En hållbar byggd miljö - Pågående och planerad forskning Leif Gustavsson Linnéuniversitetet Seminarium 2 November 2011 Växjö
Världens primärenergianvändning 2007 ( 500 Exajoul) Olja 34% Kol 26% Gas 21% Totalt fossilt 81% Bioenergi 10% Kärnkraft 6% Övrigt 3% Exa = 10 18 Källa: International Energy Agency, 2009. Key World Energy Statistics
Elsystemet Elproduktion i ett Europaperspektiv har ofta kolkondens som marginalel Förändrad elanvändning leder då till kraftigt förändrade koldioxidutsläpp Stort överskott av spillvärme (i Sverige är överskottet drygt 2 gånger större än leveranserna av fjärrvärme) Omfattande planerad utbyggnad av fossil kondenskraft i EU ( 150 000 MW)
Sveriges totala energianvändning 1970-2009 Källa: Energimyndigheten. Energiläget 2010. 4
Slutlig energianvändning inom sektorn bostäder och service m.m. 1970-2009 Källa: Energimyndigheten. Energiläget 2010. 5
Elanvändning inom sektorn bostäder och service m.m. 1970-2008, normalårskorrigerad Källa: Energimyndigheten. Energiläget 2010. 6
Användning av fjärrvärme 1970 2009 Källa: Energimyndigheten. Energiläget 2010. 7
Löpande energipriser i Sverige inklusive skatt, 1970 2009 Källa: Energimyndigheten. Energiläget 2010. 8
Svenskt virkesförråd på produktiv skogsmark historisk och framskriven utveckling Milj m 3 sk 5000 4000 3000 2000 1000 Miljö Produktion Referens Historiskt virkesförråd 0 1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090 2110 År Virkesförråd på all produktiv skogsmark. Historisk utveckling enligt Riksskogstaxeringen fram till 2000 och framskriven utveckling i nationella scenarier 2010-2110. Källa: Skogsstyrelsen, Skogliga konsekvensanalyser och virkesbalanser 2008
Energikedja - exempel eluppvärmning Naturresurs Bränslekedja Elproduktion Elektricitet Eldistribution Värmesystem slutanvändare Värme Värma rum 10
Annual primary energy use for space heating a building in Växjö with different heating systems and frame materials.
Life cycle activities and primary energy flows Production phase - Extraction, processing and transport of materials - On-site construction work - Energy recovery from biomass residues Operation phase - Space heating - Electricity for ventilation - Tap water heating - Electricity for household and facility management End-of-life phase - Demolition - Energy recovery from wood, and recycling of concrete and steel Energy supply system - Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses Energy supply system - Electric heating, or district heating with biomassbased supplies - Electricity produced in a biomass-fired condensing plant - District heat produced in a CHP-based bio plant - Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses Energy supply system - Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses
Primary energy use for the production, space heating and ventilation, and end-of-life of a district-heated conventional or passive house constructed with concrete- or wood-frame.
CO 2 emission from the production, space heating and ventilation, and end-of-life of a district-heated conventional or passive house constructed with concrete- or wood-frame.
Ambition - Energihushållning på byggnadsnivå och dess interaktion med energitillförselsystemet 1. Olika energihushållningsåtgärder studeras noggrant i två befintliga (typ) byggnader 2. Betydelsen av byte till energisnåla hushållsapparater och energisnål belysning analyseras 3. Betydelsen av klimatförändringar analyseras 4. Hur energihushållningsåtgärderna påverkar dagens energitillförselsystem (fjärrvärmeproduktion) simuleras timme för timme 5. Kostnadsminimerad fjärrvärmeproduktion med beaktandet av olika omvärldsutvecklingar simuleras Målsättningen är att kunna dra generella slutsatser om under vilka förutsättningar olika energihushållningsåtgärder är effektiva att genomföra relaterat till olika tillförselsystem och möjliga utvecklingslinjer för fjärrvärmeproduktion
Ambition - Uppvärmning av och energianvändning i nya byggnader 1. Optimala energianvändningsnivåer över byggnadernas livscykel analyseras för två typbyggnader i ett nybyggnadsområde och vid förtätning av bebyggelse 2. Olika uppvärmningssystem såsom fjärrvärme, eldrivna värmepumpar och direktel med eller utan solvärmebaserade system analyseras 3. Möjligheterna att uppföra passivhus studeras 4. Betydelsen av klimatförändringar analyseras 5. Betydelsen av nybyggnadsområdets storlek och byggnadernas geografiska täthet analyseras 6. Hur olika omvärldsutvecklingar kan påverka val av uppvärmningssystem och optimala energianvändningsnivåer analyseras Målsättningen är att kunna dra generella slutsatser om under vilka förutsättningar som olika uppvärmningssystem är att föredra och vilka energianvändningsnivåer som då är optimala
