Säsongslagring av solenergi

Institutionen för tillämpad fysik och elektronik 2007-03-12 Säsongslagring av solenergi Jesper Bertilsson Fredrik Ulinder Ellen Sundin Sammanfattning Solenergi är en energikälla är förnyelsebar och därmed miljövänlig. Dock är dess effekt som störst då värmebehovet är som minst, dvs dagtid och sommartid. För att kunna utnyttja solvärmen även under perioder med mindre sol, måste energilagring tillämpas. Denna rapport undersöker vilka möjligheter det finns för att säsongslagra solenergi från sommarhalvåret för användning under vinterhalvåret. De grundläggande energilagringsprinciperna för sensibel och latent värmelagring beskrivs, samt olika implementationer med säsongslagring av dessa. Några utförda projekt med säsongslagring av solvärme belyses. Alla varianter av säsongslagring har sina för- och nackdelar, men genomgående är att säsongslagring i dagsläget är dyrare än konventionella uppvärmningssätt. För att visa på hur energimängderna, som säsongslagring innebär, påverkar fysikaliska parametrar såsom lagervolym och solfångararea utförs ett räkneexempel på ett säsongslager för ett fiktivt bostadsområde. Slutsatserna som dras av detta är att förluster i storleksordningen 10% från ett bergrumslager är rimligt. Storleksordningen på lagervolymen och solfångararena blev jämförbara med projekt utförda i Sverige. Även om systemen med säsongslager i dagsläget inte är ekonomiskt hållbara, ses möjligheter för framtiden. Dels genom utveckling av latenta lagringsmetoder som kraftigt reducerar förlusterna, och dels genom laddning med spill- och fjärrvärme. Pga det sistnämnda anses solvärme, om än miljövänlig, något som måste utredas och förbättras för att kunna nå en konkurrenskraftighet.!"

1. Inledning... 3 2. Grundläggande lagringstekniker... 4 2.1 Latent värmelagring... 4 2.2 Sensibel värmelagring... 5 2.3 Jämförelse av sensibel och latent lagring... 6 3. Säsongslagring... 7 3.1 Metoder... 7 3.1.1 Lagring i ackumulatortank... 7 3.1.2 Lagring i bergrum... 7 3.1.3 Lagring i berggrund... 8 3.1.4 Lagring i akvifärer... 8 3.1.5 Lagring i lera... 8 3.1.6 Lagring med latenta metoder... 9 4. Solpaneler... 10 4.1 Typer av solpaneler... 10 4.2 Placering av solpaneler... 10 5. Säsongslagrad solenergi... 11 5.1 Anneberg... 11 5.2 Lyckebo... 12 6. Räkneexempel Fiktivt bostadsområde... 13 6.1 Värmebehov för flerbostadshus... 13 6.2 Förluster i säsongslager... 13 6.2.1 Beräkning av förluster med Comsol... 13 6.3 Storlek på säsongslager... 15 6.4 Area av solpaneler... 15 7. Diskussion och slutsatser... 16 7.1 Lagringsalternativ... 16 7.2 Drifttekniska möjligheter... 16 7.4 Räkneexempel Fiktivt bostadsområde... 16 7.3 Framtidsaspekter... 17 8. Referenser... 18 2

Solenergi är en energikälla som både är ren och förnyelsebar. Problemet som är förknippat med solenergi är att solinstrålningen är störst när värmebehovet är som minst: på sommaren. På en mindre tidsskala är solinstrålningen som störst dagtid, för att minska till i princip noll nattetid. För att dra så stor nytta som möjligt av solenergin måste den därför lagras. Den kan antingen lagras under längre tidsintervall eller kortare, beroende på den funktion på systemet som önskas. Ur ett rent energiperspektiv är detta naturligtvis mycket gynnsamt. Det finns dock problem med dessa lösningar, dels tekniska men framförallt ekonomiska; priset för värmen har hamnat högre än för konventionella värmekällor. Projektets syfte är att undersöka de sätt som solenergi kan säsongslagras på. Vilka principer bygger lagringsteknikerna på, och vilka för- och nackdelar har de? Vidare ska beräkningar på ett säsongslager för 500 lägenheter göras. Det som ska bestämmas är lagervolymen, solfångararean samt hur stora förlusterna blir. 3

