View
2
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Bachelor of Science Thesis
KTH School of Industrial Engineering and Management Energy Technology EGI-‐2013 SE-‐100 44 STOCKHOLM
Solenergi och värmelagring i kvarteret Lagern
Lina Börjeson Frida Rogberg
II
Bachelor of Science Thesis EGI-‐2013
Solenergi och värmelagring i kvarteret Lagern
Lina Börjeson
Frida Rogberg Approved
Examiner
Catharina Erlich Supervisor
Nenad Glodic Commissioner
Contact person
III
Abstract Humanity stands before a huge challenge to lower its emissions of carbon dioxide and its use of energy at the same time as the global population is rising and the developing countries are being industrialized. A lot of newly built buildings are due to this challenge, designed to be more energy efficient but also use renewable energy resources instead of pollutant fossil fuels. Solar energy is one of the purest forms of energy that exists in abundant amounts, which is why it is most likely that it could come to play a major part in the future energy market.
The main purpose of this report is to investigate the possibility to implement a sustainable energy system with solar thermal heat and heat storage as main sources of energy in the neighbourhood “kvarteret Lagern”, which is the area where the old football stadium “Råsunda Stadion” was located. New developments within different heat storage techniques have opened up new approaches to enable buildings an all year round heat supply from solar energy. This report will focus on heat storage in boreholes.
At the present there is only a preliminary plan of how the neighbourhood is supposed to be designed. This plan has been used in all the calculations regarding the potential areas where solar collectors and a heat storage system could be integrated. The solar collector area has been maximized according to these conditions to be able to maximize the use of solar energy in “kvarteret Lagern”. The results show that the energy from the solar collectors would supply the total demand of heat energy during May to September, where the potential heat excess would be stored in the boreholes to be extracted and used during the winter.
The heat storage system that has been designed for “kvarteret Lagern” consists of 36 boreholes. The borehole system has the potential to store 977 MWh per year where the heat losses are estimated to be around 44 percent. The heat excess that would be stored during the summers will enable 611 MWh of heat to be extracted and used from the boreholes during the winter.
The result of the economic calculations and the sensitivity analysis show that an implementation of this type of energy system in “kvarteret Lagern”, would lead to positive net present values and therefore be a profitable investment. They also show that the payback time is significantly shorter than the lifetime period of the solar collectors.
IV
Sammanfattning En stor utmaning som människan står inför är att minska utsläppen av koldioxid och minska energianvändningen, samtidigt som jordens befolkning ökar och utvecklingsländer industrialiseras. Många nybyggnationer som sker idag är därför anpassade till att vara mer energieffektiva samt utnyttja förnybara energikällor. En av de renaste formerna av energi är solenergi som är en outtömlig resurs och således en av de främsta energikällorna som antagligen kommer spela en mycket stor roll i framtidens energimarknad.
Rapportens huvudsakliga syfte är att integrera ett hållbart energisystem med solvärme och säsongsvärmelagring som energikälla i det ännu ej byggda kvarteret Lagern, vilket kommer ligga i området där gamla Råsunda stadion låg. Utvecklingen av olika värmelagringstekniker har öppnat nya vägar för storskalig uppvärmning året om av byggnader med solvärme. Energilagring i borrhålsystem är den teknik som rapporten kommer att utreda.
Det finns i dagens läge endast en preliminär detaljplan över hur kvarteret Lagern kan komma att utformas. Denna detaljplan har använts som underlag för att dimensionera hur stor solfångararea som kan integreras i området. En maximering av solfångararea har beräknats utifrån dessa förutsättningar för att maximera användningen av solenergi i området. Resultatet visar att den energi som produceras av solfångararean täcker det hela värmeenergibehovet under maj till september. Under dessa månader produceras även överskottsvärme som kan lagras för att användas under vinterhalvåret.
Ett borrhålslagersystem har tagits fram som består av 36 borrhål. Detta system har en uppskattad lagringskapacitet på 977 MWh per år där förväntade värmeförlusterna beräknas ligga runt 44 procent. Lagring av värmeöverskottet som produceras under sommaren möjliggör därför att 611 MWh solenergi kan utvinnas från borrhålslagret under vinterhalvåret.
Resultatet för de ekonomiska kalkylerna visar att en implementering av ett solvärme-‐ och borrhålsvärmelagringssystem i kvarteret Lagern är en lönsam investering som kommer att återbetala sig långt innan solfångarnas livslängd har passerat.
V
Förkortningar och Nomenklatur
Förkortningar
Förkortningar Betydelse
Atemp Arean av samtliga våningsplan som skall uppvärmas till mer än 10°C
BOA Boarea
BTA Brutto Total Area
EED Earth Energy Designer
EI Energimarknadsinspektionen
EU Europeiska Unionen
FoU Forskning och Utveckling
IEA International Energy Agency
IPCC Intergovernment Panel on Climate Change
KPI Konsument Pris Index
LOA Lokalarea
NASA National Aeronautics and Space Administration
REN 21 Renewable Energy Policy Network for the 21st century
ROT Reparation, Ombyggnad & Tillbyggnad
SCB Statistiska Centralbyrån
SEK Svenska kronor
SGU Sveriges Geologiska Undersökning
SMHI Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut
UO SRML University of Oregon – Solar Radiation Monitoring Laboratory
WRI World Resources Institute
WWF World Wildlife Fund/Världsnaturfonden
VI
Nomenklatur
Storhet Beteckning Enhet
A Area m2
a Temperatur ledningskoefficient m2/s
ai Kassaflöde för period i SEK
B Besparing SEK
b Bredd m
c Värmekapacitet J/(m3∗K)
cp Specifik värmekapacitet J/(kg∗K)
Dm Avstånd markyta -‐-‐> klotets centrum m
d Avstånd m
E Energi Wh
e Energibehov Wh/(månad,m2)
G Grundinvestering SEK
H Borrhålsdjup m
h Värmeförlustfaktor -‐
Imånad Infallande solstrålning för given månad Wh/m2
i Tidsperiod år
K Kostnad SEK
l Solfångarens längd m
m Massa kg
N Tidsperiod dagar
Nborrhål Antal borrhål -‐
n Ekonomisk livslängd år
NPV Net Present Value/Nettonuvärde SEK
Q Värme J
VII
R Karaktäristiska längden m
R0 Borrhålsradie m
r Kalkylräntan %
ΔT Temperaturskillnad Celsius
T Temperatur Celsius
Tm Medeltemperatur Celsius
t Tid timmar
ts Brytningstid mellan transient och stationärt förhållande sekunder
V Volym m3
γ konstant -‐
λ Värmeledningsförmåga W/(m∗K)
ρ Densitet kg/m3
VIII
Innehållsförteckning Abstract III Sammanfattning IV Förkortningar och Nomenklatur V Förkortningar V Nomenklatur VI
Innehållsförteckning VIII Figurer X Tabeller X 1. Introduktion 1 1.1 Energifrågan i allmänhet 1 1.1.1 Temperaturförändring 1 1.1.2 Vision Stockholm -‐ Fossilbränslefri stad år 2050 2
2. Syfte och Mål 3 2.1 Problemformulering 3 2.2 Frågeställningar 4 2.3 Delmål 4
3. Litteraturstudie 4 3.1 Solenergi 5 3.2 Teknik 7 3.2.1 Solvärmetekniker 7 3.2.1.1 Plana solfångare 8 3.2.1.2 Vakuumrörsolfångare 9 3.2.1.3 Verkningsgrad hos solfångare 10 3.2.1.4 Placering av solfångare i värmesystemet 12
3.2.2 Värmelagring 13 3.2.2.1 Värmelagringsmaterial 13 3.2.2.2 Värmelagringstekniker för säsongslagring 14 3.2.2.2.1 Lagring i bergrum 14 3.2.2.2.2 Borrhålslager 17 3.2.2.2.3 Lerlager 19 3.2.2.2.4 Akviferlager 19
3.2.2.3 Tidigare projekt inom värmelagring 19 3.3 Ekonomi 20 3.3.1 Kalkylmetoder 20 3.3.1.1 Nuvärdesmetoden 20 3.3.1.2 Payback – metoden 21
3.3.2 Styrmedel 22 3.3.2.1 Solvärme och styrmedel 22
3.3.3 Energipriser 23 3.3.3.1 Fjärrvärmepriser 23 3.3.3.2 Fjärrvärme i framtiden 24
3.3.4 Kostnader 24 3.3.4.1 Solfångare 25 3.3.4.2 Värmelagring 26 3.3.4.3 Underhålls-‐ och driftskostnader 26
3.3.5 Inflation 26 3.4 Kvarteret Lagern 27
IX
3.4.1 Termiska egenskaper 28 3.4.2 Detaljplan kvarteret Lagern 29 3.4.3 Nuvarande energianvändning Solna Kommun 30 3.4.3.1 Förväntad energianvändning kvarteret Lagern 31
4. Metod 33 4.1 Arbetsmodell 34 4.2 Begräsningar 34 4.3 Antaganden 35 4.4 Olika parametrar och beräkningssteg i modellen 37 4.4.1 Disponibel area samt dimensionering av area för solfångare och borrhålslagring 37 4.4.2 Solinstrålning 37 4.4.3 Energiutvinning från solfångare 38 4.4.4 Energilagring i borrhål 38 4.4.5 Kontors-‐ och bostadshusens energibehov 40 4.4.6 Ekonomiska kalkyler 41 4.4.6.1 Kassaflöden 42 4.4.6.2 Nuvärdesmetoden 43 4.4.6.3 Payback-‐metoden 43
4.5 Känslighetsanalys 43 5. Resultat, diskussion och känslighetsanalys 46 5.1 Resultat och diskussion för utvunnen energi från solfångaranläggningen 46 5.2 Resultat och diskussion för jämförelse av värmebehov och värmeproduktion 48 5.3 Resultat och diskussion för lagring av energi i borrhål 50 5.4 Resultat och diskussion för de ekonomiska kalkylerna 54 5.5 Diskussion av hållbarhetsaspekter 57 5.6 Resultat av känslighetsanalys 57 5.7 Slutdiskussion 61
6. Slutsatser 62 7. Förslag till framtida arbeten 63 8. Litteraturförteckning 65 9. Bilaga 74 9.1 Bilaga 1 – Detaljplan kvarteret Lagern 74 9.2 Bilaga 2 – Soldata kvarteret Lagern 75 9.3 Bilaga 3 – Fjärrvärmescenarion 76 9.4 Bilaga 4 – Indata till Energy Earth Designer 78 9.5 Bilaga 5 – Tabell över energitillförseln under ett år i kvarteret Lagern 79
X
Figurer Figur 1. Utsläpp i Stockholm (Miljöförvaltningen, 2010) 3 Figur 2. Instrålning och reflektion (Nordell & Söderlund, 2006) 6 Figur 3. Solens infallsvinkel i Råsunda (UO SRML, 2013) 7 Figur 4. Plan solfångare (Kalogirou, 2004) 9 Figur 5. Vakuumrörsolfångare (Kalogirou, 2004) 10 Figur 6. Verkningsgradkurva (Andrén, 2011) 11 Figur 7. Energiflödet och värmeförlusterna i en solfångare (Andrén, 2011) 11 Figur 8. Plana, vakuumrörs samt pool solfångares verkningsgrad i förhållande till
temperaturdifferensen mellan solfångarens medeltemperatur och omgivande luft (Andrén, 2011) 12
Figur 9. Statistik över fjärrvärmepris (Svensk Fjärrvärme, 2012) 23 Figur 10. Inflationsprognos enligt KPI (Sveriges riksbank, 2013) 27 Figur 12. Exempel på fasadutformning mot söder skala 1:1000 (Solna stad, 2011a) 28 Figur 13. Värmeledningsförmåga för olika magmatiska bergarter (Sundberg, 1991) 29 Figur 14. Stockholms befolkningsmängd (SCB, 2013b) 31 Figur 15. Flödesschema över tillvägagångssättet 34 Figur 16. Utveckling i fjärrvärmepris enligt scenario 1 och 2 42 Figur 17. Jämförelse av värmebehov och värmeproduktion i kvarteret Lagern 49 Figur 18. Förslag till placering av borrhålslager i kvarteret Lagern 51 Figur 19. Bild över det rektangulära borrhålslagret 52 Figur 20. Fördelning av energitillförsel 53 Figur 21. Ekonomikalkyler scenario 1 55 Figur 22. Ekonomikalkyler scenario 2 56 Figur 23. Nettonuvärdet för olika scenarion 61 Figur 24. Detaljplan kvarteret Lagern, skala 1:1000 (Wallin, 2013) 74 Tabeller
Tabell 1. Borrhålslager Emmaboda 20 Tabell 2. Prissättning av fjärrvärme för bostäder 24 Tabell 3. Prissättning av fjärrvärme för lokaler 24 Tabell 4. Priser för plana solfångare 25 Tabell 5. Priser för vakuumrörssolfångare 25
XI
Tabell 6. Arealer kvarteret Lagern 30 Tabell 7. Data fastigheten Farao 20 31 Tabell 8. Månadsfördelning värme-‐ & varmvattenanvändning i kontorshuset 32 Tabell 9. Månadsfördelning värme-‐ och varmvattensanvändning i bostadshusen 33 Tabell 10. Störning av olika inparametrar, känslighetsanalys för energiberäkningar 44 Tabell 11. Störning av olika inparametrar, ekonomisk känslighetsanalys 45 Tabell 12. Dimensionering av solfångare 46 Tabell 13. Energiutvinning från de olika solfångarareorna 47 Tabell 14. Energidifferens 49 Tabell 15. Dimensionering av ett borrhålslagersystem i kvarteret Lagern 51 Tabell 16. Ekonomi solfångare 54 Tabell 17. Ekonomi borrhål 54 Tabell 18. Känslighetsanalys för solfångararea och verkningsgrad 57 Tabell 19. Känslighetsanalys för solfångararean, verkningsgraden, andel utvunnen
energi från borrhålslagret samt värmeenergibehovet. 58 Tabell 20. Känslighetsanalys för fjärrvärmescenario 1 59 Tabell 21. Känslighetsanalys för fjärrvärmescenario 2 59 Tabell 22. Soldata för kvarteret Lagern 75 Tabell 23. Fjärrvärmepriser 76 Tabell 24. Ekonomi fjärrvärme 77 Tabell 25. Indata för EED 78 Tabell 26. Energitillförseln under ett år i kvarteret Lagern 79
1
1. Introduktion
Gamla Råsunda stadion håller på att rivas och området kommer att bebyggas med ett nytt bostadskvarter och ett nytt kontorshus (Solna Stad, 2011a). Denna rapport kommer på uppdrag av Teknikmarknad att undersöka möjligheten att integrera ett solvärme-‐ och värmelagringssystem i detta område, för att möjliggöra en mer hållbar och klimatvänlig energiförsörjning. Området vid gamla Råsunda stadion, även kallat kvarteret Lagern, har goda förutsättningar för att använda sig av solenergiförsörjning. Detta på grund av att det finns få närliggande byggnader som kan orsaka skuggning samt att kontorsbyggnaden och vissa av bostäderna kommer ha fasader som är riktade mot söderläge, vilket möjliggör för en hög solinstrålning. Denna energi kan tas tillvara på genom att installera solfångare på byggnaderna, både på tak samt genom integration i fasaden. Utvecklingen av olika värmelagringstekniker har öppnat nya vägar för storskalig uppvärmning året runt av byggnader med solvärme, där ombyggnad av befintliga bergrum och borrhålslagring är två av dessa alternativ. Genom en installation av en värmelagringsteknik som tar till vara på den överskottsvärme som solfångaren producerar under sommaren, kan det därmed uppnås en större värmeförsörjning som kommer från solen under vinterhalvåret.
1.1 Energifrågan i allmänhet
Fossila bränslen förser 80 procent av världens totala energikonsumtion (REN21, 2012), där koldioxiden som bildas vid förbränning står för 80 procent av totala koldioxidutsläppen (Världsnaturfonden WWF, 2013a). Jordens befolkningsmängd förväntas att nå över 9.3 miljarder människor år 2050 (Förenta Nationerna, 2011) detta tillsammans med ett energisystem där den största energikällan är fossila bränslen är i framtiden inte hållbart. Brundtland kommissionen definierade år 1987 begreppet hållbar utveckling som "en utveckling som tillfredsställer dagens behov utan att äventyra kommande generationers möjligheter att tillfredsställa sina behov" (Regeringskansliet, 2012). Vid en oförändrad konsumtion av fossila bränslen kommer den globala produktionen av energi att nå sin topp runt år 2018, för att kunna säkerställa en stabil energiförsörjning för framtida generationer krävs det således en ordentlig och snar satsning på förnybar energi (Sverdrup, 2013).
1.1.1 Temperaturförändring
Det senaste århundradet har jordens medeltemperatur ökat med 0.6 grader (SMHI, 2013), detta är till stor utsträckning på grund av de ökade halterna av växthusgaser i
2
atmosfären. Enligt Världsnaturfonden har människan sedan början av den industriella revolutionen släppt ut 2.3 biljoner ton CO2 i atmosfären varav häften av detta har tillkommit under de senaste 30 åren (Världsnaturfonden WWF, 2013b). Totalt har mängden växthusgaser ökat med 35 procent sedan mitten av 1700-‐talet, där de största bidragande orsakerna har varit förbränning av fossila bränslen samt skövling av världens skogsområden (Baumert m.fl., 2005). FN:s klimatpanel IPCC har beräknat jordens kommande medeltemperaturökning per decennium till mellan 0.1 -‐ 0.2 grader Celsius (IPCC, 2007). Många forskare är eniga om att mängden av koldioxid i atmosfären måste minska till nivåer under 350 ppm (Rockström m.fl., 2009) om jorden ska undgå en global temperaturökning på 2 grader Celsius. Utan ordentliga globala åtgärder mot växthusgaserna kommer 2°C-‐senariot att bli en verklighet redan år 2050 (Europeiska Kommissionen, 2011). Fram till dess kommer temperaturökningen att ha lett till stora irreversibla klimatförändringar så som minskade polarisar, stigande havsnivåer samt förändrade nederbördsmönster (Energimyndigheten, 2009a).
1.1.2 Vision Stockholm -‐ Fossilbränslefri stad år 2050
För att hantera den nuvarande utsläppstrenden har Europeiska Kommissionen tagit fram en färdplan för hur EU ska nå en konkurrenskraftig och koldioxidsnål ekonomi fram till år 2050, där utsläppen ska minska med 80-‐95 procent i jämförelse med år 1990 (Europeiska Kommissionen, 2011). Enligt nya publikationer från IEA tros Sverige klara sina åtagande i Kyotoprotokollet med god marginal genom att år 2020 ha reducerat sina utsläpp av växthusgaser med 17 procent jämfört med år 1990 (IEA, 2013). Utöver detta har Sverige satt upp flera egna miljömål (Miljömål, 2012) som bland annat innefattar att begränsa sin klimatpåverkan. Ett sätt att göra detta sammanfattas i en nationell strävan att ha noll nettoutsläpp av växthusgaser år 2050 (IEA, 2013, Länsstyrelsen i Stockholms län, 2012). Visionen är att Stockholm ska vara den stad i Sverige som i framtiden ska ta täten i ett mer klimatanpassat samhälle, där målet är att minska stadens energianvändning med 50 procent och vara helt fri från fossila bränslen innan år 2050 (Stockholm Stad, 2013). År 2010 blev Stockholm vald till Europas första Miljöhuvudstad, dels på grund av dess 2050-‐vision men även på grund av att staden år 2005 lyckats reducera sina totala växthusgaser med 25 procent sedan år 1990 (Europeiska Kommissionen, 2010). En av ansatserna för att klara vision 2050 är att fortsätta att minska andelen utsläpp per invånare, Figur 1 visar utsläppstrenden uttryckt i ton koldioxidekvivalenter (CO2e) per invånare i Stockholm från 1990 fram till idag samt framtida mål. Där år 2015:s mål är 3 ton CO2-‐ekvivalenter per invånare och år, vilket är 44 procent lägre jämfört med år 1990 (Miljöförvaltningen, 2010).
3
Figur 1. Utsläpp i Stockholm (Miljöförvaltningen, 2010)
2. Syfte och Mål
Det huvudsakliga syftet med detta projekt är att integrera ett hållbart energisystem med solvärme som energikälla i det ännu ej byggda kvarteret Lagern. Rapporten kommer att utforska olika tekniker för solenergi och värmelagring som värmekälla samt den ekonomiska nyttan. Huvudmålet med denna rapport är att undersöka det bästa alternativet för att maximera användningen av solenergi i kvarteret Lagern. För att uppnå detta mål krävs en utförlig analys och jämförelse av de olika solenergitekniker och värmelagringsalternativen som finns på marknaden idag. Samt att undersöka vilka som är genomförbara i det aktuella området för att möjliggöra en värmeförsörjning från solenergi året om. Vidare kommer rapporten att genomföra en ekonomisk jämförelse mellan solvärme och andra värmeförsörjningssätt för att kunna leverera en helhetsbild samt stödja rapportens resultat och diskussion.
