Systemanalys av termisk samverkan mellan solceller och värmepump i flerbostadshus : Modellering och scenarioanalyser av innovativa systemutformningar samt  väderförhållanden med fokus på energi, klimat och ekonomi

Sammanfattning: Att arbeta mot minskad klimatpåverkan är centralt i dagens samhälle och ett måste för en hållbar utveckling. Ett omdiskuterat område är utfasningen av äldre, fossilt baserad, elproduktion för att ge plats åt förnybar elproduktion. Det vill säga ”grön el”. Solceller, en typ av grön el, har under de senaste åren blivit billigare. Detta kan ses på den ökade installerade effekten varje år bland flerbostadshus från att Sverige började med ekonomiska bidrag till solceller år 2006. Solceller får en ökad verkningsgrad av högre instrålning men även av en lägre celltemperatur. Samtidigt gynnas värmepumpar, som är vanligt för fastighetsuppvärmning, av ett ökat COP om den tillkopplade köldbäraren når värmepumpen med en högre temperatur vilket ökar potentialen att leverera värme. Då solceller gynnas av låg temperatur och värmepumpen gynnas av hög köldbärartemperatur finns det ett motiv för värmeväxling mellan enheterna – termisk samverkan. Syftet med examensarbetet blir att öka kunskap genom en systemanalys om hur solceller och värmepump kan samverka i ett energi- och kostnadseffektivare energisystem via termisk samverkan. I examensarbetet har två modeller av en fastighets energisystem byggts; med och utan termisk samverkan mellan värmepump och solceller. I energisystemet ingår fastighetens värme- och elsystem och är placerat i Karlstad. Värmesystemet består av frånluftvärmepump med fjärrvärme som spets och elsystemet består av fastighets- och hushållsel samt solceller. Resultat från modellerna jämförs med varandra med fokus på inköp av el och fjärrvärme, försäljning av el, koldioxidutsläpp och ekonomi. Resultatet från båda modellerna har även undersökts och jämförts i 8 scenarier. Scenarierna ändrar på systemutformning och väderfaktorer, exempelvis optimering av elproduktion eller byte av geografisk placering. Modellerna är byggda i Matlabs modelleringsprogram Simulink och grundas på energibalanser. Data fås från intressenten av detta arbete (HSB Värmland), produktblad för solpanelerna (där en solpanel är en matris av solceller), egna mätningar från fastigheten, antaganden och liknande försök från vetenskapliga artiklar. Koldioxidutsläpp från el baseras på marginalelsprincipen. Resultatet av ett energisystem i en fastighet i Karlstad med termisk samverkan mellan solceller och frånluftvärmepump bidrar till minskat koldioxidutsläpp på 1239 kg/år och 448 kg/år för kort respektive lång sikt. Årskostnaden minskar med 290 kr/år vilket gör det svårt att motivera termisk samverkan ur ett ekonomiskt perspektiv. Detta för att investeringskostnaden maximalt får nå 7250 kr över 25 år för att termisk samverkan ska vara ekonomiskt gynnsamt. Inköpet av el minskar och försäljningen av el samt inköpet av fjärrvärme ökar. Årsmedelvärdet för värmepumpens COP ökar från 4,56 till 5,30 och årsmedelvärdet för solcellernas verkningsgrad ökar från 21,15 till 21,16 %. Ett samverkande system har potentialen att bli mer attraktivt om elpriset ökar. I scenarioanalysen uppkommer ett scenario, när elproduktionen från solcellerna optimeras, som medför betydligt lägre årskostnad från ett termiskt samverkande system jämfört med andra scenarier. Detta scenario medför reglering av köldbärarflöde, värmeväxlararea och tillsätter extern kylning. Årskostnaden av ett termiskt samverkande system minskas med 1920 kr/år till följd av denna systemutformning. Eftersom flera regleringar behöver göras anses detta scenario som komplicerat att få praktiskt genomförbart. Ett scenario, när det samverkande systemet utformas utan frånluftåtervinning, är potentiellt ekonomiskt gynnsamt för nybyggnation av värmesystem. Scenariot medför att ett termiskt samverkande system ger minskad årskostnad jämfört mot ett icke-samverkande system med frånluftåtervinning. Det förväntas att nya värmesystem kan konstrueras utan frånluftåtervinning och därmed minska investeringskostnaden för nybyggnation. Eftersom investerings- och driftkostnader av frånluftåtervinning inte har hanterats i detta arbete behövs det vidare studier. Termisk samverkan blir mer gynnsamt i varmare länder än Sverige men bidrar inte till minskat koldioxidutsläpp i lika hög grad. Det uppkom att om energisystemet placeras i Kiruna ökar både årskostnaden och koldioxidutsläppen. När energisystemet placeras i Lund var resultaten liknande mot i Karlstad. Detta för att klimatdata från Lund efterliknar klimatdata från Karlstad. När energisystemet placerades och jämfördes i Aten (Grekland) minskade årskostnaden och bidrog till minskat koldioxidutsläpp. Årskostnaden för systemet placerat i Aten blev lägre än årskostnaden i Lund men koldioxidutsläppet i Aten blev högre än koldioxidutsläppet i Lund. Eftersom systemet i Lund medför lägre koldioxidutsläpp än i Kiruna och Aten kan det finnas en brytpunkt i lokalt klimat där koldioxidutsläppen är som lägst från ett samverkande system.