Det finns två grundläggande principer för att lagra värme. Dessa är sensibel värmelagring, där energi lagras genom att ett material värms upp, och latent värmelagring, där ett ämne genomgår en fasomvandling och därmed avger/upptar energi. Figur (1) illustrerar de båda principerna. Figur 1. Sensibel lagring sker genom temperaturändring; latent lagring bygger på fasomvandling och sker därför vid en konstant temperatur. (Figur från http://www.rubitherm.com/english/pages/04a_glossary_01.htm) Latent betyder undangömd potential, vilket i detta fall avser energi som är lagrad genom fasomvandling av ett medium. Vatten som till exempel kan värmas upp från fast form till vätska tar upp energi i form av värme i processen. Vid tillbakagång från vätskefas till fast fas avges samma värme som tidigare togs upp. Kan man kontrollera denna fasövergång kan energi lagras på ett behändigt sätt. Andra medier har andra fasomvandlingstemperaturer och energimängder per överfört kilo medium, vilket beror på deras smält- eller ångbildningsentalpi. Ett latent lagringssystem bör uppfylla följande punkter enligt Dincer [1]: Väl reversibel process. Ha en hög smält- eller ångbildningsentalpi per massaenhet. Att inte kemiskt reagera med oönskade material, såsom behållaren. Minimal volymförändring vid fasövergången. Systemet ska ej innehålla något miljöfarligt material. Ha en passande överföringstemperatur. Den fasövergång som är intressant för latent värmelagring sker mellan vätskefas och fast fas. Detta pga att fasövergången från vätska till gas har stor volymförändring, och även om den innehåller mycket mer energi per massenhet så är den svårare att kontrollera. Enligt Stine [2] och Dincer [1] är en av nackdelarna med latent värmelagring att underkylning av fasövergångsmaterialet, kan ske istället för kristallisation som avger värme. Det är även ett problem att processen inte är helt reversibel vilket gör att applikationen har en livslängd och en verkningsgrad som hela tiden minskar för varje fasövergång som äger rum. 4

Konceptet med sensibel lagring av värme är en av de enklaste formerna av lagring. I grundläggande drag är sensibel värmelagring ett lagringsmedium som värms upp till en högre temperatur. Denna värme kan användas vid ett senare tillfälle. Det finns två huvudsakliga system för sensibel värmelagring av fluider. Det ena är ett tvåtankssystem, se figur (2), där en tank lagrar kallt vatten och den andra varmt vatten. Figur 2. Principen för ett tvåtankssystem. Det varma vattnet lagras i en separat tank skild från det kalla. (Figur från Stine [2]) Fördelen med denna konstruktion är att man får båda temperaturerna separerade. Om de skulle blandas fås en lägre medeltemperatur och därav kan mindre exergi utvinnas. Exergi är den maximala energin som kan utvinnas genom mekaniskt arbete. Nackdelen med tvåtanksystemet är att ungefär hälften av tankvolymen är outnyttjad. Detta medför att det vanligaste tanksystemet är en skiktad tank. Figur (3) visar ett system med en skiktad tank. Figur 3. Principen för en skiktad tank. Varmt och kallt vatten förvaras i samma tank. (Figuren kommer från Stine [2]) Urladdad innehåller den bara kallt vatten, och under laddning tas kallt vatten från botten och värms upp med t ex solpaneler och transporteras tillbaka i tankens topp. Om detta görs rätt kommer en skiktning att bildas där det finns en märkbar temperaturskillnad mellan kallt och varmt vatten. Detta skikts tjocklek beror på det inkommande vattnets turbulens, 5