2.1 Problemformulering
Energi från solen är en outtömlig energiresurs och kommer antagligen vara en av de främsta energikällorna som kommer att spela en mycket stor roll i den framtida globala energimarknaden. I Sverige har värme från solenergi stora möjligheter att tillgodose det
5,4
4,5 4,0
Fossilbränslefritt
3,0
0
1
2
3
4
5
6
1990 2000 2005 2015 2050
Ton CO2e/invånare
År
Utsläppen i Stockholm minskar
4
uppvärmningsbehov som krävs i de byggnader där förutsättningarna finns. Ett problem är dock att solinstrålningen i Sverige under vinterhalvåret inte är tillräckligt hög, vilket resulterar i en reducerad produktion av värme då byggnaderna behöver det som mest. För att kunna maximera användningen av energin som genererats av solfångare krävs således ett värmelagringsalternativ för att möjliggöra en försörjning av värme året om.
2.2 Frågeställningar
• Undersöka möjligheten att maximera solenergianvändning i det aktuella området, både ur ett ekonomiskt samt tekniskt perspektiv.
• Presentera vilken typ av solfångare samt värmelagringsalternativ som är bäst lämpad för området, detta i form av en teknisk rapport.
2.3 Delmål
• Hur ser dagens energianvändning/energibehov ut i det aktuella området? • Vilken potential för solenergianvändning finns det i området? • Undersöka utifrån området vilken av fasadintegrerade, takplacerade eller
markplacerade solfångare som lämpar sig bäst. • Vad finns det för möjligheter i området till värmelagring i bergrum och borrhål?
Finns det andra värmelagringsalternativ? • Vilka är de ekonomiska aspekterna i en implementering av ett solvärme-‐ och
värmelagringssystemen? • Undersöka möjligheten till distribution av värme vid eventuella överskott. • Vilka är hållbarhetsaspekterna?
3. Litteraturstudie
För att klara de nya åtagandena att vara helt fria från fossila bränslen år 2050 är en av de tänkbara lösningarna för Stockholm stad att utforma en ordentlig strategi för solenergi (Länsstyrelsen i Stockholms län, 2012). Solenergi är en av de renaste formerna av energi som existerar på jorden, då det varken förekommer några utsläpp av växthusgaser eller skadliga restprodukter vid produktion. Det finns ett antal olika tekniker att utnyttja den energi som solen överför till jorden. De vanligaste är solceller, som genererar elektricitet och solfångare, som genererar värme (Svensk Solenergi, 2013a). Denna litteraturstudie som kommer att fokusera på solfångare, kommer först att behandla solenergi i sig själv för att därefter i andra avsnittet utveckla de olika teknikerna som finns inom solvärme samt värmelagring, tredje avsnittet fokuserar på
5
den ekonomiska aspekten för att till sist avsluta med detaljerad fakta angående området.
3.1 Solenergi
Solen är jordens närmaste stjärna och beräknas vara ca 4,6 x 109 år gammal, med en radie på 696 000 km och en massa på över 333 000 gånger jordens massa styr den solsystemet och dess planeter (Andrén, 2011). Den energi som bildas från kärnprocesser i solens inre når jorden i form av solstrålning efter drygt 8 minuter och är livsviktigt för alla levande organismer, vattnets kretslopp samt energiförsörjningen (Nationalencyklopedin, 2013). Energin från solen har sedan urminnes tider används för att bland annat torka människans mat och kläder. Medan idéen att använda sig av solfångare för att utnyttja solens energi sträcker sig ända tillbaka till år 212 före Kristus då Archimedes använde sig av solenergi för att bränna ner den romerska flottan (Kalogirou, 2004). Under de senaste decennierna har solenergi och dess teknik belysts i och med den pågående klimatförändringen som jorden just nu genomgår. Mellan åren 2011-‐2012 ökade bland annat andelen PV-‐solceller med 74 procent medan termisk solvärme ökade med 27 procent vilket gör solenergi till den snabbast växande förnyelsebara energikällan (REN21, 2012). Solen är klassad som en gul dvärg eller en GV stjärna (Cain, 2008) vilket gör den till en av de större stjärnorna som existerar i Vintergatan (Cain, 2012). Solen kan ses som en gigantisk kontinuerlig fusionsreaktor där väte omvandlas till helium (Kalogirou, 2004) under en effektiv temperatur på uppskattningsvis 5777 Kelvin (NASA, 2013). Den totala energi som solen emitterar uppgår till 3,8 x 1020 MW där endast 1,7 x 1014 kW strålas mot jorden (Andrén, 2011). Trots att det bara är en bråkdel av solens energi som når jorden skulle 30 minuter överföra tillräckligt med energi för att tillgodose den årliga globala energibehovet (Kalogirou, 2004). Solenergi transporteras till jorden i form av elektromagnetisk strålning som kan delas in i 3 delar: UV-‐ljus, synligt ljus och infrarött ljus (Villanueva, 2010). Majoriteten av värmen från solen anländer i form av infraröd strålning (National Geographic, 2013 ).
6
Figur 2. Instrålning och reflektion (Nordell & Söderlund, 2006)
Den mängd solenergi som når jordens yta brukar kallas för solinstrålning och kan delas upp i diffus och direkt instrålning. Andelen solenergi som når olika platser på jorden beror på vinkeln mellan solen och jordytan samt faktorer som absorberar och reflekterar instrålningen (S-‐Solar, 2010) som exempelvis lokalt väder eller ozonlagrets tjocklek (SMHI, 2009). Då solen står i zenit är instrålningsvinkeln 90 grader vilket ger maximala värden på den direkta solinstrålningen är himlen å andra sidan helt molntäckt anses instrålningen vara helt diffus. I Sverige är ca 50 procent av solinstrålningen diffus. Detta tal varierar med mängden vattenånga i luften och har därför låga värden på sommaren, ca 20 procent och höga värden på vintern, 80 procent (Sidén, 2007). Diffus instrålning innehåller även den energi vilket gör det möjligt att ta tillvara på solens energi även då det är molnigt (S-‐Solar, 2010) vilket visas i Figur 2. Medeleffekten av solinstrålningen som träffar jordens atmosfär kallas för solarkonstanten och i Sverige beräknas den till 1 373 W/m2 medan den instrålning som träffar markytan ligger på 900-‐950 W/m2 (S-‐Solar, 2010). Den årliga ”medelsolinstrålningen” i landet mot horisontala ytor uppges vara 1 000 kW/m2
(Andrén, 2011). Instrålningsvinkeln är viktig att ta hänsyn till då det kommer till solenergisystem. I Sverige är det optimalt att ha en söderriktad vertikal yta för att maximera upptagningen av solenergi med en lutning på ca 10 grader under den breddgrad som solenergisystemet befinner sig på (Sidén, G., 2007). En annan aspekt att ta hänsyn till är
7
skuggning där närhet till andra byggnader samt läge spelar stor roll. I Figur 3 ses hur solens infallsvinkel i Råsunda varierar under dygnet den 21:a varje månad mellan juni och december, denna har tagits fram med hjälp av ett beräkningsverktyg som återfinns på UO SRML websida.
Figur 3. Solens infallsvinkel i Råsunda (UO SRML, 2013)
3.2 Teknik
I detta avsnitt kommer olika tekniker inom solvärme samt värmelagring att behandlas.
3.2.1 Solvärmetekniker
Oljekrisen som inträffade under 1970-‐talet resulterade i att utvecklingen av solfångare drevs framåt och Sverige var teknikledande inom solenergi ända fram tills mitten på 1990-‐talet. Teknikutvecklingen har fortsatt uppåt inom både företag och forskning (Andrén, 2011). Förekomsten av solfångare är störst i Kina som står för ca 75 procent av den totala världsmarknaden men Europa kommer på en andra plats där utvecklingen ser ut att vara lika positiv som i Kina. I Sverige fanns det år 2012 ca 15 000 solvärmesystem och det installeras drygt 2000 system per år. Solvärmesystem
8
förekommer idag mest i småhus men det finns också andra tillämpningar i anslutning till bland annat flerbostadshus, utomhusbad och fjärrvärmesystem (Svensk solenergi, 2013b). Huvudkomponenten i ett solvärmesystem är solfångaren som tar till vara på värmen från infallande solstrålning genom uppvärmning av ett medium, som kan antingen vara en gas eller vätska. Den insamlade solenergin transporteras därefter genom det cirkulerande mediet där värmen överförs direkt till exempelvis en badanläggning eller indirekt via en värmeväxlare (Kalogirou, 2004). Det finns två olika typer av solfångare som här kommer studeras närmare, plana solfångare samt vakuumrörsolfångare.
3.2.1.1 Plana solfångare
Den plana solfångaren är den typen som har installerats mest sedan 1980-‐talet i Sverige (Energimyndigheten, 2013a). I Figur 4 illustreras denna typ av solfångaren. En plan solfångare bärs upp av en bärande ram, en transparent skiva, en absorbator och isolering. Skivan som sitter framtill lådan består ofta av flera lager glas, eller annat transparent material, som har en hög överföring av kortvågig strålning och låg överföring av långvågig strålning. Skivan har en skyddande funktion då den hindrar att värme går förlorad i form av konvektion och strålning men skyddar även absorbatorn från yttre väderförhållanden. Det finns även isolering på baksidan och på sidorna av absorbatorn som tillsammans med ramen förhindrar värmeförluster genom konvektion (Kalogirou, 2004). Den transparenta skivan släpper igenom den infallande solstrålningen till absorbatorn som är av metall med hög absorptionsförmåga och är den viktigaste komponenten i solfångaren. Absorbatorn absorberar så mycket som möjligt av instrålningen som passerar genom glaset, samtidigt som så lite som möjligt av värmen ska gå förlorat till omgivningen och genom baksidan av ramen. I absorbatorplattan omvandlas solljuset till termisk energi. Vanligtvis är absorbatorplattans metallyta svartmålad för att absorbera så mycket värme som möjligt, men det har kommit förslag på olika färger på beläggningar för maximal värmeupptagning, ofta på grund av estetiska skäl. Värmen förs sedan bort med hjälp av en fluid som cirkulerar i rör, ofta tillverkade av koppar, som byggts in i absorbatorplattan. Värmen transporteras i denna slutna krets till ett värmelager som kan vara en ackumulatortank eller varmvattenberedare som är en del av solenergisystemet (Tian och Zhao, 2012).
9
Figur 4. Plan solfångare (Kalogirou, 2004)
3.2.1.2 Vakuumrörsolfångare
Plana solfångare var till en början utvecklade för att användas i soliga och varma klimat, men då väderförhållandena försämras med blås, kyla och molniga dagar försämras upptagningen av solenergi. Konstruktionen av vakuumrörssolfångare blir då mer gynnsam. Se Figur 5 för en förklarande bild av hur en vakuumrörsolfångare fungerar. Tekniken bygger på att cirkulära absorbatorer, ”heat pipes”, istället placeras i vakuumförseglade glasrör. Det bidrar till minskning av både konvektions-‐ och ledningsförluster, på grund av att vakuum varken leder värme eller kyla bidrar det till att prestandan därmed ökar för en vakuumrörsolfångare (Andrén, 2011). Vakuumrörsolfångare använder sig av en metod där en fluid förångas i ”heat pipes”, där den förångande fluiden kondenserar i en kanal som sedan i en värmeväxlare avger värmen till en annan fluid som cirkulerar och transporterar bort värmen. Den kondenserade vätskan återvänder därefter till solfångaren där processen återupprepas. Denna process transporterar värmen effektivt och skyddar mot överhettning och frysning av fluiden. Likt plana solfångare tar vakuumrörsolfångare in både diffus och direkt solinstrålning, men verkningsgraden är större vid mindre infallsvinklar jämfört med plana solfångare vilket är fördelaktigt (Kalogirou, 2004).
10
Figur 5. Vakuumrörsolfångare (Kalogirou, 2004)
3.2.1.3 Verkningsgrad hos solfångare
Verkningsgrad är förhållandet mellan nyttiggjord och tillförd energi i ett system eller omvandlingsprocess. Då verkningsgraden ska kalkyleras hos solfångare studeras sambandet mellan den infallande solstrålningen och den värme som solfångaren producerar. Det brukar uttryckas i kW (effekt) eller kWh (energi) per m2 och år. I Figur 6 visas verkningsgradskurvan som anger hur stor andel användbar värme som omvandlas av solfångaren under ett givet förhållande. Verkningsgradkurvan visar att värmeförlusterna blir större då differensen mellan solfångarens arbetstemperatur och uteluftstemperaturen blir större (Andrén, 2011).
11
Figur 6. Verkningsgradkurva (Andrén, 2011)
Figur 7 illustrerar energiflödet och värmeförlusterna i en solfångare. Där visas hur instrålningen som träffar solfångaren både reflekteras och absorberas av täckglaset. Figuren visar även värmestrålningsförlusterna som uppkommer från absorbatorn. Då absorbatorns temperatur överstiger omgivningens temperatur sker värmeförluster dels genom värmeledning genom isoleringen och i form av strålning och konvektion genom glaset.
Figur 7. Energiflödet och värmeförlusterna i en solfångare (Andrén, 2011)
12
Figur 8 visas en graf över hur verkningsgraden förändras för plana, vakuumrörs samt poolsolfångare i förhållande till en temperaturdifferens. Temperaturdifferensen är mellan solfångarens medeltemperatur och omgivande luft. I figuren visas att vakuumrörsolfångare har överlag en bättre verkningsgrad än plana solfångare, förutom då temperaturdifferensen är låg.
Figur 8. Plana, vakuumrörs samt pool solfångares verkningsgrad i förhållande till temperaturdifferensen mellan solfångarens medeltemperatur och omgivande luft (Andrén,
2011)
3.2.1.4 Placering av solfångare i värmesystemet
Byggnadsintegrerade solfångare är avsedda för installering i fasad, dekor, balkongräcke, inglasning etc. De är främst avsedda för att installeras på stora fastigheter i nybyggnations-‐ eller renoveringsprojekt (S-‐Solar, 2009a). Den typen av solfångare som används i dessa installationer är de plana solfångarna. När solfångarna integreras i fasaden för det med sig många fördelar som det inte gör när de monteras separat från själva byggnaden. Utifrån de grundläggande funktionerna, så fungerar den också som en skyddande sköld mot atmosfäriska effekter då den skyddar mot både värme och kyla samt att den förbättrar de termiska egenskaperna hos byggnaden med hänsyn till positiva fördelar som kommer med passiva solsystem. Fasadintegrerade solfångare har även en estetisk vinning då det blir en mer naturlig del av husfasaden. Vid installering av solfångare på höghus så gör fasadens yta det möjligt att installera dem på en större yta, än om de hade placerats på ett tak (Matuska och Sourek, 2006).
Temperaturdifferens, °C
13
Solfångare kan monteras fristående på ett tak där vinkel mot horisontalplanet kan väljas fritt, men de kan även integreras på ett platt tak. Den ger då skydd mot regn, väder och vind på ett effektivt sätt. Solfångare kan också placeras fristående på marken (S-‐Solar, 2009c).
3.2.2 Värmelagring
En viktig faktor som begränsar applikationen av solenergi är att det är en cyklisk tidsberoende energikälla, vilket medför att solenergisystem behöver en energilagring som kan tillgodose med energi under nätter och perioder med mindre solinstrålning. En teknik för värmelagaring krävs för att fördela värme från det att det omvandlas i solfångaren till den ska förbrukas. Det gör det också möjligt att lagra den värme som inte användas att sparas till ett senare tillfälle (Dincer och Rosen, 2002). I Sverige är det viktigt att överskottsvärmen kan lagras från sommaren till hösten och vintern för att solvärme ska kunna försörja större bostadshus året om. Det är vad som kallas säsongslagring (Andrén, 2011). Fördelen med säsongslagring är att ett större lagringsutrymme ger mindre värmeförluster på grund av det lägre förhållandet mellan yta och volym. Det behövs inget kompletterande energislag till värme eftersom att minskning av solinstrålning under en period har en liten effekt på ett stort värmelager (Dincer och Rosen, 2002). Det finns även system för korttidslagring vilket är det som de flesta solvärmesystem använder sig av idag. Det innebär att värmen förvaras från produktions-‐ till konsumtionstillfället under ca en till två dagar. Det används framförallt med syfte att skapa en effektutjämning i fjärrvärmenät och gruppcentraler och är den lagringsteknik som är mest vanlig idag (Andrén, 2011). Fördelen med korttidslagring är att utrustningen är mindre och mer lätthanterlig, samt att dimensionering av daglig lagring inte är lika kritisk som för säsongslagring av värme (Dincer och Rosen, 2002).
3.2.2.1 Värmelagringsmaterial
Materialet som används för att lagra den termiska energin är en viktig komponent i värmelagringstekniker. Materialet är klassificerat efter tre kategorier utifrån olika lagringstekniker: sensibel, latent och kemisk värmelagring. Latent värmelagring innebär att termisk energi lagras genom att ett fasändringsmaterial genomgår en fasförändring. Fördelen med latent värmelagring är att den kan lagra mest energi per massenhet jämfört med andra värmelagringstekniker. Kemisk värmelagring fungerar genom att särskilda kemikalier kan absorbera och släppa ifrån en stor mängd termisk energi. Detta blir möjligt då kemikalierna bildar eller bryter loss från särskilda kemiska bindningar under endoterma och exoterma reaktioner (Tian och Zhao, 2012). I denna rapport är det den sensibla värmelagringsmetoden som kommer studeras närmare.
14
I sensibla värmelagringssystem är energi förvarad genom att byta temperatur på ett lagrat medium så som vatten, luft, olja, sand eller lera. Det termiska lagringsmediet kan alltså både var i fast och flytande form. Den mängd energi som är tillförd till ett lagringsmedium är proportionell mot temperaturskillnaden på lagringsmediet, massan på mediet och mediets värmekapacitet. Mängden värme som lagras i massan av ett material kan uttryckas enligt Ekvation 1 alternativt med Ekvation 2:
! = !!!∆!
Ekvation 1
alternativt
! = !!!!∆!
Ekvation 2
där cp är den specifika värmekapaciteten för lagringsmediet, ∆ ! är temperaturskillnaden, V är volymen på lagringsmediet och ! är densiteten på mediet (Dincer och Rosen, 2002). Termisk energilagring i solenergisystem försvåras på grund av i huvudsak två orsaker. Det kräver ett lagringsystem som är tillräckligt stort för att solvärmesystemet ska fungera även under perioder då det inte finns tillräckligt med solinstrålning. Dessutom så behövs det en stor solfångararea som kan ta tillvara på det överskott av solinstrålning som finns under vissa perioder som lagras för framtida bruk (Dincer och Rosen, 2002). Det är därför viktigt att välja en värmelagringsteknik som är väl anpassad, det finns olika alternativ och några av dem sammanställs här nedan.
3.2.2.2 Värmelagringstekniker för säsongslagring
3.2.2.2.1 Lagring i bergrum
Ett sätt att lagra värme är i en eller flera utschaktade volymer i berg. Bergrumslager är idag det alternativ som är bäst lämpad för säsongslagring och det är en väl beprövad teknik som har använts vid olika projekt i Sverige (Andrén, 2011). Volymen bör vara minst 100 000 m3 för att värmeförlusterna ska vara acceptabla, såvida ingen isolering tillförs till bergrummet. Bergrummet fylls med vatten som fungerar som ett värmelagrande medium dit värmen från solfångaren överförs där det lagras till framtida användning. Tekniken har använts i t.ex. bergrum för oljeberedskapslager, skyddsrum och tunnlar (Fagerström, 1991). Lagring av oljereserver och andra förnödenheter i bergrum används idag i en mindre utsträckning. Sveriges Geologiska Undersökning,
15
SGU, har sedan 1994 avvecklat oljelagringsanläggningar runt om i Sverige (SGU, 2013a). Fördelen med värmelagring i bergrum är att det möjliggör storskalig energilagring på grund av dess stora volym (Fagerström, 1991). Bergrum är oisolerade vilket resulterar i att de behöver vara tillräckligt stora för att hålla nere de relativa värmeförlusterna. En högre temperatur på vattnet resulterar i att mer energi kan lagras i bergrummet men då ökar också värmeförlusterna. I svenskt berg som är av god kvalitet är det möjligt att lagra vatten som har en temperatur på 90°C. I Ekvation 3 följer den formel som används för att beräkna hur mycket energi som kan lagras i ett bergrum (Nordell & Söderlund, 2006):
!! = !! ∙ !!"# − !!"# ∙ !!" ∙ !
