Solceller med tillhörande lagringsbatteri i flerbostadshus

Abstract (Swedish)

Titel: Solceller med tillhörande lagringsbatteri i flerbostadshus
– Analys av lönsamhet och möjlighet att uppfylla
kommande NNE-krav
Författare: Frida Hansson, Christian
Bakgrund: Den 1 januari 2021 träder nya, skärpta krav på byggnaders energiprestanda i kraft. Dessa krav kallas nära-nollenergikrav (NNE-krav) eftersom de tillkommer som en åtgärd för att öka antalet nära-nollenergibyggnader i Sverige enligt nya direktiv från Europeiska Unionen.
Från och med juli 2017 ändras även sättet att beräkna
energiprestanda på. Ändringarna 2021 medför att det blir mindre fördelaktigt att använda elenergi för att täcka energibehovet i en byggnad såvida elenergin inte produceras förnybart i anslutning till fastigheten.
Om en byggnads energiprestanda behöver förbättras för att klara de nya NNE-kraven kan solceller vara ett alternativ. Detta då den levererade energin till byggnaden kan minskas. För flerbostadshus överensstämmer inte byggnadens ellastprofil med solcellers produktion av el. Detta medför att solcellernas fulla kapacitet inte kan utnyttjas till att förbättra energiprestandan eftersom överproduktion av el inte får tillgodoräknas.
För att det i flerbostadshus ska vara möjligt att utnyttja solceller mer effektivt för att minska mängden levererad energi till byggnaden, och därmed förbättra energiprestandan, krävs det att en större mängd elenergi som produceras i solcellerna kan utnyttjas. Detta kan åstadkommas genom att koppla lagringsbatterier till solcellsanläggningen.
Lagringsbatteri kopplade till byggnader är fortfarande relativt nytt och det finns inte några tidigare studier kring hur dessa kan användas i flerbostadshus. Boverkets strängare krav på byggnaders energiprestanda (särskilt beträffande el) ökar intresset för hur lagringsbatterier kan utnyttjas för att förbättra byggnaders energiprestanda och klara BBR:s nya energikrav 2021. Eftersom priserna på lagringsbatterier dessutom har sjunkit under de senaste
åren (Liebreich, 2015), är solceller och lagringsbatteri nu en investering som också skulle kunna vara lönsam.
Solceller med tillhörande lagringsbatteri i flerbostadshus
Syfte: Syftet med examensarbetet är att undersöka om solceller i kombination med lagringsbatteri kan vara en möjlig åtgärd för att uppfylla de nya kraven på byggnaders energiprestanda från Boverket (nära-nollenergikraven), som träder i kraft den 1 januari 2021. Studien fokuserar på flerbostadshus i Sverige.
Metod: Byggnadens energiprestanda utgörs av byggnadens
energianvändning, uttryckt i primärenergi, fördelat på Atemp (Boverket). Energianvändningen för referenshuset
fastställs med hjälp av energiberäkningar i datorprogrammet IDA Indoor Climate & Energy (IDA ICE), där en modell av referenshuset byggs upp baserat på tillgängliga ritningar och visionsbilder. Energiberäkningarna genomförs för referenshuset placerat i Malmö respektive Stockholm och referenshuset tilldelas
fyra olika uppvärmningssystem: fjärrvärme, frånluftsvärmepump, bergvärmepump respektive luft-/vattenvärmepump.
Resultatet från IDA ICE kompletteras med energiposter som inte inkluderas vid simuleringen så som vädring, köksventilation och VVC-förluster. Energiprestandan beräknas med den fastställda energianvändningen och jämförs sedan mot kravet från BBR samt mot Miljöbyggnad. Då kravnivåer för Miljöbyggnad ännu inte är fastställda för år 2021 används krav för 90 %, 85 % och 75 % av BBR.
Solceller och lagringsbatterier dimensioneras och optimeras för att förbättra energiprestandan så att byggnaden uppfyller respektive krav som presenterats ovan. Storlek för solceller uttrycks i toppeffekt och lagringsbatterierna uttrycks i antal batterier med en
viss lagringskapacitet. Resultatet presenteras sedan i en tabell där varje kravnivå, ort och uppvärmningssystem ingår.
Slutsats: Det valda referenshuset klarar för alla fall, utom frånluftsvärmepump, kravet på energiprestanda enligt BBR 2021. Detta indikerar att klimatskalet för byggnaden är tillräckligt bra för att kravet ska kunna uppfyllas utan att extra åtgärd krävs. För fallet med frånluftsvärmepump krävdes åtgärden solceller och
lagringsbatteri för att uppnå kravet enligt BBR 2021. Eftersom detta är en fallstudie är slutsatserna endast giltiga för de fall som presenteras i arbetet med det givna referenshuset.
För strängare kravnivåer enligt exempelvis Miljöbyggnad kan det konstateras att solceller och lagringsbatterier kan förbättra energiprestandan. Solceller och lagringsbatterier är dock ingen lönsam investering i dagsläget men det finns potential att de i framtiden kan bli lönsamma eftersom priset för både solceller och
lagringsbatterier minskar och har minskat de senaste åren.
Solceller med tillhörande lagringsbatteri i flerbostadshus.