väggmaterialets värmeledningsförmåga och under hur långt tidsintervall lagringen pågått. Anledningen till att det fungerar att lagra varmt och kallt vatten i samma tank är att stillastående vatten har en mycket dålig värmeledningsförmåga. Vid sensibel lagring kan mediet, t ex vatten, nyttjas som både lagringsmedium och värmebärare. Mediet tas därmed direkt från tanken till solpanelerna och sen tillbaka till tanken utan behov av värmeväxlare. Med latent lagring krävs oftast en värmeväxlare. En stor skillnad under själva lagringen är förlusterna som beror på temperaturskillnaderna mellan lagringsmedium och omgivning. Latent lagring kan bibehålla en låg temperatur men ändå hög energi pga fasförändringen, dvs förlusterna blir mindre. Ett bra exempel på detta är handvärmare som i form av mjukplastkuddar håller en vätska vid rumstemperatur tills man påverkar ett material inne i kudden som utvecklar en kristallisationsreaktion och blir mycket varm. Det negativa med latent lagring är att fasövergången inte är helt reversibel, vilket sensibel lagring aldrig har som problem då fasövergång inte sker. Med en ej reversibel process menas att utgångsläget inte kan återuppnås. Detta medför att lagringssystemet har en sjunkande verkningsgrad och en livslängd. Fördelen med sensibel lagring av t ex vatten är att det är lättillgängligt och lätthanterligt. Vatten, som är det vanligaste sensibla värmelagringsmediet, har också den stora fördelen att ha en hög specifik värmekapacitet. Att det dessutom varken är miljö- eller brandfarligt, gör vatten ännu mer lämpad som lagringsmedium. Det mest negativa med sensibel lagring är volymen lagringsmedium som krävs för att lagra en större mängd energi. Även förlusterna blir svåra att hålla nere då lagringen ska ske under längre tidsperiod. Vid korttidslagring laddas system ur och upp många gånger, vilket med ett latent system ger en lägre verkningsgrad och livslängd efter en tid. Däremot vid långtidslagring minskar inte verkningsgraden och livslängden lika mycket då det sker färre ur- och uppladdningar. Med anledning av detta är latent lagring lämpligast vid långtidslagring och sensibel vid korttidslagring. Idag är dock inte tekniken riktigt utvecklad för lång latent lagring. 6

Att kunna säsongslagra värmeenergi från det varmare sommarhalvåret för att sedan kunna nyttja energin under den kallare vintern är mycket fördelaktigt ur flera aspekter. Den kanske mest uppenbara är att behovet av producerad värmeenergi minskar med motsvarande mängd under vinterhalvåret, vilket innebär minskade kostnader för körningar av dyra och oftast miljöovänliga spetslasterna. Detta är naturligtvis önskvärt sett ur ett stort energisystemperspektiv, men kan även innebära ekonomiska fördelar. Om behovet av spetslaster minskar, kan baslasterna köras med en jämn belastning och därmed hög verkningsgrad. Underhållskostnaderna för spetsanläggningarna kommer att minska med minskad användning av dessa. I förlängningen skulle hela investeringen i delar av spetslasten kunna slopas helt. Dessa besparingar måste förstås vägas mot anläggningskostnaden för säsongslagret, samt eventuella underhållskostnader för det. För att kunna mäta konkurrenskraftigheten i säsongslagrad solenergi har ett antal studier utförts. I en rapport från Statens Geotekniska Institut [3] har simuleringar gjorts för att förse dels ca 50 och dels ca 200 bostadslägenheter med värme. Som lagringsteknik undersöktes tre olika typer utav sensibel värmelagring; värmelager i lera, i berg, samt gropvärmelager. Simuleringarna visade då att säsongslagrad solenergi inte riktigt kunde mäta sig prismässigt med konventionella uppvärmningsmetoder. Dock gör ökande teknikförbättringar på området samt stigande energipriser att säsongslagring kommer att bli konkurrenskraftigt inom en snar framtid. Speciellt fördelaktigt är det att använda säsongslagring tillsammans med golvvärme, då golvvärme inte kräver speciellt höga temperaturer. Enligt Isaksson [4] krävs ett bostadsområde på åtminstone ca 200 lägenheter för att säsongslagring ska vara ett möjligt alternativ. Detta för att förlusterna annars blir för stora.! Ett antal olika metoder har undersökts för att säsongslagra värmeenergi. De har alla för- och nackdelar och ställer olika sorters krav på platsen för lagret, vilket gör att det inte finns en teknik som givet är bättre än en annan. Det krävs därför förstudier för varje projekt för att bestämma vilken metod som är mest lämpad just där, både tekniskt och ekonomiskt. Fördelarna med att använda vatten för lagring av energi har diskuterats i avsnitt 2.3. Av de tekniker som finns för säsongslagring är den att föredra av flera aspekter, varav den största är dess flexibilitet: den ställer inte några krav på en viss sorts marktyp eller andra naturgeologiska förutsättningar. Denna lösning används i ett antal utvecklingsprojekt. Bland andra finns det enligt Schmidt [6] en 12 000 m 3 stor tank i Friedrichshafen i Tyskland. Ett sätt att lagra värme under jorden är att fylla ett bergrum med vatten. Den termodynamiska principen för ett sådant lager är densamma som för ackumulatortanken. Skillnaden är att ett 7

