Självständigt arbete för Civilingenjörsprogrammet i Energisystem. Solceller på skoltak i Uppsala kommun

Transkript

1 Självständigt arbete för Civilingenjörsprogrammet i Energisystem Solceller på skoltak i Uppsala kommun Författare: Martin Ericson Johan Frisk Habre Hissein Hampus Hultgren Mazin Jabur Sofia Wigren Ellika Wik

2 Sammanfattning Uppsala kommun satsar på att bli ledande inom både klimat- och miljöarbete. För att nå dit har det satts upp ett antal mål varav ett är att öka andelen sol i elsystemet. Planen är att till år 2020 ha installerat solceller med en effekt om 10 MW på tak till kommunens fastigheter. Syftet med projektet var att undersöka potentialen för solcellsinstallationer på skoltak i Uppsala kommun. Detaljstudier har gjorts på fem skolor med goda förutsättningar gällande takarea och solinstrålning. De fem skolor som valdes för detaljstudier var Fyrisskolan, Bellmanskolan, Valsätraskolan, Stenhagens bildnings- och kulturcentrum samt Johannesbäcksskolan. En generell beräkning har sedan gjorts för ytterligare 61 skolfastigheter placerade i Uppsala. Resultaten från projektet visar att potentialen är god för installation av solceller och att dimensioneringen av systemen bör göras med hänsyn till elförbrukningen i de individuella skolorna. Då det i dagsläget, för kommunen, är mer lönsamt att använda den egenproducerade elen i de egna byggnaderna än att sälja den på marknaden ritades två huvudscenarion upp. I det första scenariot dimensionerades systemet så att en låg andel överskottsel producerades, detta resulterade i att mellan 9-24 % av skolornas elanvändning kunde komma från solceller. För scenario 2 installerades merparten av den lämpliga takytan med solceller för att maximera produktionen av el, detta resulterade i att stora delar av elkonsumtionen, mellan 16 och 248 %, kunde genereras av solcellsmodulerna. Anledningen till den stora spridningen av resultatet i scenario 2 är att förhållandet mellan lämplig takyta och elförbrukning skiljer sig mellan skolorna. I scenario 2, för de skolor vars elförbrukning till stor del täcks av el från solceller, kommer en stor del av överskottselen att säljas. Trots det är de inte självförsörjande utan måste köpa en andel av sin el från nätet. 1

3 Innehållsförteckning Inledning... 3 Syfte... 3 Teori... 3 Solceller... 3 Hantering av överskottsel... 4 Metod... 5 Resultat... 7 Skolornas elförbrukning... 7 Dimensionering av system... 8 Scenario Scenario Elproduktion Elförsäljning Elproduktion för alla Uppsala kommuns skolor Känslighetsanalys Diskussion Slutsats Referenser Referenser till aktivitetsrapporter

4 Inledning I Uppsala kommun pågår ett arbete med att minska invånarnas klimatpåverkan. Kommunen vill öka andelen förnybar el i systemet genom att bygga ut solkraft. Målet är att år 2020 ha installerat solenergi med en total effekt på 30 MW i Uppsala. År 2030 är planen att installerad effekt solenergi i Uppsala ska uppgå till 100 MW (Uppsala Kommun, 2014). Ett steg i att uppnå de satta miljömålen är att öka elproduktionen från solceller. Solceller är en teknik som funnits sedan 50-talet då solcellerna användes för att förse satelliter med elektricitet. I Sverige idag används solceller främst för att täcka en del av byggnaders elförbrukning. De installeras då ofta på byggnadens tak. Genom att installera solceller kan privatpersoner och myndigheter minska mängden el som köps från elnätet. (Öresundskraft, 2014) Till år 2020 har Uppsala kommun satt som mål att installera solpaneler med en total effekt på 10 MW på sina fastigheter. Av de 10 MW är målet att installera 7,5 MW på kommunens skolbyggnader. 1 Syfte Syftet med projektet var att ta fram ett underlag för hur en effektiv elproduktion på taken till Uppsala kommuns skolor skulle kunna utformas. Underlag för dimensionering av anläggningarna skulle tas fram med huvudintresset att använda elen i skolbyggnaderna och ha en låg produktion av överskottsel. Även potentiell solpanelseffekt för samtliga skolfastigheter i Uppsala kommun skulle undersökas. Teori Solceller En solcell består av ett halvledarmaterial som har förmågan att producera el vid inkommande solinstrålning. En solcell ger cirka 0,5 V, men genom att seriekoppla solceller i en så kallad solpanel kan spänningen ökas till önskat värde. (Solpanelen, 2015) Det finns huvudsakligen två typer av solceller, kiselsolceller och tunnfilmssolceller. Kiselcellen är den vanligaste solcellen på marknaden och kan delas upp i två undergrupper: polykristallina och monokristallina solceller. Polykristallina solceller är i regel billigare och har en verkningsgrad på ungefär 15 %. Monokristallina solceller är dyrare men har bättre verkningsgrad, ungefär 18 %. Tunnfilmssolcellen har generellt sett lägre verkningsgrad än kiselsolcellen, men har förmågan att böjas runt föremål vilket gör den lämplig för runda och andra oregelbundna ytor. (Zimmermann, 2014) 1 Anders Hollinder, Energistrateg Uppsala kommun, möte den 4 april