Ekvation 3
Där El är den värmeenergi som är möjlig att lagra i bergrummet, cp är vattnets specifika värmekapacitet, Tmax och Tmin är högsta respektive lägsta temperaturen i bergrummet, Vbr är maximal vattenvolym i bergrummet och ! är vattnets densitet. Den energi som går att utvinna ur lagret är beroende av de värmeförluster som sker till omgivningen. Värmeförlusterna är beroende av bergets termiska egenskaper samt hur stor grundvatteninströmningen till bergrummet är. Ekvation 4 visar en formel för beräkning av stationära värmeförluster härledda till bergets värmeledningsförmåga (Teknikmarknad, 2012): !! = ℎ ∙ ! ∙ ! ∙ ! ∙ (!! − !!)
Ekvation 4
Där Es är stationära värmeförluster per år, h är en dimensionslös värmeförlustfaktor, ! är värmeledningsförmågan hos bergarten som omger bergrummet, Tm är medeltemperaturen på vattnet i bergrummet under året, To är ostörd marktemperatur (årsmedeltemperatur på luften), R är karakteristiska längden och t är antalet timmar under ett år. En approximation görs då bergrummet likställs med ett klot. Till följd blir då att den karakteristiska längden R blir klotets radie och kan därmed beräknas med Ekvation 5:
16
! = 3 ∙ !4 ∙ !
Ekvation 5
där V är bergrummets volym som används för värmelagring. Den dimensionslösa värmeförlustfaktorn h tas fram med Ekvation 6 (Teknikmarknad, 2012): ℎ ≈ !∙ !
!! !!∙ !!
Ekvation 6
där Dm är avståndet från markytan till klotets centrum. De värmeförluster som beror av grundvattenströmning beräknas med hjälp av Ekvation 7 (Teknikmarknad, 2012):
! !" = !! ∙ !! − !!" ∙ !!" ∙ !
Ekvation 7
Där Egv är värmeförlusterna som orsakas av grundvattenströmning, cp är vattnets specifika värmekapacitet, Tm är medeltemperaturen på vattnet i bergrummet under året, Tgv är grundvattentemperaturen, Vgv volymen av vattnet som strömmar in i bergrummet under ett år och ! är vattnets densitet. De totala värmeförlusterna kan nu beräknas med hjälp av Ekvation 8 och Ekvation 9: ! ! = !! + !!"
Ekvation 8
Där Ef är den totala värmeförlusten på ett år, Es är de stationära värmeförlusterna på ett år och Egv är värmeförlusterna på ett år som beror på grundvattenströmning. Ekvation 9 visar hur mycket energi som behöver tillföras per år om bergrummet på årsbasis ska hålla ett konstant energiinnehåll samtidigt som maximalt energiuttag sker under vintern:
17
! ! = !! + !!
Ekvation 9
Där Et är den energi som måste tillföras per år för konstant energiinnehåll, El är energin som kan lagras i bergrummet och Ef är totala värmeförluster under ett år. Maximalt energiuttag per år kan fås ur Ekvation 10: ! ! = !! − !! = !!
Ekvation 10
där Eu är maximalt energiuttag per år, Et är energin som behöver tillföras per år för konstant energiinnehåll, Ef är totala värmeförlusterna under ett helt år och El är energin som kan lagras i bergrummet.
3.2.2.2.2 Borrhålslager
Vid borrhålslagring förvaras värmen i marken och är en av de värmelagringsmetoder som i framtiden kan komma att vara av betydelse för långtidslagring av värme (Nordell & Söderlund, 2006). Borrhålslager är i allmänhet ett större system där ett tiotal till hundratal borrhål som borras i berggrunden i nära anslutning till varandra. Detta lager kan under sommaren fyllas på med värme från solfångare för att sedan använda den värmen på vintern för att värma upp byggnader (Heier, 2013). I de vertikala borrhålen införs U-‐rör, som är en borrhålsvärmeväxlare, till ett djup på 30-‐200 meter (Pavlov, 2011). I de U-‐formade rören cirkulerar ett värmebärande medium, ofta en frostnedsättande vatten-‐ och glykolblandning. Vätskan som värms upp av solfångaren kyls ner av det omkringliggande berget som tar upp värmen och lagrar den. När den lagrade värmen ska användas cirkulerar en svalare vätska i rören som då värms upp av det uppvärmda berget (Claesson, 1985). Värmelagring kan ske i ett enskilt borrhål eller i flera borrhål i nära anslutning till varandra. Borrhål som ligger nära varandra kommer att ha en termisk påverkan på varandra, detta kan undvikas genom att borra hålen i en vinkel för att åstadkomma större avstånd ju längre ner i marken rören kommer. Om borrhålen påverkar varandra termiskt kommer den möjliga värmekapaciteten som kan fås ut att minska (Nordell & Söderlund, 2006).
18
Den värmeeffekten som går att hämta från ett borrhål varierar under årets månader, men det kommer under årens lopp att bildas en stationär värmeeffekt, Q, som går att beräknas med hjälp av Ekvation 11 (Nordell & Söderlund, 2006):
! = 2! ∙ ! ∙ ! ∙ (!!" − !!)
ln !2!!
Ekvation 11
Där λ är värmeledningsförmågan hos berget som omger borrhålet, H är hålets djup, Tom är den ostörda omgivningstemperaturen, TR är medelvärdet på den stationära temperaturen i borrhålsväggen medan R0 är borrhålets radie. Fram till dess att värmeeffekten blir stationär beskrivs det transienta förloppet med hjälp av Ekvation 12 (Nordell & Söderlund, 2006):
!!" − !! ! = !
2! ∙ ! ∙ !12 ln
4!"!!!
− !
Ekvation 12
Där t beskriver tiden i sekunder som gått sedan installationen av borrhålen, a är en temperaturledningskoeffecient som även kan uttryckas i kvoten a = λ/c där c är värmekapaciteten, och γ är en konstant med värdet 0,5772 så länge som t < ts. Variabeln ts beskriver brytningen mellan det transienta och stationära förloppet och beskrivs med Ekvation 13 (Nordell & Söderlund, 2006):
!! = !!
9!
Ekvation 13
Det går även att beräkna hur flertalet borrhål påverkar vid en konstant uttagen medeleffekt, Q0, vilket görs med hjälp av Ekvation 14 (Nordell & Söderlund, 2006):
!!" − !! ! =!!! ∙
12!" ∙ ! ∙ !
! !! ,!!
! ,!!"
!…
Ekvation 14
19
Där N anger antalet borrhål som är placerade med avståndet B från varandra där g(…) är en dimensionslös temperaturfunktion som beskriver sambandet mellan borrhålens temperaturer. Det kan inte beräknas analytiskt utan kräver datorberäkningar.
3.2.2.2.3 Lerlager
Värmelagring i ler-‐ eller jordlager bygger på att slangar förs ner i jordmaterialet och används som en markvärmeväxlare, där den omkringliggande leran tar upp och lagrar värmen. Liksom vid borrhållslagring cirkulerar uppvärmt vatten i slangar som successivt kyls ner. När värmen ska användas så sker den omvända processen. Denna lagringsteknik kan användas med nedgrävda horisontella eller vertikala slangar (Claesson, 1985).
3.2.2.2.4 Akviferlager
Lagring i akviferer är då värme lagras i grundvattenmagasin. Om det vid platsen finns mark som är porös och bergformationer som innehåller mycket grundvatten kan det användas till att lagra värme och kyla. Akviferlager passar bäst för säsongslagring och användas oftast för att kombinera lagring av värme och kyla eller enbart lagring av kyla. För systemet krävs en värmepump respektive kylmaskin (Fagerström, 1991).
3.2.2.3 Tidigare projekt inom värmelagring
Säsongslagring i bergrum i Lyckebo I Lyckebo utanför Uppsala har ett bergrum för säsongslager använts för att lagra värme. Det byggdes i början på 80-‐talet och har sedan år 1983 försörjt 500 bostäder med värme. Ett fält med ca 4300 m2 plana solfångare fungerar som värmekälla. Lagret är ett 100 000 m3 stort bergrum som är beläget 30 meter under marken (Claesson m.fl., 1993). Anläggningen i Lyckebo har inte använts för solproduktion sedan år 1997 då verksamheten omöjliggjordes på grund av att det krävdes en återinvestering av solfångare och värmeväxlare (Åsberg, 2011).
Säsongslagring i borrhål i Anneberg
I Danderyds kommun ligger bostadsområdet Anneberg där solfångare har installerats på taket med en area på 2400 m2. Området omfattar 50 bostadsenheter där projektet förväntas att generera 70 procent av det totala värmebehovet. Solenergin lagras i ett borrhålslager som består av 100 stycken borrhål, som har ett djup på 65 meter och en diameter på 1,15 dm. Värmelagret omfattar ungefär 60 000 m3 berg där borrhålen är ordnade i en kvadrat som är 10 x 10 meter med 3 meter emellan varje hål (Dalenbäck,
20
2006). Lagret håller en temperatur på 45 °C när det är fulladdat och 35 °C när det är urladdat (Bernestål och Nilsson, 2007).
Säsongslagring i borrhål i Emmaboda
I Emmaboda, Småland togs under år 2010 ett borrhålsvärmelager i bruk som laddas med industriell spillvärme från ett gjuteri ägt av ITT Water & Wastewater. I Tabell 1 visas teknisk data för säsongslagret i Emmaboda, som kommer att hålla en temperatur på ca 65-‐70°C i den centrala sektionen av lagret. Som mest kommer lagret att kunna ta emot 3 800 MWh per år där det årliga energiuttaget uppgår till 2 500 MWh medan de resterande 1 300 MWh är de årliga lagerförlusterna (Carlstedt, 2010). Borrhålslager Emmaboda Antal borrhål 140 st Borrhålsdjup 150 m Borrhålsdiameter 108-‐115 mm Borrhålsavstånd 4 m Lagrets markyta 52 x 36 m2 Lagringsvolym i berg 300 000 m3 Tillförd energimängd/år 3 800 MWh Uttagen energimängd/år 2 500 MWh
Tabell 1. Borrhålslager Emmaboda (Carlstedt, 2010)
3.3 Ekonomi
I detta avsnitt kommer olika ekonomiska aspekter relaterat till solvärme-‐ och värmelagringstekniker att tas upp.
3.3.1 Kalkylmetoder
För bäst lämpad beslutsfattning vid olika investeringsalternativ, krävs det att de olika investeringarna jämförs på lika villkor, detta görs lättast med hjälp av olika kalkylmetoder som syftar till att ge ekonomiskt belägg för vilket beslut som ska fattas. Nedan presenteras 2 vanliga kalkylmetoder.
3.3.1.1 Nuvärdesmetoden
Nuvärdesmetoden, som även är känd som diskonterings-‐, kassaflödes-‐ och kapitalvärdemetoden, är en av de mest använda kalkylmetoderna inom svenska företag (Företagsvärdering, 2013). Metoden beräknar värdet av en investerings framtida
21
kassaflöde och diskonterar dessa till dagens penningvärde med hjälp av en kalkylränta, på så sätt erhålls en samlad värdering av företagets investering i dagens penningvärde för att på ett enkelt sätt kunna jämföra med andra potentiella investeringar. Nettonuvärdet, eller Net Present Value, är en mer korrekt benämning på denna metod vilket innebär differensen mellan nuvärdet på framtida kassaflöden och nulägets kassaflöde, det vill säga den nödvändiga investeringskostnaden. Nettonuvärdet för en investering beräknas enligt Ekvation 15 (Sandoff m.fl, 2005):
!"# = − ! + !!
1+ ! !
!
!!!
Ekvation 15
Där NPV är investeringens nettonuvärde, G symboliserar grundinvesteringsbeloppet i svenska kronor, n representerar den ekonomiska livslängden det vill säga avskrivningstiden, ai är det årliga nettokassaflödet, vilket betyder inbetalningar minus utbetalningar, angivet i SEK för år i, medan r är kalkylräntan. En nackdel med nuvärdesmetoden är att den inte tar hänsyn till eventuella budgetrestriktioner eller likviditetspåverkan. Det är nämligen endast NPV-‐värdet som beaktas, där det är den investering med högst NPV som är mest fördelaktig att välja. Detta går dock att kringgå genom att utvärdera investeringen med ytterligare en kassaflödesbaserad metod (Sandoff m.fl., 2005).
3.3.1.2 Payback – metoden
Payback-‐metoden, även kallad återbetalningsmetoden, är en av de simplare kalkylmodellerna som i sin enklaste form inte tar hänsyn till någon kalkylränta. Metoden värderar en investering baserat på det antal år som krävs för att investerings beloppet ska återbetala sig själv. Ekvation 16 beskriver hur antal år beräknas som krävs för att generera ett inbetalningsöverskott som överstiger den initiala kostnaden (Sandoff m.fl., 2005):
! = !!
!
!!!
Ekvation 16
Där återbetalningstiden n beräknas genom att jämföra grundinvesteringen G med summan av nettokassaflödena ai, där i anger det aktuella året. För att ta hänsyn till investeringens tidsvärdet kan metoden utvecklas genom att justera kassaflödena med
22
kalkylräntan liknande den ovannämnda nuvärdesmetoden. Ekvation 17 beskriver detta samband (Sandoff m.fl., 2005):
! = !!
(1+ !)!
!
!!!
Ekvation 17
I och med att kalkylräntan påverkar nettokassaflödet krävs det något längre tid innan summan blir den samma som grundinvesteringsbeloppet, vilket resulterar i en något längre återbetalningstid då tidsvärdet på investeringen beaktas. Fördelarna med payback-‐metoden är att den är enkel att förstå och använda, då den ger en samlad bedömning på investeringens lönsamhet samt risk. Där exempelvis en lång payback-‐tid betyder att investerarna behöver ligga ute med likviditet under en längre period vilket gör investeringen relativt olönsam. En lång payback-‐tid kräver även en längre prognos för de framtida kassaflödena, vilket kan indikera att det är mer riskfullt än en investering med en kortare payback-‐tid (Brigham och Ehrhardt, 2010).
3.3.2 Styrmedel
I Sverige har politikerna satt upp ett antal styrmedel inom energisektorn för att främja utvecklingen mot de uppsatta energi-‐ och miljömål som finns uppsatta för landet. Styrmedel delas ofta in i fyra underkategorier, där de olika kategorierna har olika karaktär och grad av påverkan (Energimyndigheten, 2009b). Det som oftast förknippas med styrmedel är den ekonomiska underkategorin som bland annat innefattar skatter, bidrag & subventioner samt olika handelssystem så som handeln med elcertifikat och utsläppsrätter. De administrativa styrmedlen påverkar i form av regleringar och är stommen i Sveriges miljöpolitik, medan information agerar som ett mer frivilligt styrmedel, där fokus ligger på att åstadkomma förbättringar hos befolkningens beteende och attityder med hjälp av upplysning och utbildning. Sista underkategorin är Forskning/Utveckling där stöd till FoU leder till en utveckling inom den tekniska delen av energisektorn (Naturvårdsverket och Energimyndigheten, 2006).
3.3.2.1 Solvärme och styrmedel
Fram till den sista december 2011 fanns det ett statligt stöd för solvärme som gavs ut till alla som valde att investera i denna typ av solenergi, allt ifrån bostadsföreningar och badanläggningar till industrier. Detta ekonomiska styrmedel för solvärme gav 2,5 kronor per årlig producerad kilowattimme, där det maximala stödet uppgick till 7 500 kronor per lägenhet alternativt 3 miljoner kronor per projekt (Boverket, 2010). Trots att detta stöd försvunnit finns det fortfarande möjligheter att erhålla ekonomisk
23
ersättning i och med ROT-‐avdrag för arbetskostnader för installationen av solvärmesystemet (Energimyndigheten, 2013b).
3.3.3 Energipriser
Energipriser delas ofta in i kategorierna el-‐ och värmepris, då denna rapport endast behandlar solvärme kommer elpriser inte att tas med i detta avsnitt.
3.3.3.1 Fjärrvärmepriser
I Sverige finns det drygt 200 företag som levererar fjärrvärme som alla skiljer sig åt, både vad gällande storlek samt bränsletyp. Detta leder till kraftiga skillnader i prissättning runt om i landet (Energimyndigheten och Energimarknadsinspektionen, 2012). Sedan millenniumskiftet har priserna på fjärrvärme stigit i medel med ca 51 procent ute i landets kommuner, detta kan jämföras med konsument pris index, KPI, som endast ökat med 21 procent under samma period. (Nils Holgersson, 2012). I Figur 9 visas hur medelpriset, inklusive moms, på fjärrvärme för mindre flerfamiljshus har varierat under åren 2009 till 2012 i Sverige. Där medelpriset i Sveriges kommuner låg på 79,68 öre per kilowattimme under år 2012, medan det volymviktade medelpriset för samma period låg på 76,81 öre/kWh. Volymviktat medelpris tar hänsyn till storleken på fjärrvärmeleveransen och avger en mer realistisk prisbild. Medelpriset per kommun för större flerfamiljshus låg under år 2012 på 77,64 öre/kWh. Alla dessa priser har i genomsnitt ökat med 3 procent i jämförelse med år 2011 (Svensk Fjärrvärme, 2012).
Figur 9. Statistik över fjärrvärmepris (Svensk Fjärrvärme, 2012)
70,27 72,9 73,91 76,08 74,64 76,42 77,09 79,68
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2009 2010 2011 2012
Pris (SEK)
År
Fjärrvärmepris
Volymviktat medelpris
Medelpris per kommun
24
Kvarteret Lagern ligger i Solna Stad vars leverantör av fjärrvärme är Norrenergi. I Tabell 2 och Tabell 3 visas hur 2013 års prissättning, exklusive moms, förhåller sig för bostäder och lokaler inom detta område.
Bostäder Pris exkl. moms 2013
Småhus 74,8 öre/kWh
Mindre flerfamiljshus ca 69 öre/kWh
Normalstort flerfamiljshus ca 69 öre/kWh
Större flerfamiljshus ca 68,3 öre/kWh
Mycket stort flerfamiljshus ca 68,1 öre/kWh
Tabell 2. Prissättning av fjärrvärme för bostäder (Norrenergi, 2013a)
Lokaler Pris exkl. moms 2013
Mindre lokalfastighet ca 73,6 öre/kWh
Normalstor lokalfastighet ca 73,4 öre/kWh
Större lokalfastighet ca 72,6 öre/kWh
Mycket stor lokalfastighet ca 71,8 öre/kWh
Tabell 3. Prissättning av fjärrvärme för lokaler (Norrenergi, 2013a)
3.3.3.2 Fjärrvärme i framtiden
Under årsskiftet 2012/2013 fasades många kraftvärmeanläggningar, som använde sig av biobränslen, ut ur elcertifikatsystemet. Trots detta förväntas en ökning att ske inom fjärrvärmesektor fram till år 2020, där flera av företagen förväntas göra en gemensam investering på 29,4 miljarder SEK i nya anläggningar som kommer att öka kapaciteten med 600 MW (Svensk Fjärrvärme, 2011).
3.3.4 Kostnader
I detta avsnitt kommer olika kostnader relaterat till solfångare och värmelagring att tas upp. Kostnader går att dela upp i fasta och rörliga, där de fasta kostnaderna innefattar grundinvesteringen så som solfångare, värmelagringssystem samt installation, medan de rörliga behandlar de årliga kostnaderna för att underhålla och driva systemen.
25
3.3.4.1 Solfångare
Investeringskostnader i solfångare är en viktig del av lönsamhetsanalysen för ett solvärmesystem. I Tabell 4 och Tabell 5 redogörs hur mycket olika solfångare kostar.
Tillverkare (land) Produkt Referensarea
(m2) Yttermått (m2)
Levererad energikapacitet
(kWh/år)
Pris exkl. moms (SEK)
Värmebaronen (Sverige)
Solfångare K2 1,82 2,06 871 6 000
Svesol (Sverige) Premium 2,37 2,62 1202 7 040 Svesol (Sverige)
Favorit Max 2,30 2,48 955 4 400
Aquasol (Sverige) Long 2 2,1 2,23 872 6 800 Effecta (Sverige/Tyskland)
Effecta ST2AR 2,21 2,37 1037 6 636
Medelvärde 2,16 2,35 987 6 175
Tabell 4. Priser för plana solfångare (Värmebaronen, 2013; Svesol, 2013; Aquasol, 2012; Effecta, 2012)
Tillverkare (land) Produkt Referensarea
(m2) Yttermått (m2)
Levererad energikapacitet
(kWh/år)
Pris exkl. moms (SEK)
Svesol (Sverige)
Optima (Sunpur) 15 1,514 2,52 1087 10 800
Aquasol (Sverige)
Zenit RF SP 2,24 4,08 1664 10 800
Aquasol (Sverige)
Zenit NA DP 2,24 4,08 1664 11 800
Effecta (Sverige/Tyskland)
Effecta VAC 1,99 2,28 1186 9 418
Medelvärde 2,0 3,24 1400 10 705
Tabell 5. Priser för vakuumrörssolfångare (Svesol, 2013; Aquasol, 2012; Effecta, 2012)
26
Priset för plana solfångare ligger således på ca 2 600 kr per kvadratmeter medan vakkumrörsolfångare har ett jämförande pris på ca 3 300 kr per kvadratmeter.
