Energiforsyning med fokus på ZEB i Trondheim Katedralskole

Abstract

Trondheim Katedralskole er en av de eldste skolene i Norge. Skolen består per i dag av 5 bygg. Det planlegges en større renovasjon av skolen, noe som innebærer bygging av 2 nybygg. Målet med renovasjonen, og dermed også dette prosjektet, er at nybyggene skal oppnå status som nullutslippsbygg i driftsfasen, altså ZEB-O. For å få til dette må nybyggene ha en fornybar energiproduksjon på minst 105600kWh/år. Hensikten med denne oppgaven er dermed å prosjektere et solcelleanlegg på hver av nybyggene som oppnår denne produksjonen. Solcelleanlegget skal, i følge prosjektspesifikke miljøoppfølgingsplanen, planlegges i kombinasjon med energilagring.

For å oppnå ZEB-O kravene ble det tatt utgangspunkt i solcellepaneler med EPD. Disse panelene ble sammenlignet og nøye analysert, og det er blitt valgt å jobbe videre med solcellepaneler av typen Maxeon 3 og Series 6. Solcelleanlegget ble prosjektert på taket til begge nybyggene, i tillegg til at det ble vurdert løsninger på fasadene til et av byggene. I forbindelse med dette ble det beregnet et brukbart areal på begge takene og fasadene. Dette ble så utgangspunktet for simuleringene i programmet PVSyst. Det er blitt gjort beregninger med og uten batterier, og for å nå kravene i oppgaven ble det videre satset på løsninger med batterier.

Det er blitt tatt utgangspunkt i 3 ulike energilagringsteknologier, nemlig nye litiumionebatterier, gjenbrukte litiumionebatterier og redoks vanadium flytbatterier. Disse er blitt sammenlignet med utgangspunkt i leverandørsikkerhet, sikkerhet, batteriytelse, størrelse og miljø. I følge MOP skal batteriene ha en minimumeffekt på 75kW med en batterikapasitet på 350kWh, og kunne dekke minimum 30% av effektbehovet i driftstime med høyeste effektlast. Batterianlegget i dette prosjektet skal plasseres i et allerede eksisterende rom i kjelleren til et av de gamle byggene. Dette setter begrensninger for det endelige valget av batterianlegget.

Utifra simuleringene i PVSyst ble det valgt 4 endelige scenarioer for prosjektering av solceller som oppfylte ZEB-O og MOP-kravene. Hovedforskjellen mellom de ulike scenarioene var det totale brukbare arealet på taket, panelmodulene og om anlegget skulle være med eller uten fasadeløsninger. Det ble så diskutert hvorvidt det historiske inntrykket eller miljø og den totale fornybare produksjonen som skal prioriteres. Resultatene ble ulike for alle løsninger og det ble diskutert om overproduksjon er gunstig for det endelige valget i prosjektet. Videre ble de ulike alternativene for energilagring vurdert. Flytbatterianlegget ble for stort for det gitte batterirommet. Av den grunn ble det endelige valget mellom nye og gjenbrukte litiumionebatterier. Det som skilte disse er batteriytelsen og miljøaspektet.

Det ble konkludert med scenario 3 altså Maxeon 3 solcellepaneler på tak og fasade og 3m avstand fra takkanten. Bakgrunnen for dette er at dette scenarioet har det laveste utslippet i løpet av hele livsløpsfasen, samt lavest overskuddsproduksjon. For batteriløsningen ble det valgt gjenbrukte litiumionebatterier, ettersom miljøaspektet anses som en viktigere faktor enn batteriytelsen, i denne oppgaven. Batteriene ble likevel ikke sett på som en nødvendighet for å oppnå ZEB-O kravene og det kan vurderes å ikke benytte de i det endelige prosjektet.

To achieve ZEB-O requirements it was only considered solar panels that have an EPD. These was compared and analyzed, and the chosen solar panels was Maxeon 3 and Series 6. The solar system was placed on the roof on both of the new buildings and considered to be placed on the facades on one of the new buildings. Therefor it was calculated a usefull area on the roofs and the facades. These areas was used in the simulations in PVSyst. It was done calculations with and without batteries, and to achieve the requirements in this thesis it was only focused on the solutions with batteries.

3 different energy storage technologies have been considered. These are new lithium-ion batteries, reused lithium-ion batteries, and redox vanadium flow batteries. These technologies have been compared based on supplier reliability, security, battery performance, size, and environment. According to the MOP the batteries must have a minimum efficiency of 75kW and a battery capacity of 350kWh and be able to cover a minimum of 30% of the power demand in the operating hours with the highest power load. The battery system in this project will be placed in a pre-existing room in the basement of one of the old buildings. This limits the final choice of the battery system.

Based on the simulations in PVsyst, 4 final scenarios were chosen for the design of the solar system that met the ZEB-O and MOP requirements. The main differences between these scenarios were the total usable area on the roof, the panel modules and whether the solar plant should be with or without facade solutions. Further, it was discussed whether the historical impression or the environment and the total renewable production should be prioritized. The results were unique for all the different solutions, and it was discussed whether overproduction is beneficial for the final choice in the project. Furthermore, the various options for energy storage were assessed. The flow battery system was too large for the given battery room. For that reason, the focus was placed on the new and reused lithium-ion batteries for the final choice. What differentiates these is the battery performance and the environmental aspect.

It was concluded with scenario 3 with the Maxeon 3 solar panels on the roof and facades and with 3m distance from the roof edges. The reason for this is that the scanario has the least amount of emissions during the entire life cycle, as well as the lowest overproduction. Reused lithium ion batteries was chosen for the battery solution since the environmental aspect was concidered as more important than the battery performance. The batteries were not neccesary to achieve ZEB-O requirements and may be considered to not be installed in the final project.