5 När en solcell klassificeras mäts effekten och verkningsgraden vid 25 C och en solinstrålning på 1000 W/m 2 med vinkelrätt infall. Detta anges som nominell effekt. En solinstrålning på 1000 W/m 2 motsvarar en klar dag. Den högsta solinstrålningen kan dock uppstå vid viss molnighet. Det beror på att moln kan koncentrera och reflektera en del av solinstrålningen och därmed kan effekten uppgå till 40 % högre än den angivna klassificerade effekten (Berg och Estenlund, 2013). Verkningsgraden varierar även med temperatur och kan sjunka om solcellen utsätts för höga temperaturer. Därför är det fördelaktigt att göra rum för luftcirkulation mellan taket och solcellspanelen, så att luft fritt kan cirkulera och kyla solcellen under varma dagar. Solcellens livslängd varierar mellan 25 och 50 år. Anledningen till den långa livslängden är att solpaneler är relativt underhållsfria och saknar rörliga delar. Dock minskar elproduktionen för solcellen med ungefär 0,5 % per år. (Jordan & Kurtz, 2012) Själva solcellen har inget underhåll förutom eventuell rengöring från smuts som vanligtvis sköljs bort med regn. Då modulerna täcks med snö sjunker solinstrålningen årligen med ungefär 3 %. (Solelprogrammet, 2015) För att placera solceller på skoltak krävs tillstånd bland annat om utseendet på byggnaden förändras väsentligt. Det kan ske om byggnadens utseende förändras genom att lutningen på solpanelerna är annorlunda mot takets. Även om solcellerna placeras längs byggnadens tak behöver en bedömning göras angående bygglov i varje enskilt fall. 2 Den optimala placeringen av en solcellsanläggning är med en riktning rakt söderut och en taklutning på ca 40 grader från horisontalplanet. Den optimala lutningen varierar lite beroende på geografisk placering men kan generellt användas för Svenska breddgrader. I de fall där flera solpaneler placeras på samma tak kan det vara fördelaktigt att ha en lägre lutning på panelerna för att inte skugga de bakomvarande. (Zimmermann, 2015) Hantering av överskottsel Solcellers elproduktion går inte att styra och därmed uppstår tillfällen då det produceras mer el än vad som används i byggnaden. Vid dessa tillfällen är det bra att ha ett sätt att ta till vara på överskottet. Lagringsalternativ i dagsläget utgörs främst av olika typer av batterier, denna lösning är dyr sett till hur mycket energi som går att lagra (Elcertifikat, 2015). Det finns batterier som kan lagra 4,5 kwh som kostar kr (Alpman, 2014). Batterier tar dessutom plats och kräver underhåll. Ett annat alternativ för att hantera överskottsel är försäljning. I Sverige används idag timvis mätning av leverarad effekt till nätet. Beroende på anläggningens storlek tillkommer olika avgifter. En aktör med en installerad effekt på mindre än 43,5 kw räknas som en mikroproducent. Det innebär att huvudsäkringen i elabonnemanget får vara högst 63 A (Vattenfall, 2015). Som mikroproducent behöver man inte betala för mätning av elproduktionen och anslutning till elnätet. För större anläggningar tillkommer bland annat 2 Christian Blomberg, Bygglovschef Stadsbyggnadsförvaltningen, kontakt den 13 april

