Smarta nät en förutsättning för grön energi i USA?

Transkript

1 Smarta nät en förutsättning för grön energi i USA? Abstrakt Vad är smarta nät? Hur har smarta nät implementerats i USA? Den här rapporten svarar på dessa frågor genom att använda Austin, delstatshuvudstad i Texas, som ett praktiskt exempel. Rapporten behandlar smarta mätare och förnybara energikällor så väl som Green Building, Green Choice och testprojektet Pecan Street. Johanna Lakso och Li Wiberg Studenter vid Teknisk Fysik sedan 2007 tf07jl6@student.lth.se, tf07lw4@student.lth.se

2 Innehåll 1. Vad är ett Smart Grid s Smart Grids i USA s Smart Grid City Austin, Texas s Austin Climate Protection Plan s Green Building s Smarta elmätare s Nya energikällor s Pecan Street Projektet s Enfamiljshuset på 2300 Tom Miller Street, Mueller s Mexikanska restaurangen på 801 Congress Avenue, Mueller s Framtiden för Smart Grids i USA s Frågor s Litteraturförtäckning s Bildreferenser s. 15 2

3 Vad är ett Smart Grid Smart Grid refererar till smarta elnät vilket är en uppdatering av dagens befintliga infrastruktur. Det man vill uppnå är att genom tvåvägskommunikation mellan producenter och konsumenter effektivisera energianvändningen och göra den mer pålitlig. Detta ger en möjlighet att integrera mer fjärrstyrning och automation vilket leder till en större säkerhet i leveranser och reglering. Figur 1: Illustration av ett Smart Grid system hela vägen från produktion till konsumtion Karaktäristisk för ett smart nät är att det: Möjliggör ett aktivt deltagande för konsumenter genom att de får uppdaterad information om deras egen energianvändning, elpriser och statistik. Möjliggör för nya elproducenter att distribuera sin el på det befintliga elnätet. Detta ger stor flexibilitet då både nuvarande energikällor och framtida energikällor kan ansluta till nätet. Möjliggör för marknaden att skapa nya energibesparande produkter och tjänster. Möjliggör för privatpersoner att bättre reglera sin elanvändning till marknadspriset och därmed förebygga höga utgifter under bristsituationer. Detta öppnar för högre kvalité på elleveranserna då användningen jämnas ut över dyngnet. Möjliggör för optimering av elproduktion och elanvändning genom laststyrning. Möjliggör ett säkrare system genom kontinuerliga automatiska kontroller och analyser av olika komponenterna i elnätet. Möjliggör ett mer tillförlitligt elsystem som ger snabbare hantering vid elavbrott och hög säkerhet mot dataintrång. (Smart Grid Information Clearinghouse, 2011) 3

4 Smart Grids i USA I USA infördes Smart Grid som en nationell policy år 2007 i och med lagen Title XIII of the Energy Independence and Security Act. Energimyndigheten i USA har tagit en ledande roll i arbetet och jobbar nu med en nationell omställning av eldistributionssystemet. Arbetet, som omfattar både utformning av ny policyer och standarder samt forskning och utveckling, organiseras av the Federal Smart Grid Task Force. (US Department of Energy b, 2011) Olika delstater och städer har kommit olika långt i utvecklingen av smarta elnät. På topp-tio-listan över städer i USA som har börjat implementera smarta nät finns Austin, Boulder, Fort Collins, Maui, Sacramento, San Diego, Tempe, Toronto, Washington och Worcester (US News & World Report, 2011). Smart Grid City Austin, Texas Austin, delstatshuvudstaden i Texas, är en av de mest framstående städerna i USA vad gäller energieffektivitet och miljöanpassning startade Austin USA:s första GreenBuildingprogram, och idag är det landets mest framgångsrika och använda program för miljömässigt hållbara byggnader. Austin är även den stad i USA som tidigast började lägga grunden för ett Smart Grid-system och de ligger ständigt i framkant i forskningen. Detta har bland annat lett till att flera stora IT-företag som till exempel Google och Yahoo valt att placera sina serverparker just här. (SmartGridNews.com, 2008) Det företag som leder Smart Grid-utvecklingen i staden är Austin Energy, som är USA:s nionde största offentligt ägda elbolag. Austin Energy producerar el från kärnkraft, kol, naturgas och förnybara energikällor upp till 3000 megawatt som når ut till ungefär en miljon slutanvändare. Staden uppmuntrar sina invånare till en miljövänlig livsstil på många sätt, bland annat genom att erbjuda rabatter för dem som köper elfordon. Man arbetar för att var tionde bil i Figur 2: Vacker elanvändning i Austin, delstatshuvudstad i Texas centrala Texas ska vara eldriven innan år (SmartGridNews.com, 2008) (City of Austin b, 2011) (Austin Energy b, 2011) Vi har i det här arbetet valt att titta närmare på hur Austin arbetar med att införa smarta nät, smarta elmätare, förnybar energi och gröna byggnader då Austin ses som en förebild för USA:s satsning på smarta nät. Rapporten behandlar Austin Climate Protection Plan, Green Choice och Pecan Street projektet. 4