befintligt bergrum utnyttjas som behållare för vattnet. Kostnaden för material minskar väsentligt, men lösningen ställer istället stora krav på naturliga förutsättningar. Detta gör att det inte är lämpligt, eller ens möjligt, att använda bergrum för säsongslagring på alla platser. Enligt Karlsson [7] och Gabrielsson[3] bör ett bergrum vara i storleksordningen 100 000 m³ eller större för att vara lönsamt. Vid borrhålslagring lagras värmen i marken. För att få ner värmen i marken borras ett antal hål. Värmen kan då ledas ner i marken med hjälp av ett u-rör, ett rör där fluiden först går åt ena hållet och sedan vid rörets slut gör en u-sväng och går åt andra hållet. Dessa hål bör vara 30-100 m djupa enligt Dalenbäck [8]. Avståndet mellan hålen bör enligt Lorenz [9] vara ca 3 m. Ju större borrhålslager som byggs desto mindre förluster fås i förhållande till den mängd energi som lagras. Det tar något år innan ett borrhålslager kan börja användas fullt ut eftersom marken måste värmas upp. En fördel med borrhålslagring är att man lätt kan utöka ett befintligt lager genom att borra fler hål och sedan enkelt ansluta dessa till de andra hålen. " Om det i närheten av värmebehovet finns en akvifär, grundvattensjö under jorden, kan denna användas för att lagra värmen. Enligt Dincer [1] finns det två sorters akvifärer i Sverige. Den vanligaste typen består av grus och sand som härstammar från istiden. Den andra sorten, som mest finns i södra Sverige, består av kalksten eller sandsten. Akvifärer består av ungefär 25% vatten. Detta gör att de har en hög värmelagringskapacitet. För akvifärer som ligger nära marknivån är det vanligt med genomströmmande grundvatten. Detta sänker lagringsförmågan betydligt. Akvifärer kan vara mycket stora, uppemot 1 000 000 m 3. # En annan variant för att lagra värmeenergi i marken är att skapa grus-lera-vattenlager. Schmidt [6] visar på ett antal små och mellanstora lager byggda i Tyskland, ca 1000 8000 m 3 stora. Principen för dessa är att lägga ett isolerande plastlager i botten på en grop, och sedan fylla den med grus-lera-vattenblandning. Fördelen med detta är att ingen bärande konstruktion, vilket minskar kostnaderna. Grus-lera-vattenblandningen värms upp antingen genom att värmeväxla med nedgrävda rör, eller genom direkt utbyte av vattnet i blandningen. En nackdel med dessa är att pga utspädningen av vattnet med grus-lera, är värmekapaciteten mindre än för rent vatten. Detta gör att volymen blir ca 50% större för samma kapacitet än vad ett lager av bara vatten skulle ha blivit. 8

$ Även om det i teorin (se avsnittet Grundläggande lagringstekniker) finns fördelar med att använda latent energilagring, har tekniken ännu inte finslipats så pass att några försöksprojekt har initierats. Dock har bl a Demirel [10] undersökt om sådana system går att få ekonomiskt hållbara. De visar i sin rapport att beroende på olika parametrar, såsom antagna driftskostnader och räntekostnader, kan ett latent säsongslager baserat på solvärme i bästa fall ha en återbetalningsperiod på ca 13 år. Denna, om än optimistiska, uppskattning skulle om realiserad vara ekonomiskt genomförbar. 9

" % "&'% % Det finns ett flertal typer av solpaneler. Två av de vanligaste typerna är: plana solfångare vakuumsolfångare Enligt Isaksson [4] har vakuumsolfångaren i teorin den bättre verkningsgraden av dessa två. Trots det är den plana solfångaren vanligast i Sverige, då den är billigare i inköp än vakuumsolfångaren. I ett system tänkt för säsongslagring av solvärme krävs en betydande mängd solpaneler, varför priset får ett ännu större genomslag på totalkostnaden än för mindre system. "( % En viktig parameter att ta hänsyn till vid installation av solvärmesystem är placeringen av själva solpanelerna. För lagring med vatten som lagringsmedium behövs ca 1,5-2,5 m 2 solpanelyta per MWh energi som ska lagras, enligt Gabrielsson [3]. Eftersom det rör sig om energimängder på 1 000 MWh och uppåt, behövs det stora areor för att möta energibehovet. Det finns olika lösningar på var och hur dessa paneler ska placeras. Ett alternativ är att placera panelerna ett stort fält. I tätorter där markpriserna är höga är det inte ett alternativ att avsätta stora fält för solpaneler. Vanligare är att placera dem på hustak. Vid nybyggnation av bostadsområden är det fördelaktigt att bygga på hustaken, då kostnaden för att integrera solpanelerna direkt på hustaken är betydligt mindre än att i efterhand montera dem. Det finns enligt Pettersson [5] tre olika lösningar för montering av solpaneler på hustak. Dessa är: Infällt i tak Monterat liggande på tak Fristående på tak Den första punkten ovan används vid nybyggnation av hus, och är därmed rätt tåliga mot väder och vind eftersom de är integrerade i takkonstruktionen. Vid eftermontering av solpaneler på befintliga byggnader är den mest kostnadseffektiva lösningen att montera panelerna liggande på hustaken. Denna lösning är även fördelaktig med tanke på säkerhet och hållbarhet jämfört med de fristående monterade panelerna. Dessa har höga krav på infästningar mm, som ska klara både snötyngd och vindtryck utan att gå sönder. 10