3.3.4.2 Värmelagring
Priser för att konvertera ett befintligt oljebergrum till ett säsongsvärmelager skulle kosta 61 kr/m3 i 1988 års penningvärde (Teknikmarknad, 2012) vilket skulle generera i dagens penningvärde ca 108,6 kr/m3 (SCB, 2013a). Motsvarande kostnader för borrhålsvärmelager är ca 300 kr per meter borrhål (Acuña, 2013).
3.3.4.3 Underhålls-‐ och driftskostnader
Underhållskostnaderna för solfångare är i regel väldigt låga, nästintill försumbara. De solfångare som innehåller en antifrysvätska kräver underhåll i form av byte av denna vätska, dock endast vart femte år (Southface, 2013). Det kan även vara bra att kontrollera den värmebärande vätskan i solfångarna någon gång per år (Svensk Solenergi, 2013c). En riktlinje för hur stor driftskostnaderna för solfångarsystemet är, har tagits fram med hjälp av Teknikmarknad och kan approximeras med 1 procent av grundinvesteringsbeloppet (Teknikmarknad, 2012).
3.3.5 Inflation
En viktig faktor att ta med i ekonomiska kalkyler är inflationen som kommer att påverka alla framtida priser. Sverige har ett årligt inflationsmål på +2 procent för att motverka deflation samt hålla priserna på en relativt stabil nivå (Riksbanken, 1993). Inflationen i Sverige är i nuläget låg, då den under februari 2013 låg på -‐0,2 procent, detta är en följd av att bland annat kronan växt sig starkare under de senaste åren, låg resursutnyttjande i ekonomin samt sänkta priser på importerade varor. Enligt Sveriges Riksbank kommer landets inflation, mätt med hjälp av KPI, fortsätta att vara låg fram till och med 2014 då den beräknas att stiga i enlighet med Figur 10 (Riksbanken, 2013).
27
Figur 10. Inflationsprognos enligt KPI (Sveriges riksbank, 2013)
3.4 Kvarteret Lagern
I oktober 2011 togs beslutet att Råsunda fotbollsstadion kommer ersättas med bostads-‐ och kontorshus, varpå Fabege och PEAB gick in som nya ägare till området. Råsunda stadion har varit i mycket dåligt skick vilket gör det både ekonomiskt och tekniskt ohållbart. Rivningen påbörjades i februari 2013 (Solna Stad, 2013a). Solnas översiktsplan från 2006 tar upp fem utvecklingsområden, där området kring Solna centrum är ett av dessa områden. Utgångspunkten är att Solna centrum ska förtätas med ny bebyggelse. Planområdet för kvarteret Lagern ligger mellan Råsunda stenstad och Solna centrums mer storskaliga bebyggelsekaraktär. Bebyggelsen av området syftar till att koppla ihop de båda stadsdelarna (Solna stad, 2011a). Det förslag som har lagts fram föreslår att det befintliga kontorshuset i väst där det tidigare har legat en läktare, Kammen, behålls i stort men en ny fasad och entré mot riktningen där torgstråket byggs. Det kommer även tillkomma en mindre tillbyggnad på det befintliga kontorshuset, Dallashuset, så att en bättre anslutning till entréplatsen kan utnyttjas som lokal. Förutom kontor gör ombyggnationen även det möjligt för b.la. skola och studentbostäder att använda byggnaden (Solna Stad, 2011b). Ett nytt kontorshus är planerat att byggas i den södra delen av området mot Frösundaleden, där ett exempel på utformning går att ses i Figur 11. Kontorshuset kommer vara uppdelat i tre volymer där den högre delen kommer vara 13 våningar hög, de andra huskropparna kommer vara 10 våningar respektive 5-‐7 våningar. Taken är planerade att utformas som flacka tak av plåt, sedum eller duk (Solna Stad, 2011a).
28
Figur 11. Exempel på fasadutformning mot söder skala 1:1000 (Solna stad, 2011a)
Bostadshus kommer byggas norr om kontorsbyggnaderna som kommer ha varierande höjder mellan 7 och 9 våningar. En eller de två översta våningarna kommer att vara indragna. Bostadsbyggelsens tak kommer i huvudsak vara flacka sadel-‐ eller pulpettak, där det kommer vara en maximal taklutning på 14 grader (Solna Stad, 2011a). I området där kvarteret Lagern kommer ligga finns det inga tunnlar eller kulvertar belagda. Det finns inte några befintliga bergrum direkt under gamla Råsunda (Wihlke, 2013). Information kring försvarsmaktens bergrum som eventuellt finns i området går ej att ta del av på grund av sekretess av rikets säkerhet (Parmer, 2013). Gamla Råsunda stadion har tillgodosetts med fjärrvärme från Norrenergi AB (Vilhelmson, 2013). Planen är att den nya och befintliga bebyggelsen kommer försörjas med fjärrvärme (Solna Stad, 2011b).
3.4.1 Termiska egenskaper
Värmelagring i bergrum alternativt borrhål kräver en omfattande undersökning av områdets termiska egenskaper. Eskilson and Claesson har angett de typiska svenska värdena på de konstanterna som ingår i ekvationerna i avsnitt 3.2.2.2, där λ = 3,5 W/(m∗K), a = 1,62 ∗ 10-‐6 m2/s samt Tom = 8°C (Claesson & Eskilson, 1987) Berget under gamla Råsunda stadion består till huvuddel av sur intrusivbergart så som granit, granodiorit samt monzonit (SGU, 2013b) där Figur 12 visar de olika värdena på λ för olika typer av kristallina bergarter. Granit har en värmeledningsförmåga på mellan 3-‐4 W/(m∗K) och är en av de vanligaste bergarterna i Sverige vilket även stämmer överens med bergarten under kvarteret Lagern, det går således att dra slutsatsen att λ = 3,5 W/(m∗K) precis som Claesson & Eskilson hävdade.
29
Figur 12. Värmeledningsförmåga för olika magmatiska bergarter (Sundberg, 1991)
Värmekapacitansen, c, brukar för de flesta kristallina bergarter ligga på 0,55 kWh/(m∗°C) vilket ger a = λ/c ≈ 3,5/(0,55∗1000∗3600) = 1,77 ∗ 10-‐6. Medeltemperaturen vid markytan beror utav olika faktorer så som värmeutbyte mellan luft och mark samt bland annat nederbördens inverkan. Denna temperatur beräknas huvudsakligen fram med hjälp av medeltemperaturen i luften. Markytans temperatur sägs vara ca 1,5°C varmare än luftens medeltemperatur för varje 100 dagar med snötäcke, vilket skulle motsvara runt 3-‐4°C över luftens temperatur i norra delarna av Sverige, men något mindre än 1°C i de södra delarna (Rósen mfl., 2001). I kvarteret Lagern är den uppmätta medeltemperaturen i luften ca 7,1°C (European Commission, 2013).
3.4.2 Detaljplan kvarteret Lagern
I ”Bilaga 1 – Detaljplan kvarteret Lagern” finns en karta över hur området är tänkt att utformas, denna detaljplan är framtagen av den ansvariga arkitektfirman som är tillsatt av Fabege att utforma kvarteret Lagern. I enlighet med denna plan kommer det att byggas 6 byggnader som kommer att inhysa ca 730 lägenheter samt 4 stycken byggnader som kommer att användas som kontor (Wallin, 2013). I Tabell 6 redogörs de totala ytorna som kommer att byggas samt de nödvändiga ytor som kommer att
30
användas i modellen för beräkning av solfångare samt värmelagring. Där BTA står för fastighetens brutto total area, BOA för bostadsarea och LOA är lokalarea. Kvarteret Lagern Bostadshusens BTA ca 69 400 m2 Bostadsarea (BOA) ca 52 000 m2 Kontorshusets BTA ca 19 000 m2 Kontorets lokalarea (LOA) ca 18 000 m2 Markarea 2 625 m2 Söderriktad fasadarea 3 515 m2 Takarea – bostad & kontor 8 545 m2
Tabell 6. Arealer kvarteret Lagern (Wallin, 2013)
I ”Bilaga 2 – Soldata kvarteret Lagern” går att hitta mer information angående de olika soldata som tagits fram med hjälp av ett beräkningsverktyg på Europeiska Kommissions websida för Photovoltaic Geographical Information System, PVGIS. Där går bland annat att avläsa att den optimala lutningen på de takintegrerade solfångarna är 41 grader mot söder samt att den årliga medeltemperaturen i området är 7,1° Celsius (European Commission, 2013).
3.4.3 Nuvarande energianvändning Solna Kommun
Ekonomisk utveckling och befolkningstillväxt är två faktorer som i allra högsta grad påverkar framtida energibehov. Figur 13 visar att Stockholms län under det senaste decenniet växt stadigt i befolkning där nya siffror visar en ökning med 35 533 människor under år 2012 (Statistiska Centralbyrån, 2013). Detta är ett resultat av både ett födelseöverskott samt en större inflyttning än utflyttning. Energianvändningen i landets hushåll har minskat med 20 procent jämfört med år 1990 (Ekonomifakta, 2010) där den årliga genomsnittliga användningen i Stockholm låg på 8142 kWh/invånare (Miljöbarometern, 2010). Detta skulle resultera i att huvudstadens dryga 2.1 miljoner invånare har ett årligt energibehov till sina bostäder på 17.3 TWh. Solna stad har med motsvarande 7121 kWh/invånare och år (Ekonomifakta, 2010), ett värde under riksmedel, och kräver årligen dryga 0.5 TWh för att försörja sina 71293 invånare, en siffra som beräknas att stiga över 90 000 invånare till och med 2020 (Solna Stad, 2013b).
31
Figur 13. Stockholms befolkningsmängd (SCB, 2013b)
3.4.3.1 Förväntad energianvändning kvarteret Lagern
Kvarteret Lagern är under konstruktion, vilket leder till att det inte finns några siffror för områdets nuvarande energiåtgång. Fabege har dock uppgett att den förväntade energianvändningen, varmvatten samt värme, i kontorshuset beräknas vara jämförbart med den nuvarande energianvändningen i fastigheten Farao 20 som är beläget i Arenastaden i Solna. Denna fastighet är byggd på 70-‐talet men har genomgått en omfattande totalrenovering år 2010 och uppfyller nu kraven för GreenBuilding-‐certifiering (Fabege, 2013). I Tabell 7 redogörs fastighetens brutto total area, BTA, dess Atemp area vilket betyder den sammanlagda arean av samtliga våningsplan som skall uppvärmas till mer än 10°C, samt energianvändningen i Farao 20 (Wester, 2013). Fastigheten Farao 20 -‐ 2012 Area -‐ BTA 10 140 m2 Area -‐ Atemp 8 788 m2 Energianvändning för uppvärmning och varmvatten per år
34,44 kWh/m2
Total energianvändning för varmvatten per år
10 700 kWh
Total energianvändning för uppvärmning och varmvatten per år
302 638 kWh
Tabell 7. Data fastigheten Farao 20 (Wester, 2013)
1850000
1900000
1950000
2000000
2050000
2100000
2150000
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Befolkningsm
ängd
År
Stockholms befolkningsmängd
32
Tabell 8 visar hur månadsfördelningen av värme samt varmvatten ser ut i Farao 20.
Månad Uppvärmning (kWh/m2) Varmvatten (kWh/m2)
Januari 5,781 0,102 Februari 5,915 0,102 Mars 4,416 0,125 April 2,837 0,114 Maj 1,306 0,102 Juni 0,535 0,091 Juli 0,428 0,091 Augusti 0,528 0,080 September 0,645 0,102 Oktober 1,551 0,125 November 4,118 0,114 December 5,152 0,080 Summa: 33,212 kWh/(m2, år) 1,228 kWh/(m2, år)
Tabell 8. Månadsfördelning värme-‐ & varmvattenanvändning i kontorshuset (Wester, 2013)
För bostadshusen används schablonuppgifter på värme-‐ samt varmvattenanvändningen i enlighet med Boverkets byggregler. Solna ligger i klimatzon III vilket ger med de nya skärpta kraven från 2012 ett värde på 90 kWh/(m2, år) för flerbostadshus (Boverket, 2011) där ca 25 kWh/(m2, år) går åt till varmvattnet (Sveby, 2012). I Tabell 9 visas hur bostädernas värmeanvändning är fördelad över året, procentsatserna för månadsuppdelningen av uppvärmningen är framtagna med hjälp av en energiinventering av flerbostadshuset Toppsockret 1 i Farsta (ÅF, 2007). Denna procentsats stämmer även relativt väl med den månadsfördelning som kontorshuset har. Varmvattenförbrukningen anses vara jämt fördelad över året (Laike, 2013).
33
Månad Procentsats för uppvärmning
Uppvärmning (kWh/m2)
Varmvatten (kWh/m2)
Januari 0,171 11,12 2,083 Februari 0,140 9,1 2,083 Mars 0,119 7,74 2,083 April 0,075 4,88 2,083 Maj 0,048 3,12 2,083 Juni 0,010 0,65 2,083 Juli 0,00 0,00 2,083 Augusti 0,00 0,00 2,083 September 0,029 1,89 2,083 Oktober 0,095 6,18 2,083 November 0,136 8,84 2,083 December 0,177 11,51 2,083 Summa: 100 % 65 kWh/(m2, år) 25 kWh/(m2, år)
Tabell 9. Månadsfördelning värme-‐ och varmvattensanvändning i bostadshusen (Boverket, 2011; Sveby, 2012; ÅF, 2007)
4. Metod
I rapporten studeras hur de kontors-‐ och lägenhetsbyggnader som kommer byggas vid kvarteret Lagern kan använda sig av solvärme som ett hållbart energisystem. Med hjälp av den detaljplan som har tagits fram över det kommande området, kommer de disponibla tak-‐ och fasadytorna att undersökas för att se om en implementering av solfångare är tekniskt samt ekonomiskt genomförbart. För att göra det möjligt för området att använda energin från solfångare året om kommer värmelagring i borrhål att undersökas. I denna del av rapporten presenteras den övergripande modellen som används. Antaganden och indata presenteras samt de ekvationer som används för att generera ett resultat. De begränsningar som modellen innefattar redogörs samt ett överskådligt flödesschema över tillvägagångssättet.
34
4.1 Arbetsmodell
Schematisk bild över tillvägagångssättet visas i Figur 14.
Figur 14. Flödesschema över tillvägagångssättet
4.2 Begräsningar
Det finns ett antal begräsningar i metoden som påverkar resultatet som här kommer att presenteras. Området är ännu inte är byggt vilket medför att rapporten inte kommer analysera kvarteret Lagern grundligt, detta medför att viss data saknas. Vilket därför leder till att rapporten är begränsad och håller en mer teoretisk än praktiskt nivå. De tekniska specifikationerna för de solfångare som eventuellt kommer installeras i området är ännu ej fastställt vilket resulterar i att standarduppgifter för liknande projekt får användas vid beräkningar av solfångararea, energiutvinning, kostnader för installation samt drift och underhåll. Vid beräkning av den solenergi som kan utvinnas ur den installerade solfångararean tas inte någon hänsyn till de skuggningsförluster som kan uppkomma på grund av exempelvis närliggande träd och byggnader. Detta på grund av att det är en fiktiv byggnad som undersöks.
35
Enbart typen plana solfångare utreds eftersom att de fasadintegrerade solfångare utgörs av det, de takplacerade solfångare som undersöks kommer således också vara av typen plan solfångare. Endast ett värmelagringsalternativ kommer att undersökas. Utifrån de förstudier som har genomförts har inga uppgifter hittats angående om det finns ett bergrum i området, därför kommer bara borrhålslager undersökas. Beräkningar för energilagring i borrhål är komplicerade och väldigt omfattande (Acuña, 2013). Borrhålslagret kommer därför att dimensioneras utefter ett befintligt borrhålslagersystem som finns i Emmaboda. Modellen kommer ej att ta hänsyn till eventuella underhållskostnader som exempelvis snöröjning för de takintegrerade solfångarna eller till underhållskostnaderna som krävs för att byta värmeväxlaren i borrhålsvärmelagret. Eventuella energikostnader för uttag av energi från värmelagringen är ytterligare en sak som begränsar denna modell. Modellen tar ej hänsyn till eventuella investeringskostnader för att ansluta sig till fjärrvärmenätet i Solna, då dessa kommer att ske oavsett om solfångar-‐ och värmelagringssystemet implementeras eller ej.
4.3 Antaganden
I detta avsnitt presenteras de antaganden som har tagits med i beräkningarna. Kvarteret Lagern är fortfarande en fiktiv byggnad vilket leder till att energianvändningen i bostads-‐ samt kontorsbyggnaden tas fram genom att studera energianvändningen i en liknande kontorsbyggnad samt för ett nybyggt flerbostadshus. Den kontorsbyggnad som ska byggas förväntas vara jämförbar med en kontorsfastighet som genomgick en totalrenovering år 2010 (Fabege, 2013). För bostadshusen används schablonuppgifter för värme samt varmvattenanvändningen enligt Boverkets byggregler (Boverket, 2011). I avsnitt 3.4.3.1 förklaras framtagandet av energianvändningen i kvarteret Lagern mer detaljerat. Den fasad-‐ och takarea som används i beräkningarna kommer att vara en uppskattning eftersom byggnationerna ännu inte har påbörjats i kvarteret Lagern. Med hjälp av Andreas Wallin, arkitekt vid Bernow & Wik Arkitektur AB, har en sammanställning av disponibel yta för installering av solfångare och borrhålslagring tagits fram för området. Detta utifrån den detaljplan som för närvarande är aktuell för kvarteret Lagern (Wallin, 2013). Vid beräkning av fasadintegrerade solfångararean kommer det att antas att hela fasaden kommer täckas med solfångare. Detta på grund av att det är en fiktiv byggnad
36
samt att de fasadintegrerade solfångarnas yttermått kan anpassas utefter fasadutformningen på kontorsbyggnaden (S-‐Solar 2009b). Vid beräkning av den takplacerade solfångararean används ett antagande där den beräknas till hälften av den tillgängliga takytan (Laike, 2013). Vinkeln för de takplacerade solfångarna mot horisontalplanet antas vara den vinkel som är optimal för solinstrålning mot en plan yta i området, och är 41° (European Commission, 2013). Solinstrålningen kommer att beräknas vara konstant de kommande 30 åren och vara i enlighet med värdena från år 2013. Den verkningsgrad som används för de fasadintegrerade och takplacerade solfångarna antas vara 40 procent. Denna verkningsgrad är en uppskattning som Robert Sundquist, forsknings-‐ och utvecklingschef på S-‐Solar, använder sig av vid dimensionering av solfångarsystem. Det är en verkningsgrad som har visat sig vara mycket tillförlitlig vid energiberäkningar hos solfångare (Sundquist, 2013). Denna verkningsgrad har även använts i Teknikmarknads Rapport ”Förstudie: Värmelagring” (Teknikmarknad, 2012). Denna verkningsgrad inkluderar de förluster som sker då den infallande solstrålningen når solfångarytan. Dock förutsetts att inga närliggande byggnader orsakar skuggning på den yta där solfångarna monteras. Verkningsgraderna för solfångarna antas vara konstanta och oberoende av temperaturförändringar i och utanför solfångarsystemet. I avsnitt 3.2.1.3 kan ses hur temperaturförändringar påverkar verkningsgraden. Då kvarteret Lagern ännu ej är byggt kommer värmeenergibehovet som krävs i området att antas hålla samma värden de närmsta 30 åren. Dessa är baserade på nyckeltal samt liknande kontors-‐ och bostadsbyggnader i Stockholmsområdet. Det borrhålslagersystem som dimensioneras utgår från att de berg-‐ och markegenskaper som finns i Emmaboda är lika de som finns i kvarteret Lagern. Det krävs även antaganden för inflationsräntan som kommer användas i beräkningarna, där beräkningarna i denna rapport kommer att följa inflationsmålet som satts utav Riksbanken (Sveriges Riksbank, 1993). Rapporten kommer att räkna på de solfångarpriser som Teknikmarknad erhållit i sin rapport då dessa är bättre approximerade till stora system, priserna i tabellerna under avsnitt 3.3.4.1 kommer således inte att användas, men dess medelvärde på solfångarnas areor kommer att spela in vid beräkning av antal tak placerade solfångare.
37
4.4 Olika parametrar och beräkningssteg i modellen
I detta avsnitt kommer de olika beräkningsstegen samt parametrar att förklaras.
