eller som staten har särskilt ansvar för förvaltar Statens fastighetsverk. Statens fastighets-verk har bland annat till uppgift att förvalta Slottet och är ägare till fastigheten.82 Det är också Statens fastighetsverk som betalar för en eventuell solcellsanläggning på Slottets tak. Statens fastighetsverk har sitt ursprung i den omorganisation som ägde rum 1993. Före omorganisationen var det Kungliga byggnadsstyrelsen som var ansvarig för statens kulturminnesmärkta byggnader.
Statens fastighetsverk lämnade i samband med att kungen fyllde 70 år 2016 över en gåva som innebar att Slottet ska få solceller på taket. Det överlämnades också en skiss på hur det eventuellt skulle kunna se ut. Det står därför klart att Statens fastighetsverk kommer att försöka driva igenom ett solcellsprojekt. Det är enbart en fråga om när det kan vara aktuellt.83 Statens fastighetsverk satte år 2009 upp målet att minska energianvändningen till år 2016 med 26 procent och har under perioden lyckats åstadkomma en minskning med 20 procent.84
81Larsson S. Ståthållare, Intervju
82Statens fastighetsverk (17/5-17)http://sfv.se/sv/om-oss/uppdrag/ 83
Statens fastighetsverk (17/5-17)
http://www.sfv.se/sv/om-oss/en-lang-historia/1918-1967-kungl-byggnadsstyrelsen/ 84
Statens fastighetsverk (7/5-17) http://www.sfv.se/globalassets/omoss/uppdragekonomi/ ekonomirapporter/sfv-arsredovisning-2016-sign-low.pdf