# Generellt för de projekt som utförts är att energikostnaden för alla hamnar på nivåer som är högre än för konventionella uppvärmningsmetoder. Eftersom solenergi är en ren och förnyelsebar energikälla, tjänar projekten till att driva fram utvecklingen och därmed öka konkurrenskraftigheten hos dessa system. #) I Danderyds kommun ligger bostadsområdet Anneberg. Det är relativt nybyggt, inflyttningen skedde vintern 2002. Taken på husen i Anneberg är täckta med solfångare, med en area på 2 400 m². Solenergin säsongslagras i ett borrhålslager. På sommaren skickas värmen från solfångarna ner i 100 borrhål. Varje borrhål är 70 m djupt och har en diameter på 1,15 dm. Avståndet mellan borrhålen, som är placerade i en matrisform om tio rader och tio kolumner, är 5 m. Enligt Lorenz [9] bör borrhålslager vara stora då förlusterna minskar i förhållande till den lagrade energimängden. Hålen bör därför även placeras i närheten av varandra. Lagret har enligt HSB [11] en temperatur på 45 C då det är laddat och 35 C när det är urladdat. Värme tas sedan ut på vintern och används till att värma upp tappvarmvatten och hus med golvvärme. Den energi som behövs till uppvärmning utöver den som fås från borrhålen utgörs av elenergi. Det tar lång tid att värma upp borrhål, varför husen under det första året måste värmas upp med hjälp av mestadels el. Enligt HSB [11] beräknas 60% av värmebehovet täckas av säsongslagringen och resterade 40% utgöras av el. HSB räknar med en förlust i lagret på 450 MWh/år. Enligt Dalenbäcks utvärdering av Anneberg [8] blev det problem när solfångarna skulle tas i drift våren 2002. Rören från solfångarna i marken var av fel material. De var i plast men skulle ha varit i koppar. Plaströren gick sönder då de inte tålde det tryck som de utsattes för. Projektet försenades och borrhålen kunde inte laddas alls under den sommaren. Husen fick därför värmas upp med el den följande vintern. År 2003 gav säsonglagringen ungefär 3000 kwh per genomsnittlig bostad enligt Dalenbäcks utvärdering [8]. Efter tre till fem års drift väntas solpanelerna stå för 70% av vämebehovet. 11

#' Mellan 1982 och 1985 byggdes ett stort solfångarfält för forskning i Lyckebo, Uppland. Arean på solfångarna var enligt Bröms [12] ca 4300 m². Solfångarna levererade värme till ett bergrum fyllt med vatten av en volym på 100 000 m³. Värme från bergrummet skulle sedan levereras ut på fjärrvärmenätet. Från slutet av 80-talet och framåt utsattes fältet för mycket vandalism och stenkastning, vilket medförde stora reparationskostnader. Systemet togs ur drift i oktober 2000. Enligt Bröms [13] hade bergrummet fulladdat en värmeförlust på 11-15%. Denna förlust beror på lagringstid, temperatur samt läckage i bergrummet. Den energi som solfångarna producerade var lika stor som förlusterna från bergrummet. Lagret var tänkt att användas för säsongslagring. Fjärrvärmenätet som det var kopplat till ökade i storlek under projektets gång och när det togs ur drift räckte lagret bara till två månaders vinterklimat motsvarande fem månaders sommarklimat. 12