4.4.1 Disponibel area samt dimensionering av area för solfångare och borrhålslagring
Projektet befinner sig i förstadiet där den definitiva utformningen av kontorsbyggnaden och bostäderna ännu inte är fastställt. Den area som finns tillgänglig för fasadintegrerade samt takplacerade solfångare och borrhålslagring tas därför fram genom den preliminära detaljplan som har sammanställts för kvarteret Lagern. Bernow & Wik Arkitektur AB är ett av de företag som har varit med i detta förarbete. Med hjälp av Andreas Wallin, arkitekt vid Bernow & Wik Arkitektur AB, har en sammanställning av disponibel yta för solfångare och borrhålslagring tagits fram för området. I ”Bilaga 1 – Detaljplan kvarteret Lagern” finns denna karta presenterad (Wallin, 2013). Ett solfångarsystem med både fasadintegrerade och takplacerade solfångare kommer att undersökas. Fasadintegrerade solfångare placeras på söderfasaden på den nybyggda kontorsbyggnaden som visas i Bilaga 1. Denna kontorsbyggnad är utmärkt i blått i Bilaga 1. Vid dimensionering av solfångararea för fasadintegrerade solfångare kommer hela fasadytorna att täckas med solfångare. Detta eftersom dimensioneringen av solfångarens yttermått kan anpassas utefter fasadens utformning (S-‐Solar, 2009b). Takplacerade solfångare kommer placeras på samtliga tak som visas i Bilaga 1, taken är markerade i rött, lila och blått. Vid dimensionering av area för takplacerade solfångare är ett riktvärde att den kan antas vara hälften av den tillgängliga kvadratmeterytan som finns på taken. Detta för att undvika skuggningsförluster (Laike, 2013). Detta är ett antagande som måste göras för att det ännu inte har fastställts hur taken kommer att se ut i området. Den markyta som finns tillgänglig för borrhålslagring är markerat med grönt i Bilaga 1. En undersökning om hur stor markyta borrhålslagret kräver kommer att fastställas, samt ett förslag till vart lagret kan placeras.
4.4.2 Solinstrålning
Positionen av kvarteret Lagern, alltså positionen i latitud och longitud, påverkar hur solinstrålningen ser ut under året i området. Kvarteret Lagerns position på den sfäriska jordytan är 59.36° latitud och 18° longitud (Mapcoordinates, 2013). För att få solinstrålningsdata för dessa koordinater i kvarteret Lagern används ”Photovoltaic Geographical Information System” (PVGIS) som har tagits fram av Europeiska kommissionen. Data för solinstrålningen i området presenteras i ”Bilaga 2 – Soldata kvarteret Lagern” (European Commission, 2013).
38
4.4.3 Energiutvinning från solfångare
Noggranna beräkningar för energiutvinning från solfångare är komplicerade då mätdata för olika parametrar i systemet varierar beroende på områdets väder och temperatur. Projektet för kvarteret Lagern befinner sig dessutom i ett tidigt stadium där det framtida solenergisystemet i stadsdelen ännu ej är bestämt. Detta medför bristande information gällande specifikationer för typ av solfångare, prestanda och fabrikat. Därav kommer en förenklad metod att användas för beräkning av den energi som kan utvinnas från den solfångararea som beräknats för fasadintegrerade samt takplacerade solfångare. En verkningsgrad, η , på 40 procent kommer användas för att beräkna energiutbytet från den infallande solinstrålningen mot de fasadintegrerade och takplacerade solfångarna (Sundquist, 2013).
Den mängd solenergi som absorberas av den totalt installerade solfångararean för en viss månad beräknas med hjälp av Ekvation 18 (Laike, 2013):
!!"#$å!"#$%,!å!"# = !!"! ∙ !!å!"# ∙ !
Ekvation 18
Där Esolfångare,månad är mängden solenergi som utvinns av den totala arean uppsatta solfångare en given månad, Atot är den totala solfångararean och η är den approximerade verkningsgraden. Imånad är den infallande solstrålningen mot solfångarytan. För fasadintegrerade solfångare är det den solinstrålningen mot en yta vid en vinkel av 90 grader per kvadratmeter under samma månad och för takplacerade solfångare är Imånad den infallande solstrålningen mot en yta vid en optimal vinkel per kvadratmeter under samma månad. Data för den infallande solstrålningen hittas i ”Bilaga 2 – Soldata kvarteret Lagern”.
4.4.4 Energilagring i borrhål
Beräkningar för energilagring i borrhål är komplicerade och väldigt omfattande. Det tar lång tid att sätta sig in i de ekvationer och beräkningsprogram som finns tillgängliga (Acuña, 2013). Den tidsbegränsning som detta kandidatexamensarbete innebär resulterar i att en dimensionering av borrhålslagringssystemet får begränsas till att vara en förstudie. Ett borrhålslagersystem tas fram genom att kolla på ett pågående projekt som har genomförts i Emmaboda (Carlstedt, 2010). Mer om detta projekt finns att läsa under avsnitt 3.2.2.3. Genom att studera de försättningar som finns för detta
39
projekt och kolla på hur borrhålslagret har dimensionerats kan ett borrhålslagersystem sättas upp för kvarteret Lagern.
En dimensionering av ett borrhålslager vid kvarteret Lagern kommer att utgå från samma borrhålsdjup, borrhålsdiameter och avstånd mellan borrhålen som vid borrhålslagret i Emmaboda (Carlstedt, 2010). Dimensionering av antal borrhål som behövs vid kvarteret Lagern tas fram genom att studera den lagringspotential per borrhål som finns i Emmaboda, detta visas i Ekvation 19 och Ekvation 20.
!!"# !"##!å!,!""#$%&# =!!"#$%&#'(")"*%+,+,!!!"#$%"
!!"##!å!,!""#$%&#
Ekvation 19
!!"##!å!,!" !"#$%& =!ö!"#$%&''$!ä!"#,!" !"#$%&!!"# !"##!å!,!""#$%&#
Ekvation 20
Där Eper borrhåll, Emmaboda är lagringskapaciteten för ett borrhål i Emmaboda, Elagringskapacitet, Emmaboda är den totala lagringskapaciteten i borrhålssystemet per år och Nborrhål, Emmaboda är antal borrhål som finns i lagringssystemet. Nborrhål, kv Lager är antalet borrhål som dimensioneras till lagringssystemet i kvarteret Lagern och Eöverskottsvärme,kv Lagern är den överskottsvärme som produceras av solfångaren under sommarhalvåret som kan lagras.
Den lagringspotential som finns i borrhålslagringsystemet i Emmaboda och det som faktiskt kan utvinnas från borrhålslagret, ger en uppskattning om de värmeförluster som sker i borrhålslagret. Den andel av det som lagras som åtgår till värmeförluster i Emmaboda kommer att användas i beräkningar för kvarteret Lagern, denna procentandel tas fram genom Ekvation 21:
!!"##!å!"!#$%& =!!""#$%& !"!#$%
!!"#$%&#'(")"*%+,+,!""#$%&#
Ekvation 21
Där !!"##!å!"!#$%& är den andel som är uttagbar energi i lagret i Emmaboda och Euttagen energi är den energi som utvinns ur borrhålslagret i Emmaboda. Denna procentandel
40
kommer att användas vid beräkning av mängd energi som beräknas kunna tas ut från borrhålslagringsystemet i kvarteret Lagern under vinterhalvåret. Den lagringspotential som finns i borrhålssystem i kvarteret Lagern samt den mängd energi som uppskattas kunna utvinnas från borrhålslagret kan sammanfattas enligt Ekvation 22 och Ekvation 23:
!!"#$%&#'(")"*+,+, !" !"#$%& = !!"##!å!, !" !"#$%& ∙ !!"##!å!,!""#$%&#
Ekvation 22
!!""#$%& !"!#$%, !" !"#$%& = !!"##!å!"!#$%! ∙ !ö!"#$%&''$!ä!"#,!" !"#$%&
Ekvation 23
Där Elagrinskapacitet, kv Lagern är den totala lagringskapaciteten i borrhålsystemet per år och Euttagen energi, kv Lagern är den energi som utvinns från borrhålslagret per år i kvarteret Lagern.
4.4.5 Kontors-‐ och bostadshusens energibehov
För att veta hur mycket energi i form av värme som behöver produceras för de kontors-‐ och lägenhetsbyggnaderna som ska byggas i kvarteret Lagern, behövs en uppskattning av energianvändningen genomföras. I avsnitt 3.4.3.1 visas den förväntade energianvändningen som uppskattas i kvarteret Lagern samt vilka schablonnyckeltal som används. Det totala energibehovet som krävs för att tillgodose värme till kvarteret Lagern kan sammanfattas med Ekvation 24:
!!" !"#$%& = !!ä!"# + !!"##"$%&"!!'(
Ekvation 24
Där Ekv Lagern är det totala energibehovet i form av värme till området, Evärme är energibehovet i form av uppvärmning och Etappvarmvatten är energibehovet till tappvarmvatten.
41
I Ekvation 25 visas sambandet för värmebehovet per månad i de byggnader som finns i kvarteret Lagern:
!!ä!"! = ! !ä!"#, !ä!"#!!" ∙ !!ä!"#!!" + ! !ä!"#,!"#$"% ∙ !!"#$"%
Ekvation 25
I Ekvation 26 visas en formel för den energi som åtgår till tappvarmvatten per månad i byggnaderna som finns i kvarteret Lagern:
!!"##$"%&$"!!'( = !!"##$.,!ä!"#!!" ∙ !!ä!"#!!" + !!"##$,!"#$%&'(!%&$" ∙ !!"#$"%
Ekvation 26
Där evärme,lägenhet/kontor är energibehovet av värme per månad och kvadratmeter i lägenheterna respektive kontorsbyggnaden, etappv,lägenet/kontor är energibehovet av tappvarmvatten per månad och kvadratmeter i lägenheterna respektive kontorsbyggnaden och Alägenheter/kontor är totala kvadratmeterytan av lägenheter respektive kontor i området.
4.4.6 Ekonomiska kalkyler
För att utreda hur solvärmesystemet och inköpt fjärrvärme förhåller sig till varandra ekonomiskt sett, krävs det att kalkylerna utgår från några olika prisutvecklingsscenarier för fjärrvärme från Norrenergi. Det första scenariot är att fjärrvärmepriset följer inflationsmålet på 2 procentig ökning per år, där priserna är i enlighet med Norrenergis priser från 2013, vilket låg på ca 68,1 öre/kWh för mycket stora flerfamiljshus. Det andra scenariot innebär att fjärrvärmepriset följer den utvecklingen som skett på marknaden de senaste åren, vilket är i genomsnitt en 3,5 procentig ökning (Svensk Fjärrvärme, 2012). I Figur 15 ses hur dessa scenarion skulle påverka priset de närmaste 30 åren, vilket är lika lång tid som livslängden på solfångarna.
42
Figur 15. Utveckling i fjärrvärmepris enligt scenario 1 och 2
I ”Bilaga 3 – Fjärrvärmescenarion” finns en fullständig tabell för hur fjärrvärmepriset kommer att utvecklas enligt de två olika scenariona de närmaste 30 åren. För att kunna jämföra dessa scenarion med kostnaderna för solvärme samt värmelagring, krävs det att grundinvesteringen skrivs av på ett visst antal år med hjälp av kalkylmetoderna som förklarats i avsnitt 3.3.1.
4.4.6.1 Kassaflöden
De årliga kassaflödena som kommer att användas i de ekonomiska kalkylerna kommer att beräknas med hjälp av Ekvation 27:
!! = !!"ä!!"ä!"# − !!"#$% − !!"ä!!"ä!"#
Ekvation 27
Där ai är de årliga kassaflödena, Bfjärrvärme är de årliga fjärrvärmebesparingarna som görs, det vill säga vad som skulle vara de årliga kostnaderna för att täcka hela värmeenergibehovet med inköpt fjärrvärme. Dessa går att avläsas i ”Bilaga 3 – Fjärrvärmescenarion”. Kdrift är de årliga driftkostnaderna som beräknas med Ekvation 28 medan Kfjärrvärme representerar de årliga fjärrvärmekostnaderna för att täcka det värmeenergibehov som solfångarna och värmelagret inte kan förse. Denna parameter
65
85
105
125
145
165
185
Fjärrvärmepris (öre/kWh)
Fjärrvärmepris
Scenario 1
Scenario 2
År
43
beräknas genom att multiplicera den mängd energi som måste köpas in för att täcka värmebehovet med priset för fjärrvärmen som finns under ”Bilaga 3 – Fjärrvärmescenarion”.
!!"#$% = 0,01 ∙ !
Ekvation 28
Där driftkostnaderna beror på solvärmesystemets grundinvestering G, mer om detta kan läsas i avsnitt 3.3.4.3 (Teknikmarknad, 2012). Dessa kostnader kommer även att beräknas följa inflationsränta på 2 procent och således öka för varje år.
4.4.6.2 Nuvärdesmetoden
I slutändan kommer nuvärdesmetoden att avgöra om solfångar-‐ och värmelagringssystemet kommer att löna sig i kvarteret Lagern eller om området ska täcka hela sitt värmebehov med fjärrvärme från Norrenergi. Nettonuvärdet beräknas enligt Ekvation 15 där kalkylräntan har satts till 4 procent, vilket är den kalkylränta som Fabege använder i sina ekonomiska kalkyler (Wester, 2013).
4.4.6.3 Payback-‐metoden
Payback-‐metoden kommer att beräknas enligt Ekvation 16, det vill säga utan hänsyn till kalkylräntan, och generera ett resultat för det år då systemet har återbetalat sig.
4.5 Känslighetsanalys
En känslighetsanalys utförs för att ta hänsyn till variationer av olika parametrars inverkan på resultatet. De parametrar som påverkar resultatet mest kommer att undersökas. Det finns en osäkerhet i den area som kommer finnas disponibel för installering av fasadintegrerade och takplacerade solfångare. Då det än så länge är fiktiva byggnader kommer den uppskattade installerade solfångararean, både för takplacerade och fasadintegrerade, att störas med 20 procent. Denna parameter är den viktigaste för rapporten, eftersom ytan som finns tillgänglig för montering av solfångare i kvarteret Lagern ännu ej är fastställd. Detta kan leda till stora variationer av energiproduktionen vid beslut om hur stor solfångararea som ska installeras i framtiden. I den modell som
44
har satts upp utförs beräkningar för maximala solfångararean som kan installeras, utifrån de förutsättningar som detaljplanen ger. Trots det kommer en störning att göras både uppåt och nedåt just på grund av att den definitiva utformningen av byggnaderna ännu inte är säkerställd.
Den verkningsgrad som har fixerats till 40 procent för både takplacerade och fasadintegrerade solfångare kommer att störas med 15 procent. Denna störning har valts genom att studera andra verkningsgrader som har en standardavvikelse på 15 procent (Andrén, 2011). Det borrhålslagersystem som dimensioneras utgår från ett pågående projekt i Emmaboda. Där utförs en störning av 10 procent på den andel av den lagrade solenergin som kan plockas ut under vinterhalvåret. Detta för att visa att det finns en osäkerhet kring hur mycket av den lagrade solenergin som kommer åtgå till värmeförluster i borrhålslagret. De energiberäkningar som genomförs för att uppskatta hur stort värmebehovet kommer vara i området har baserats på en redan befintlig nyrenoverad kontorsbyggnad samt nyckeltal för energianvändning i flerbostadshus. Därför kommer en störning att göras på det värmebehov som förväntas i området med 10 procent. I Tabell 10 sammanfattas de parametrar som kommer ingå i känslighetsanalysen för de energiberäkningar som har genomförts.
Inparameter Störning
Solfångararea ± 20 procent Verkningsgrad ± 15 procent Andel utvunnen energi ur borrhålslagret
± 10 procent
Värmeenergibehov ± 10 procent
Tabell 10. Störning av olika inparametrar, känslighetsanalys för energiberäkningar
En känslighetsanalys för den ekonomiska aspekten av projektet kommer även att utföras för att kunna jämföra hur störning av olika inparametrar kommer att påverka projektets lönsamhet och genomförbarhet. Även i den ekonomiska känslighetsanalysen kommer den potentiella solfångararean att störas med 20 procent, för att undersöka hur grundinvesteringarna samt de löpande kostnaderna kommer att förändras samt hur det kommer att påverka investeringens nettonuvärde.
45
En annan inparameter som kommer att störas är priset på solfångarna, då dessa är tagna från Teknikmarknadens rapport från föregående år. Genom att jämföra genomsnittspriset per kvadratmeter för plana solfångare i avsnitt 3.3.4.1 med det pris som tagits från Teknikmarknad skiljer sig dessa med ca 30 procent, vilket således kommer vara värdet på solfångarprisstörningen. Inflationen är en av parametrarna som innehåller en hel del osäkerhet då den är satt till Riksbankens inflationsmål som är 2 procent. Figur 10 i avsnitt 3.3.5 visar de kommande årens prognos för hur inflationen kommer att utvecklas. I denna ses att inflationen kan komma att stiga upp emot 3 procent runt år 2015. Störningen på inflationen kommer således att sättas till plus minus 50 procent. Precis som i energiberäkningarna så är värmeenergibehovet uppskattat till att ha ett konstant årligt värde, som tagits fram med hjälp av nyckeltal och liknande befintliga byggnader. Värmeenergibehovet kommer således att störas i enlighet med vad som anges i Tabell 10, det vill säga plus/minus 10 procent. I Tabell 11 redogörs de olika inparametrarna samt värdet på dess störning.
Inparameter Störning
Solfångararea ± 20 procent Solfångarpris ± 30 procent Inflation ± 50 procent Värmeenergibehov ± 10 procent
Tabell 11. Störning av olika inparametrar, ekonomisk känslighetsanalys
I känslighetsanalysen har det ej tagits hänsyn till att en omdimensionering av borrhålslagret kan komma att krävas då störningar i solfångararea samt värmebehov leder till en ändring i hur mycket energi som behöver lagras.
46
5. Resultat, diskussion och känslighetsanalys
I detta avsnitt kommer resultaten med tillhörande diskussion att presenteras tillsammans en känslighetsanalys.
5.1 Resultat och diskussion för utvunnen energi från solfångaranläggningen
Utifrån den detaljplan som är framtagen för kvarteret lagern har en dimensionering av maximal installering av solfångararea tagits fram. I Tabell 12 sammanställs den beräknade solfångararean för takplacerade respektive fasadintegrerade solfångare. Denna dimensionering genererar den maximala solfångararean som uppskattas kunna installeras i området.
Byggnad Tillgänglig fasadyta (m2)
Dimensionering av
fasadintegrerad solfångararea
(m2)
Tillgänglig takyta (m2)
Dimensionering av takplacerad solfångararea
(m2)
Kontorshus 3 515 3 515 1 370 685 Bostäder 0 0 7 040 3 520 Dallashuset 0 0 135 68 Summa: 3 515 3 515 8 545 4 273
Tabell 12. Dimensionering av solfångare
Resultatet visar att den solfångararea som beräknas kunna installeras i området är 3515 m2. Denna fasadyta som finns tillgänglig på kontorshusets södra fasad kommer i ett verkligt fall inte att täckas till hundra procent med solfångare. Exempelvis dörrar och butiksfönster kan komma att installeras vid den nedre delen av fasaden vilket kommer minska disponibel area för fasadintegrerade solfångare. Även skarvar mellan de fasadintegrerade solfångarna kan uppkomma vilket kommer att minska den yta som absorberar den infallande solstrålningen. Men då denna kontorsfastighet i dagsläget är en fiktiv byggnad är det svårt att ta fram specifika uppgifter till den area som kommer vara tillgänglig. Ett antagande har därför gjorts att hela fasaden kan täckas in med solfångare, hur variationen av installerad solfångararea påverkar energiutvinningen kommer studeras närmare i känslighetsanalysen i avsnitt 5.6 på 3515 m2 är en stor yta som kan installeras tack vare att fasadintegrerade solfångare kan anpassas efter hur fasadutformningen ser ut vilket är fördelaktigt. När takplacerade solfångare ska installeras krävs däremot en större disponibel yta för att solfångarna inte ska skugga varandra. Resultatet visar att 4 273 m2 takplacerade solfångare förväntas kunna installeras. Vid beräkning av solfångararean har ett
47
antagande tagits fram där den approximeras till hälften av den disponibla takytan (Laike, 2013). Detta antagande tar inte hänsyn till exempelvis skorstenar som kan finnas på taken, vilket kommer resultera i att solfångararean minskar. Men återigen är det svårt att ta hänsyn till det eftersom kontorsbyggnaden och bostäderna ännu inte är byggda, därför kommer en variation av den takplacerade solfångararean att studeras i känslighetsanalysen. Vid de energiberäkningar som har genomförts för de takplacerade solfångarna förutsätts att vinkel mot horisontalytan är 41°, vilket är den vinkeln på solfångarna som genererar mest energi i solfångarna (European Commission, 2013). Vid en annan vinkel kommer solinstrålningen som når absorbatorytan på solfångarna att bli mindre, detta kommer inte beaktas i känslighetsanalysen. I Tabell 13 visas det resultat för energiutvinningen som kan uppnås från de olika fasadintegrerade och takplacerade solfångare för respektive månad, samt den totala energiutvinningen som kan uppnås med hela solfångarsystemet.
