Implementation of Photovoltaic Systems on Ålesund Rådhus: A Technical and Economic Evaluation
Abstract
I lys av den global oppvarmingen må andelen fornybar energi økes, og fossil energi reduseres. Solcelleanlegg fremstår som et bærekraftig alternativ grunnet den utømmelige energiforsyningen fra solen. Fremover forventes en betydelig vekst i kapasiteten for solkraft. Utnyttelse av solenergi har tidligere blitt sett bort fra i Norge som følge av den lave solinnstrålingen. Med tanke på den forventede globale økningen av solkraft, bør likevel de potensielle fordelene ved å implementere et slikt system i Norge undersøkes. I tillegg er de lave utetemperaturene i Norge fordelaktige med tanke på solcellepanelets virkningsgrad. Denne oppgaven har derfor som mål å presentere løsninger for solcelleanlegg for å helt eller delvis dekke elektrisitetsbehovet til en bygning lokalisert i Ålesund, Norge. Rådhuset i kommunen, Ålesund Rådhus, ble valgt på grunn av byggets størrelse og sentrale beliggenhet. Bygget er et sameie integrert med en annen seksjon, Kremmergaarden, med et årlig strømforbruk på omtrent 2400 MWh. Store sesongvariasjoner i værforhold ble observert ved lokasjonen, med nesten ubetydelige nivåer av solinnstråling om vinteren.
I denne oppgaven ble det gjennomført flere simuleringer i programvaren PVsyst for å etablere den mest gunstige løsningen for Ålesund Rådhus. Tre ulike plasseringer for paneler på taket ble simulert, med både monokrystallinske og heterojunction paneler. Rader med domer parallelt med både kortsiden og langsiden av taket, samt enkle skråstilte paneler vendt direkte sør ble vurdert i tillegg til tynnfilmpaneler på byggets sørvendte fasade. Ulike celleteknologier ble valgt på grunn av deres ulike egenskaper for å avgjøre den mest egnede teknologien. Solinnstrålingsverdier og temperaturdata for Ålesund er samlet inn over en treårsperiode og gjennomsnittsverdiene for et vilkårlig år i denne perioden ble brukt i simuleringene. Videre ble den økonomiske gjennomførbarheten og bærekraften til systemene vurdert.
Resultatene fra simuleringene viste at å utnytte det tilgjengelig arealet på taket og den sørvendte fasaden til solcellepaneler, sannsynligvis ikke vil være tilstrekkelig for å dekke bygningens årlige. De to simuleringene for systemer med rader av domer parallelt med langsiden av taket produserte mest strøm med nesten 60 MWh årlig. Heterojunction-panelene produserte noe mer, men gitt deres høye investeringskostnad, ble monokrystallinske paneler ansett som et mer gunstig alternativ for taket. Enkle skråstilte sørvendte monokrystallinske paneler viste seg å være det minst kostbare systemet. Disse to simuleringene med monokrystallinske paneler ble deretter videre evaluert, både individuelt, og kombinert med systemet for sørfasaden, med hensyn til produsert effekt og økonomisk gjennomførbarhet. Simuleringene for kun sørfasaden viste at systemet var i stand til å produsere 28 MWh. Det ble konkludert med at den produserte effekten fra taksimuleringene og fra simuleringene hvor både tak og fasaden er inkludert, trolig ikke ville overstige effektbehovet og det vil derfor ikke være gunstig med energilagring, noe som resulterer i fullstendige "on-grid" løsninger. Med lite produsert elektrisitet er det derfor nødvendig å benytte ytterligere strøm fra strømnettet, noe som vil ha en negativ innvirkning på systemenes lønnsomhet. Den økonomiske evalueringen for alle systemer viste en negativ netto nåverdi.
Videre ble bærekraftsaspektet ved implementering av PV-systemer vurdert. Denne oppgaven inkluderer ikke en livssyklusvurdering, men utfordringer knyttet til produksjon og resirkulering diskuteres. På grunn av miljøutfordringene knyttet til produksjon av solcellepaneler, kan utnyttelse av strøm fra strømnettet ansees som mer bærekraftig ettersom det norske strømnettet hovedsakelig består av fornybar energi. De potensielle besparelsene i klimagassutslipp ved å implementere et solcelleanlegg på Ålesund Rådhus vil trolig ikke være like høy sammenlignet med land som har en større andel fossil energi i energimiksen.
