Bygganden som system om energihushållning i ett helhetsperspektiv Leif Gustavsson Växjö 6 april 2009
Disposition Biomassa (från skog) för att reducera utsläpp av fossil koldioxid och användandet av olja Energibalanser vid produktion av byggnader Energihushållning i befintlig bebyggelse i ett helhetsperspektiv
Världens primärenergianvändning 2006 ( 490 Exajoul) Olja 34% Kol 26% Gas 21% Totalt fossilt 81% Bioenergi 10% Kärnkraft 6% Övrigt 3% Exa = 10 18 Källa: International Energy Agency. Key World Energy Statistics 2008.
51,5 miljoner ton koldioxidutsläpp 2006 -Sverige Förbränning i industrin 21 % Industriprocesser m.m. 9 % Bostäder, service m.m. 9 % Förbränning i el-, gas- och värmeverk m.m. 21 % Transporter 39 % Diffusa utsläpp 1 % Källa: Energimyndigheten. Energiläget i siffror 2008.
131 TWh slutlig användning av fossil olja 2006 - Sverige Industri 16% Bostäder, service mm 11% Transporter 73% Bensin 36% Diesel 29% Flygbränsle 8% Källa: Energimyndigheten. Energiläget i siffror 2007.
Hur kan vi minska utsläppen av koldioxid och oljeberoendet? Energi- och materialeffektiva system från naturresurs till levererad samhällsservice Ökad användning av förnybara resurser Skogsbiomassa en viktig men begränsad förnybar resurs
Att tänka på Beakta energi- och materialkedjor från naturresurs till levererad tjänst Jämför äpplen och äpplen Elproduktion i ett Europa perspektiv är fossil kondensel på marginalen Överskott av spillvärme (främst pga. kondensbaserad elproduktion) Spillvärme kan värderas som skillnad i verkningsgrad mellan kondens- och kraftvärmeproduktion Kraftigt planerad utbyggnad av fossil elproduktion i Europa: 150 000 MW
Minskad oljeanvändning, GJ 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Minskad oljeanvändning och minskade CO 2 -utsläpp med 1 GJ biomassa Metanol via BLG ersätter diesel Biomasspanna ersätter stor oljepanna Biodrivmedel ersätter diesel Etanol Metanol/DME Syntetisk diesel Endast el Trä ersätter betong i byggande 0.0-0.2 Bioel ersätter kolel 0 50 100 150 200 250 Minskade CO 2 -utsläpp, kg Bio-kraftvärme ersätter direkt elvärme Källa: Joelsson, J. M. and L. Gustavsson (2009). "Reduction of CO 2 emission and oil dependency with biomass-based polygeneration." Manuskript. El via BLG ersätter fossil el
Minskad oljeanvändning, GJ 1.5 1.0 0.5 Minskad oljeanvändning och minskade CO 2 -utsläpp med 1 GJ biomassa Plug-in hybrider η=47% med bioel ersätter hybridbilar η=40% Metanol via BLG ersätter diesel Biomasspanna ersätter stor oljepanna Biodrivmedel ersätter diesel Etanol Metanol/DME Syntetisk diesel Endast el Plug-in hybrider Plug-in hybrider ersätter hybridbilar utan plug-in Trä ersätter betong i byggande 0.0 Bioel ersätter kolel 0 50 100 150 200 250 Minskade CO 2 -utsläpp, kg Bio-kraftvärme ersätter direkt elvärme El via BLG ersätter fossil el Källa: Joelsson, J. M. and L. Gustavsson (2009). "Reduction of CO 2 emission and oil dependency with biomass-based polygeneration." Manuskript.