Tabell 13. Energiutvinning från de olika solfångarareorna
Energiutvinningen som kan uppnås från solfångarna är högst under sommarmånaderna då solinstrålningen är som störst, mellan maj och september. Under juli är energiutvinningen som störst både för de takplacerade och fasadintegrerade solfångarna. Den totala solenergin som kan utvinnas ur solfångaranläggningen är 2 962 MWh under ett år. Denna energi används för att täcka värmebehovet till
Månad
Energiutvinning per månad för 3515 m2 fasadintegrerade solfångare (MWh)
Energiutvinning per månad för 4
273 m2 takplacerade
solfångare (MWh)
Total energiutvinning
från hela solfångarsystemet
(MWh) Januari 32 32 64 Februari 72 77 149 Mars 113 142 256 April 137 208 345 Maj 157 279 436 Juni 132 252 384 Juli 140 261 402 Augusti 132 214 346 September 118 158 276 Oktober 83 96 179 November 45 45 91 December 18 18 36 Summa: 1 181 1 781 2 962
48
tappvarmvatten och uppvärmning och den överskottsvärme som uppkommer under sommarmånaderna kan lagras i borrhålen. Modellen har som ett antagande att solinstrålningen under de olika månaderna i Råsunda är konstant de kommande 30 åren. Således tas ingen hänsyn till att de rådande klimatförändringarna kan komma att leda till ett förändrat antal soltimmar. Detta kommer dock inte att behandlas i känslighetsanalysen då det mesta tyder på att förändringen av solskenstimmar framför allt kommer att ske mellan säsongerna. Det vill säga en liten ökning av solskenstimmar under sommarhalvåret medan det sker en liten minskning under vinterhalvåret (IVL Svenska Miljöinstitutet, 2007). Den verkningsgrad som har använts i energiberäkningarna är 40 procent. Denna verkningsgrad kommer att sänkas under vintertid då solfångarna täcks med snö, om inte ett kontinuerligt underhåll utförs, detta har dock inte denna rapport tagit hänsyn till. Att det ännu inte finns några tekniska specifikationer för vilka solfångare som kommer användas får denna verkningsgrad ses som en approximation vid de energiberäkningar som har genomförts. Solinstrålningsförluster är inräknat i verkningsgraden men skuggningsförluster är inte inräknat. Det förutsätts att solfångarna placeras så att de inte blir skuggande. En känslighetsanalys kommer genomföras för att se hur en variation av verkningsgraden påverkar energikalkylerna.
5.2 Resultat och diskussion för jämförelse av värmebehov och värmeproduktion
Tabell 14 visar det värmebehov som inte täcks av energiutvinningen från solfångaranläggningen under en viss månad. Dessutom visas den överskottsvärme som produceras under varje månad som kan kan lagras i borrhålslagret. I Figur 16 visas en jämförelse mellan energibehovet för tappvarmvatten och uppvärmning samt den solenergi som kan utvinnas från solfångarna.
49
Månad Totalt
värmebehov (MWh)
Total solenergi (MWh)
Värmebehov som inte täcks av solenergi (MWh)
Överskottsvärme (MWh)
Januari 789 64 725 -‐ Februari 690 149 541 -‐ Mars 596 256 340 -‐ April 432 345 87 -‐ Maj 303 436 -‐ 133 Juni 153 384 -‐ 231 Juli 118 402 -‐ 284 Augusti 119 346 -‐ 227 September 223 276 -‐ 53 Oktober 476 179 297 -‐ November 658 91 567 -‐ December 811 36 775 -‐ Summa: 5 368 2 964 3 332 928
Tabell 14. Energidifferens
Figur 16. Jämförelse av värmebehov och värmeproduktion i kvarteret Lagern
Resultatet visar att solfångarsystemet kan täcka det totala värmebehov som finns under maj till september i kvarteret Lagern. Under dessa månader kommer det att produceras överskottsvärme som kan lagras för att brukas under vintermånaderna då
!"
#!!"
$!!"
%!!"
&!!"
'!!"
(!!"
)!!"
*!!"
+!!"
,-./-01"
2340/-01"
5-06"
-7018" 5-
,",/.1"
,/81"
-/9/6:"
637;35
430"
<=;<430"
.<>35430"
?3@35430"
ABC"
AD.-?"
!"#$%&'()'(*+,*,"&#(-(./,*/0.*,"&#(1&/23456/7*
!"##$"%&$"'()*
+##$,%&)-).*
!/0"10*$,%&(2(3/$*
!/0"1*4/1()(%.-*
50
energibehovet är som störst. Det kommer framförallt att produceras överskottsvärme under juli och augusti då nästan hela energibehovet åtgår till uppvärmning av tappavarmvatten. Energin som kan lagras per år uppgår till 928 MWh. I följande avsnitt kommer ett resultat tas fram för hur dimensionering av ett borrhålslagersystem kan se ut för att lagra denna överskottsvärme.
Det värmebehov som solfångaranläggningen inte täcker uppgår till 3 332 MWh. Underskottet kommer täckas genom att utvinna energi från borrhålslagret under vinterhalvåret samt köpa fjärrvärme från Norrenergi. För att solenergin ska täcka en större andel av det värmebehov som finns i området kan möjligheterna undersökas att installera markplacerade solfångare i området. Fasadintegrerade solfångare på den söderriktade fasaden på Dallashuset kan vara ett ytterligare altenativ för att öka energiproduktionen från solfångarna, samt att undersöka möjligheten att integrera solfångare på de söderriktade bostadsfasaderna. För att erhålla dessa resultat har modellen räknat med ett konstant årligt värmebehov för kvarteret Lagern under de kommande 30 åren. Således tas ingen hänsyn till att den rådande energipolitiken i Stockholm har som mål att effektivisera bostadssektorns energianvändning de kommande decennierna. Detta för att klara uppsatta miljömål som behandlas i avsnitt 1.1.2 (Miljöförvaltningen, 2010). Modellen har heller inte tagit hänsyn till att klimatförändringen kan komma att förändra bostadssektorns värmebehov i och med förändrade temperatur-‐ och vindförhållande (IVL Svenska Miljöinstitutet, 2007). Känslighetsanalysen kommer att behandla hur olika förändringar i värmebehovet kommer att påverka resultatet.
5.3 Resultat och diskussion för lagring av energi i borrhål
I Tabell 15 sammanfattas det borrhålslagringssystem som har tagits fram med hjälp av ett liknande borrhålslager i Emmaboda. Tabellen visar även hur stor lagringskapaciteten beräknas vara samt den överskottsvärmen som produceras av solfångarna under sommarhalvåret och hur mycket av den energin som kan utvinnas under vinterhalvåret.
51
Borrhålslager kvarteret Lagern Antal borrhål (st) 36 Borrhålsdjup (m) 150 Markarea (m2) 384 Total borrhålslängd (m) 5 400 Lagringsvolym i berg (m3) 57 600 Lagringskapacitet (MWh/år) ca 977 Överskottsvärme från solfångarna som lagras i borrhålen (MWh/år)
ca 928
Uttagen energimängd från borrhålen (MWh/år) ca 611
Tabell 15. Dimensionering av ett borrhålslagersystem i kvarteret Lagern
I Figur 17 har ett förslag tagits fram för vart borrhålslagret kan placeras. Observera att detta inte är enligt skala utan endast en överskådlig blick för att visa vart lagret kan tänkas placeras.
Figur 17. Förslag till placering av borrhålslager i kvarteret Lagern
Borrhålslagret har dimensionerats i en rektangel, med 4 meter mellan varje borrhål med samma förhållande mellan bredd och längd som borrhålslagret i Emmaboda. Detta åskådliggörs i Figur 18. Det borrhålslagersystem som har dimensionerats för kvarteret Lagern ska ses som en förstudie av ett borrhålslagringssystem.
52
Figur 18. Bild över det rektangulära borrhålslagret
Egenskaperna för berget och marken antas vara detsamma som i Emmaboda och även att de tekniska specifikationerna på borrhålssystemet är likadana. Vid beräkning av de värmeförluster som sker i borrhålslagret i kvarteret Lagern har även där ett antagande gjorts att den procentandel energi som utvinns ur lagret i Emmaboda är likadan, vilket är 66 procent. Denna procentandel kommer förmodligen att vara lägre i borrhålslagret i kvarteret Lagern eftersom att det är ett mindre lager med färre borrhål. I ett borrhålslagersystem kommer de borrhål som är i mitten att ha mindre värmeförluster än de borrhål som befinner sig längre ut i systemet. Ett större borrhålslagersystem har därför mindre värmeförluster (Acuña, 2013). Det kan därför visa sig att i ett verkligt fall så är värmeförlusterna större än det som resultatet visar.
José Acuña som är forskningsingenjör på KTH inom bland annat värmelagring i borrhål har rekommenderat ett beräkningsprogram som heter ”Earth Energy Designer” (Acuña, 2013). EED är ett program anpassat för PC som har utvecklats för att dimensionera ett system där vertikala borrhål används som värmeväxlare. Programmet är användbart då en approximation av ett borrhålslagringsystem ska dimensioneras med storlek och placering, innan mer detaljerade analyser initieras. Programmet kan hantera konfigurationer från ett borrhål till stora system med upp till 1200 borrhål (Buildingphysics, 2008). Den tidsbegränsning som detta arbete har inneburit har resulterat i att tiden inte har räckt till för att tillfullo hantera programmet. I ”Bilaga 4 – Indata till Energy Earth Designer” har en tabell sammanställts över indata som är vanliga vid dimensionering av ett borrhålssystem som kan användas för en framtida eventuell dimensionering av ett borrhålslagersystem i kvarteret Lagern (Acuña, 2013).
Den solenergi som används och den energi som lagras och kan hämtas ut under vinterhalvåret täcker inte hela årets energibehov i kvarteret Lagern. För att hela energibehovet ska täckas kommer det resterande energibehovet att tillgodoses genom
53
att köpa in fjärrvärme. I ”Bilaga 5 – Tabell över energitillförseln under ett år i kvarteret Lagern” bifogas en tabell över hur energitillförseln planeras att se ut varje månad. Den solenergi som lagras och kan hämtas ut under vinterhalvåret plockas ut under de fyra månaderna då energibehovet är som störst. Ett antagande har här gjorts att lika mycket energi plockas ut under dessa fyra månader. I Figur 19 visas en överblick över hur fördelningen av energitillförseln kan komma att se ut under ett år i kvarteret Lagern.
Figur 19. Fördelning av energitillförsel
Resultatet visar att genom att lagra överskottsvärmen från sommaren i borrhålslagret, kan en del av energiunderskottet under vintern täckas. Detta är ett exempel på hur ett uttag ur borrhålslagret kan komma att se ut. Överskottsvärmen är här fördelad under december till mars. Efter att solenergin har lagrats i borrhålen kan totalt 612 MWh utvinnas, vilket blir ca 154 MWh under fyra månader. Direkt användning av solenergin från solfångarna samt uttag av solenergi från borrhålslagret resulterar i att 49 procent av kvarteret Lagerns totala årliga värmebehov kan täckas.
Det är fördelaktigt att plocka ut värmen från borrhålslagret under december till mars då fjärrvärmepriserna i regel oftast är dyrare (Norrenergi, 2013b). Hur stora uttagen är kan variera mellan de olika månaderna, men i detta fall så sker fyra lika stora uttag ur borrhålslagret. En förenkling har här gjorts att all energi plockas ut ur borrhålslagret, men i verkligheten kommer ett uttag och påfyllnad av energi i borrhålslagret att ske
!"
#!!"
$!!"
%!!"
&!!"
'!!"
(!!"
)!!"
*!!"
+!!"
,-./-01"
2340/-01"
5-06"
-7018" 5-
,",/.1"
,/81"
-/9/6:"
637;35
430"
<=;<430"
.<>35430"
?3@35430"
ABC"
AD.-?"
!"#$%&'(')*+,*%'%#)(-(&&."#/%&**
!"#$$%#$&'()*+','$-.(/$0,(1*$$20+()*+','$-.(
54
mer kontinuerligt under året. Detta för att hålla uppe den temperatur som är nödvändig i borrhålslagret (Acuña, 2013).
5.4 Resultat och diskussion för de ekonomiska kalkylerna
I Tabell 16 redogörs kvadratmeterpriset för stora system med solfångare samt den arean som finns att tillgå, utifrån detta har grundinvesteringen beräknats fram och således genererat driftkostnaderna. Tabell 17 ger motsvarande information angående värmelagringen i borrhål. Alla priserna nedan är inklusive installationer (Teknikmarknad, 2012; Acuña, 2013).
Typ av solfångare
Kvadratmeter-‐ pris solfångare (SEK/m2)
Area för solfångare
(m2)
Grund-‐investering
(SEK)
Drift-‐kostnader (SEK/år)
Fasad -‐integrerad 3 500 3 515 12 302 500 ca 123 000
Tak-‐placerade 2 000 4 273 8 545 000 85 450
Summa: -‐ 7 788 20 847 500 208 450
Tabell 16. Ekonomi solfångare
Meterpris borrhål (SEK/m)
Antal meter borrhål (m)
Grundinvestering (SEK)
Driftskostnader (SEK)
Borrhålslager 300 5 400 1 620 000 -‐
Tabell 17. Ekonomi borrhål
Implementeringen av detta solfångar-‐ och värmelagringssystem skulle generera en total grundinvestering på 22 468 000 kr som årligen skulle kräva ca 208 000 kr i driftskostnader. Som Tabell 17 visar kommer inga driftskostnader eller underhållskostnader för borrhålslagret att påverka resultatet, detta är en förenkling som är till följd av att denna rapport endast är en förstudie för en eventuell värmelagring i kvarteret Lagern. Detta kommer således inte spegla de verkliga kostnaderna fullt ut och begränsar därför modellen ytterligare.
55
I ”Bilaga 3 – Fjärrvärmescenarion” finns en tabell som redogör hur de åriga kostnaderna skulle se ut om kvarteret Lagern skulle täcka hela sitt värmebehov med fjärrvärme från Norrenergi. Dessa kostnader har baserats på de scenarion som förklaras närmare i avsnitt 4.4.6 men de tar dock inte hänsyn till att fjärrvärmepriset kan variera under årets månader samt under dygnet, utan baseras på ett årligt medelpris. Resultatet ger således endast en approximativ årlig fjärrvärmekostnad som kan komma att skilja sig med de verkliga kostnaderna. Figur 20 och Figur 21 visar hur ekonomikalkylerna ser ut för de olika scenariona på fjärrvärmepriset, se avsnitt 4.4.6. De lila staplarna visar grundinvesteringen för solfångarna samt borrhålslagret och är oberoende av de båda scenariona. De blå staplarna visar de besparingarna som görs varje år. Det vill säga skillnaderna mellan kostnaden för att täcka hela energibehovet med köpt fjärrvärme, subtraherat med de löpande kostnaderna för underhåll av solfångarna samt den inköpta fjärrvärmen som krävs för att täcka det värmebehovet som inte kan täckas av solenergin alternativt med energi från borrhålslagret. De röda linjerna visar nettonuvärdet medan de gröna linjerna visar hur lång tid det tar innan grundinvesteringen är återbetald enligt payback-‐metoden. Enligt payback-‐metoden är återbetalningstiden 13 år för solfångarsystemet under scenario 1, medan motsvarande siffra ligger på 12 år för scenario 2.
Figur 20. Ekonomikalkyler scenario 1
!"#$%%%$%%%$
!"%$%%%$%%%$
!&#$%%%$%%%$
!&%$%%%$%%%$
!#$%%%$%%%$
%$
#$%%%$%%%$
&%$%%%$%%%$
&#$%%%$%%%$
%$ &$ "$ '$ ($ #$ )$ *$ +$ ,$ &%$ &&$ &"$ &'$ &($ &#$ &)$ &*$ &+$ &,$ "%$ "&$ ""$ "'$ "($ "#$ ")$ "*$ "+$ ",$ '%$
!"#$
%&$
"'()(*+',-'.-/&$!0/),&+($1$
!"#$%"&'()*+,-
.)/+0*+1"&2")*+,-
!"#$+/13)0"-
4(5%(67-
56
Figur 21. Ekonomikalkyler scenario 2
Under beräkningsprocessen har de årliga driftkostnaderna för solfångarsystemet antagits öka enligt riksbankens inflationsmål på 2 procent, vilket har tillsammans med de ökande kostnaderna för fjärrvärmen lett till att de årliga nettobesparningarna ökat för varje år. Här har modellen inte tagit hänsyn till eventuella underhållskostnader som exempelvis snöröjning för de takplacerade solfångarna eller eventuella energikostnader för utagandet av energi från värmelagringen. Enligt Figur 10 i avsnitt 3.3.5 kommer inflationen att vara låg fram till och med 2014 då den beräknas stiga över riksbankens målnivå, detta kommer att behandlas i känslighetsanalysen.
Resultaten visar att nettonuvärdet, NPV, är positivt för båda scenarierna för fjärrvärmeprisutvecklingen, och har för det första scenariot ett värde på ca 12,7 miljoner kronor medan motsvarande värde för scenario 2 ligger på 21,5 miljoner kronor. Ett positivt NPV indikerar att investeringen är lönsam, vilket gäller för båda fallen.
!"#$%%%$%%%$
!"%$%%%$%%%$
!&#$%%%$%%%$
!&%$%%%$%%%$
!#$%%%$%%%$
%$
#$%%%$%%%$
&%$%%%$%%%$
&#$%%%$%%%$
"%$%%%$%%%$
"#$%%%$%%%$
%$ &$ "$ '$ ($ #$ )$ *$ +$ ,$ &%$ &&$ &"$ &'$ &($ &#$ &)$ &*$ &+$ &,$ "%$ "&$ ""$ "'$ "($ "#$ ")$ "*$ "+$ ",$ '%$
!"#$
%&$
"'()(*+',-'.-/&$!0/),&+($1$
!"#$%"&'()*+,-
.)/+0*+1"&2")*+,-
3(4%(56-
!"#$+/17)0"-
57
5.5 Diskussion av hållbarhetsaspekter
Hållbarhetsaspekter förknippade med en implementering av ett solfångar-‐ och värmelagringssystem i kvarteret Lagern kommer att diskuteras i detta avsnitt. Brundtland kommissionen myntade uttrycket hållbar utveckling på slutet av 80-‐talet som en utveckling som tillgodoser dagens behov utan att kompromissa morgondagens resurser. Detta uttryck brukar delas in i tre dimensioner, ekonomisk, social och ekologisk/miljömässig (Regeringskansliet, 2012). En implementering av solfångare och borrhålsvärmelagring som energikällor skulle framför allt leda till en minskad påverkan på de rådande klimatförändringarna i och med att dess utsläpp av växthusgaser är så gott som obefintliga (Energimyndigheten, 2013a). Detta följer även de mål som Stockholm Stad har satt upp som går att läsa mer om under avsnitt 1.1.2. Detta leder även i sin tur till ett större social incitament för företag att flytta sina lokaler till kvarteret Lagern, då allt fler företag försöker att profilera sig som mer miljömedvetna då det finns flertalet positiva effekter med denna typ av strategi (Länsstyrelsen i Södermanlands län och Uppsala län, 2007). En satsning på solenergi som energikälla leder även till mindre energikostnader för området som går att ta del av under avsnitt 5.4. Det kan även leda till ett ökat fastighetsvärde då implementeringen av denna typ av värmeenergisystem leder till ett minskande beroende av inköpt värmeenergi och är således inte lika drabbade av eventuella chockhöjningar under vintermånaderna, vilket kan ses som mer attraktivt för framtida bostads-‐ och lokalägare.
5.6 Resultat av känslighetsanalys
I Tabell 18 visas den känslighetsanalys som har utförts på solfångararean samt den verkningsgrad som har använts i beräkningarna och hur en störning på dessa parametrar påverkar mängden utvunnen energi från solfångarsystemet.
Fall Störning (%) Utvunnen solenergi (MWh)
Basfall -‐ 2 962 Ökad solfångararea 20 3 555 Minskad solfångararea -‐ 20 2 370 Ökad verkningsgrad 15 3 406 Minskad verkningsgrad -‐ 15 2 518
Tabell 18. Känslighetsanalys för solfångararea och verkningsgrad
58
Tabell 19 visar en känslighetsanalys som har utförts för solfångararean, verkningsgraden, andel utvunnen energi ur borrhålslagret och värmebehovet. En störning av dessa inparametrar visar hur andelen varierar av den producerade solenergin som täcker det totala värmebehovet i området.