$*+%,- Det här avsnittet går ut på att försöka förse 500 ordinära lägenheter med solvärme genom säsongslagring. Den säsongslagrade värmen ska täcka 60% av värmebehovet på vintern. Resterande värme kommer från en konventionell värmekälla, såsom fjärrvärme. Varje lägenhet antas ha en yta på 100 m 2. $. Värmebehov för en vanlig lägenhet på 100 m 2 är enligt Gabrielsson [3] 8 600 kwh/år. Enligt Boverket [14] är energiförbrukningen av värme 12 000 kwh/år för 100 m 2 i ett flerbostadshus. Med dessa värden i åtanke antas årsenergibehovet för värme i en lägenhet på 100 m 2 vara 10 000 kwh, vilket innebär 100 kwh/m 2. Under vintern antas 80% av årsbehovet för värme användas. Det totala värmebehovet från säsongslagringen kan då beräknas enligt ekvation (1). Q = täckningsgrad * årsandel * antal * area * energibehov / m = 0,6 0,8 500 100 100 10 3 = 2,4GWh = 8,64TJ Lägenheterna antas värmas med golvvärme, eftersom en lägre temperatur då utnyttjas. Då kan lagret ha en lägre temperatur och därmed mindre förluster. $- Det värmebehov som bestämdes ovan är den mängd som bostäderna kräver. För att kunna kompensera för förluster och tillgodose detta behov behöver säsongslagret kunna lagra något mer. Enligt Bröms [13] var förlusterna för det fulladdade lagret i Lyckebo 11-15%. Den totala energimängden som ska lagras ökas därför med 15% i ekvation (2). Q tot = Q 1,15 = 9, 94TJ (2) 2 (1) $/ 0 Syftet med att använda COMSOL är att kontrollera om de procentuella förlusterna som kan fås från Bröms [13] är rimliga. Storleken på lagret som simuleras behöver inte vara exakt lika stort, men av samma storleksordning, som det verkliga lagret eftersom resultatet är en procentsats. Flera förenklingar gjordes i simuleringen. Lagringsutrymmet antas vara kubiskt och inte ha läckage. Kuben ska gestalta ett fulladdat bergrum på ca 200 000 m 3. Sidan på lagringsutrymmet blir då ca 58 meter. Bergrummet antas heller aldrig laddas ur under lagringsperioden. Det enda som då påverkar förlusterna antas vara konvektion mellan vattnet och bergväggen. Som värmeövergångskoefficient mot berggrunden uppskattades ett värde på 5 W/m 2 K, grovt. Omblandning i lagret har betydelse för förlusterna men innebär en allt för 13

datorkrävande simulering. Istället får resultatet ses som idealt och förlusterna mindre än i verkligheten. Tidsintervallet i simuleringen är ett halvår och figur (4) visar temperaturfördelningen från ena sidan, genom mitten på lagringsutrymmet, till andra sidan. Det ses tydligt att temperaturen i större delen av tanken bibehålles pga den stora volymen. Figur 4. Temperaturfördelningen i det simulerade värmelagret efter ett halvår. För att beräkna förlusterna krävs att den volym vatten som sjunkit i temperatur approximeras, samt denna volyms medeltemperatur. Från figur (4) kan utläsas att i de yttersta fem meterna av lagret är temperaturen förändrad. Medeltemperaturen för detta område utläses till 311 K. Från en utgångsvolym på knappt 200 000 m 3 med homogen temperatur, har det efter ett halvår bildats två delvolymer. En volym med temperaturen 50 C och en volym med medeltemperaturen 38 C. I uträkningar (4) beräknas de olika volymerna. V V V 0 1 2 = Utgångsvolym med 50 C = 58 = Delvolym med 50 C = (58 10) = Delvolym med 23 C = 58 3 3 = 195112m 3 (58 10) 3 3 = 110592m 3 = 84520m 3 (4) Den energimängd som är lagrad i varje volym beräknas utifrån en antagen omgivningstemperatur, utifrån Lorenz [9], i berggrunden på 6 C. I simuleringarna antas berget aldrig värmas upp, vilket det skulle göra i verkligheten. Q Q Q 0 1 2 = V ρcp( T = V ρcp( T 1 0 T T = V ρcp( T T 2 0 0 1 omgivning omgivning omgivning ) = 195112 988 4180(50 6) = 3,55 10 ) = 110592 988 4180(50 6) = 2,01 10 ) = 84520 998 4180(38 6) = 1,13 10 13 13 13 J J J (5) 14