6 dessa avgifter. Anläggningar upp till 100 A har rätt till en skattereducering på 60 öre per kwh upp till en maxproduktion av kwh per år. En förutsättning för skattereducering är att aktören huvudsakligen förbrukar el, vilket innebär att inmatningen av el till elnätet inte överstiger nettouttaget av el under ett år. 3 Skattereduceringen trädde i kraft 1 januari 2015 och infördes för att gynna småskalig solcelssinstallation efter att förslag om nettodebitering fått avslag i EU domstolen. Nettodebitering innebär att den överskottsproduktion som sänds ut på elnätet kvitteras årsvis med den el som köps från nätet vid otillräcklig elproduktion. En sådan kvittering strider mot EU:s moms- och skatteregler och är idag inte lagligt. Det finns även nya förslag som behandlas av regeringen. Bland annat har det kommit förslag om att sänka gränsen för skattefri elproduktion samt förslag om att installerad effekt ska räknas per organisationsnummer istället för byggnad. Regeringen har även en proposition att sänka den maximala installerade effekten för mikroproducenter från 43,5 kw till 30 kw. Regler som idag gäller angående avgifter och skatter för småskalig solelsproduktion kan därmed komma att ändras inom den närmaste tiden. 4 Vid dimensionering av solelsproduktion för eget bruk och minimal produktion av överskottsel finns ingen färdig modell. Att aldrig få en momentan överproduktion medför att hänsyn till elförbrukningens dippar måste tas vilket innebär att installationen skulle dimensioneras för ett väldigt lågt effektuttag. Det krävs därför ett övervägande kring hur stor effekt som ska installeras i förhållande till effektbehovet för fastigheten i varje enskilt fall. 5 Metod Uppsala kommun förvaltar 66 skolor. Fem utav skolorna, de med störst potential storleksmässigt och utan renoveringsbehov inom den närmsta tiden valdes ut för vidare detaljsimulering i detta projekt. De fem skolor som undersöktes i studien var Valsätraskolan, Fyrisskolan, Stenhagens bildnings- och kulturcenter, Johannesbäcksskolan samt Bellmanskolan. I projektet användes programvarorna Matlab, PVsyst, HOMER och Excel. Matlab användes för beräkningar, sammanställning av data samt för att simulera effekt och producerad el för 66 skolbyggnader i Uppsala. Detta var grundat på en generalisering utifrån de fem utvalda skolorna. PVsyst användes för att simulera elproduktion från solceller på skolornas tak. I programmet kunde upp till åtta ytor med olika lutningar och riktningar täckas med solceller. I PVsyst gjordes 3D-modeller av skolbyggnaderna för att ta hänsyn till skuggning från närliggande objekt som till exempel skorstenar och träd. Modellerna byggdes dels med hjälp av ritningar 3,4 Arne Andersson, Energi- och miljötekniker på Ljusfors, telefonsamtal den 27 maj Bengt Carlsson, Krafthandledare på Bixia Energy Managment AB, telefonsamtal den 27 maj

7 över skolbyggnaderna som erhållits från kommunen och dels med programmet Google Earth som kan ge satellitbilder över skolan och det närliggande området. Simuleringsprogrammet HOMER användes för att uppskatta vilken effekt varje skola skulle behöva installera för att tillgodose delar av skolans elförbrukning. Den producerade elen jämfördes med förbrukningen och därmed avlästes vilka tider på året produktionen översteg förbrukningen. Både i PVsyst och HOMER har solinstrålning använts till grund för olika simuleringar. Solinstrålningsdata har erhållits från Hans Bergström, doktor i meteorologi vid Geocentrum i Uppsala och har uppmätts var tionde minut under perioden Datan var omfattande och arbete har krävts för att göra den mer hanterbar. HOMER och PVsyst använde även temperaturdata som också erhölls från Geocentrum 6. Data för skolornas elförbrukning under 2014 hämtades från Vattenfalls hemsida. I de båda simuleringsprogrammen beräknades elproduktion för två olika solcellstyper, en polykristallin och en monokristallin. Den valda monokristallina solcellen var LG300N1C-B3 från LG Electronics med en nominell effekt om 300W och en verkningsgrad på 18,3 %. Den polykristallina solcell som valdes är ET-Solars modell ET-P660250WW med en nominell effekt på 250W och en verkningsgrad på 15.3 %. Solcellsmodulerna valdes för att de finns på svenska marknaden i dagsläget och för att deras respektive verkningsgrader är representativa för deras solcellstyper. En generell typmodell av växelriktare valdes, den hade en verkningsgrad på 96 %. Samma växelriktare användes för båda solcellsmodulerna. (NordenSolar, 2015) För att visa hur den installerade effekten på skoltaken kan varieras och vilken påverkan detta kan ha för skolornas försäljning av överskottsel gjordes simuleringar för två scenarion. I scenario 1 dimensionerades den installerade effekten solceller på skoltaket på ett sådant sätt att mängden genererad överskottsel skulle vara relativt låg. Dimensioneringen utfördes med hjälp av HOMER. I HOMER beräknades mängden såld el under ett år vid en given installerad effekt av solceller. Utifrån de beräkningarna skapades en graf för varje skola som visade hur försäljningen berodde av den installerade effekten. Grafen användes för att sätta en övre gräns för accepterad försäljning. Utifrån detta kunde sedan den installerbara effekten bestämmas. I scenario 2 installerades solceller på den takyta vars medelvärde för inkommande solenergi under året var 1000 kwh/m 2 vilket klassas som god solinstrålning på svenska breddgrader. För att bestämma vilka ytor som uppfyllde detta kriterium användes en solkarta. Solkartan visar den genomsnittliga solinstrålningen på tak i Uppsala och är framtagen för att vara ett underlättande verktyg för de fastighetsägare som är intresserade av att installera solceller på sitt tak. Figur 1 visar en närbild av Valsätraskolan tagen från solkartan. I scenario 2 placerades solceller ut i PVsyst på de takytor som uppfyllde kriteriet ovan. Den totala takyta 6 Hans Bergström, Doktor i meteorologi vid Geocentrum, Uppsala, mailkontakt april