De simulerte systemene som presenteres i denne oppgaven vil ikke være i stand til å dekke byggets strømbehov og med høye investerings- og vedlikeholdskostnader, kombinert med lav årlig inntekt, vil de sannsynligvis ikke være lønnsomme i løpet av levetiden. Resultatene viser imidlertid at det er potensial for å utnytte solenergi i Ålesund, og solcelleanlegg kan implementeres på andre bygninger. In light of global warming, the share of renewable energy must be increased, and fossil energy reduced. Solar photovoltaic (PV) systems emerges as a viable option due to the inexhaustible energy supply from the sun. Moving forward, a substantial growth in capacity for solar PV is anticipated. This technology has previously been disregarded in Norway due to the low solar irradiation. Nevertheless, in view of the expected global increase, the possible benefits of implementing such a system in Norway should be investigated. Additionally, the low outdoor temperatures in Norway are beneficial in terms of the solar panel efficiency. Consequently, this thesis aims to present solutions for PV systems to partly or fully cover the electricity demand of a building located in Ålesund, Norway. The town hall of the municipality, Ålesund Rådhus, was selected due to the large scale of the building and its central location. The building is a joint ownership and integrated with another part, Kremmergaarden, with an annual electricity consumption of roughly 2400 MWh. Large seasonal variations in weather conditions was seen at the location, with almost negligible levels of irradiation during the winter.
In this thesis several simulations were conducted in the software PVsyst in order to establish the most favourable solution for PV system on Ålesund Rådhus. Three different placements for panels on the roof were simulated, both for monocrystalline and heterojunction panels. Rows of domes parallel to both the short side and long side of the roof, as well as single tilted panels facing directly south were evaluated in addition to placing thin film panels on the south facing facade of the building. Different cell technologies were selected due to their different properties in order to determine the most suitable technology. Solar irradiance values and temperature data for Ålesund have been collected over a three year period and the average values for an arbitrary year in this period were used in the simulations. Furthermore the economical feasibility and sustainability of the systems were considered.
The simulations revealed that utilising the available area on the roof and south facing facade with PV systems will likely be insufficient to cover the annual electricity demand of the building. The two simulations for systems with rows of domes parallel with the long side of the roof produced the most electricity with almost 60 MWh annually. The heterojunction panels produced slightly more but given their high investment cost, monocrystalline panels were considered a more feasible option. Single tilted south facing monocrystalline panels prevailed as the least expensive system. These two simulations with monocrystalline panels were then further evaluated, both individually, and incorporated with the system for the south facade, in regards to power output and financial feasibility. The simulations for the south facade exclusively showed that the system was capable of producing 28 MWh. It was concluded that neither the systems for the roof exclusivley or for the roof incorporated with the facade were unlikely to exceed the power demand and it will therefore not be beneficial with energy storage, resulting in completely on-grid solutions. With electricity production it is necessary to utilise additional electricity from the main grid, which will have a negative impact on the systems profitability. The economical evaluation for all systems showed a negative NPV.
Furthermore, the sustainability of implementing PV systems was also considered. This thesis does not include a life cycle assessment but challenges regarding production and recycling are discussed. Due to the environmental concerns surrounding the manufacturing of solar panels, utilising electricity from the power grid may be more sustainable as the Norwegian grid mainly consist of renewable energy. The potential savings in greenhouse gas emissions from implementing a large PV system for Ålesund Rådhus will not be as great compared to countries with a larger share of fossil energy in their electricity mix.
In conclusion, the simulated systems presented in this thesis will not be able to cover the building's power demand and with high investment and maintenance costs, combined with low annual income, will likely not be profitable during its lifespan. However, these results do prove that there is potential in utilising solar energy in Ålesund, and PV systems could be implemented on other buildings.