Utredning av energilösningar för ett off grid flerbostadshus

Abstract (Swedish)

Öresundsregionen växer och i takt med en ökad befolkning och nyetablerade industrier blir behovet av el allt större. Samtidigt som elbehovet ökar är elnätet bristande och med en kärnkraft som håller på att avvecklas hotas områden i södra Sverige av elbrist. För att kunna möta de framtida utmaningar som samhället står inför har Malmö Stad inlett ett projektsamarbete vid namn M21 tillsammans med näringslivet. Projektet handlar om att skapa ett off grid område, dvs ett bostadsområde som är helt bortkopplat från omgivande el-, vatten- och värmenät.

Idag finns det flera olika energilösningar tillgängliga på marknaden som kan försörja ett off grid hus med energi, men konceptet är sällan hållbart ur ett ekonomiskt perspektiv. Det finns däremot andra motiv till att leva off grid som till exempel att reducera det ekologiska fotavtrycket eller minska beroendet till de som äger näten. En byggnad har ett konstant el- och värmebehov som olika energilösningar i varje sekund måste tillgodose. Om de inte klarar av det uppstår effektbrist. Off grid boenden är beroende av intermittenta energikällor till exempel sol och vind vilket gör att det krävs lagrad energi vid tillfällen då solen inte skiner eller när det är vindstilla. Extra problematiskt blir det under vinterhalvåret när det uppstår effekttoppar. Topparna är svåra att täcka med enbart off grid baserade energilösningar och kräver kombinationer av olika lösningar.

I detta examensarbete utvärderas möjligheten att tillgodose el- och värmebehovet för ett off grid flerbostadshus under året genom att enbart utnyttja förnybara energikällor. Huset är uppbyggt av moduler och fungerar som ett referenshus vars energianvändning jämförs med i senare resultat. Byggnadens uppvärmda area är 1309 m2 vilket innefattar trapphus och 16 lägenheter som är jämnt fördelade på fyra våningar. I dagsläget är det uppkopplat på nätet och har ett totalt energibehov på 110 138 kWh/år. I arbetet kommer olika energilösningar som både finns tillgänglig på den kommersiella marknaden och som idag är i ett mindre moget utvecklingsstadium presenteras. Ett begränsat antal lösningar väljs ut och utreds vidare för att appliceras på referensbyggnaden. De olika delar som utreds är tekniker för ett effektivare klimatskal, metoder för el- och värmeproduktion samt lagring av energi genom batterier och vätgas. Det förbättrade klimatskalet appliceras på referensbyggnaden och ger ett nytt uppvärmningsbehov som beräknas i Vip-Energy. Resultatet visar att en tilläggsisolering på 10 cm i yttervägg, grund, och vindsbjälklag och förbättrat U-värde på fönsterna minskar uppvärmningsbehovet med 14%.

Sju valda produktions- och lagringstekniker fördelas och appliceras i olika kombinationer på tre fallstudier. Teknikerna sammanställs i olika konstellationer och bildar ett system i syfte att säkerställa energiförsörjningen till byggnaden. Systemet dimensioneras för att tillgodose byggnadens energibehov efter förutsättningarna som råder, under hela året och för att täcka dess effekttoppar.

Fall A innehåller ett system bestående av solceller, kraftverk, vätgas och bergvärmepump. Lösningarna kompletterar varandra bra och systemet kan under hela året förse byggnaden med en pålitlig energiförsörjning. Problemet är att det är ett komplext system med många större lösningar. Kostnaden uppskattas till 4 737 000 kr.
Fall B innehåller ett system bestående av solceller, kraftverk, batterier och solfångare. Systemet är väldigt beroende av kraftverket vilket gör det sårbart vid eventuella störningar.
Kostnaden uppskattas till 2 300 000 kr.

Fall C innehåller ett system bestående av vindkraft, vätgas, batterier, solfångare och bergvärmepump. Värmeförsörjningen är stabil över året men elproduktionen baseras helt på vinden vilket gör systemet känsligt under vindstilla dagar. Kostnaden uppskattas till
4 263 000 kr.

Resultatet från fallen visar att det är möjligt att utforma ett off grid system med förnybara energikällor. En stor utmaning ligger i att ha en stabil energiförsörjning över hela året trots att majoriteten av energikällorna är intermittenta. Systemet måste dimensioneras för att täcka både energibehov över året och effekttoppar. Det innebär att systemet i många fall blir överdimensionerat eftersom effekttopparna endast inträffar ett fåtal gånger under året. Säsongsbaserad energilagring kommer att vara en viktig del vid utformandet av off grid boenden och användandet av intermittenta energikällor.

Abstract

The Öresund region is expanding with a growing population and newly established industries which leads to an increased demand of electricity. At the same time as the demand of electricity is increasing there is are deficiencies in the power grid and a dismantling of nuclear power which creates a situation where parts of southern Sweden are threatened by power shortage. In order to prepare for future challenges that the society is facing, Malmö Stad has initiated a project collaboration called M21 together with the business sector. The purpose of the project is to create an off grid district, i.e. a residential area which is entirely disconnected from surrounding electricity, water and heat grids.