8 som använts i PVsyst användes sedan i HOMER för att se hur stor del av den producerade elen som behövde säljas. Simuleringar utfördes för både LG300N1C-B3 och ET- P660250WW. Scenario 2 utfördes för att visa den potential skolorna har för att producera el från solceller. En uppskattning av möjlig installerad effekt solceller på Uppsala kommuns skolor gjordes sedan med hjälp av resultaten från scenario 2. Detta gjordes genom att undersöka hur stor andel av den rekommenderade takytan som använts i scenario 1 och 2. Samma andel takyta antogs användbar för alla skolor. Resultat Figur 1 - Solkarta över Valsätraskolan. (Uppsala kommun, 2014) I projektet har detaljerade simuleringar gjorts för fem skolor. Resultaten visas i tabeller och figurer nedan. Valsätraskolan har valts som representant för de fem skolorna. Figurer som representerar resultaten av simuleringarna visas därför för Valsätraskolan. För att ge en tydligare bild av hur förhållandet mellan elproduktion och inköp av el såg ut, användes i detta fall figurer från Bellmanskolan. Fler figurer och tabeller över samtliga skolor redovisas i aktivitetsrapporterna; Elförbrukning för skolorna (2015), Simuleringsfall 1 & 2 HOMER (2015) och Simulering för alla skolbyggnader (2015). I tabell 1 kan man se hur mycket el varje skola förbrukar och hur mycket takyta som Uppsala kommun ansåg möjlig att installera solceller på. Tabell 1 - Visar skolornas totala elförbrukning per år samt den av kommunen angivna totala takytan med god solinstrålning. Elförbrukning per år [kwh] Total bra takyta [m 2 ] Valsätraskolan Bellmansskolan Johannesbäcksskolan Stenhagens kultur och bildningscentrum Fyrisskolan Skolornas elförbrukning Elförbrukningen för de fem skolorna har tagits fram och använts i simuleringarna. I figur 2 syns elförbrukningen för Valsätraskolan under I figuren kan man se att elförbrukningen är högre under vinter- och höstmånaderna för att sedan sjunka under sommarperioden. De övriga skolorna följer samma mönster men värdena för skolorna varierar. 7

9 Figur 2 - I figuren visas Valsätraskolans elförbrukning för (Vattenfall, 2014) I figur 3 nedan ses hur Valsätraskolans elförbrukning varierar under ett dygn på skoldagar respektive helgdagar. Figuren visar en medelförbrukning för varje timme och man kan se att förbrukningen är som högst mitt på dagen på skoldagar och senare på kvällen för helgdagar. För att göra figurerna tydligare redovisas bara förbrukningen för vissa månader. Figur 3 - Visar Valsätraskolans elförbrukning på skoldagar samt helgdagar under år Dimensionering av system Scenario 1 I scenario 1 dimensionerades systemet för att ge en låg försäljning. För varje skola undersöktes hur installerad effekt påverkade elförsäljningen. Den installerade effekten höjdes stegvis och för varje steg gjordes en simulering i HOMER där elförsäljningen beräknades. Resultatet presenterades i en graf för att ge en bild över hur elförsäljningen förhåller sig till installerad effekt för skolorna. Grafen för Valsätraskolan visas i figur 4. 8

10 Figur 4 visar att elförsäljningen efter en installerad effekt på 40 kw börjar växa exponentiellt. Kriteriet som sattes för dimensioneringen av solcellsanläggningen i scenario 1 var att högst 1,5 % av den producerade elen går till försäljning. Med den begränsningen installeras effekter tillräckliga för att täcka cirka 10 % av elbehovet. För Valsätraskolan motsvarar försäljning av 1,5 % av elproduktionen strax under 800 kwh per år. I grafen utläses att för Figur 4 - Figuren visar hur elförsäljningen varierar med installerad effekt för Valsätraskolan. Högre installerad effekt än 40 kw ger en exponentiellt ökande mängd el som behöver säljas. att sälja under 800 kwh bör anläggningen vara 62 kw eller mindre. Hur stor den installerade effekten bör vara togs fram på samma sätt för de övriga fyra skolorna, motsvarande grafer kan ses i aktivitetsrapporten. Simuleringsfall 1 & 2 HOMER (2015). Arean som behövdes för att uppnå den önskade installerade effekten på anläggningen för varje skola beräknades. Hur installationen dimensionerades visas i figur 5. För Fyrisskolan gick det enbart att komma upp i den rekommenderade effekten då LG300N1C-B3 solceller användes. Detta då skolan har väldigt hög elförbrukning relativt lämplig takarea. Den installerade effekten samt den takyta som användes för de olika solcellsmodulerna redovisas för samtliga skolor i tabell 2. Som tabellen visar krävs det mindre area för LG300N1C-B3 än ET-P660250WW vid ungefär samma installerad effekt. Tabell 2 - Installerad effekt och area för de olika solcellsmodulerna i scenario 1. Parentesen i tabellen står för den installerad effekten för Fyrisskolan där takytan inte räckte till för att uppnå rekommenderad effekt. Rekommenderad effekt för att sälja 1,5% [kw] Installerad effekt LG300N1C- B3 [kw] Installerad effekt ET- P660250WW [kw] Area LG300N1C-B3 [m 2 ] Valsätraskolan 62,0 62,0 61, Fyrisskolan 252 (220) Bellmanskolan 6,50 6,60 6,50 36,1 42,3 Johannesbäckskolan 75,0 74,1 74, Stenhagens bildningsoch kulturcentrum För att göra simuleringar där elproduktionen för varje skola beräknades placerades solcellerna ut i 3D-modellerna för skolorna. Modellen för Valsätraskolan visas i Figur 5. Area ET- P660250WW [m 2 ] 9

