Use of renewable energy and hydrogen storage for a carbon-negative village
Bachelor thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3078010Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Denne bacheloroppgaven ble skrevet som en del av et større prosjekt, Nothing Hill, der etgammelt sykehus fra 1955 skal ombygges til en moderne studentcampus. Et av m˚alene med detteprosjektet er ˚a skape en karbonnegativ landsby, hvor landsbyen kompenserer for karbonutslippetved bruk av fornybar energiproduksjon. Gruppens oppgave i prosjektet var ˚a regne ut mengdenenergi produsert fra solcellepaneler og vindturbiner, vurdere hydrogen som energilagringsmetode,samt evaluere energibudsjettet for prosjektet.Prosjektet Nothing Hill er et samarbeidsprosjekt mellom 20 bedrifter, ledet av High NorthDevelopment Group. Det startet i 2021, og er et resultat av en rekke negative faktorer tilknyttetKirkenes og det arktiske omr˚adet de siste ˚arene. Det nye bygget har som m˚al ˚a være selvforsyntmed egenprodusert grønn energi, og dermed oppn˚a status som plusshus.I denne oppgaven ble effekten av faktorer som helningsvinkel, temperaturkorreksjon, skygge ogalbedoeffekten p˚a solcellepaneler undersøkt. Produksjonen ble estimert til ˚a øke med 24,7% vedtemperaturkorrigering. Solcellepaneler som endrer vinkel etter solens posisjon viste seg ˚a væreden optimale løsningen, og i kombinasjon med optimalt plasserte vindturbiner kan systemetoppn˚a en ˚arlig produksjon p˚a 1980 MWh. Om sommeren vil energiproduksjonen overstigeforbruket. Dette krever effektive lagringsløsninger, for ˚a kunne utnytte energien gjennomvinteren. Ulike lagringsalternativer som termisk energilagring, litium-ionbatterier, flowbatterierog hydrogen ble undersøkt. Hydrogenlagring viste seg ˚a være det best egnede valget for detteprosjektet. Ved ˚a implementere en PEM-elektrolysator (Proton Exchange Membrane), lagringunder høyt trykk og en PEM-brenselcelle kan man oppn˚a en samlet effektivitet p˚a 40,5%.Det foresl˚atte lagringssystemet vil ha høye kostnader, men levedyktigheten vil øke med denforventede reduksjonen i teknologikostnader og med eventuell økonomisk støtte.De ulike definisjonene for bygninger avgjør hva slags status Nothing Hill kan oppn˚a. Det vilvære utfordrende ˚a oppn˚a status som karbonnegativ p˚a grunn av manglende loggføring avbyggematerialer. Andre alternative statuser for bygget kan oppn˚as ved ˚a finne en balansemellom forbruk og produksjon. Hovedbygningen brukte 175 kWh/m²/˚ar i 2021. For ˚akunne kategoriseres som et plusshus m˚a forbruket reduseres til 90 kWh/m2/˚ar, mens TEK17-standarden er p˚a 125 kWh/m2/˚ar. Forbruket bestemmer mengden overskuddsenergi og dermedhvor mye energi som kan lagres. For ˚a bli selvforskynt med energi m˚a bygningen redusereforbruket med 68.8%, basert p˚a hydrogensystemets effektivitet. Gitt overbelastningen av netteti Kirkenes, vil den mest gunstige tilnærmingen være en hybridløsning av lagring og salg avoverskuddsenergi. Dette vil ogs˚a gjøre det mulig ˚a kjøpe energien tilbake i perioder med lavproduksjon.Oppgaven konkluderer med at det vil være mulig ˚a produsere tilstrekkelig med energigjennom sol- og vindkraft til ˚a drive hovedbygget i Nothing Hill prosjektet. Av de ulikelagringsalternativene er hydrogen best egnet, men lagringstanken viste seg ˚a m˚atte være megetstor, og et samarbeid med strømnettet kreves for ˚a være selvforsynt ˚aret rundt. Selv ombygningen sannsynligvis ikke vil oppn˚a status som karbonnegativ, vil den kunne kvalifisere somet plusshus hvis energiforbruket reduseres, samt at varmebehovet dekkes av geotermisk energi. This bachelor thesis was written as a part of a larger project, Nothing Hill, where the aim isto transform an old hospital from 1955 into a modern student campus. The objective of thisproject is to create a carbon-negative village, where the system offset more carbon emissionsthan what it contributes. This report has evaluated the amount of energy produced from solarpanels and wind turbines, hydrogen as an energy storage method, and the energy budget for theNothing Hill project.The High North Development Group initiated the Nothing Hill project in response to challengesin the Kirkenes area. By revitalizing the old hospital and implementing sustainable energysolutions, the project aims to challenge negative perceptions associated with Kirkenes and fosterinnovation for companies and students.In this thesis, the impact of factors on PV-panels such as tilt angles, temperature correction,shading and the albedo effect were all investigated. With temperature correction included,the production was estimated to increase by 24,7%. Tracked panels proved to be the optimalsolution. When combined with wind turbines placed at an optimal location, the system canprovide 1980 MWh of energy annually. During the summer, the energy production will exceedthe consumption. This necessitates effective storage solutions to utilize the energy through thewinter. Various options, including thermal energy storage, lithium-ion batteries, flow batteriesand hydrogen were investigated. Hydrogen storage was evaluated to be the most suitable choice.By implementing a PEM (Proton Exchange Membrane) electrolyzer, compressed hydrogenstorage, and a PEM fuel cell, an overall energy efficiency of 40.5% can be achieved. The proposedstorage system will have a high cost, but the viability will increase with the expected comingreduction in technology costs and with possible financial support.Sustainable solutions are crucial for the success of the project. While achieving a carbon-negativestatus may be highly challenging due to unaccounted building materials, striving for a balancebetween consumption and production could be a good alternative. The main building used 175kWh/m²/year in 2021. Simulations indicated that achieving an energy-plus house status forthe main building would require a reduction of consumption to 90 kWh/m²/year, while theTEK17 standard can be achieved at 125 kWh/m²/year. Consumption will directly influence thesurplus energy available for storage. To achieve self-sufficiency, the building must reduce theconsumption by 68.8%. Given the grid overload in Kirkenes, the most favorable strategy entailsa hybrid energy storage approach and selling surplus energy back to the grid. This will make itpossible to buy the energy back during periods of low production.In conclusion, this thesis evaluated that solar and wind power can generate sufficient energyfor the main building in the Nothing Hill project. Hydrogen is regarded as the preferredoption for energy storage. However, this solution will require a substantial storage unit andcollaboration with the grid to ensure year-round self-sufficiency. While the building may notachieve a total carbon-negative status, it is expected to qualify as an energy-plus house if theenergy consumption is significantly reduced and the heat demand is covered from geothermalenergy.