In today’s market there are multiple different energy solutions to provide an off grid house with energy, although the solutions are rarely sustainable from an economical perspective. There are however other motives to living off the grid. This could be to reduce your ecological footprint or to lessen your dependency of the grids. A building has a constant demand of electricity and heat which the energy solution has to provide in every second. If the solutions can’t provide enough there will be a power shortage. Off grid houses is dependent on intermittent energy sources such as sun and wind which results in a need of stored energy in times where the sun doesn’t shine or the wind doesn’t blow. This becomes particularly problematic when power peaks appear during winter. The peaks are hard to meet with technology based solely on off grid energy solutions and requires combinations of different solutions.

In this master thesis, the possibility of providing enough yearly energy for an off grid apartment building through renewable energy sources is evaluated. The building is a modular building and serves as a reference building which energy use is used as a reference for the results of the energy solutions. It has an area of 1309 m2 and consist of 16 apartments located in 4 floors. Today the building is connected to the grids and has a total energy demand of 110 138 kWh/year. The thesis will present energy solutions which are commercially available on the market today and solutions that is in a stage of development. A number of these energy solutions with be investigated further and applied to the reference building.

The solutions that are investigated further are improvement of the climate shell, techniques for electricity and heat production and also storage of energy through batteries and hydrogen. The improved climate shell is applied to the reference building which results in a new heating demand that is calculated in Vip-Energy. The result is showing that an additional insulation of 10 cm in the outer walls, foundation and the attic as well as a lower U-value for the windows reduces the heating demand by 14%.

There are 7 different production and storage techniques that is applied to the reference building in various combinations, these are investigated in 3 case studies. The techniques are put together in various constellations to create a system to secure the supply of energy to the building. The system is designed to be able to supply the energy demand of the building during a full year and meet the power peaks.

Case A consists of a system made up of solar cells, a power plant, hydrogen and a geothermal heat pump. The solutions complement each other well and the system is able to reliably provide the building with energy. The problem is that the system is complex and consists of a lot of larger solutions. The cost of the system is approximately 4 737 000 kr.

Case B consists of a system made up of solar cells, a power plant, batteries and solar collectors. The system is largely dependent on the energy supply of the power plant which makes it vulnerable to interference. The cost of the system is approximately 2 300 000 kr.

Case C consists of a system made up of wind power, hydrogen, batteries, solar collectors and a geothermal heat pump. The heating supply from the system is stable throughout the year but the electricity production is based solely on the wind power which makes the system vulnerable during windless days. The cost of the system is approximately 4 263 000 kr.

The result from the case shows that it is possible to design an off grid system with renewable energy sources. One of the biggest challenges is to provide the building with a stable energy supply over the year even though the energy sources are intermittent. The system has to be designed to meet both the energy need and the power peaks. This amount to that there is a risk that the system design becomes oversized since it’s designed to meet the power peaks which only occur a few times a year. Seasonal storage of energy is an important part in the design of off grid housing and the use of intermittent energy sources.

Popular Abstract (Swedish)

I dagens samhälle är värme och el i vår bostad en lika stor självklarhet som att solen går upp på morgonen. Men vad händer egentligen om vi avslutar våra abonnemang och bestämmer oss för att bli helt självförsörjande på energi – och hur går det till? I detta examensarbete har två studenter på Lunds Tekniska Högskola utrett vad det finns för möjligheter till detta på marknaden idag och hur dessa tekniker ska användas för att kunna försörja ett flerbostadshus med energi - hela året runt.

Öresundsregionen växer och i takt med en ökad befolkning och nyetablerade industrier blir behovet av el blir allt större. Samtidigt som elbehovet ökar klarar inte dagens nät att leverera önskad effekt vilket gör att stora områden i södra Sverige hotas av elbrist. För att möta de framtida utmaningar som samhället står inför har Malmö Stad inlett ett projektsamarbete tillsammans med näringslivet som man valt att kalla M21. Projektets syfte är att skapa ett off grid område, dvs ett bostadsområde som är helt bortkopplat från omgivande el-, vatten- och värmenät.

Dagens marknad erbjuder flera olika energilösningar som kan försörja ett off grid hus med energi, dock så är konceptet är sällan lönsamt ur ett ekonomiskt perspektiv. Det finns däremot andra motiv till att leva off grid, exempel på detta är att reducera det ekologiska fotavtrycket eller att minska sitt beroende till de företag som äger näten.

• author: Asp, Carl and Melin, Henrik
• supervisor: Birgitta Nordquist
• organization: Division of Building Services
• alternative title: Evaluation of energy solutions for an off grid apartment building
• course: ABKM01 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Off grid, Off grid flerbostadshus, Energieffektivitet, Förnybar energi, Småskalig energiproduktion, Småskalig energilagring, Energibehov, Effektbehov
• publication/series: TVIT-5000
• other publication id: LUTVDG/TVIT – 19/5068 – SE(168)
• language: Swedish
• additional info: Examiner Petter Wallentén
• id: 8987420
• date added to LUP: 2021-02-16 09:22:35
• date last changed: 2021-02-16 09:23:44