Low energy bio-based society 2012-2015; 4 MSEK financed by energimyndigheten Aim is to create strategic knowledge on how to develop a resource- and climate-efficient built environment in urban areas that is primarily based on renewable resources Researchers: Prof. Leif Gustavsson, Dr. Roger Sathre, Ambrose Dodoo, and 1 Phd candidate being recruited
Wood in Carbon Efficient Construction - CO2 European project focusing at carbon efficient construction and the role of wood 2011-2013 ; 4 million funded through WoodWisdom-Net and industries 20 partners in Austria, Finland, Germany, Italy and Sweden 7 Work Packages (WPs) Linnaeus University is leader of WP1 & coordinate the Swedish partners WP1 deals with primary energy and greenhouse gas balances over building life cycle incorporating the complexity of variables and robust methodologies Researchers: Prof. Leif Gustavsson, Dr. Roger Sathre and Ambrose Dodoo
Wood-based energy systems from Nordic forests - Enerwoods Nordic project with 9 partners from Norway, Denmark, Finland and Sweden Aim is to combine energy systems and biological systems to optimise the complete bioenergy chain considering primary energy use and greenhouse gas emissions 2011-2015; 19 million NOK financed by Nordic Energy Research 4 work packages Linnaeus University is leader of WP3 which deals with strategic analyses and optimisation of woody biomass energy systems Researchers: Prof. Leif Gustavsson, Dr. Roger Sathre and 1 Phd candidate being recruited
Use of wood for better climate and increased value creation - Klimatre Norwegian research project of 30 million NOK Aim is to document the climate and economic impact of the forest-based value chains in Norway, as well as to develop environmentally friendly solutions for wood construction 2010-2014 Linnaeus University is the only international partner Researchers: Prof. Leif Gustavsson,
Efficient use of forest biomass to reduce greenhouse gas emissions and oil use Aim is to apply system analysis and scenario techniques to identify strategies for the efficient use of forest biomass to reduce greenhouse gas emissions and oil use 2011-14 1 MSEK financed by Bo Rydins forskningstiftelse Researchers: Prof. Leif Gustavsson and a PhD student
Researchers Research leader: Leif Gustavsson Two senior researchers Roger Sathre Krushna Mahapatra 1 research engineer Ambrose Dodoo 1 PhD candidate Farshid Bonadkar 2 PhD candidates being recruited Analyze the life cycle primary energy use and greenhouse gas balances of buildings Optimise the complete bioenergy chain considering primary energy use and GHG emissions
Skogsproduktion i ett hundraårsperspektiv Poudel, B. C., Sathre, R., Gustavsson, L., Bergh, J., Lundström, A. and Hyvönen, R. (2011) Effects of climate change on biomass production and substitution in north-central Sweden. Biomass and Bioenergy, vol. 35: 10, pp. 4340-4355. Poudel, B.C., Sathre R., Bergh, J., Gustavsson, L., Lundström, A., Hyvönen, R. (2011) Potential effects of intensive forestry on biomass production and total carbon balance in north-central Sweden. Environmental Science and Policy, (Accepted). Sathre, R. and Gustavsson, L. (2011) Time-dependent radiative forcing effects of forest fertilization and biomass substitution. Biogeochemistry (Accepted). Sathre, R. and Gustavsson, L. (2011) Time-dependent climate benefits of using forest residues to substitute fossil fuels. Biomass and Bioenergy, vol. 35: 7, pp. 2506-2516. Lippke, B., Oneil, E., Harrison, R., Skog, K., Gustavsson, L. and Sathre, R. (2011) Life cycle impacts of forest management and wood utilization on carbon mitigation: knowns and unknowns. Carbon Management, vol. 2: 3, pp. 303-333.
Skogsägares och allmänhetens inställning till nya skogskötselmetoder Hemström K., Mahapatra K. and Gustavsson L. (2011) Public acceptability of intensive forestry in Sweden. (Manuscript) Hemström K., Mahapatra K. and Gustavsson L. (2011) Swedish private forest owners perceptions of and intentions to adopt exotic tree species. (Manuscript).