Förutsättningar för analyser på byggnadsnivå Hög energieffektivitet i våra tekniska system från naturresurs till samhällstjänst Biomassa för el- och värmeproduktion Expandera fjärrvärmesystemen Bygg fjärrvärmeanläggningar med högt utbyte av högvärdiga energiprodukter Ersätt elvärme och oljepannor Bygg trähus Bioförgasningsteknik ger hög energieffektivitet både vid drivmedels- och elproduktion Laddhybrider med bioel Svartlutsförgasning för produktion av flytande biobränslen
Energibalanser vid produktion, renovering och rivning samt för brukarfasen av ett fyravåningshus i Växjö Uppförd byggnad med trästomme Referensbyggnad med betongstomme 16 lägenheter och 1190 m 2 boyta Hypotetisk byggnad med identisk storlek och funktion
Vi har beaktat följande i analyserna Primärenergianvändning vid produktion av byggnad Primärenergianvändning för brukarfasen Primärenergianvändning vid renovering Primärenergianvändning vid rivning
Materialflöden: från naturresurs till byggnad Malm Skog Energitillförsel Utvinning Bearbetning Byggande Trärester ersätter fossila bränslen Byggnad Material flöden Bränsle-/energiflöden
Många olika byggnadsmaterial att beakta 10,000,000 1,000,000 100,000 10,000 1,000 100 10 Wood frame Concrete frame 1 Macadam Concrete Mortar Blocks Iron/steel Copper Zinc Lumber Particleboard Plywood Insulation Glass Plasterboard Paper Plastic Paint Putty (fillers) Appliances Porcelain Ceramic tiles Material mass (kg).
Primärenergianvändning vid produktion av byggnader med trä- och betongbyggnaden Energy use (GJ). 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Fuel cycle Conversion Distribution Final use 0 Wood Concrete Wood Concrete Wood Concrete Electricity Fossil Biomass Källa: Gustavsson et al. 2006
Källor för biomassa - restprodukter Slutavverkning Träbearbetarbetning Byggande Rivning
Återvinning och användning av restprodukter från skogsbiomassa Heat value (GJ). 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Demolition Construction Processing Forest 500 0 Residues for external use Internal use (energy) Internal use (materials) Residues for external use Internal use (energy) Internal use (materials) Wood-frame Källa: Gustavsson et al. 2006 Concrete-frame
Slutlig användning av energi i befintlig byggnad med trästomme (kwh/m 2 year) Byggnadsuppvärmning 70 Tappvarmvatten 40 Hushållsel och driftel (ej ventilation) 52 El för ventilation 4 Summa 166
Minskad slutlig energianvändning (kwh/m 2,år) med olika energihushållningsåtgärder Parameter Retrofitting measure Space heating Tap water heating Ventilation electricty Household/ facility electricity Total Reference 70 40 4 52 166 Taps From conventional to efficient taps 70 24 4 52 150 Roof U-value from 0.13 to 0.08 69 24 4 52 149 Windows U-value from 1.9 to 0.90 51 24 4 52 131 Doors U-value from 1.19 to 0.90 51 24 4 52 131 Ground floor U-value of 0.23 maintained 51 24 4 52 131 External walls U-value from 0.20 to 0.10 43 24 4 52 123 Ventilation Heat recovery, η = 85% 13 24 19 52 108 Energihushållningsåtgärder genomförs 2010. Sedan nyttjas byggnaden under 50 år. Vi har inte gjort ekonomiska analyser. Energibalans värmeåtervinning ventilation baserad på föreslagna krav vid teknikupphandling. U-värden i W/m 2 K
Primärenergianvändning i brukarfasen under 50 år Primary energy use (kwh/m 2 ) 25000 20000 15000 10000 5000 Space heating Tap water heating Ventilation Houeshold electricty 0 Existing Existing Retrofit Retrofit Existing Retrofit Resistance heating Heat pump District heating, 50% CHP Biomass-based steam turbine Household electricity includes facility electricity excluding for ventilation
Primärenergibalans för produktion av byggnaden och energihushållningsåtgärderna Description Primary energy used (kwh/m 2 ) Initial construction Retrofitting Production of building materials 579 101 On-site construction work 50 9 Recovered biomass residues -345-10 Total 284 100
Primärenergibalans för rivningsfas Description Primary energy used (kwh/m 2 ) Original building Retrofitted building Disassembly 5.2 5.2 Concrete recycling -3-3 Steel recycling -60-60 Wood recovery for fuel -304.6-310.9 Total -362.4-368.7