Abstract

Title: PV-cells and storage batteries in multifamily residential buildings
– Analysis of the profitability and the ability to meet the upcoming nearly zero-energy requirements
Authors: Frida Hansson, Christian Jedhammar
Supervisors: Karin Adalberth, Building Physics, LTH
Ludvig Andersson, Teknik och hållbarhet, NCC Building SE
Examiner: Åsa Wahlström, Installation Technology, LTH
Problem: On 1 January 2021 new, stringent requirements for the energy
performance of buildings in Sweden take effect. This is a measure
to meet the new Directive from the European Union saying that all
new buildings shall be nearly zero-energy buildings by 31
December 2020. The new requirements are supposed to increase
the number of nearly zero-energy buildings in Sweden (Boverket,
2017 (b)).
A new calculation method for the energy performance of buildings
will take effect in June/July 2017. The changes in the calculation
method will make electricity a less advantageous energy source for
covering the energy demand in a building. Unless the electricity is
produced from a renewable energy source and the energy
production takes place on-site (Boverket, 2017 (b)).
If a building needs to improve its energy performance, in order to
meet the new requirements from Boverket, one option is to install
photovoltaic cells (PV-cells) since this will help reduce the need
for delivered energy to the building. In multifamily residential
buildings, the peak energy need does not meet the peak production
of electricity in the PV-cells. For this reason, the PV-cells cannot
be used at their full capacity when trying to improve the energy
performance unless overproduction is accepted.
In order to use the PV-cells more efficiently in multifamily
residential buildings and thus improve the energy performance,
more energy produced in the PV-cells need to be utilized. This
might be possible to achieve by connecting a battery to the
PV-cells.
The use of storage batteries in buildings is still relatively
uncommon and no other studies of the use in multifamily
residential buildings have been found. The new requirements from
Boverket arouse a greater interest of how batteries can be used in
order to improve the energy performance of buildings. Since
batteries have become less expensive in recent years (Liebreich,
2015), the investment of PV-cells and storage batteries in
Solceller med tillhörande lagringsbatteri i flerbostadshus
multifamily residential buildings might be profitable if the aim is
to improve the energy performance of the building and meet the
new requirements from Boverket that take effect in 2021.
Objective: The objective of this study is to analyze if the combination of
PV-cells and storage batteries can help improve the energy
performance of buildings in order to meet the new requirements
from Boverket that will take effect on 1 January 2021. This study
focuses on multifamily residential buildings in Sweden.
Method: The energy performance of a building is composed of the energy
consumption of the building, expressed in primary energy,
distributed over the Atemp (Boverket, 2017 (a)). The energy
consumption of the reference building is determined using the
simulation tool IDA Indoor Climate & Energy (IDA ICE), where a
model of the building is created based on accessed drawings and
visions for the building. The simulations are performed for the
reference building placed in Malmö and Stockholm respectively.
The reference building is studied with four different heating
systems at those two locations: district heating, exhaust air heat
pump, geothermal heat pump and air-source heat pump.
A few complementary calculations are needed since some of the
energy consumption is not considered in IDA ICE, for instance
energy losses from kitchen ventilation and hot water circulation.
The results from those calculations are added to the result from
IDA ICE to make sure that all energy consumption is considered.
This total energy consumption is used when calculating the energy
performance of the reference building. The determined energy
performance is compared to the requirements from Boverket and
also the requirements according to the Swedish system for
certifying the sustainability of buildings called Miljöbyggnad.
Since it is not yet determined how the new requirements from
Boverket will affect Miljöbyggnad, the energy performance levels
corresponding to 90 %, 85 % and 75 % of the requirements from
Boverket are used in this study.
The size of the PV-system and the amount of batteries needed in
order to meet the different requirements mentioned above are then
determined. The size of the PV-system is expressed using peak
power (kWp) and the batteries needed are expressed as a number
of batteries with a certain storage capacity. The results are
presented in a table along with the requirement, location and
heating system for each case studied.
Conclusion: The reference building subject to this study is able to meet the new
requirements from Boverket in all of the studied cases except
when the building is heated with an exhaust air heat pump. This
indicates that the building envelope is good enough since no
Solceller med tillhörande lagringsbatteri i flerbostadshus
improvement of the energy performance is needed in order for the
building to meet the new requirements. When the reference
building is heated with an exhaust air heat pump PV-cells and
storage batteries are needed in order for the building to meet the
new requirements. These conclusions are only valid for this
particular reference building and the studied cases presented in this
report.
From the results for the requirements according to Miljöbyggnad,
which correspond to the energy performance levels 90 %, 85 %
and 75 % of the requirements from Boverket, the conclusion can
be made that PV-cells and batteries can be used in order to
improve the energy performance in multifamily residential
buildings. However, the investment of PV-cells and storage
batteries cannot be considered a profitable investment today, but it
is likely to become more profitable in the future since PV-cells and
storage batteries are becoming less expensive.
Key word: Photovoltaic cells, Battery, Storage Battery, Primary energy,
Primary energy number, IDA ICE, Energy calculation,
Multifamily residential buildings