5 Austin Climate Protection Plan I februari 2007 beslutade Austins kommunfullmäktige att de skulle börja arbeta aktivt för att fortsätta vara USA:s ledande stad i kampen mot klimatförändringarna. En strategi formulerades i form av Austin Climate Protection Plan, som består av fem huvudpunkter enligt följande. Kommunen Alla kommunala byggnader, fordon och verksamheter ska vara koldioxidneutrala år Dessutom ska alla kommunens avdelningar ta fram varsin klimatskyddsplan. Eldistribution Austin Energys ekologiska avtryck ska förminskas genom att utöka kommunens program för miljövård, energieffektivitet och förnybara energikällor. Detta ska göras bland annat genom att samla in koldioxidutsläpp från nuvarande elkraftverk samt att göra framtida elkraftverk koldioxidneutrala. Bostäder och byggnader Nya byggnader ska byggas enligt uppdaterade energistandard som Austin Energy Green Building Program med målet att vara de mest energieffektiva byggnaderna i USA. Existerande byggnader ska uppgradera sin energieffektivitet till största möjliga mån. Austins invånare Austins invånare, organisationer och företag ska engageras i kampen mot miljöförändringar och växthusgasutsläpp. Go Neutral Austin ska utveckla och tillhandahålla verktyg och resurser för stadens invånare, organisationer, företag och besökare så att de enkelt kan mäta och minska sina ekologiska avtryck. (City of Austin a, 2011) (City of Austin, 2007) Austin Climate Protection Plan har en separat hem- och byggnadsdel som beskriver målen för dessa. År 2015 ska det vara möjligt att göra alla nya enfamiljshus energineutrala. Samtidigt ska energieffektiviteten i alla andra nya byggnader ha ökat med 75 procent. Ett annat mål är att det vid försäljning av hem och byggnader ska vara enkelt för de nya ägarna att läsa om byggnadens tidigare energikonsumtion. Man ska även ta fram certifikat som talar om när en byggnad är koldioxidneutral. (Mueller Austin Homes, 2011) 5

6 Green Building Att arbeta efter ett Green Building-program innebär att man försöker hitta sätt att konstruera, underhålla och använda byggnader så att dessa har så liten negativ miljöpåverkan som möjligt. Byggnaderna ska vara resurseffektiva genom hela sin livscykel. Genom att effektivt använda resurser som energi och vatten samt minska avfall och nedsmutsning gör Green Building att mänsklig påverkan på natur, hälsa och miljö blir så liten som möjligt. (US Environmental Protection Agency a, 2010) I USA står byggnader för 39 procent av den totala energiförbrukningen, 12 procent av vattenförbrukningen, 68 procent av elförbrukningen och 38 procent av koldioxidutsläppen. Det är tydligt att byggnader har en väldigt stor påverkan på miljön. Genom att använda Green Building-strategier kan både de ekonomiska, de miljömässiga och de sociala delarna av en byggnads livscykel optimeras. (US Environmental Protection Agency b, 2010) (US Environmental Protection Agency c, 2010) Figur 3: Illustration av hur man implementerar Green Building De miljömässiga fördelarna är bland annat en förbättring och skydd av den biologiska mångfalden och ekosystemen, förbättrad kvalitet på luft och vatten, minskning av avfall samt att naturresurser bevaras och återställs. Ekonomiskt innebär Green Building minskade underhållskostnader, möjligheter att skapa nya marknader för gröna produkter och tjänster samt ökad produktivitet för dem som bor och arbetar i byggnaderna. (US Environmental Protection Agency c, 2010) 6

