Bruk av fleksible ressurser i utformingen av nullutslippsbygninger

Abstract

Bygninger står for omtrent 40 prosent av all energiforbruk og utslipp av klimagasser. Derfor er energireduksjon i byggesektoren avgjørende for å nå klimamålene. Reduksjon av energiforbruk og klimagassutslipp vil være de viktigste tiltakene for å bekjempe global oppvarming. Det er mer kostnadseffektivt og miljøvennlig å redusere energiforbruket og utslipp av klimagasser, sammenlignet med å utvide kapasiteten i energiforsyningssystemet. Fra år 2020 skal alle nybygg i EU være nesten-nullenergibygg. En nullenergibygning har kraftig redusert energiforbruk. Disse bygningen må produsere like mye energi fra fornybare energikilder som energiforbruket til bygningen. Dersom bygningen produserer mer energi enn den trenger, kan overskuddsenergien eksporteres til nettet.

Fleksibilitet i kraftsystemet er viktig for å kunne håndtere kalde vinterdager, forbrukstopper og økende produksjon av uregulerbar kraft. Batterier og varmelager kan bidra til økt fleksibilitet gjennom lastflytting. Batterier og varmelager gir forbrukere muligheten til selv å bestemme når energien skal brukes og lagres avhengig av strømprisen. Årsaken til økt bruk av batterier er fordi det benyttes i elbiler og i bygg med solcelleanlegg. Fornybar energi fra vind og sol, er i sterk vekst. Dette er positivt i et klimaperspektiv, men det har også ført til utfordringer for kraftsystemet på grunn av store variasjoner i produksjon. Lagringsteknologier kan være en del av løsningen for å lagre denne fornybare energien og så benytte den ved et senere tidspunkt. Samtidig blir denne teknologien raskt forbedret gjennom økt levetid, økt virkningsgrad og kostnadsreduksjon.

Hensikten med denne oppgaven er å undersøke hva som er mest kostnadsoptimalt, og dimensjoneringen av de tilgjengelige energikildene, i en energieffektiv bygning. Denne oppgaven har sett på et casestudie - en 10000 m2 skole i Drammen. Ved utforming av en slik bygning er det mange aspekter som det må ta hensyn til. Ettersom dette er en kompleks prosess har det allerede blitt utviklet en optimeringsmodell som denne oppgaven tar utgangspunkt i. Dette er en lineær blandet heltalls programmeringsmodellering i FICO Xpress over en energieffektiv bygning. Til nå er det implementert flere energiteknologier i denne modellen. Denne modellen har blitt videreutviklet i denne oppgaven ved at et batteri har blitt implementert inn. Deretter har følgende blitt undersøkt:

• Nullutslippsbygning Denne delen har sett på forskjellen om bygningen har krav eller ikke-krav til null CO2-utslipp gjennom hele bygningens levetid.

• Nullutslippsbygning med batteri Her har det blitt undersøkt om det er økonomisk lønnsomt å ha et batteri installert i bygningen. Det har også blitt sett på hva som påvirker om batteriet blir ladet/utladet.

• Hvordan to lagringsteknologier påvirker bygningen Her har det blitt utført ni ulike scenarioer for å undersøke hvordan størrelsen for to lagringsteknologier, endres ved ulike oppvarmingsteknologier. Disse lagringsteknologiene er et batteri og et varmelager, og varmeteknologiene er varmepumpe, elektrisk kjele og fjernvarme.

• Elektriske kjøretøy tilkoblet bygningen Her har det blitt undersøkt hvordan det påvirker bygningen å ha et elektrisk kjøretøy tilkoblet bygningen.

Buildings account for about 40 percent of all energy consumption and greenhouse gas emissions. Therefore, energy reduction in the building sector is crucial to achieving the climate goals. Reducing energy consumption and greenhouse gas emissions will be the most important measure to combat global warming. Reducing energy consumption and greenhouse gas emissions is more cost-effective and environmentally friendly compared to expanding the capacity of the energy supply system. From year 2020, all new buildings in EU will be almost zero buildings. A zero energy building has greatly reduced energy consumption. These buildings must produce as much energy from renewable energy sources as the energy consumption of the building. If the building produces more energy than it needs, the surplus energy can be exported to the grid.

Flexibility in the power system is important to handle cold winter days, consumption peaks and increasing production of uncontrollable power. Batteries and heat storage can contribute to increased flexibility through load shifting. Batteries and heat storage allow consumers to decide for themselves when to use and store energy depending on the power price. The reason for the increased use of batteries is because it is used in electric cars and in buildings with solar cells. Renewable energy from wind and sun is growing rapidly. This is positive in a climate perspective, but it has also led to challenges for the power system due to large variations in production. Storage technologies can be part of the solution for storing this renewable energy and then utilizing it at a later date. At the same time, this technology is rapidly improved through increased lifetime, increased efficiency and cost reduction.

The purpose of this task is to investigate what is most cost-optimal and the dimensioning of the available energy sources in an energy-efficient building. This task has looked at a case study - a 10000 m2 school in Drammen. When designing such a building there are many aspects that must be taken into account. As this is a complex process, an optimization model has already been developed, which this task is based on. This is a linear mixed integer programming modeling in FICO Xpress over an energy efficient building. Several energy technologies have been implemented in this model. In this task this model had been further developed. Then the following have been investigated:

• Zero Emission Building This section has looked at the difference whether the building has requirements or non-requirements for zero CO2 emissions throughout the life of the building.

• Zero discharge building with battery Here it has been investigated whether it is economically profitable to have a battery installed in the building. It has also been investigated what affects whether the battery is charged / discharged.

• How two storage technologies affect the building Here, nine different scenarios have been done to investigate how the size of two storage technologies changes with different heating technologies. These storage technologies are a battery and a heat storage, and the heat technologies are heat pump, electric boiler and district heating.

• Electric vehicles connected to the building Here it has been investigated how it affects the building to have electric vehicle connected to it.