11 Scenario 2 I scenario 2 installerades solceller på alla takytor med en solinstrålning större än 1000 kwh/m 2 /år. I figur 6 visas modellen av Valsätraskolan för scenario 2 med de utplacerade solcellerna. Söder är markerat med den streckade linjen som pekar mot figurens underkant. Utifrån antalet installerade solcellsmoduler kunde den installerade effekten hos anläggningen på varje skola tas fram med PVsyst. I tabell 3 kan ses hur den installerade effekten på samma tillgängliga yta varierar mellan de olika solcellsmodulerna. Figur 5 Solcellernas placering på Valsätraskolan vid scenario 1 Figur 6: Solcellernas placering på Valsätraskolan vid scenario 2 Tabell 3 - Den totala installerade effekten hos solcellsanläggningen för varje skola i scenario 2. Installations area [m 2 ] Installerad effekt LG300N1C-B3 [kw] Valsätraskolan Fyrisskolan Bellmanskolan Johannesbäcksskolan Stenhagens bildnings och kulturcentrum Installerad effekt ET-P660250WW [kw] Resultatet i scenario 2 är identiskt med scenario 1 för Fyrisskolan då hela takytan redan utnyttjas i scenario 1. Elproduktion Den årliga elproduktionen för de två scenarierna beräknades för alla skolor med hjälp av HOMER och PVsyst. Produktionen togs fram för både solcellsmodulen ET-P660250WW och LG300N1C-B3. Resultatet från Homer visas i figur 7. Då installationen för Fyrisskolan är lika stor i scenario 1 och scenario 2 är staplarna för de två scenarierna lika höga. 10

12 Figur 7 - Skolornas elproduktion för de olika scenarierna och solcellsmodulerna Skuggförlusterna för de olika skolorna visas i tabell 4. Förlusterna är solinstrålningsförluster, det vill säga procent av den totala instrålningen som går förlorad på grund av hinder på taken. Instrålningsförlusterna skiljde sig inte nämnvärt mellan de olika solcellsmodellerna. I de fall där det varit en skillnad har ett medelvärde antagits. Tabell 4 - Solinstrålningsförluster för de olika skolorna på grund av skuggning Scenario 1 Scenario 2 Valsätraskolan -1,90% -2,10% Fyrisskolan -2,55% -2,55% Bellmanskolan -1,25% -0,55% Johannesbäcksskolan -1,25% -16,7% Stenhagens bildnings- och kulturcentrum -1,50% -1,90% Solcellernas elproduktion varierar över året och är som högst under sommarmånaderna. Detta sammanfaller när de undersökta skolornas elförbrukning är som lägst. I figur 8 visas hur elkonsumtion och produktion varierar för en vardag respektive helgdag i juli Figur 8 - Elproduktion och elförbrukning för Valsätraskolan under en vardag och helgdag för de olika fallen på Valsätrakolan. 11

13 Elförsäljning I tabell 5 redovisas hur mycket takyta som har använts, vilken nominell effekt som bör installeras, den årliga solelsproduktionen, dess andel som säljs till nätet samt hur mycket det är i kwh för varje scenario och solcellstyp. Tabellen redovisar endast resultatet från Valsätraskolan. Resultat för övriga skolors simuleringar visas i aktivitetsrapporterna: Simuleringsfall 1 & 2 HOMER (2015) och Simuleringsresultat PVsyst (2015). Tabell 5 - Beskriver den totalt använda takytan för solceller, den producerade och den sålda elen samt andelen producerad och såld solel för Valsätraskolan. Scenario 1 ET- P660250WW Scenario 1 LG300N1C-B3 Scenario 2 ET- P660250WW Scenario 2 LG300N1C-B3 Totalt använd takyta [m^2] Total Nominell effekt [kw] Producerad el från solceller på ett år [kwh] Andel solel av skolans förbrukni ng [%] Elförsäljni ng [kwh] , , , , , , , , , ,4 Andel såld el till nätet [%] I figur 9 visas den totala elproduktionen och hur stor del av elen som kommer från elnätet respektive solcellsanläggningen för Valsätraskolan, scenario 2. Som figuren visar kommer skolan att behöva köpa in mer el under höst och vintermånaderna då solinstrålningen är lägre och elbehovet hos skolan högt. De olika färgerna i staplarna representerar sammankopplade solpaneler på olika tak på skolan. Figur 9 - Förhållandet mellan producerad solel och inköpt el för Valsätraskolan. Andelen av den producerade elen som säljs för respektive skola skiljer sig tydligt åt i de två scenarierna. Det syns tydligt om Bellmansskolan studeras. Skolan har stora och bra tak samt en relativt låg elförbrukning vilket resulterar i en stor överproduktion för scenario 2. För solcellsmodullen LG300NIC-B3 i scenario 2 kan solcellsanläggningen på Bellmansskolan stå för 226 % av skolans totala elanvändning, dock köps fortfarande 40 % av den totala förbrukningen in. (Simuleringsfall 1 & 2 HOMER, 2015) 12