Fall Störning Andel solenergi som täcker det totala värmebehovet
Basfall -‐ 0,49 Ökad solfångararea 20 % 0,58 Minskad solfångararea -‐ 20 % 0,41 Ökad verkningsgrad 15 % 0,56 Minskad verkningsgrad -‐ 15 % 0,43 Ökad andel utvunnen energi ur borrhålslagret 10 % 0,50 Minskad andel utvunnen energi ur borrhålslagret -‐ 10 % 0,48 Ökat värmeenergibehov 10 % 0,45 Minskat värmeenergibehov -‐ 10% 0,55
Tabell 19. Känslighetsanalys för solfångararean, verkningsgraden, andel utvunnen energi från borrhålslagret samt värmeenergibehovet.
Som visas i Tabell 18 och Tabell 19 skiljer sig andelen värmebehov täckt av solenergi från 41 procent till 58 procent, där det för basfallet ligger på 49 procent. De båda extremvärdena är förknippade med den tillgängliga solfångararean. En ekonomisk känslighetsanalys har utförts för solfångararean, solfångarpriset, inflationen samt värmeenergibehovet under scenario 1 för fjärrvärmepriset. Tabell 20 visar hur störning av dessa parametrar har påverkat payback-‐tid för implementering av denna typ av solfångar-‐ och värmelagringssystem, medan Tabell 21 visar känslighetsanalysen utförd under scenario 2 för fjärrvärmepriset.
59
Fall Störning Payback-‐tid
(år) Fjärrvärmescenario 1 -‐ 13 Ökad solfångararea 20 % 14 Minskad solfångararea -‐ 20 % 14 Ökat solfångarpris 30 % 17 Minskat solfångarpris -‐ 30 % 10 Ökad inflation 50 % 12 Minskad inflation -‐ 50 % 14 Ökat värmeenergibehov 10 % 13 Minskat värmeenergibehov -‐ 10% 13
Tabell 20. Känslighetsanalys för fjärrvärmescenario 1
Fall Störning Payback-‐tid
(år) Fjärrvärmescenario 2 -‐ 12 Ökad solfångararea 20 % 13 Minskad solfångararea -‐ 20 % 13 Ökat solfångarpris 30 % 15 Minskat solfångarpris -‐ 30 % 9 Ökad inflation 50 % 12 Minskad inflation -‐ 50 % 12 Ökat värmeenergibehov 10 % 14 Minskat värmeenergibehov -‐ 10% 11
Tabell 21. Känslighetsanalys för fjärrvärmescenario 2
Som visas i Tabell 20 och i Tabell 21 kommer Payback-‐tiden variera mellan 9 och 17 år, vilket är långt under den förväntade livslängden för solfångarna som är satt till 30 år. I Figur 22 visas hur nettonuvärdet för implementeringen av ett solfångar-‐ och värmelagringssystem kommer att variera mellan ca 5 miljoner SEK upp till dryga 29 miljoner SEK. I känslighetsanalysen har det ej tagits hänsyn till att en omdimensionering av borrhålslagret kan komma att krävas då ökad solfångararea samt minskat värmebehov leder till ett ökat värmeöverskott vilket antingen kräver ett större värmelager alternativt en tredjepartsanslutning till fjärrvärmenätet för att motverka en allt för stor påfrestning på solfångarna (Laike, 2013). En minskning av solfångararean samt ett ökat
60
värmebehov leder på så sätt till ett minskat värmeöverskott. I detta fall skulle en omdimensionering av borrhålslagret leda till ett bättre ekonomiskt resultat. I Figur 22 ses hur en ökning av solfångararean ger ett högre nettonuvärde, detta är till följd av att nästan hela värmebehovet i april till september är försörjt av solenergi. En ökad area genererar även ett större överskott vilket leder till att större uttag från värmelagret kan förekomma under vinterhalvåret, närmare bestämt 856 MWh/år. Således krävs det en minskad total mängd inköpt fjärrvärme vilket leder till ökade årliga kassaflöden. På motsvarande sätt ger en minskad solfångararea ett decimerat överskott av värme och således kan endast 369 MWh/år hämtas från borrhålen. Detta leder till att den mängd inköpt fjärrvärme ökat till 3 190 MWh/år och således genererar dessa ändringar ett minskat nettonuvärde. Störningar i solfångarprisen påverkar endast grundinvesteringen samt de löpande driftskostnaderna medan störningar i inflationen i största utsträckning påverkar det första fjärrvärmescenariot samt driftkostnaderna. Detta är orsaken till att skillnaden för fjärrvärmescenario 2 är minimal mellan ökad och minskad inflation, eftersom det endast är driftkostnaderna som påverkas av inflationen i detta fall. Störningar i värmebehovet påverkar i sin tur störningar i mängden inköpt fjärrvärme. Vid ett ökat värmebehov klarar solenergin samt värmelagringen inte av att försörja samma andel som under basfallet, således krävs det en ökad andel inköpt fjärrvärme för att täcka upp det ökade värmebehovet, där samma logik appliceras vid minskat ett värmebehov.
61
Figur 22. Nettonuvärdet för olika scenarion
5.7 Slutdiskussion
Denna studies syfte var att utvärdera hur ett hållbart energisystem med solvärme som energikälla kan användas i det ännu ej byggda kvarteret Lagern. Målet var att maximera användningen av solvärme i området, därför har modellen utformats efter att solfångararean har maximerats utifrån den gestaltningsplan som har funnits tillgänglig för området. För att så stor solfångararea som möjligt ska uppnås har placering skett både på tak och integrerat i fasaden. Detta kan komma att ändras då bland annat arkitekter kan ha invändningar för hur utformningen av bygganden ska se ut. De solfångare som har analyserats är plana solfångare därför att fasadintegrerade solfångare endast utformas av plana solfångare samt att för de takplacerade solfångarna är det ett billigare alternativ.
Under sommaren då solinstrålningen är hög och värmeanvändningen låg i området produceras överskottsvärme. Genom att installera ett värmelagringssystem som kan lagra denna energi från sommaren till vintern så maximeras användningen av solvärme,
0
5000000
10000000
15000000
20000000
25000000
30000000
Nettonuvärdet (SEK)
Nettonuvärdet -‐ olika fall
Fjärrvärme-‐scenario 1
Fjärrvärme-‐scenario 2
62
så kallad säsongslagring. Det värmelagringssystem som har undersökts är borrhålslagring på grund av områdets förutsättningar samt den tidsbegränsning som studien innefattar. I förarbetet undersöktes även möjligheterna för att lagra värme i bergrum genom att t.ex. konvertera ett befintligt oljebergrum, men inga uppgifter om ett sådant bergrum i området har hittats. Fortifikationsverket har även nedlagda bergrummet men de kan inte lämna ut uppgifter om detta på grund av säkerhetsskäl.
Tredjepartsanslutning till fjärrvärmenätet kan komma att bli ett annat alternativ för att ta till vara på den överskottsvärme som produceras under sommaren i området. Det finns i dagsläget inga regler för hur en värmeproducent kan få tillträde till ett fjärrvärmenät. Men Energimarknadsinspektionen (EI) föreslår att fjärrvärmenätsföretag inte ska kunna neka värmeproducenter tillträde till fjärrvärmenätet om det inte finns särskilda skäl. Förslaget är att värmeproducenten ska stå för hela kostnaden för att ansluta sin anläggning till fjärrvärmenätet. Fjärrvärmenätet ska då kompensera det genom en skälig avsättning och ersättning för den inmatade värmen under tio år (EI, 2013). Norrenergi som försörjer området idag med värme har kontakts för eventuella prisuppgifter för försäljning av överskottsvärme till deras nät. De genomför nu en utredning om tredjepartsanslutning som beräknas vara klar under våren 2014 (Ehrensvärd, 2013).
Ur ett företagsperspektiv finns det eventuella positiva effekter som inte tas upp i kalkylerna. Den aktör som installerar solfångare kan dra nytta av positiv marknadsföring från att solfångare är miljö-‐ och klimatvänligt, vilket i sin tur kan generera en ekonomisk vinning. Det kan också bidra till ett ökat intresse av att bo i kvarteret Lagern ifall området försörjer sig med värme med hjälp av en förnybar energikälla.
6. Slutsatser
• Utifrån den preliminära detaljplan som finns för kvarteret Lagern har en solfångararea tagits fram för takplacerade och fasadintegrerade solfångare. Värmen som produceras från denna solfångararea kan täcka hela tappvarmvatten-‐ och uppvärmningsbehovet i området under maj till september. Under resterande månader tillgodoses delar av det totala värmebehovet med solenergi.
• Den överskottsvärme som produceras under maj till september kan lagras i ett borrhålslager. Detta borrhålslagersystem består av 36 borrhål med 4 meter mellan varje borrhål som har ett djup av 150 m. Av den solenergi som lagras i
63
borrhålssystemet förväntas 66 procent kunna utvinnas som kan brukas under vinterhalvåret.
• Den solenergi som utvinns från solfångarna som används direkt och den energi som lagras för användning under vinterhalvåret beräknas täcka 49 procent av det totala värmebehovet i området. För att fylla resterande värmebehov måste fjärrvärme köpas in från Norrenergi.
• Det nettonuvärde som räknades fram enligt båda fjärrvärmeprisscenariona är positiva, även för alla olika störningar under känslighetsanalysen. Således är en implementering av ett solfångar-‐ och borrhålsvärmelagersystem en lönsam investering
• Payback-‐tiden för alla olika scenarion visar dessutom att energisystemets grundinvestering kommer att ha återbetalas långt innan solfångarnas livslängd har passerat.
7. Förslag till framtida arbeten
Detta arbete får ses som en förstudie till att det finns potential för solfångare och ett värmelagringssystem i kvarteret Lagern, både ur ett tekniskt och ekonomiskt perspektiv. Vad som dock måste finnas i åtanke är att stora delar av rapporten bygger på antaganden och förenklingar, detta p.g.a. att kvarteret Lagern är ett pågående projekt där det än så länge är fiktiva byggnader som har undersökts. Det finns därför mot denna bakgrund anledningar att utveckla undersökningen och tillämpa beräkningar på mer noggranna inparametrar. När en definitiv planbeskrivning har tagits fram över området med bland annat tak-‐ och fasadyta samt storlek på lägenheter och arbetsplatser kan en dimensionering av ett solfångarsystem och det totala värmebehovet beräknas mer exakt.
Ett alternativt värmelagringssystem vore intressant att undersöka, så som exempelvis värmelagring i lerlager eller akviferlager för att se vilken lagringsmetod som är bäst anpassad för kvarteret Lagern. Även lagring i bergrum är en intressant lagringsteknik som kan undersökas om det visar sig att det finns ett bergrum i området. Istället för att lagra den överskottsvärmen som produceras under sommaren från solfångaranläggningen kan en tredjepartsanslutning till det lokala fjärrvärmenätet vara ett ytterligare alternativ som kan studeras. Utreda om det finns en ekonomisk vinning eller andra fördelar med att sälja överskottsvärme som produceras till fjärrvärmebolaget i jämförelse med att lagra värmen för egen utvinning under vinterhalvåret.
64
Sammanfattningsvis finns det mycket potential i kvarteret Lagern för försörjning av solenergi i området. Det finns många fördelar som kan tas del av genom att i början av byggnadsfasen integrera ett solfångarsystem. Detta arbete ska därför ses som en grund för att fortsätta med ytterligare studier kring installering av solfångar-‐ och värmelagringssystem i området.
65
8. Litteraturförteckning
Andrén, L., (2011), Solenergi – Praktiska tillämpningar i bebyggelse, AB svensk byggtjänst, ISBN: 978-‐91-‐7333-‐473-‐0
Aquasol, (2012), tillgänglig på: http://www.aquasol.se/docs/prislista_120301.pdf, hämtad: 2013-‐03-‐14
Baumert mfl, (2005), Navigating the Numbers Greenhouse Gas Data And International Climate Policy, ISBN: 1-‐56973-‐599-‐9, tillgänglig på: http://pdf.wri.org/navigating_numbers.pdf, hämtad: 2013-‐02-‐11
Bernestål, A. och Nilsson, J., (2007), Utvärdering av energianvändning, tillgänglig på: www.energimyndigheten.se/Global/.../Utvärdering%20Anneberg.pdf, hämtad: 2013-‐03-‐03
Boverket, (2010), Information om stöd för investeringar i solvärme, tillgängligt på: http://www.boverket.se/Global/Bidrag_o_stod/Dokument/Blanketter/Solvarmestod_nytt/1168-‐2-‐Info-‐Solvarmestod.pdf, hämtat: 2013-‐03-‐12
Boverket, (2011), 2011:5 -‐ om skärpta energikrav i Boverkets byggregler, tillgänglig på: http://www.boverket.se/Om-‐Boverket/Nyhetsbrev/Boverket-‐informerar/Ar-‐2011/20113/, hämtad: 2013-‐04-‐23
Braun, J.E. och Mitchell, J.C, (1983), Solar geometry for fixed and tracking surfaces. Solar Energy, Vol. 31, Issue 5, s.439-‐444
Brigham, E.F. & Ehrhardt, M.C., (2010), Financial Management: Theory and Practice, tillgänglig på: http://books.google.is/books?id=fJ9dj4kCo0AC&pg=PA383&dq=net+present+value&hl=sv&sa=X&ei=mUQ_UdK9Mav07AaouIDYDA&redir_esc=y, hämtad: 2013-‐03-‐12
Buildingphysics, (2008), EED 3.0 Earth Energy Designer, tillgänglig på: http://www.buildingphysics.com/manuals/EED3.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐19
Cain, F., (2008), What Kind of Star is the Sun?, tillgänglig på: http://www.universetoday.com/16350/what-‐kind-‐of-‐star-‐is-‐the-‐sun/, hämtad: 2013-‐02-‐25
Cain, F., (2012) The Sun, tillgänglig på: http://www.universetoday.com/16338/the-‐sun/, hämtad: 2013-‐02-‐25
Carlstedt, C., (2010), Hållbarhetsaspekter på tillvaratagande av spillvärme i borrhålslager -‐ ur ett företags-‐ och samhällsperspektiv, Examensarbete I hållbar
66
utveckling 30 hp, Uppsala Universitet, Institutionen för Geovetenskaper, tillgänglig på: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-‐150781, hämtad: 2013-‐04-‐26
Claesson, J. & Eskilson, P., (1987), Conductive Heat Extraction by A Deep Borehole. Thermal Analyses and Dimensioning Rules, Lund Institute of Technology, tillgänglig på: http://www.buildingphysics.com/Eskilson1987.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐17
Claesson, J. m.fl., (1985), Markvärme -‐ en handbok om termiska analyser: del 1-‐3, Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm, ISBN: 91-‐540-‐61-‐8
Claesson, J. m.fl., (1993), Säsongslagring i bergrum – Utvärdering av värmeförluster Lyckebo Uppsala, Stockholm: Byggforskningsrådet. ISBN: 91-‐540-‐5506-‐7
Dalenbäck, J-‐O., (2006) Utvärdering av solvärmesystem, brf Anneberg, tillgänglig på: http://www.energimyndigheten.se/Global/Forskning/Bygg/Utvärdering%20Anneberg.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐17
Dincer, I. och Rosen, M. A., (2002), Thermal Energy Storage – Systems and Applications, John Wiley & Sons, Lrd., Baffins Lane, Chichester, West Sussex PO19 1UD, England, ISBN: 0-‐471-‐49573-‐5
Effecta, (2012), tillgänglig på: http://www.effecta.se/images/effecta_prislista_1211_low.pdf, hämtad: 2013-‐03-‐14
Ekonomifakta, (2010), Solna, tillgänglig på: http://www.ekonomifakta.se/sv/Fakta/Regional-‐statistik/Alla-‐lan/Stockholms-‐lan/Solna/?var=2654, hämtad: 2013-‐03-‐01
Energimarknadsinspektionen, (2013), Nya regler om reglerat tillträde till fjärrvärmenät för värmeproducenter, tillgänglig på: http://www.energimarknadsinspektionen.se/sv/nyhetsrum/nyheter/nyhetsarkiv-‐2013/nya-‐regler-‐om-‐reglerat-‐tilltrade-‐till-‐fjarrvarmenat-‐for-‐varmeproducenter/, hämtad: 2013-‐04-‐28
Energimyndigheten & Energimarknadsinspektionen, (2012), Uppvärmning i Sverige 2012, tillgänglig på: http://ei.se/Documents/Publikationer/rapporter_och_pm/Rapporter%202012/Uppvarmning_i_Sverige_EIR_2012_09.pdf, hämtad: 2013-‐03-‐13
Energimyndigheten, (2009a), Klimat och Miljö, tillgänglig på: http://www.energikunskap.se/sv/FAKTABASEN/Klimat-‐och-‐miljo/ , hämtad: 2013-‐02-‐11
Energimyndigheten, (2009b), Olika typer av styrmedel, tillgänglig på: http://www.energimyndigheten.se/Om-‐oss/Energi-‐-‐och-‐klimatpolitik/Styrmedel/Olika-‐typer-‐av-‐styrmedel/, hämtad: 2013-‐03-‐11
67
Energimyndigheten, (2013a), Solvärme, tillgänglig på: http://www.energimyndigheten.se/Hushall/Din-‐uppvarmning/Solvarme/, hämtad: 2013-‐02-‐20
Energimyndigheten, (2013b), Stöd till solvärme, tillgängligt på: http://www.energimyndigheten.se/sv/Hushall/Aktuella-‐bidrag-‐och-‐stod-‐du-‐kan-‐soka/Bidrag-‐till-‐solvarme/, hämtad: 2013-‐03-‐11
European Commission, 2013, Monthly Global Irradiation data, tillgängligt på: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php, hämtad: 2013-‐04-‐18
Europeiska Kommissionen, (2010), Stockholm -‐ European Green Capital 2010,tillgänglig på: http://ec.europa.eu/environment/europeangreencapital/docs/cities/brochure_stockholm_greencapital_2010.pdf, hämtad: 2013-‐02-‐11
Europeiska Kommissionen, (2011), KOM(2011), tillgänglig på: http://eur-‐lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2011:0112:FIN:SV:PDF, hämtad: 2013-‐02-‐11
Fabege, (2013), Fastigheten Farao 20, tillgänglig på: http://www.fabege.se/en/For-‐Our-‐Tenants/Fastigheter/Farao-‐20/, hämtad: 2013-‐04-‐23
Fagerström, Å., (1990), Energilagring för bebyggelse, Stockholm: Stadens råd för byggforskning
Förenta Nationerna (2011), World Population Prospect, tillgänglig på: http://esa.un.org/unpd/wpp/Documentation/pdf/WPP2010_Highlights.pdf, hämtad: 2013-‐02-‐11
Företagsvärdering, (2013), NPV, tillgänglig på: http://www.foretagsvardering.org/definition/npv/, hämtad: 2013-‐03-‐12