Användning av bioenergi Gustavsson, L., Eriksson, L. and Sathre, R. (2011) Costs and CO2 benefits of recovering, refining and transporting logging residues for fossil fuel replacement. Applied Energy, vol. 88: 1, pp. 192-197. Gustavsson, L. and Truong, N. L. (2011) Coproduction of district heat and electricity or biomotor fuels. Energy, vol. 36: 10, pp. 6263-6277. Joelsson J.M. and Gustavsson L. (2011) Biomass strategies in Sweden to reduce CO 2 emission and oil use in an EU context. (Manuscript). Joelsson J.M. and Gustavsson L. (2011) Greenhouse gas and oil use impacts of Fischer-Tropsch diesel and DME production integrated with pulp and paper mills. (Manuscript).
Primärenergianvändning och CO2-utsläpp över byggnaders livscykel Dodoo, A., Gustavsson, L. and Sathre, R. (2010) Life cycle primary energy implication of retrofitting a wood-framed apartment building to passive house standard. Resources, Conservation and Recycling, vol. 54: 12, pp. 1152-1160. Dodoo, A., Gustavsson, L. and Sathre, R. (2011) Building energy-efficiency standards in a life cycle primary energy perspective. Energy and Buildings, vol. 43: 7, pp. 1589-1597. Gustavsson, L., Joelsson, A. and Sathre, R. (2010) Life cycle primary energy use and carbon emission of an eight-storey wood-framed apartment building. Energy and Buildings, vol. 42: 2, pp. 230-242. Gustavsson, L., Dodoo, A., Truong, N. L. and Danielski, I. (2011) Primary energy implications of end-use energy efficiency measures in district heated buildings. Energy and Buildings, vol. 43: 1, pp. 38-48. Dodoo, A., Gustavsson, L. and Sathre, R. (2011) Primary energy implications of ventilation heat recovery in residential buildings. Energy and Buildings, vol. 43: 7, pp. 1566-1572. Gustavsson, L. and Sathre, R. (2011) Energy and CO2 analysis of wood substitution in construction. Climatic Change, vol. 105: 1-2, pp. 129-153. 26
Implementering energieffektivisering Nair, G., Gustavsson, L. and Mahapatra, K. (2010) Factors influencing energy efficiency investments in existing Swedish residential buildings. Energy Policy, vol. 38: 6, pp. 2956-2963. Nair, G., Gustavsson, L. and Mahapatra, K. (2010) Owners perception on the adoption of building envelope energy efficiency measures in Swedish detached houses. Applied Energy, vol. 87: 7, pp. 2411-2419. Nair, G., Mahapatra, K. and Gustavsson, L. (2012) Implementation of energy efficient windows in Swedish single-family houses. Applied Energy, vol. 89: 1, pp. 329-338. Mahapatra, K., Nair, G. and Gustavsson, L. (2011) Swedish energy advisers' perceptions regarding and suggestions for fulfilling homeowner expectations. Energy Policy, vol. 39: 7, pp. 4264-4273. Mahapatra, K., Nair, G. and Gustavsson, L. (2011) Energy advice service as perceived by Swedish homeowners. International Journal of Consumer Studies, vol. 35: 1, pp. 104-111.
Implementering träbyggande Hemström, K., Mahapatra, K. and Gustavsson, L. (2011) Perceptions, attitudes and interest of Swedish architects towards the use of wood frames in multistorey buildings. Resources, Conservation and Recycling, vol. 55, pp. 1013-1021. Mahapatra, K., Gustavsson, L. and Hemström, K. (2011) Multi-storey woodframe buildings in Germany, Sweden and the UK. Construction Innovation: Information, Process, Management, (Accepted)
Restprodukter i trä Slutavverkning Träbearbetarbetning Byggande Rivning
Example: Solid biomass (logging residues) replace fossil fuels in non-mobile plants A system analysis from forest area to local (80km), national (600km) and international (1100km) end-users Functional unit is 1 MWh of delivered wood chips at the local, national and international end-users Data for forest residues based on experience in central Sweden
CO 2 -balans för skogsbränslesystem olika fossila bränslen ersätts i stationära anläggningar 12 CO2-balance (tonne C/ha) 10 8 6 4 2 0 Local National International Primary energy -2 Natural gas Oil Coal Källa: Gustavsson, Eriksson och Sathre (2011) Costs and CO 2 benefits of recovering, refining and transporting logging residues for fossil fuel replacement. Applied Energy.