7 Smarta elmätare För att implementera ett smart nät krävs att alla manuella elmätare byts ut mot nya digitala smarta mätare. Mätarna gör det möjligt att skicka information båda vägarna och ger därmed information både till kunderna och till energileverantörerna. De tidigare manuella mätarna, som vanligtvis lästes av en gång i kvartalet, står i stor kontrast med de nya högteknologimätarna som ger uppdateringar om energianvändningen varje timme, minut eller i vissa fall även i realtid. (SmartGrid.gov b, 2011) Figur 4: I ett smart nät är mätaren i centrum och kommunicerar med alla apparaterna i hushållet I Austin är de smarta mätarna en del av första fasen, eller Smart Grid 1.0. Mätarna började installeras redan år 2003 och idag har mer än enheter, inkluderat både elmätare och termostater, installerats. Mätarna skickar data om kundernas elkonsumtion var femtonde minut och Austin Energy har hittills samlat på sig mer än 100 terrabyte av data. (Carvallo, 2009) Figur 5: Schematisk bild över Austin Energys smart grid planer, både Smart Grid 1.0 och

8 Detta informationsflöde kan tillsammans med ett Energy Management System (EMS) identifiera kunders energilaster, hjälpa dem att minska sin energianvändning och styra sin användning till tider då priserna är låga. Det är detta som är fas två i utvecklingen av det smarta nätet i Austin. Hur kan kundens apparater integreras i nätet för att optimera systemet? Tanken är alltså att systemet ska kunna reglera hushållsapparater så att du som kund bland annat ska kunna fjärrstyra av- och påslagning av din hushållsutrustning. Detta ger också energileverantörerna bättre möjligheter att reglera lasterna under dygnets toppar. (SmartGrid.gov b, 2011) Nya energikällor Målet som president Obama satte upp med 25 % förnybar elenergi till år 2025 är långt ifrån uppnått. Förnybara energikällor, undantaget vattenkraft, står bara för ca 5 % av USA:s elektricitet och en av anledningarna till att andelen inte är större är på grund av elinfrastrukturen. Detta beror både på att många förnybara källor som sol, vind och geotermi finns på avlägsna platser dit infrastrukturens stomstruktur inte sträcker sig och på att det befintliga nätet har svårt att hantera varierande elproduktion från bland annat sol- och vindkraft. (SmartGrid.gov a, 2011) Figur 6: Förnybara energikällor ökar komplexiteten i energisystemet då de är väderberoende Även i Austin är de förnybara alternativen i underläge. Mer än 90 % av den installerade effekten kommer från naturgas, kol och kärnkraft. Austin Energy jobbar dock aktivt med att få kunderna mer intresserade i förnybara alternativ. Bland annat erbjuder de rabatter och lån till familjer och företag som vill installera solceller. I april i år hade Austin Energy tillsammans med sina kunder fler än 1200 solanläggningar med en installerad effekt på totalt 4.7 GW. Austin Energys satsning på solenergi har också möjliggjort för nya arbetstillfällen och etablerat cirka 30 nya solinstallationsföretag i staden. (Austin Energy d, 2011) 8

9 Austin Energy erbjuder även sina kunder att följa programmet Green Choice. Programmet innebär att kunderna frivilligt stödjer förnybar energi genom Austin Energy. Som kund till Green Choice vet du att det alltid produceras lika mycket förnybar energi som du förbrukar. Med andra ord får du 100 % förnybar energi levererat via det här programmet. Green Choice startade 1999 och levererar idag totalt 745 miljoner kwh per år. (Austin Energy a, 2011) Green Choice programmet har blivit utnämnt till vinnare av Green Pricing inte mindre än nio år i rad. Green Pricing är en utmärkelse som delas ut av US Department of Energy till de elbolag som uppfyller något av följande krav: är det elbolag som sålt flest kwh förnybar energi är det elbolag som har flest deltagande kunder i sitt program är det elbolag som har högst procentuellt deltagande i sitt program är det elbolag som har högst andel såld grön energi av den totala försäljningen är det elbolag som har den billigaste gröna energi premien Austin Energy var i mars 2011 det elbolag som sålt flest förnybara kwh under det senaste året. (US Department of Energy a, 2011) Förutom solenergin har Austin Energy andra förnybara kraftslag. Bland annat har de några stora vindfarmer i västra Texas med en total installerad effekt på 439 MW. Texas är en av delstaterna i USA som producerar mest vindenergi. De har även metangasanläggningar där de använder metangas från deponier. Metangasanläggningarna motsvarar en installerad effekt på 13 MW. (Austin Energy c, 2011). Figur 7: Wind fram i Texas 9