14 Figur 10 och 11 visar producerad el från solcellsanläggningen på Bellmansskolans tak samt inköpt el från nätet varje månad för scenario 1 respektive 2. I figur 11 kan man se att Bellmansskolan, trots sin låga elförbrukning och höga solelsproduktion aldrig blir helt självförsörjande. Figur 10 - Förhållandet mellan producerad el och inköpt el för Bellmanskolan. Figur 11 - Förhållandet mellan producerad el och inköpt el för Bellmanskolan. Elproduktion för alla Uppsala kommuns skolor Vid simuleringen för alla skolor i Uppsala beräknades bara potentialen för de byggnader Uppsala kommun har gjort lämplighetsuppskattningar för. Det är 66 stycken skolfastigheter med en total lämplig takyta på m 2. Den lämpliga takytan är uppskattad av kommunen med hjälp av solkartan och är alltså takytor kommunen bedömt som intressanta att installera solceller på då de har god solinstrålning. I verkligheten förvaltar kommunen 160 skolfastigheter som det i teorin skulle gå att installera solceller på. Vid simuleringarna i PVsyst har den av kommunen rekommenderade ytan inte använts vid simuleringarna. Mindre ytor med god solinstrålning och till stor del fria från hinder har plockats ut och använts. Bedömningen som gjordes var att en installation av alla rekommenderade ytor mestadels leder till ökad försäljning av överskottsel och inte till produktion av el som kommer till användning i skolbyggnaderna. Genom att se till andelen av den rekommenderade yta som vi utnyttjat vid våra simuleringar för de olika scenarion har olika stora ytor använts för att beräkna hur stora anläggningar som skulle kunna installeras på de 66 byggnaderna. I figur 12 visas hur elproduktionen varierar beroende på hur stor area som väljs att installera solceller på. Hur stora areorna är och den installerade effekten blir visas i tabell 6. 13

15 Figur 12 - I figuren visas hur stor effekt som installerats på taken för de 66 byggnaderna beroende på hur selektivt ytorna valts. ET och LG visar om det är poly- eller monokristallin panel som använts. 1 och 2 anger vilket scenarios selektivitet som använts. Tabell 6 - I tabellen anges hur stora ytor som använts för varje beräkning och hur stor den installerade totaleffekten är. I effekten ingår de fem skolorna som detaljsimulerats. Installerad yta [m 2 ] ET LG ET LG Alla ytor (LG) Effekt [MW] Om installation görs på alla rekommenderade takytor utan restriktioner kommer totaleffekten upp i 6.85 MW. Känslighetsanalys En känslighetsanalys utfördes för att ge en uppfattning över hur känsliga resultaten i simuleringarna var för förändringar i indatan. Känslighetsanalysen gjordes i PVsyst och använde 3D-modellen som hörde till Bellmanskolan med solceller installerade enligt scenario 2. De indata som varierades var: Höjden hos träden som skuggade panelerna Solinstrålningen Antalet moduler i en sträng Hur trädhöjden påverkade resultatet undersöktes dels eftersom trädens höjd kommer att förändras över tid och dels då trädhöjden som använts för simuleringarna inte är exakt uppmätt. Trädhöjden som användes i modellen för Bellmanskolan var uppskattad till åtta meter. I känslighetsanalysen ökades trädhöjden först med två meter så att träden i modellen var tio meter och en simulering gjordes för det fallet. Trädhöjden minskades sedan till sex meter och en ny simulering gjordes. Känslighetsanalysen visade att variationer i trädhöjd 14