Heier, J., (2013), Energi Efficency thorugh Thermal Energy Storage, Doktorsavhandling, ISBN: 978-‐91-‐7501-‐653-‐5, KTH School of Industrial Engineering and Management, tillgänglig på: http://du.diva-‐portal.org/smash/record.jsf;jsessionid=880113d18a74cc48ee6015016744?parentRecord=diva2:607589&pid=diva2:607704, hämtad: 2013-‐03-‐01
International Energy Agency, (2013), Energy Policies of the IEA Countries – Sweden 2013 Review
IPCC, (2007), Climate Change 2007 – Synthesis Report
68
IVL Svenska Miljöinstitutet, (2007), Analys av värme-‐ och kylbehov för bygg-‐ och fastighetssektorn i Sverige, tillgänglig på: http://regeringen.se/content/1/c6/08/93/34/f416a23f.pdf, hämtad 2013-‐04-‐28
Kalogirou, S.A, (2004), Solar thermal collectors and applications, Progress in Energy and Combustion Science 30, s. 231–295, tillgänglig på: http://www.sciencedirect.com.focus.lib.kth.se/science/article/pii/S0360128504000103, hämtad 2013-‐02-‐20
Lervik, P., (1994), Värmetekniska tabeller, Åbo Akademi -‐ Institutionen för Värmeteknik, Tredje upplagan, tillgänglig på: http://web.abo.fi/fak/tkf/vt/Common/Docs/tabeller.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐25
Länsstyrelsen i Stockholms Län, (2012), Full fart framåt utan växthusgaser – Färdplan 2050 Stockholms län, ISBN: 978-‐91-‐7281-‐486-‐8
Länsstyrelsen i Södermanlands län och Uppsala län, (2007), Miljömål för ditt företag, tillgänglig på: http://www.lansstyrelsen.se/sodermanland/SiteCollectionDocuments/sv/publikationer/2007/Foretagsbroschyr.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐29
Mapcoordinates, (2013), tillgänglig på: www.mapcoordinates.net/en, hämtad: 2013-‐04-‐17
Matuska, T. och Sourek, B., (2006), Facade solar collector, Solar Energy, Vol. 80, Issue 11, November 2006, s. 1443–1452 tillgänglig på: http://www.sciencedirect.com.focus.lib.kth.se/science/article/pii/S0038092X06001125, hämtad: 2013-‐02-‐17
Miljöbarometern, (2010), Energianvändning för hushållen, tillgänglig på: http://miljobarometern.stockholm.se/key.asp?mo=8&dm=1&nt=2&tb=2, hämtad: 2013-‐03-‐01
Miljöförvaltningen, (2010), Stockholms Stads Klimatarbete, Stockholm Stad, ISBN: 978-‐91-‐85125-‐35-‐7
Miljömål, (2012), Begränsad klimatpåverkan, tillgänglig på: http://www.miljomal.nu/sv/Miljomalen/1-‐Begransad-‐klimatpaverkan/, hämtad: 2013-‐04-‐29
NASA, (2013), The Sun – Facts & Figures, tillgänglig på: http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Object=Sun&Display=Facts, hämtad: 2013-‐02-‐25
69
National Geographic, (2013), Sun, tillgänglig på: http://education.nationalgeographic.com/education/encyclopedia/sun/?ar_a=1, hämtad: 2013-‐02-‐25
Nationalencyklopedin, (2013), Solenergi, tillgänglig på: http://www.ne.se/solenergi, hämtad: 2013-‐02-‐25
Naturvårdsverket & Energimyndigheten, (2006), Ekonomiska styrmedel i miljöpolitiken, tillgänglig på: http://www.naturvardsverket.se/Documents/publikationer/620-‐5616-‐6.pdf, hämtad: 2013-‐03-‐11
Nils Holgersson, Fastighet en Nils Holgerssons underbara resa genom Sverige – en avgiftsstudie för 2012, tillgänglig på: http://www.nilsholgersson.nu/fileadmin/mediabank/www.nilsholgersson.se/Dokument/Arkiv/AvgiftsrapportNH2012mBil-‐v121107.pdf, hämtad: 2013-‐03-‐12
Nordell, B. & Söderlund, M., (2006), Solar Energy and Heat Storage, Third Edition, Luleå University of Technology
Norrenergi, (2013a), Priser och avtal -‐ värme, tillgänglig på: http://www.norrenergi.se/NE_hemsida/kundservice_priser_varme.aspx, hämtad:2013-‐03-‐12
Norrenergi, (2013b), Normalprislista, tillgänglig på: http://www.norrenergi.se/NE_hemsida/kundservice_normalpriser_2013.aspx, hämtad:2013-‐04-‐27
Pavlov, G. K., (2011), Seasonal solar thermal energy storage through ground heat exchangers – Review of systems and applications, tillgänglig på: http://orbit.dtu.dk/fedora/objects/orbit:72780/datastreams/file_6382925/content, hämtad: 2013-‐02-‐17
Regeringskansliet, (2012), Hållbar Utveckling, tillgänglig på: http://www.regeringen.se/sb/d/1591, hämtad: 2013-‐02-‐11
REN 21, (2012), Renewables 2012 – Global Status Report Rockström mfl, (2009), Planetary Boundaries
Rosén, B. m.fl. (2001), System för värme och kyla ur mark -‐ En nulägesbeskrivning, Swedish Geotechnical Institute, Varia 511, ISSN: 1100-‐6692
S-‐Solar, (2009a), Byggelement för fasadintegration, tillgänglig på: http://www.ssolar.com/ProdukterAnv%C3%A4ndningsomr%C3%A5den/ByggintegreradSolenergi/tabid/719/Default.aspx, hämtad: 2013-‐02-‐17
70
S-‐Solar, (2009b), Prisma-‐ Byggelement med multifunktion för fasadintegration, tillgänglig på: http://www.ssolar.com/LinkClick.aspx?fileticket=ZvaYdarVS5c%3d&tabid=719, hämtad: 2013-‐04-‐23
S-‐Solar, (2009c), Tilltalande takinstallation med glasade solfångare, tillgänglig på: http://www.ssolar.com/ProdukterAnv%C3%A4ndningsomr%C3%A5den/Planaglasadesolf%C3%A5ngare/Tilltalandetakinstallation/tabid/303/Default.aspx, hämtad: 2013-‐04-‐24
S-‐Solar, (2010), Solinstrålning, tillgänglig på: http://www.ssolar.com/Solenergi2010/EnergifaktaDEL1brSolenFramtidensbasenergi/Solinstrålning/tabid/608/Default.aspx, hämtad: 2013-‐02-‐25
Sandoff, A. mfl., (2005), Kalkylhandbok för investeringsbedömningar av värmeglesa fjärrvärmeprojekt, Svensk Fjärrvärme AB, Värmegles 2005:18, ISSN 1401-‐9264
Sidén, G., (2007), Solenergiteknik – Kompletterande teori, formler och övningsexempel, Halmstad Högskola, tillgänglig på: http://www.hh.se/download/18.70cf2e49129168da0158000107257/övningsexempel-‐07_solenergi.pdf, hämtad: 2013-‐02-‐25
SMHI, (2009), Solstrålning, tillgänglig på: http://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/solstralning-‐1.4186, hämtad: 2013-‐02-‐25
SMHI, (2013), Klimat i Förändring, tillgänglig på: http://www.smhi.se/tema/Klimat-‐i-‐forandring, hämtad: 2013-‐02-‐11
Solna Stad, (2011a), Gestaltningsprogram, tillgänglig på: http://www.solna.se/sv/stadsbyggnad-‐trafik/stadsplanering/pagaende-‐byggprojekt/rivningen-‐av-‐rasunda/, hämtad: 2013-‐02-‐05
Solna Stad, (2011b), Planbeskrivning, tillgänglig på: http://www.solna.se/Global/Stadsbyggnad%20och%20trafik/Projekt/Lagern/110816%20Planbeskrivning.pdf, hämtad: 2013-‐02-‐05
Solna Stad, (2013a), Rivningen av Råsunda, tillgänglig på: http://www.solna.se/sv/stadsbyggnad-‐trafik/stadsplanering/pagaende-‐byggprojekt/rivningen-‐av-‐rasunda/, hämtad 2013-‐03-‐02
Solna Stad, (2013b), Befolkning, tillgänglig på: http://www.solna.se/sv/om-‐solna/fakta-‐om-‐solna1/solna-‐idag-‐statistik/befolkning/, hämtad 2013-‐04-‐15
71
Southface, (2013), Solar Thermal Costs and Maintenance, tillgänglig på: http://www.southface.org/learning-‐center/library/solar-‐resources/solar-‐thermal-‐costs-‐paybacks-‐and-‐maintenance, hämtad: 2013-‐03-‐14
Statistiska Centralbyrån, (2013a), Prisomräknaren – räkna på inflationen, tillgänglig på: http://www.scb.se/Pages/PricesCrib.aspx?id=258649, hämtad: 2013-‐04-‐26
Statistiska Centralbyrån, (2013b), Befolkningsstatistik, tillgänglig på: http://www.scb.se/Pages/TableAndChart____350652.aspx, hämtad: 2013-‐03-‐01
Stockholm Stad, (2013), tillgänglig på: http://www.stockholm.se/OmStockholm/Stadens-‐klimatarbete/, hämtad: 2013-‐02-‐11
Sundberg, J., (1991), Information 12 -‐ Termiska egenskaper i jord och berg, Statens Geotekniska Institut, ISSN 0281-‐7578, tillgänglig på: http://www.swedgeo.se/upload/publikationer/Info/pdf/SGI-‐I12.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐17
Sveby, (2012), Brukarindata bostäder, tillgänglig på: http://www.sveby.org/wp-‐content/uploads/2012/10/Sveby_Brukarindata_bostader_version_1.0.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐23
Svensk Fjärrvärme, (2011), Fortsatt stora investeringar i kraftvärme, tillgänglig på: http://www.svenskfjarrvarme.se/Asikter/Pressmeddelanden/Pressmeddelanden-‐2011/Fortsatt-‐stora-‐investeringar-‐i-‐kraftvarme/, hämtad: 2013-‐03-‐12
Svensk Fjärrvärme, (2012), Fjärrvärmepriser 2012, tillgänglig på: http://www.svenskfjarrvarme.se/statistik-‐-‐pris/fjarrvarmepriser/, hämtad: 2013-‐03-‐12
Svensk Solenergi, (2013a), Fakta om Solenergi, tillgänglig på: http://www.svensksolenergi.se/fakta-‐om-‐solenergi, hämtad: 2013-‐02-‐25
Svensk Solenergi, (2013b), Solvärme, tillgänglig på: http://www.svensksolenergi.se/fakta-‐om-‐solenergi/solvaerme, hämtad 2013-‐02-‐20
Svensk Solenergi, (2013c), Drift och underhåll av solvärmeanläggningar, tillgänglig på: http://www.svensksolenergi.se/fakta-‐om-‐solenergi/solvaerme/drift-‐och-‐underhall-‐av-‐solvaermeanlaeggningar, hämtad: 2013-‐03-‐14
Sveriges geologiska undersökning, (2013a), Avveckling av oljelagringsanläggningar, tillgänglig på: http://www.sgu.se/sgu/sv/samhalle/miljo/avveckling/index.html, hämtad: 2013-‐02-‐29
72
Sveriges geologiska undersökning, (2013b), Berggrundskarta – Solna Kommun, tillgänglig på: http://maps2.sgu.se/kageFilemover/data/rock_local_Zi7e1LYvM1.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐17
Sveriges Riksbank (1993), Riksbanken anger målet för penningpolitiken, tillgänglig på: http://www.riksbank.se/Upload/Dokument_riksbank/Kat_publicerat/Pressmeddelanden/930115.pdf, hämtat 2013-‐03-‐17
Sveriges Riksbank, (2013), Aktuell prognos för reporänta, inflation och BNP, tillgänglig på: http://www.riksbank.se/sv/Penningpolitik/Prognoser-‐och-‐rantebeslut/Aktuell-‐prognos-‐for-‐reporanta-‐inflation-‐och-‐BNP/, hämtad: 2013-‐03-‐17
Svesol, (2012), tillgänglig på: http://www.svesol.se/images/stories/pdf/prislistor/prislista-‐svesol-‐2012-‐08-‐01.pdf, hämtad: 2013-‐03-‐14
Teknikmarknad, (2012), Förstudie: Värmelagring.
UO SRML, (2013), tillgänglig på: http://solardat.uoregon.edu/SunChartProgram.html, hämtad: 2013-‐02-‐25
Villanueva, J.C., (2010), Radiation from the Sun, tillgänglig på: http://www.universetoday.com/60065/radiation-‐from-‐the-‐sun/, hämtad: 2013-‐02-‐25
Världsnaturfonden, (2013a), Shifting the energy paradigm, tillgänglig på: http://wwf.panda.org/what_we_do/footprint/climate_carbon_energy/energy_solutions/energy_paradigm/, hämtad: 2013-‐02-‐11
Världsnaturfonden, (2013b), Rising Temperatures, tillgänglig på: http://wwf.panda.org/about_our_earth/aboutcc/problems/rising_temperatures/, hämtad 2013-‐02-‐11
Värmebaronen, (2013), tillgänglig på: http://www.varmebaronen.se/wp-‐content/uploads/2013/02/PRISLISTA_2013_web.pdf, hämtad: 2013-‐03-‐14
Zhao, C.Y. och Tian, Y., (2012), A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications, Applied Energy, Vol. 104, April 2013, s. 538–553 tillgänglig på: http://www.sciencedirect.com.focus.lib.kth.se/science/article/pii/S0306261912008549, hämtad 2013-‐02-‐17
ÅF, (2007), Energiinventering av fastigheten Toppsockret 1, tillgänglig på: http://www.hsb.se/polopoly_fs/1.35965.1277327539!/energiinventeringsrapport_toppsockret_0708.pdf, hämtad: 2013-‐04-‐23
73
Åsberg, C., (2011), Solvärme med säsongslager i Lyckebo – Utredning av värmeförluster och dimensionering av solfält, Examensarbete 30 hp, Uppsala Universitet, Teknisk och naturvetenskaplig fakultet, UTH-‐enheten
Intervju
Acuña Sequera, J., Forskningsingenjör vid KTH, Intervju, Utförd: 2013-‐04-‐17
Ehrensvärd, J., Försäljare av fjärrvärme och fjärrkyla på Norrenergi, Mejlintervju, Utförd: 2013-‐04-‐25.
Laike, N., Projektledare vid Teknikmarknad, Intervju, Utförd: april 2013
Parmer, A., Fortifikationsverket, Telefonintervju, Utförd: 2013-‐02-‐19
Sundquist, R., Forsknings-‐ och utvecklingschef vid S-‐Solar, Telefonintervju, Utförd: 2013-‐04-‐17.
Sverdrup, H., Professor i Kemiteknik, Lunds Tekniska Universitet/University of Iceland, Föreläsning/Intervju, Utförd: 2013-‐02-‐10
Vilhelmson, M., Norrenergi AB, Mejlintervju, Utförd: 2013-‐03-‐11
Wallin, A., Bernow & Wik Arkitektur AB, Mejlintervju, Utförd: 2013-‐04-‐23
Wester, M., Driftcontroller på Fabege, Mejlintervju, Utförd: 2013-‐04-‐23
Wihlke, C., Kart-‐ och GIS-‐ingenjör Solna Stad, Mejlintervju, Utförd: 2013-‐03-‐11
74
9. Bilaga
9.1 Bilaga 1 – Detaljplan kvarteret Lagern
Figur 23. Detaljplan kvarteret Lagern, skala 1:1000 (Wallin, 2013)
75
9.2 Bilaga 2 – Soldata kvarteret Lagern
Solinstrålning för kvarteret Lagern. (Latitud: 59.36°, Longitud: 18°)
Tabell 22. Soldata för kvarteret Lagern (European Commission, 2013)
Optimal vinkel: 41° (European Commission, 2013) Hh: Infallanade solstrålning på en horisontell yta (Wh/m2/dag) Hopt: Infallande solstrålning på en yta vid optimal vinkel 41° (Wh/m2/dag) H(90): Infallande solstrålning på en yta vid en vinkel av 90° (Wh/m2/dag) DNI: Direkt normal instrålning (Wh/m2/dag) Iopt: Optimal lutning på en plan yta för att uppnå maximal solinstrålning på en plan yta mot söder (°) D/G: Kvoten mellan diffus-‐ och global instrålning (-‐) TD: Genomsnittlig dagstemperatur (°C) T24H: Genomsnittlig dygnstemperatur (°C)
Månad Hh
(Wh/m2,dag)
Hopt
(Wh/m2,dag)
H(90)
(Wh/m2,dag)
DNI
(Wh/m2,dag)
Iopt
(°)
D/G
(-‐)
TD
(°C)
T24h
(°C)
Jan 299 650 732 549 75 0.76 -‐1.2 -‐1.5
Feb 908 1 740 1 830 1 490 69 0.63 -‐0.9 -‐1.5
Mars 1 980 2 920 2 600 2 390 56 0.58 1.2 0.3
Apr 3 590 4 400 3 250 3 750 42 0.51 5.8 4.9
Maj 5 300 5 720 3 610 5 520 29 0.44 10.3 9.5
Juni 5 360 5 340 3 130 4 620 20 0.51 15.1 14.4
Juli 5 200 5 350 3 230 4 680 24 0.50 18.4 17.7
Aug 3 890 4 390 3 030 3 500 35 0.54 18.6 17.6
Sep 2 450 3 360 2 790 2 720 51 0.55 14.2 13.2
Okt 1 160 1 960 1 910 1 590 64 0.63 8.7 7.9
Nov 445 964 1 070 837 74 0.71 8.6 3.1
Dec 175 372 420 309 75 0.82 0.1 -‐0.2
År 2 570 3 100 2 300 2 670 41 0.52 7.8 7.1
76
9.3 Bilaga 3 – Fjärrvärmescenarion
I Tabell 23 visas hur fjärrvärmepriset kommer att utvecklas enligt de olika scenariona de närmaste 30 åren.
År Fjärrvärmepris för scenario 1 (öre/kWh)
Fjärrvärmepris för scenario 2 (öre/kWh)
2013 68,1 68,1 2014 69,46 70,48 2015 70,85 72,95 2016 72,27 75,50 2017 73,71 78,15 2018 75,19 80,88 2019 76,69 83,71 2020 78,23 86,64 2021 79,79 89,67 2022 81,39 92,81 2023 83,01 96,06 2024 84,67 99,42 2025 86,37 102,90 2026 88,09 106,50 2027 89,86 110,23 2028 91,65 114,09 2029 93,49 118,08 2030 95,36 122,22 2031 97,26 126,50 2032 99,21 130,92 2033 101,19 135,50 2034 103,22 140,25 2035 105,28 145,16 2036 107,39 150,24 2037 109,53 155,50 2038 111,73 160,94 2039 113,96 166,57 2040 116,24 172,40 2041 118,56 178,43 2042 120,94 184,68
Tabell 23. Fjärrvärmepriser
77
I Tabell 24 återges hur mycket det skulle kosta att försörja kvarteret Lagern med fjärrvärme beroende på hur de olika framtidsscenariona. Där scenario 1 återger en prisutveckling på år 2013:s pris som endast följer Sveriges Riksbanks inflationsmål på 2 procent medan scenario 2 utvecklas i enlighet med det senaste decenniets prisutveckling.
År Årlig
fjärrvärmekostnad scenario 1 (SEK)
Årlig fjärrvärmekostnad scenario 2 (SEK)
2013 3 655 139 3 655 139 2014 3 728 242 3 783 069 2015 3 802 807 3 915 477 2016 3 878 863 4 052 518 2017 3 956 441 4 194 357 2018 4 035 569 4 341 159 2019 4 116 281 4 493 100 2020 4 198 606 4 650 358 2021 4 282 578 4 813 121 2022 4 368 230 4 981 580 2023 4 455 595 5 155 935 2024 4 544 707 5 336 393 2025 4 635 601 5 523 167 2026 4 728 065 5 716 187 2027 4 823 067 5 916 388 2028 4 919 141 6 123 566 2029 5 017 900 6 337 722 2030 5 118 269 6 559 929 2031 5 220 248 6 789 650 2032 5 324 910 7 026 885 2033 5 431 183 7 272 708 2034 5 540 139 7 527 655 2035 5 650 706 7 791 190 2036 5 763 956 8 063 850 2037 5 878 817 8 346 170 2038 5 996 898 8 638 152 2039 6 116 589 8 940 332 2040 6 238 963 9 253 246 2041 6 363 485 9 576 895 2042 6 491 227 9 912 352
Tabell 24. Ekonomi fjärrvärme
78
9.4 Bilaga 4 – Indata till Energy Earth Designer
De indata som EED kräver kan summeras i sex olika kategorier:
• Markegenskaper • Borrhål och värmeväxlare • Köldbärarfluid • Baslast • Topplast • Stimuleringsperiod
Indata Värmeledningsförmåga för marken
3,5 W/(m∙K)
Volumetrisk värmekapacitet för marken
2,160 MJ/(m3∙K)
Markytans temperatur 8°C Geometriskt värmeflöde för marken
0,06 W/m2
Borrhålsdiameter 115 mm Kontaktmotstånd rör/fyllnad 0,06 (m∙K)/W
Värmeledningsförmåga hos fyllning
0,6 W/m∙K
Volymflöde i borrhålet (per borrhål)
0,5 l/s
Yttre diameter för U-‐rör 40 mm Väggtjocklek för U-‐rör 2,4 mm Värmeledningsförmåga för U-‐rör 0,42 W/m∙K
Skänkelavstånd i U-‐rör 40 mm Värmeledningsförmåga för köldbärarfluid
0,6 W/(m∙K)
Specifik värmekapacitet för köldbärarfluid
4200 J/(kg∙K)
Densitet 1000 kg/m3 Viskositet 12,28∙10-‐6 kg/(m∙s) Fryspunkt -‐10 °C Stimuleringsperiod 25 år
Tabell 25. Indata för EED (Buildingphysics, 2008)
79
9.5 Bilaga 5 – Tabell över energitillförseln under ett år i kvarteret Lagern
Månad Solenergi (MWh)
Solenergi som utvinns från borrhålslagret
(MWh)
Fjärrvärme (MWh)
Januari 64 154 572 Februari 149 154 388 Mars 256 154 187 April 345 -‐ 87 Maj 303 -‐ -‐ Juni 153 -‐ -‐ Juli 118 -‐ -‐ Augusti 119 -‐ -‐ September 223 -‐ -‐ Oktober 179 -‐ 298 November 91 -‐ 414 December 36 154 621 Totalt: 2 034 612 2 721
Tabell 26. Energitillförseln under ett år i kvarteret Lagern
Recommended