Primärenergianvändning för produktion av byggnad och energihushållningsåtgärder samt för byggnadsuppvärmning med olika uppvärmningssystem 1995-2060 16000 Primary energy use (kwh/m 2 ) 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 Existing, RH Retrofit, RH Existing, HP Retrofit, HP Existing, DH Retrofit, DH 0 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 2065 Year DH = District heating, 50% CHP; RH = Resistance heating; HP = Heat pump BST= Biomass-based steam turbine supply technology
Total primärenergianvändning över livscykeln med olika energitillförselsystem 1995-2060 35000 30000 Existing, RH Primary energy use (kwh/m 2 ) 25000 20000 15000 10000 5000 Retrofit, RH Existing, HP Existing, DH Retrofit, HP Retrofit, DH 0 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 2065 Year DH = District heating, 50% CHP; RH = Resistance heating; HP = Heat pump BST= Biomass-based steam turbine supply technology
Primärenergianvändning för byggnadsuppvärmning över livscykeln 1995-2060 14000 12000 Original building Retrofitted building Primary energy use (kwh/m 2 ) 10000 8000 6000 4000 2000 0 Resistance heating Heat pump District heating, 50% CHP District heating, 90% CHP Resistance heating Heat pump District heating, 50% CHP District heating, 90% CHP Biomass-based steam turbine Biomass-based integrated gasification combined-cycle
Primärenergianvändning för byggnadsuppvärmning och tappvarmvatten över livscykeln 1995-2060 25000 Primary energy use (kwh/m 2 ) 20000 15000 10000 5000 Original building Retrofitted building 0 Resistance heating Heat pump District heating, 50% CHP District heating, 90% CHP Resistance heating Heat pump District heating, 50% CHP District heating, 90% CHP Biomass-based steam turbine Biomass-based integrated gasification combined-cycle
Årlig primärenergianvändning för byggnadsuppvärmning och tappvarmvatten Primary energy use (kwh/m 2 year ) 400 350 300 250 200 150 100 50 Reference Efficient taps Efficient taps + Roof Efficient taps + Roof+ Windows Efficient taps + Roof+ Windows + Doors Efficient taps + Roof+ Windows + Doors + External walls Efficient taps + Roof+ Windows + Doors + External walls + Heat recovery 0 Resistance heating Heat pump District heating, 50% CHP Biomass-based steam turbine
Årlig primärenergianvändning för byggnadsuppvärmning och tappvarmvatten Primary energy use (kwh/m 2 year ) 200 175 150 125 100 75 50 25 Reference Efficient taps Efficient taps + Roof Efficient taps + Roof+ Windows Efficient taps + Roof+ Windows + Doors Efficient taps + Roof+ Windows + Doors + External walls Efficient taps + Roof+ Windows + Doors + External walls + Heat recovery 0 District heating, 50% CHP District heating, 90% CHP District heating, 50% CHP District heating, 90% CHP Electricity use increase by 15 kwh/m 2 year due to heat exchanger Electricity use increase by 7.5 kwh/m 2 year due to heat exchanger Biomass-based steam turbine
Årlig primärenergianvändning för byggnadsuppvärmning och tappvarmvatten Primary energy use (kwh/m 2 year ) 225 200 175 150 125 100 75 50 25 Reference Efficient taps Efficient taps + Roof Efficient taps + Roof+ Windows Efficient taps + Roof+ Windows + Doors Efficient taps + Roof+ Windows + Doors + External walls Efficient taps + Roof+ Windows + Doors + External walls + Heat recovery 0 Heat pump Electricity use increase by 15 kwh/m 2 year due to heat exchanger Heat pump Electricity use increase by 7.5 kwh/m 2 year due to heat exchanger Biomass-based steam turbine
Energi- och klimateffektiv byggd miljö några slutsatser Långsiktigt strategiskt perspektiv Förnybara resurser Energi- och materialeffektiva system Energisnåla byggnader (täta och mycket välisolerade) och energieffektiva tillförselsystem (t.ex. fjärrvärme med kraftvärmeproduktion) Använd restprodukter på ett bra sätt (t. ex. trärester för att ersätta fossil energi)
Energihushållning Lågt primärenergibehov för att producera energihushållningsåtgärder Kombinera energihushållning och effektiv energitillförsel Minimera användandet av el och undvik elvärme Lågt elbehov krävs för värmeåtervinningssystem Förstå interaktionen mellan energianvändning och energitillförsel