Förlusterna från lagret approximeras som den minskning av energi som delvolymerna har haft i förhållande till den ursprungliga energimängden. Detta beräknas utifrån (5) i (6). Q ( Q1 + Q Q 13 ) 2,01 10 + 1,13 10 = 1 3,55 10 13 2 procentför lust = 1 13 = 0,115 = 11,5% (6) 0 Vid jämförelse med de förluster som angivits i Bröms [13] inses att storleksordningen är rimlig, med tanke på att många approximationer gjorts. $ % Det lager som ska lagra energin antas vara baserat på vatten, antingen genom bergrumslagring om platsen tillåter eller byggd vattentank i marken. Detta pga vattens många fördelar vid energilagring, inte minst ekonomiska. Driftstrategin för lagret antas vara densamma som för projektet i Anneberg [11], dvs lagret är fulladdat vid 45 C och urladdat vid 35. Den stora fördelen med detta är att förlusterna kan hållas nere då så pass låga temperaturer används. Volymen på lagret kan bestämmas från ekvation (7) Q tot = ρ VC T (7) p där Q tot är den totala energi som lagret ska kunna lagra, och C p är lagringsmediets egenskaper, och T bestäms av driftsstrategin. Lagrets volym bestäms till 240 000 m 3. $") % En vanlig svensk solfångare producerar enligt Karlsson [7] 315-350 kwh/m 2 år. Då det i det aktuella fallet ska lagras en energimängd på 9,94 TJ måste solfångararean vara mellan 7990 och 8670 m 2. Det är ungefär dubbel så stort som i Lyckebo och fyra gånger så stort som i Anneberg, se avsnitt 5.1 och 5.2 ovan. 15

12 1 Långvarig lagring av värme har ett stort problem i form av förluster. Förlusterna beror på många faktorer, som t ex temperaturskillnader, tiden det lagras och hur välisolerat lagret är. Tidsaspekten för ett säsongslager går inte att komma ifrån. Temperaturskillnaderna kan minskas om man väljer ett latent lagringssystem eftersom mängden energi där inte är beroende på hur hög temperaturen är utan var fasövergången sker. För varje fasövergång blir dock latent lagring sämre pga att processen ej är reversibel, men eftersom lagringen sker över ett lång tidsintervall har lagret lång livslängd. Problemet med latent värmelagring idag är att tekniken ännu inte är helt utvecklad och genomförbar. Det mesta inom latent säsongslagring behöver mer forskning och för att göra det mer konkurrenskraftigt. I nuläget är sensibel lagring att föredra, i både kortvariga samt långvariga lager. 12 3 En fördel med säsongslagring av energi, är att den kan ge en större flexibilitet till driftsituationen. Detta pga att i ett större system är det möjligt att använda spillvärme från industrin för att hjälpa till att värma upp lagret. Det går även att tänka sig att överskott utav fjärrvärme skulle kunna användas till det ändamålet. Mängden solpaneler skulle eventuellt också kunna minskas. Frågan blir då rätt naturlig: behövs solpanelerna överhuvudtaget? Fördelarna med att endast säsongslagra spill- och fjärrvärme är flera. Investeringskostnaden för själva solpanelerna skulle kunna slopas, och systemet skulle samtidigt bli i princip okänsligt för väderförhållanden. Detta innebär att underhållsarbete med solpanelerna ej heller behövs, och att risken för systemhaveri pga felande paneler elimineras. Att kunna använda spillvärme från industrin ökar verkningsgraden på de processerna. Att köra kraftvärmeverk sommartid, möjliggör välbehövlig elproduktion samtidigt som värmen också tas till vara på. 1"*+%,- Resultaten är behäftade med mycket stor osäkerhet. Uträkningarna om energibehov, motsvarande lagervolym och solfångararea baseras till stor del på mycket approximativa värden. Lagervolymen och solfångararean blev ändå jämförbara med verkliga projekt. Simuleringen av förlusterna i bergrumslagret är också gjorda med flera approximationer. Det omgivande berget approximerades till en konstant temperatur som har en osäkerhet. Sedan är det i verkligheten inte så att temperaturen i berget är konstant, utan värms upp av förlusterna från lagret. Det beräknade värdet blir större än det verkliga värdet. Möjligheten att lagret har läckage har inte tagits med i simuleringen. Ett läckage skulle öka förlusterna. Att lagret i simuleringen inte laddas ur medför att de beräknade förlusterna är större än de verkliga. Det mest osäkra värdet i simuleringen är värdet på värmeövergångskoefficienten som är grovt uppskattat. 16

