Självförsörjande flerbostadshus

Abstract

As the world becomes more aware of how human behavior affects the earth’s climate, higher environmental goals are also set. A sustainable energy system is one part of these environmental goals, and switching to only renewable energy is a tool to reach such goals. However, a system with only renewable energy can be vulnerable at time periods of reduced production of electricity, with a subsequent risk for power shortage. Depending on the proportion of intermittent (eg. wind turbines and solar panels) versus plannable (eg hydropower and biofuels) energy production the risk of power shortage will vary. To overcome the risk of power shortage, solutions for storage of excess energy can be found. Lack of capacity is another issue, and this arises when the electricity grid is unable to deliver the quantity required at a given time. This problem usually occurs when cities are growing and the demand for electricity is growing faster than the grid is expanded. By making homes self-sufficient in energy supply a more sustainable energy system can be defined.

Living off-grid means that the home is disconnected from one or more of the community’s infrastructures, where being disconnected from the electricity grid is the most common. There are three parameters that are important to consider if a building is planned to be off-grid. These include low heat demand, low energy consumption and an electricity production that covers the demand over the year. There is a lot of knowledge about the first two, but the third parameter is more problematic. In order to cope with seasonal variations with times of excess production, to times of limited or no production, some type of energy storage is required. Theoretically, nothing is really required to live off-grid, but if the modern amenities are to be included, self-produced electricity and energy storage are needed. Economy and access to storage space are two important parameters which decide how energy efficient the building needs to be. For example, if solar panels are used, less storage is needed the closer to the equator the building is, because the electricity production is more even over the year.

There is a lot of knowledge about building energy efficient buildings, and requirements can be found in BBR and FEBY 18. BBR contains basic requirements and guidelines, while FEBY 18 focus more on very energy efficient buildings. Renewable energy sources include solar, wind, hydropower and biofuels. The non-renewable energy sources are oil, coal and other fossil fuels. A lot of energy storage methods are covered in this master thesis, where hydrogen- and battery storage come into focus.

The project being studied is located in Gårdstånga, north of Lund. The project consists of seven apartment building, and the project clients are Gustaf and Marianne Ramel (GMR). Kraftringen is hired to define an energy solution for the buildings. The buildings aim to have an energy consumption of maximum 56 % of BBR’s energy requirement. The project is based on solar panels for energy production. Each apartment will have access to a parking space with the possibility of electric car charging.

In this master thesis, the buildings will be tested to be off-grid and three different cases have been tested. Case A is a reference case where the buildings are connected traditionally to the grid. case B is an off-grid solution in which all electricity is produced from solar panels, and batteries are used for energy storage. Case C is also an off-grid solution and all electricity is produced from solar panels, but the storage will be in a combination of compressed hydrogen and batteries. Since the buildings are not fully designed by the architects yet, a reference building was designed in the simulation program BIM Energy. In case A, the building was tested for the energy requirements against BBR and SVEBY 18. The building met all BBR’s requirements and all the FEBY 18 that could be tested at this time. In cases B and C the production of electricity was simulated in PVGIS. The results of the cases showed that in case B, for one building, the battery storage required an area of about 50 to 130 m2, wheras the hydrogen storage for the same building only acquired an area of about 15 m2. In terms of cost, the battery solution calculated to be between 4 and 12 times as expensive as the hydrogen solution.

A system consisting of solar panels and hydrogen storage together with batteries as complementary storage, is considered the most suitable solution for the project in Gårdstånga. However, it is not recommended to be off-grid in Gårdstånga, from both a cost and operational reliability perspective. However, to be off-grid is more relevant for more remote locations where the grid is not as reliable. The future of off-grid buildings with hydrogen storage appears promising and there is a rapid development in hydrogen storage. Both the EU and several EU countries have chosen to invest a lot of money in green hydrogen in the near future. While the technology improves and the components will be able to be mass produced, the cost will be reduced making it more accessible to go off-grid.

Abstract (Swedish)

I takt med att världen blir mer medveten om hur människans beteende påverkar jordens klimat, ställs också högre miljömål. Ett hållbart energisystem är en del av dessa miljömål och att övergå till enbart förnybara energikällor är ett verktyg för att uppnå dessa. Övergången till endast förnybara energikällor riskerar dock att medföra problem, bland annat så kallad effektbrist. Effektbrist är inget nytt, utan har förkommit tidigare. Effektbrist uppkommer när elproduktionen inte täcker elbehovet vid en viss tidpunkt. Om all elproduktion är oplanerbar (till exempel sol- och vindkraft), kommer effektbrist vara ett faktum. För att undvika effektbrist måste det kompletteras med någon planerbar energikälla, som till exempel vattenkraft eller biobränsle. Alternativet är att lagra energi. Kapacitetsbrist är ett annat begrepp och detta uppkommer när elnätet inte klarar av att leverera det som behovet kräver. Kapacitetsbrist uppstår framförallt när städer växer och fler energikrävande maskiner, till exempel elbilar, blir vanligare. Att göra bostäder självförsörjande på energi är en aktuell fråga som bidrar till ett mer hållbart energisystem.