10 Pecan Street Projektet Ett stort steg mot Austins framtid med Smart Grids var att starta upp Pecan Street Project lades Robert Mueller-flygplatsen i nordöstra delarna av centrala Austin ned och det beslutades att använda platsen för att utveckla och bygga en ny hållbar stadsdel kallad Mueller. Detta projekt, som är menat att demonstrera nyttan av Smart Grids, leds av Pecan Street Inc. Pecan Street Inc. består av ledande forskare från Texas Universitet, National Renewable Energy Laboratory och Environmental Defense Fund. Med ett bidrag från Energidepartementet på 10,4 miljoner USD samt mer än 14 miljoner USD i bidrag från projektpartners började man bygga år Idag är Mueller en miniatyrstad med miljövänliga och energieffektiva kontor, sjukhus och hem, med invånare som aktivt deltar i energiprojektets utveckling. Projektet beräknas vara färdigt tidigast år Figur 8: En idyllisk översikt av Mueller i Pecan Street projektet I mars 2011 installerades den första fasen av Smart Grid-systemet i 100 bostäder i Mueller. Detta inkluderar ett system där man kan se energianvändningen per minut för hela huset samt för sex stora system och apparater i hemmet. Dessa första 100 hem ska användas av forskarna inom Pecan Street Project för att få detaljerad kunskap om hur och när invånarna använder elektricitet och eldrivna maskiner under dygnet. All data om energianvändningen samlas in i hemmets elcentral, där det sänds till projektets datacenter via Internet. Förutom de 100 hem i Muellersamhället som deltar i den första fasen inkluderar studien även 100 hem utanför Mueller, men i staden Austin, som frivilligt ställt upp. Detta gör att forskarna kan jämföra de energieffektiva hem som projektet utvecklar med ett vanligt amerikanskt hem. (MuellerAustin.com, 2011) 10

11 Enfamiljshuset på 2300 Tom Miller Street, Mueller Ett av husen i Mueller är ett enfamiljshus på 326 kvadratmeter med fyra sovrum. Huset är femstjärnigt rankat i Austin Energy Green Building Program och byggdes med hänsyn till flera liknande miljövänliga byggnadsstrategier för att säkra en långsiktig hållbar prestanda och lång livslängd. Figur 9: Enfamiljshuset på 2300 Tom Miller Street Huset har en öppen planlösning som utnyttjar det passiva luftflödet orsakat av skorstenseffekten och tvärdrag för att kyla bostaden utan energianvändning. Det mekaniska systemet består bland annat av två SEER 14-ventilationsenheter, ett vattenvärmesystem utan vattentank och 1,7 kilowatts solcellspaneler på taket. (MuellerAustin.com, 2009) Huset är isolerat med sprayskumisolering istället för till exempel fiberglasisolering. Sprayskum anses vara ogiftigt och studier gjorda av Energidepartementet i USA visar att energiförlusterna minskar med 50% om man använder sprayskum istället för traditionella isoleringsmaterial. Denna metod gör även att byggnaden är skyddad mot fukt och de skador som kan uppstå på grund av mögel och mjöldagg. Ytterligare en fördel med sprayskum är att väggar, tak och golv blir väldigt välisolerade mot ljud utifrån. Vidare är fönsterna fyllda med E2-argon. (Advanced Foam Insulation, 2010) 11

12 Mexikanska restaurangen på 801 Congress Avenue, Mueller The Chipotle Mexican Grill är en restaurang i energistaden Mueller, som är fyrstjärnigt rankat i Austin Energy Green Building Program. Restaurangen lägger sin fokus på att analysera livscykeln för sina produkter och tjänster och därigenom minska kostnaderna, ekonomiskt och miljömässigt, för dessa. Restaurangen använder sig endast av lågenergilampor som överstiger energikraven med 30 procent. Det högeffektiva vattenvärmesystemet överstiger kraven med 20 procent, och HVACventilationssystemet överstiger dessa med 15 procent. Tack vare dessa åtgärder för att öka energieffektiviteten sparar restaurangen 3000 USD i månaden. De initiala Figur 10: Den mexikanska restaurangen i Mueller extrakostnader som dessa anordningar medförde beräknas vara intjänade inom tre år. Restaurangen är med i Green Choice programmet lett av Austin Energy, som innebär att de endast köper el som kommer från förnybara källor som vindkraft, biogas och solenergi. Elpriset för dem som är med i Austin Energys Green Choice program är något högre än annan el, men i gengäld är priset låst i tio år framöver. När restaurangen designades valde man att gå efter en strategi för att minska avfall. Inredningen består av material som behöver väldigt lite underhåll samt som gör att behovet av nya konstruktionsmaterial minskar. Förutom att använda sig av återvunna material som rostfritt stål, galvaniserat stål och korrugerad plåt har man valt att återanvända gammal klinker till golvet varigenom man sparat ungefär 23 kubikmeter material. Totalt sparade man 76 kubikmeter material genom att tillämpa återvinningsstrategi genom hela byggnadsprocessen. (MuellerAustin.com, 2009) Framtiden för Smart Grids i USA Smart Grid-systemet är långt ifrån färdigimplementerat. Tack vare stora bidrag från amerikanska staten som kommer gå till alla stater utom Alaska ser framtiden för smarta elnät ljus ut i dagsläget. Flertalet projekt liknande Pecan Street-projektet startas runt om i landet, vilket direkt leder till nya upptäckter, utveckling av tekniken och framförallt så öppnar det upp för fler människor att ta del av det nya systemet. (US Department of Energy, 2009) (110th Congress, 2007) 12