1-% Solenergiindustrin kommer vara kommersiellt gångbart de ekonomiska förutsättningarna förbättras. Kol, olja, naturgas måste alla bli dyrare genom att källorna till dessa sinar, eller genom politiska styrmedel. Till och med sopor har satt stopp för solenergin i Sverige. Då sopbergen blev allt större och började de eldas i kraftvärmeverk, och blev en lönsam energikälla. Övergången till de mer rena energislagen kommer att vara ett måste på grund av sinande fossila bränslen. Priserna på de äldre energislagen kommer att öka för att utbudet blir mycket mindre än efterfrågan. Om nu inte de nya teknikerna är tillräckligt utvecklade kommer även denna att vara dyr och energifrågan kommer att bli en klassfråga. Solergi och säsonglagring behöver utvecklas mer för att konkurrera med traditionella energislag och tekniker. 17

4* [1] Dinçer, Ibrahim; Rosen, Marc A. (2002). Thermal energy storage, systems and applications. Kapitel 3.6.4 och 3.7. West Sussex: John Wiley & Sons, Ltd. [2] Stine, William B; Geyer, Michael. (2001). Power from the sun. Kapitel 11. Publicerad på http://www.powerfromthesun.net/book.htm. (2007-03-13) [3] Gabrielsson, Anna. (1997). Solvärmesystem med säsongslager, en simulerings- och kostnadsstudie. Statens Geotekniska Institut. http://www.swedgeo.se/publikationer/rapporter/pdf/sgi-r52.pdf. (2007-03-08) [4] Isaksson, Karolina; Lindström, Annika; Nordell, Bo. (2003). Förnyelsebar energi i Norrbottens län, Del 1: Solenergi. Luleå Tekniska Universitet. http://www.nenet.nu/rapporter/alt_energi/del1_solenergi.pdf. (2007-03-13) [5] Pettersson, Tord. (?). Solenergi. Norrbottens energikontor. http://www.nenet.nu/rapporter/energinoframtiden/09solenergi.pdf. (2007-03-13) [6] Schmidt, Mangold, Müller-Steinhagen. (2003). Central solar heating plants with seasonal storage in Germany. Institute for Thermodynamics and Thermal Engineering (ITW), University of Stuttgart. ISSN: 0038-092X [7] Karlsson, Björn; Henfridsson, Urban. (1996). Solvärme. Nutek & Vattenfall utveckling. http://www.ts.mah.se/utbild/em7050/systemdok/solvarmebroschyr3.pdf. (2007-03-13) [8] Dalenbäck, Jan-Olof (2006) Utvärdering av solvärmesystem BRF Anneberg. Publicerad på Energimyndighetens hemsida. http://www.stem.se/web/stemfe01e.nsf/v_media00/c12570d10037720fc1257148004a 2343/$file/Utvärdering%20Anneberg.pdf. (2007-03-13) [9] Lorenz, Klaus; Tepe, Rainer; Persson, Tomas. (1999). Förstudie: Beskrivning av uppvärmningssystem med solfångare och värmepump för området Anneberg i Danderyds kommun. SERC Centrum för Solenergiforskning, Högskolan i Dalarna. http://dalea.du.se/research/?itemid=787. (2007-03-13) [10] Demirel, Yaar; Özturk, H. Hüseyin. (2006). Thermoeconomics of seasonal latent heat storage system. International journal of energy research 30 (12): 1001-1012 oct 10 2006 [11] HSB. (?). Anneberg. Publicerad på HSB s hemsida. http://www.hsb.se/hsb/articles/23700-23799/23764/anneberg.pdf (2007-03-13) [12] Bröms, Gunnar (2003) Utvärdering av solfångarfältet i Lyckebo. Publicerad på Energimyndighetens hemsida. http://www.stem.se/web/gemnyckelr5.nsf/vfiles/utvly/$file/utvly.pdf. (2007-03-13) 18

[13] Bröms, Gunnar. (2001). Solvärmeanläggning Lyckebo, -förslag på åtgärder. Publicerad på Energimyndighetens hemsida. http://www.stem.se/web/gemnyckelr5.nsf/vfiles/lyckebo2/$file/lyckebo2.pdf. (2007-03-13) [14] Boverket. (2005). Bygga Bra Bostäder En dokumentation av en bostadskonferens om långsiktighet, kostnad och kvalitet. Karlskrona: Boverket. Publicerad på Boverkets hemsida. http://www.boverket.se/upload/publicerat/bifogade%20filer/2005/bygga_bra_bostader.pdf. (2007-03-13) 19