Minskad oljeanvändning och minskade CO 2 -utsläpp med 1 GJ skogsbiomassa - Laddhybridbilar med bioel 1.5 1.0 Plug-in hybrids with =47% bioelectricity replace hybrid cars =40% Methanol through BLG replaces diesel Biomass boiler replaces large oil boiler Ethanol Methanol/DME Synthetic diesel Electricity only Plug-in hybrids Oil use avoided, GJ 0.5 0.0 0 50 100 150 200 250 CO 2 avoided, kg Biomass CHP replaces electric heating Electricity through BLG replaces fossil electricity Wood replaces concrete in constructions Källa: Joelsson and Gustavsson 2010
Energihushållning i en befintlig byggnad Trästomme Byggd 1995 4 våningar 16 lägenheter 1190 m 2 Fjärrvärmd Från 119 till 40 kwh/m 2 och år för uppvärmning av byggnaden och tappvarmvatten (Östersund)
Annual final operation energy of the building with and without energy efficiency measures (Östersund) Applied end-use energy efficiency measures Space heating Final energy demand (kwh/m 2 year) Tap water heating Ventilation electricity Household /facility electricity Total Initial 94 25 2 45 166 + Improved taps 94 15 2 45 156 + Improved windows and doors 70 15 2 45 132 + Additional roof insulation 67 15 2 45 129 + Additional external wall insulation 61 15 2 45 123 + Ventilation heat recovery 25 15 13 45 98
Årliga värmeprofiler av byggnadens uppvärmningsbehov med eller utan energihushållning (Östersund)
Fjärrvärmelast 1/5 - till 30/4 2009 Capacity (MW) 160 140 120 100 80 60 40 Accumulator Discharged Heat-only boilers Flue gas condenser CHP plant 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Day
Slutsatser Effekten av energihushållningsåtgärder i fjärrvärmda byggnader beror av fjärrvärmeproduktionen och typ av energihushållningsåtgärd Både energianvändningen i byggnader och fjärrvärmeproduktionen måste beaktas och deras interaktion för minimera uppvärmningskostnader och primärenergianvändning
Byggreglers påverkan på energianvändning Located in Växjö, Sweden Constructed in the mid 1990s Climate zone III / South 4 stories 16 apartments 1190 m 2 usable floor area Wood framed Reference We compared versions of this building designed to the BBR 2009 or to the Passivhus standard
Specific energy requirements of the Swedish building Code (BBR 2009) and the passivhus standard Description BBR 2009 electric heated BBR 2009 non-electric heated Passivhus Climate zone I II III I II III North South Specific final energy limit * (kwh/m 2 ) 95 75 55 150 130 110 55 45 North zone * Comprises purchased energy for space and water heating, and electricity for fans and pumps but excludes electricity for household use. E-norm programme was used. South zone
Energy characteristics of analyzed buildings Description Reference BBR 2009 electric heated BBR 2009 district heated Passivhus Ground floor U-value 0.23 0.23 0.23 0.23 External walls U-value 0.20 0.11 0.15 0.10 Windows U-value 1.9 1.2 1.9 0.9 Doors U-value 1.19 1.2 1.19 0.9 Roof U-value 0.13 0.10 0.11 0.08 Airtightness at 50Pa 0.8 0.6 0.8 0.3 Mechanical Ventilation Exhaust air Heat recovery Exhaust air Heat recovery Hot water taps Conventional Energy efficeint Conventional Energy efficeint Specific final energy (kwh/m 2 yr) 114 55 109 45 U-values in W/m 2 K Airtightness in l/ s m 2
Primary energy balance: production phase 800 Biomass residues On-site construction Material production Primary energy use (kwh/m 2 ) 600 400 200 0-200 -400 Reference BBR 2009 Passivhus Electric heated building Reference BBR 2009 Passivhus District heated building
Final and primary energy use for building operation Household & facility electricity Water heating Ventilation electricity Space heating 500 500 Final energy use (kwh/m 2 year) 400 300 200 100 0 Reference BBR 2009 Passivhus Final energy use Reference BBR 2009 Passivhus Primary energy use (kwh/m 2 year) 400 300 200 100 0 Reference BBR 2009 Passivhus Primary energy use Reference BBR 2009 Passivhus Electric heated building District heated building Electric heated building District heated building
Primary energy balance: end-of-life Wood recovery for energy Steel recycling Concrete recycling Demolition 100 Primary energy use (kwh/m 2 ) 0-100 -200-300 -400-500 Reference BBR 2009 Passivhus Reference BBR 2009 Passivhus Electric heated building District heated building