16 endast gav en förändring på några tiondels procent i elproduktionen från anläggningen på grund av förändrade skuggförluster. Solinstrålningen mot taket kommer att variera från år till år. För simuleringarna har medeldata använts för solinstrålning Detta för att ge en bild av vad solcellsanläggningen kan producera under ett medelår men produktionen kommer att variera med solinstrålningen. I känslighetsanalysen har det gjorts en simulering där solinstrålningsdata för året med högst solinstrålning i dataserien från Geocentrum använts samt en för det med lägst solinstrålning. Det året med högst instrålning var 2013 och det med lägst var Resultatet från känslighetsanalysen visade att solinstrålningen hade stor påverkan på elproduktionen. Då solinstrålningsdata från det sämsta året användes sjönk elproduktionen med lite över 20 % i förhållande till medelåret. När solcellsmoduler monteras seriekopplas de i strängar. På grund av att de seriekopplas kommer skuggning av en modul att påverka de andra i strängen negativt. Delas en solcellsanläggning in i längre strängar bör förlusterna därför teoretiskt sett öka vid delvis skuggning än om anläggningen delas in i kortare strängar, det vill säga, man seriekopplar färre solceller. Resultatet av känslighetsanalysen visar dock att variation av antalet moduler i en sträng endast ger en förändring på 0,1 % i elproduktionen. Diskussion Gemensamt för alla skolor är att elförbrukningen är som högst på morgonen mellan 07-12, efter den tiden sjunker förbrukningen för att under kvällar och nätter gå ner till minimibelastning. Under kvällar, helger och under sommaren drar skolan el trots att den inte används aktivt. Det är ventilation, belysning, datorer m.m. som drar ström under de perioderna. Valsätraskolan har förutom en elförbrukningstopp under lunchtid en topp på kvällar vilket skiljer sig från de andra skolorna. En förklaring till detta skulle kunna vara att skolan har intillliggande idrottsanläggningar med kvällsaktiviteter. Något som är bra att ha i åtanke när de olika skolornas elförbrukning jämförs är att förbrukningen skiljer sig mycket beroende på vilken skola som simuleras. Bellmansskolan behöver exempelvis inte lika många solceller som Fyrisskolan för att täcka en solelsproduktion på 10 % av skolans elförbrukning. Elförbrukningen för skolan har därför en betydande roll vid dimensionering av solcellsanläggningen Ett alternativt sätt att dimensionera solcellsanläggningarna på skolorna kunde ha varit att se till elförbrukningen på timbasis under den månaden med lägst elförbrukning, och sedan dimensionera solcellsmodulerna kring den perioden. Dimensioneringen skulle därmed kunna göras så att ingen överproduktion sker under månaden med lägst förbrukning, vilket skulle resultera i låga mängder såld överskottsel. Det valda värdet 1,5 % såld el i scenario 1 ska därför inte ses som en optimering av den installerade effekten på skolorna. Vid installation av solcellsmoduler måste beslut tas om panelerna skall vinklas eller ha samma lutning som taket. Optimal orientering för att producera så mycket el som möjligt är 15

17 en lutning på ca 40. Valet att inte ha lutning på panelerna gjordes för att det troligtvis skulle krävas bygglov om modulerna vinklas då byggnadens utseende förändras väsentligt. Det kommer heller inte gå att installera lika många moduler då rader med vinklade moduler kommer skugga ytor bakom sig. Detta innebär att den möjliga installerade effekten minskar. Skuggningens inverkan på elproduktionen varierar mellan skolorna. I projektet har det strävats efter att undvika installation på ytor med mycket skugga. Trots detta har vissa skuggförluster förekommit då solens infallsvinkel gör att skolorna skuggar sina egna tak under vissa perioder. Närliggande tätplanterade träd har stor inverkan på förlusterna. Detta ses tydligt på Johannesbäcksskolan där förlusterna är höga på grund av trädplantering som skymmer stora delar av taket. Skuggförlusterna gör att hänsyn bör tas till vilka ytor som väljs ut för installation. Vid scenario 2 har installation skett på alla ytor som ansågs ha tillräckligt bra solinstrålning (över 1000 kwh/m 2 och år). På en del av skolorna finns det fler takytor med bra solinstrålnig än vad PVsyst kan hantera, till exempel på Johannesbäcksskolan. I PVsyst finns en begränsning som innebär att endast åtta olika ytor kan användas i simuleringen. Därför har endast de åtta ytor med högst solinstrålning använts. I fallet med Johannesbäcksskolan har därför de takytor som lutar åt nordväst och har sämre solinstrålning, ej använts i simuleringen. Kommunens mål på 7.5 MW solceller på skolfastigheter nås inte enbart med de skolor de gjort lämplighetsanalys för. Då kommunen har ytterligare 94 fastigheter som ej analyserats är det troligt att effektmålet kan uppnås om solcellsmoduler installeras på majoriteten av dess tak. Bellmanskolan skiljer sig från andra skolor med dess låga elförbrukning. Solelsproduktionen står för mer än dubbelt av skolans totala elförbrukning i scenario 2 men trots det kommer det ändå finnas ett behov av att köpa el. För att täcka elanvändningen på natten och månader med färre soltimmar, köps el från nätet. Dessutom är soltimmarna få under vintern då elbehovet är stort. Därför är det ett ouppnåeligt mål att förse hela skolans elförbrukning med solel då solcellernas elproduktion är intermittent. Det största hindret mot en självförsörjande skola är bristen på lagringssystem för överskottselen. I dagsläget är batterier för kostsamma och inte ett lönsamt alternativ. Beroende på om LG300N1C-B3 eller ET-P660250WW väljs kommer elproduktionen att variera. I vissa fall som till exempel för Fyrisskolan räcker takytan inte till för två scenarion. Därför kan LG300N1C-B3 vara ett bättre alternativ då elproduktionen per ytenhet är större än den för ET-P660250WW. För de andra skolorna är takytan ingen begränsning, det finns mer takyta än vad som krävs för att täcka en stor del av elförbrukningen. Det gör att den solcell som lämpar sig bäst kan skilja sig mellan de olika skolorna. På de tak där det finns plats kan det därför vara ekonomiskt lönsamt att installera den billigare ET-P660250WW. Från tabellerna i rapporten kan man få en missvisande bild av LG300N1C-B3 som ofta ses som den bättre solcellsmodulen. Det får inte glömmas att den här modulen är dyrare. 16