Popular Abstract (Swedish)

Solceller och lagringsbatterier i flerbostadshus - Möjlig åtgärd för att förbättra energiprestanda enligt de nya nära-nollenergikraven från Boverket

Energisimuleringar av ett referenshus med åtgärd solceller och lagringsbatteri har visat att det går att förbättra energiprestandan i vanliga flerbostadshus. Simuleringar visar att det redan utan åtgärd är möjligt att nå de nya kraven för de flesta uppvärmningssystem men att åtgärden behövs för att uppvärmning med frånluftsvärmepump ska klara kraven. Åtgärden är också effektiv, oavsett uppvärmningsform, för att nå högre betyg i miljöcertifieringssystemet Miljöbyggnad.
Den 1 januari 2021 träder nya, skärpta krav på byggnaders energiprestanda i kraft. Dessa krav kallas näranollenergikrav (NNE-krav) eftersom de tillkommer som en åtgärd för att öka antalet nära-nollenergibyggnader i Sverige enligt nya direktiv från Europeiska Unionen. Med anledning av det nya direktivet ändras även sättet att beräkna energiprestanda på från och med juli 2017. Ändringarna medför att det blir mindre fördelaktigt att använda elenergi för uppvärmning av en byggnad såvida inte elenergin är förnybar och genereras i anslutning till fastigheten.

Om en byggnads energiprestanda behöver förbättras för att klara de nya NNE-kraven eller tuffare krav i t.ex. Miljöbyggnad kan installation av solceller vara en effektiv åtgärd. Detta eftersom behovet av levererad elenergi till byggnaden minskar. För flerbostadshus överensstämmer dock inte byggnadens ellastprofil med solcellers produktion av el. El genereras på dagen medan ett större behov finns på kvällar, nätter och morgnar. Detta medför att solceller inte kan utnyttjas till dess fulla kapacitet för att förbättra energiprestandan, såvida de inte dimensioneras till att generera en mycket stor överproduktion av el.