Primary energy balance per year (building lifespan is 50 years) 600 Demolition Household & facility electricity Ventilation electricity Production Production residues Water heating Space heating Demolition residues/end-of-life benefit iiprimary energy use (kwh/m 2 year) 500 400 300 200 100 0-100 Reference BBR 2009 Passivhus Reference BBR 2009 Electric heated building District heated building Passivhus
Förändrad primärenergianvändning - FTX Förändrad primärenergianvändning (kwh/m 2 ) Ventilation El för ventilation electricity Space Rumsuppvärmning heating, BS 20 0-20 -40-60 -80-100 Conventional Passive Conventional Passive Conventional, Passive Conventional, Passive Direktverkande el Värmepump Fjärrvärme, 50% CHP Tillförselsystem: Biomassaeldad ångturbin(bst) Fjärrvärme, 90% CHP
Nettobesparing av primärenergi FTX Nettobesparing av primärenergi (kwh/m 2 ) 80 60 40 20 0 Konventionell Passiv Konventionell Passiv Konventionell Passiv Konventionell Passiv Direktverkande el Värmepump Fjärrvärme, 50% CHP Fjärrvärme, 90% CHP Tillförselsystem: Biomassa ångturbin (BST)
Årligt minskat primärenergibehov när mer optimalt designade kraftvärmsystem används Nettobesparing av primärenergi (kwh/m 2 ) 20 10 0-10 -20 VHR is 4 kwh/m2 VHR is 7 kwh/m2 Konventionell Passiv Konventionell Passiv Konventionell Passiv Konventionell Passiv 80% CHP-BST 83% CHP-BST 76% CHP-BIGCC 78% CHP-BIGCC
Slutsatser FTX resulterar i signifikanta besparingar av slutlig energi Primärenergibesparingarna vid FTX beror av mängd el som används för FTX, byggnadens lufttäthet, och typ av värmesystem förutom effektivitet i värmeåtervinning Stora primärenergibesparingar uppnås då FTX installeras i byggnader som värms med direktverkande el Låga eller inga primärenergibesparingar uppnås då FTX installeras i byggnader som värms med fjärrvärme med kraftvärmeproduktion. Viktigt med lågt elbehov för FTX aggregat och lufttät byggnad
Termisk massa betong/trä - studerad byggnad Trästomme Byggd 1995 4 våningar 16 lägenheter 1190 m 2 Fjärrvärmd
Värmebehov för byggnad med trästomme eller betongstomme i Växjö, Östersund och Kiruna 60 Wood f rame (Kiruna) Wood f rame [Östersund] Wood frame {Växjö} Concrete f rame (Kiruna) Concrete f rame [Östersund] Concrete frame {Växjö} Building heat demand (kw) 50 40 30 20 10 0 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 Day Källa: Dodoo et al. 2011
Annual final energy use for space heating for the buildings at various locations 140 Concrete frame Wood frame 120 Final energy use (kwh/m 2 ) 100 80 60 40 20 0 Kiruna Östersund Växjö Källa: Dodoo et al. 2011
Annual primary energy use for space heating at various locations with different heating systems 400 Concrete frame Wood frame Primary energy use (kwh/m 2 ) 300 200 100 0 Kiruna Östersund Växjö Kiruna Östersund Växjö Kiruna Östersund Växjö Resistance heating Heat pump District heating Energy supply based on BST technology
Conclusions Concrete building has slightly lower operation primary energy use than wood alternative, due to thermal mass Still, wood building has lower net life cycle primary energy balance than concrete alternative Less energy needed for material production More energy available from biomass residues Wood building with CHP-based district heating gives low life cycle primary energy use Källa: Dodoo et al. 2011
Duktig Yale professor utnämner världens tre bästa artiklar om LCA på byggnader. Från Greenbuild i Toronto 2011 med 23 000 deltagare. Källa Tomas Kåberger Gustavsson L. and Joelsson A. (2010) Life cycle primary energy analysis of residential buildings. Energy and Buildings, Vol. 42, No 2, pp. 210-220
Frågor?
Primary energy balance excluding tap water heating, household & facility electricity per year (building lifespan is 50 years) 250 Demolition Ventilation electricity Production Production residues Space heating Demolition residues/end-of-life benefit iiprimary energy use (kwh/m 2 year) 200 150 100 50 0-50 Reference BBR 2009 Passivhus Reference BBR 2009 Electric heated building District heated building Passivhus