13 För att nå målet om 25 % förnybar energi 2025 och för att nå det flexibla samhälle vi vill ha, där vi kan utnyttja alla olika energikällor i så stor utsträckning som möjligt, krävs mer investeringar och utveckling av ny teknik. Infrastrukturen för el måste förbättras så att det blir ett enkelt val att köpa elbil eller att välja att producera sin egen el. Ett medverkande från de amerikanska konsumenterna är nödvändigt, vilket kräver att elbolagen och den amerikanska staten visar för privatkonsumenterna att det är möjligt att påverka sin egen konsumtion och att man kan spara miljön samtidigt som man sparar pengar. Utveckling mot smarta elnät är alltså även ett steg mot en mer hållbar och miljövänlig elanvändning och en förutsättning för införandet av mer förnybar energi i USA. Frågor Instuderingsfrågor till Smarta nät en förutsättning för grön energi i USA : 1. Nämn tre saker som Smart Grids möjliggör. 2. Förklara kortfattat hur de nya smarta mätarna fungerar. 3. I rapporten nämns energiprogram som Green Choice, Green Building och Austin Climate Protection Plan. Redogör för nyttan av sådana program och strategier. Litteraturförteckning 110th Congress. (2007). Energy Independence and Security Act of Hämtat från den 27 september 2011 Advanced Foam Insulation. (2010). Foam Insulation vs Standard Insulations. Hämtat från den 21 september 2011 Austin Energy a. (2011). Green Choice. Hämtat från tm den 28 september 2011 Austin Energy b. (2011). Plug-In Partners. Hämtat från den 17 september 2011 Austin Energy c. (2011). Power Plants. Hämtat från den 28 september 2011 Austin Energy d. (2011). Solar Photovoltaics. Hämtat från s/index.htm den 28 september

14 Carvallo, A. (2009). LIGHTSON: Austin Energy Delivers First Smart Grid in the US. Hämtat från Electric Energy Online: den 21 september 2011 City of Austin a. (2011). About the Program. Hämtat från den 21 september 2011 City of Austin b. (2011). Electric Vehicle Incentives. Hämtat från den 21 september 2011 City of Austin. (2007). Resolution No Hämtat från den 20 september 2011 Mueller Austin Homes. (2011). Lower Your Utility Bills Now. Hämtat från den 27 september 2011 MuellerAustin.com. (2011). Energy Smart Grid goes live at Mueller. Hämtat från den 17 september 2011 MuellerAustin.com. (2009). Mueller Green Resources Guide. Hämtat från den 21 september 2011 Smart Grid Information Clearinghouse. (2011). Learn more about Smart Grid. Hämtat från Smart Grid Information Clearinghouse: den 7 september 2011 SmartGrid.gov a. (2011). Renewable energy. Hämtat från den 9 september 2011 SmartGrid.gov b. (2011). The smart home. Hämtat från den 10 september 2011 SmartGridNews.com. (2008). Austin Energy Delivers Opportunity. Hämtat från unity.htm den 21 september 2011 US Department of Energy a. (2011). Green Pricing. Hämtat från 50 den 28 september 2011 US Department of Energy b. (2011). Smart Grid. Hämtat från den 7 September

15 US Department of Energy. (2009). Federal Energy Regulators Propose Priorities for Smart Grid Standards. Hämtat från den 27 september 2011 US Environmental Protection Agency a. (2010). Green Building - About. Hämtat från den 27 september 2011 US Environmental Protection Agency b. (2010). Green Buildings - Frequent Questions. Hämtat från den 27 september 2011 US Environmental Protection Agency c. (2010). Green Buildings - Why Build Green. Hämtat från den 27 september 2011 US News & World Report. (2011). 10 Cities Adopting Smart Grid Technology. Hämtat från den 27 september 2011 Bildreferenser Försättsblad: Figur 1: Figur 2: Figur 3: Figur 4: Figur 5: Figur 6: Figur 7: 13-billion-wind-power-grid-expansion-contract-51455/ Figur 8: Figur 9: Figur 10: 15