För att det i flerbostadshus ska vara möjligt att utnyttja solceller mer effektivt i syfte att minska mängden levererad energi till byggnaden, och därmed förbättra energiprestandan, krävs det att en större mängd elenergi som genereras i solcellerna kan utnyttjas direkt i byggnaden. Detta kan åstadkommas genom att koppla lagringsbatterier till solcellsanläggningen. Lagringsbatteri i byggnader är fortfarande relativt nytt och det finns inte några tidigare studier kring hur dessa kan användas i flerbostadshus.

Resultatet från energisimuleringar gjorda för ett referenshus för flerbostadshus visar att det är fullt möjligt att förbättra energiprestandan enligt NNE-kraven. Resultaten bygger på simuleringar utan åtgärd, med åtgärd solceller, med åtgärd solceller och lagringsbatteri samt med åtgärd förbättrat klimatskal. Resultaten visar också att det med åtgärder är möjligt att klara strängare krav på energiprestanda då kravnivåer motsvarande 90 %, 85 % och 75 % av NNE-kraven studerades. Ju strängare kravnivåer desto större solcellsanläggningar och fler batteri behövs då övriga åtgärder inte är tillräckliga för att uppnå kraven.
De framtagna resultaten baserar sig på de fyra uppvärmningssystemen fjärrvärme, frånluftsvärmepump, bergvärmepump och luft-/vattenvärmepump samt på två olika klimatorter, Malmö och Stockholm. Resultaten för fjärrvärme, berg- och luft-/vattenvärmepump för orterna Malmö och Stockholm visar att referenshuset redan före åtgärd klarar kravet enligt BBR 2021. Det är endast för frånluftsvärmepump som åtgärd krävs i form av solceller och lagringsbatterier.
Rapporten har även studerat respektive åtgärds lönsamhet. Lönsamhetsbedömningen bygger enbart på åtgärder som krävs för att uppfylla NNE-kraven eller strängare krav på energiprestanda. I dem fall där kravnivån kunde uppfyllas utan åtgärd har ingen lönsamhetsbedömning genomförts. Från rapporten framgår det att det i dagsläget inte är lönsamt att investera i solceller och lagringsbatteri men att det finns potential att det i framtiden kan komma att bli lönsamt, då pris på både solceller och lagringsbatterier minskar och har minskat de senaste åren. Det framgår dessutom att åtgärden förbättrat klimatskal, i majoriteten av fallen, är den minst lönsamma åtgärden utav de som studerats i rapporten.
Avdelning för Byggnadsfysik Lund Lunds Tekniska Högskola 2017
Resultaten som presenteras ovan är beroende av en korrekt beräkningsmodell. Energisimuleringar har genomförts i datorprogrammet IDA ICE som är ett vanligt simuleringsprogram inom branschen. Den största osäkerheten i resultatet är kopplad till beräkning av genererad och lagrad solel eftersom det saknas bra program för att erhålla timvärden för lagring av solel. Verifiering av resultaten har därför genomförts med ett program som är under uppbyggnad och ett Excel-verktyg framtaget av en energianalytiker i Australien.
Rapporten bygger på en fallstudie för ett referenshus med en given formfaktor på två orter i Sverige och resultaten är därför endast giltiga för de fall som beräknats. Ytterligare fallstudier krävs för att möjliggöra mer generella slutsatser kring ämnet.

Frida Hansson & Christian Jedhammar Avdelningen för Byggnadsfysik Lunds Tekniska Högskola, 2017

• author: Hansson, Frida and Jedhammar, Christian
• supervisor: Karin Adalberth; Ludvig Andersson
• organization: Division of Building Physics
• course: VBF820 20171
• year: 2017
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Solceller, Batteri, Lagringsbatteri, Primärenergi, Primärenergital, PET, IDA ICE, Energiberäkning, Flerbostadshus, Photovoltaic cells, Battery, Storage Battery, Primary energy, Primary energy number, Energy calculation, Multifamily residential buildings
• publication/series: TVBH-5096
• report number: TVBH-5096
• other publication id: LUTVDG/TVBH-17/5096--SE(152)
• language: Swedish
• additional info: Examinator: Åsa Wahlström
• id: 8919007
• date added to LUP: 2017-08-16 09:35:00
• date last changed: 2017-08-16 09:35:00