Att bo off-grid innebär att bostaden är bortkopplad från en eller flera av samhällets infrastrukturer, där bortkopplad från elnätet är det vanligaste. Det finns tre parametrar som är viktiga att ta hänsyn till om en byggnad planeras att vara off-grid. Det är lågt värmebehov, låg elförbrukning och en elproduktion som täcker året runt. De två första parametrarna finns det mycket kunskap kring, dock är den sista parametern problematisk. För att klara av säsongsvariationer krävs någon typ av energilagring, där den egenproducerade överskottselen kan lagras till det att det finns behov för den. Rent teoretiskt krävs det egentligen ingenting för att bo off-grid, men om de moderna bekvämligheterna ska ingå krävs egenproducerad el och någon form av energilagring. Ekonomi och tillgång till lagringsutrymme är de parametrar som bestämmer hur energieffektiv byggnaden måste vara. Om solpaneler används är det mer fördelaktigt att placera byggnaden närmare ekvatorn, då solenergiproduktionen är mer jämn över året, vilket resulterar i att mindre lagringskapacitet krävs.

Det finns mycket kunskap kring att bygga energieffektiva byggnader och krav på energieffektivitet finns i bland annat BBR och FEBY 18. BBR innehåller grundkrav och riktlinjer, medan FEBY 18 fokuserar på krav mot energisnåla hus.

Till förnybara energikällor räknas bland annat sol, vind, vatten och biobränsle. De icke förnybara energikällorna är till exempel fossila bränslen. Det tas upp en hel del energilagringsmetoder i det här examensarbetet, där vätgas- och batterilagring hamnar i fokus.

Projektet som studerats i det här examensarbetet ligger i Gårdstånga, norr om Lund i Skåne. Projektet består av 7 stycken flerbostadshus och beställare är Gustaf och Marianne Ramel (GMR). Kraftringen är anlitade för att dimensionera en energilösning för byggnaderna. Målet med byggnaderna är att de ska ha en energiförbrukning på max 56 % av BBR:s energihushållningskrav. Solceller ska placeras i första hand på taken, om mer utrymme krävs placeras dessa förslagsvis på bullervallen mot väg 104. Varje lägenhet ska ha tillgång till parkeringsplats med möjlighet för elbilsladdning. I examensarbetet har byggnaderna testats för att vara off-grid och 3 olika fall har skapats. Fall A är ett referensfall och är traditionellt kopplad till elnätet. Fall B är helt off-grid och producerar all el via solceller samt har ett energilager bestående av endast batterier. Fall C producerar också all el via solceller, men har istället ett energilager bestående av vätgas samt batterier som komplement. Eftersom flerbostadshusen i projektet inte är färdigprojekterade, ritades en byggnad upp i simuleringsprogrammet BIM Energy med hjälp av de riktvärden som tillhandahållits. I fall A testades byggnaden för BBR:s och FEBY 18:s energikrav för att se huruvida energieffektiv byggnaden var. Byggnaden klarade BBR:s alla krav och de flesta av FEBY 18. I fall B och C simulerades den producerade solenergin i programmet PVGIS. Resultatet för en byggnad, utan hänsyn till elbilar, visar att batterilagret kräver cirka 50 - 130 m2 medan vätgaslösningen kräver ca 15 m2. Kostnadsmässigt beräknades batterilösningen vara mellan 4 och 12 gånger så dyr som vätgaslösningen.

En systemlösning bestående av solceller, vätgaslagring och batterier som komplementlagring är den mest lämpade lösningen för projektet i Gårdstånga. Dock är det inte tillräckligt motiverat att bo off-grid i Gårdstånga, eftersom elnätet är så pass driftsäkert samt att systemlösningen fortfarande är dyrare än att vara uppkopplad på elnätet ur ett livscykelperspektiv. Systemlösningen kan däremot vara mer aktuell för avlägsna platser där det redan förekommer långvarig elbrist. Framtiden för off-grid boende ser ljus ut och det sker stor utveckling inom vätgaslagring. Både EU och flera EU-länder har valt att satsa pengar på grön vätgas. I samband med utveckling kommer bättre teknik och vid massproduktion sänks också priserna, vilket gör det mer tillgängligt för privatpersoner som vill gå off-grid.