18 Det gjordes inga ekonomiska beräkningar i rapporten eftersom det inte finns någon garanti för att de skulle vara aktuella i framtiden. Detta på grund av att kostnaderna för elpris och skatter kan ändras över kort tid. Felkällorna i simuleringarna kan påverka resultaten i rapporten och bör därför tas hänsyn till då rapporten hänvisas till. Elförbrukningsdatan där avrundningar gjorts kan vara en felkälla som inte tagits hänsyn till i simuleringen. Även vissa egenskaper hos solcellerna som inte räknats med kan påverka hur simuleringsresultatet blir. Simuleringsprogrammens modell tar till exempel inte hänsyn till alla parametrar som snö och smuts vilka kan påverka elproduktionen. Slutsats De slutsatser som kan dras från projektet är att om Uppsala kommun vill undvika att sälja stora mängder överskottsel så är scenario 2 inte lämpligt. Storskalig installation av solceller på de flesta skoltak leder till försäljning av stora mängder el, utan att göra skolorna självförsörjande. I ett framtida fall där det är mer lönsamt att sälja överskottsel och regelverket kring nettodebitering är bättre kan utökade installationer bli lönsamma. Att göra detaljstudier för intressanta skolor är lämpligt för att på ett korrekt sätt kunna anpassa solcellsinstallationerna efter byggnadens elförbrukning, det är svårt att generalisera hur stor takyta som är lämplig att installera solceller på innan hänsyn tagits till förbrukningen. Ett genomgående problem för skolorna är att elförbrukningen sjunker under sommaren då solcellerna producerar som mest el, det skulle därför vara fördelaktigt att kunna använda elen till annat än bara förbrukning i skolorna. Då skulle solcellsinstallatanionerna kunna utökas utan att försäljningen av överskottsel blir alltför hög. Vilken modul som är lämplig att använda skiljer sig mellan olika fall. På skolor med ont om utrymme och hög elförbrukning, som till exempel Fyrisskolan, kan det vara mer lämpligt att använda en modul med högre verkningsgrad för att utnyttja den begränsade ytan så effektivt som möjligt. På skolor med gott om utrymme är det dock onödigt att använda effektivare paneler då takytan ger tillräckligt med el även med en sämre modul. Det kan därför vara bättre att använda solcellsmoduler som är billigare och har mindre verkningsgrad. Eftersom elförbrukningen skiljer sig för varje skola bör mer noggranna studier för dimensionering och ytarea göras för varje fall. Som det visas i rapporten är potentialen för solelsproduktion på skoltak stor och det är absolut ett steg för att uppnå det mål på 10 MW solel på tak som Uppsala kommun satt till I framtida studier kan det vara intressant att undersöka om det finns en optimal vinkel och orientering som ger en effektivare användning av taken och följaktligen eventuellt minskade investeringskostnader. 17

19 Referenser Alpman, Marie Han lagrar solenergin i källaren; Ny teknik (Hämtad ) Berg, N & Estenlund, S., Solceller i elnät: Betydande andel solcellers inverkan på elnätet. Lund: Lunds tekniska högskola (Examensarbete inom elektroteknik). Jordan, D.C. & Kurtz, S.R., Photovoltaic Degradation Rates An Analytical Review. Progressing Photovoltaics: Research and Applications, 21, pp Lite fakta om solceller och solcellssystem. Solcellforum. (Hämtad ) NordenSolar, Solcellsmoduler (Hämtad ) Solelsprogrammet, Energiberäkningar (Hämtad ) Solpanelen, Tekniken (Hämtad ) Uppsala Kommun, Åtta etappmål. (Hämtad ) Vattenfall, Mikroproduktion - vi köper din överskottsel. (Hämtad ) Vattenfall, Valsätras elförbrukning xls?dl=0 Zimmermann, Uwe (2014) Föreläsning: Solenergi - Solceller, Uppsala Universitet 18

20 Öresundskraft, Bra att veta om solceller (Hämtad ) Referenser till aktivitetsrapporter Följande aktivitetsrapporter är skrivna av medlemmarna i projektgruppen. Inläsning om solceller - (ES / G-6-1) Elcertifikat - (ES / G-8-1) Bygglov, tillstånd samt hantering av överskottsel - (ES / G-4-2) Elförbrukning för skolorna - (ES-15-06/G-10-2) Simuleringsfall 1&2 HOMER - (ES-15-06/G-11-2) Simulering för alla skolbyggnader - (ES-15-06/G-13-1) Tillämpning av simulering på solceller - (ES / G-5-1) 19