Popular Abstract (Swedish)

I takt med att världen blir mer medveten om hur människans beteende påverkar jordens klimat, ställs också högre miljömål. Ett hållbart energisystem är en del av dessa miljömål och att övergå till enbart förnybara energikällor är ett verktyg för att uppnå dessa. Övergången till endast förnybara energikällor riskerar dock att medföra problem, bland annat så kallad effektbrist.

Effektbrist uppkommer när elproduktionen inte täcker elbehovet vid en viss tidpunkt. Om all elproduktion är oplanerbar (tex solkraft) kommer effektbrist vara ett faktum. För att undvika effektbrist måste det därför kompletteras med någon planerbar energikälla, som till exempel vattenkraft eller biobränsle. Alternativet är att lagra energi. Kapacitetsbrist är ett annat begrepp och detta uppkommer när elnätet inte klarar av att leverera det som behovet kräver. Kapacitetsbrist uppstår framförallt när städer växer och fler energikrävande maskiner, till exempel elbilar, blir vanligare. Att göra bostäder självförsörjande på energi är en aktuell fråga som bidrar till ett mer hållbart energisystem.

Att bo off-Grid innebär att bostaden är bortkopplad från en eller flera av samhällets infrastrukturer, där bortkopplad från elnätet är det vanligaste. Det finns tre parametrar som är viktiga att ta hänsyn till om en byggnad planeras att vara off-Grid. Det är lågt värmebehov, låg elförbrukning och en elproduktion som täcker året runt. De två första parametrarna finns det mycket kunskap kring, dock är den sista parametern problematisk. För att klara av säsongsvariationer krävs någon typ av energilagring, där den egenproducerade överskottselen kan lagras till det att det finns behov för den. I examensarbetet diskuteras olika lagringsmetoder, men fokus ligger framförallt kring batterier och vätgas.

Projektet som studerats i det här examensarbetet ligger i Gårdstånga, norr om Lund i Skåne, och består av 7 stycken flerbostadshus. Målet med byggnaderna är att de ska ha en energiförbrukning på max 56 % av BBR:s energihushållningskrav. Byggnaderna projekterades upp i programmet BIM Energy och klarade målet. I examensarbetet har byggnaderna testats för att vara off-Grid och 3 olika fall har skapats. I det första fallet är de uppkopplade på elnätet och fungerar som ett referensfall till de andra två. I det andra fallet är byggnaderna off-Grid och producerar all el via solceller samt har ett energilager bestående av endast batterier. I det sista fallet produceras också all el via solceller, men energilagret består istället av vätgas samt batterier som komplement. Resultatet för en byggnad visar att batterilagret kräver cirka 50 - 130 m2 medan vätgaslösningen kräver ca 15 m2. Kostnadsmässigt beräknades batterilösningen vara mellan 4 och 12 gånger så dyr som vätgaslösningen.

En systemlösning bestående av solceller, vätgaslagring och batterier som komplementlagring är den mest lämpade lösningen för projektet i Gårdstånga. Dock är det inte tillräckligt motiverat att bo off-Grid i Gårdstånga, eftersom elnätet är så pass driftsäkert samt att systemlösningen fortfarande är dyrare än att vara uppkopplad på elnätet ur ett livscykelperspektiv. Systemlösningen kan däremot vara mer aktuell för avlägsna platser där det redan förekommer långvarig elbrist. Framtiden för off-Grid boende ser ljus ut och det sker stor utveckling inom vätgaslagring. I samband med utveckling kommer bättre teknik och vid massproduktion sänks också priserna, vilket gör det mer tillgängligt för privatpersoner som vill gå off-Grid.

• author: Broliden, Mikael and Nilsson, Hanna
• supervisor: Petter Wallentén
• organization: Division of Building Physics
• alternative title: Energilagring med hjälp av vätgas och batterier
• course: VBFM01 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Energieffektivitet, Off-grid, energilagring, vätgas, batterier, förnybar energi, långtidslagring, beräkning, simulering
• publication/series: TVBH-5000
• report number: TVBH-5113
• other publication id: ISRN LUTVDG/TVBH—21/5113—SE(127)
• language: Swedish
• additional info: Examinator: Bengt Sundén, institutionen för energivetenskaper
• id: 9056437
• date added to LUP: 2021-06-24 16:54:38
• date last changed: 2021-08-12 10:53:41