Nyckelfärdiga lösningar med solceller och energilagring
Städer står för 70 procent av de globala koldioxidutsläppen. Därför finns det en stor potential i att minska utsläppen och därmed förbättra klimatfotavtrycket från urbana miljöer. Eftersom städer utgör mycket dynamiska och täta ekosystem erbjuder de flera alternativ som kan utvecklas för att nå klimatmålen. Ett lovande alternativ är integrationen av solceller kombinerat med energilagringssystem (ESS).
Bakgrund
Städer sticker ut i statistiken för globala koldioxidutsläpp som ansvariga för hela 70 procent av utsläppen. Detta är kopplat till det faktum att urbana miljöer förbrukar mer än två tredjedelar av världens energi. Städer utgör därmed en viktig del i förändring -och utvecklingsarbetet för att uppnå de globala klimatmålen. I Sverige är målsättningen att uppnå noll nettoutsläpp senast år 2045. Under 2018 stod den svenska bostads -och tjänstesektorn för 39 procent av den nationella energiförbrukningen och för 58 procent av den totala elanvändningen. Dessutom kom cirka 90 procent av konsumtionen inom sektorn från byggnader såsom hus och lokaler.
I linje med de globala klimatmålen, finns det stor potential för utsläppsminskningar i syfte att minska energiavtrycket från stadsbyggda miljöer. Eftersom städer utgör mycket dynamiska och täta ekosystem erbjuder de många olika aspekter som kan utvecklas för att nå klimatmålen. Ett lovande alternativ är att integrera solcellspaneler i kombination med energilagringssystem (ESS). En snabb implementering av denna lösning innebär dock vissa utmaningar. Installationer av solceller i Sverige har ökat de senaste åren. Trots detta står PV-produktion idag för mindre än 0,5 procent av landets energiproduktion vilket är långt ifrån målsättningen till år 2040. Den outnyttjade potentialen hos PV i större bostadshus är därmed en viktig aspekt för att uppnå klimatmålen.
Syfte
Syftet med projektet är att studera implementering och optimal drift av nyckelfärdiga lösningar som involverar solceller kopplade till energilagringssystem (PV-ESS). För att genomföra detta används ett tvåfaldigt tillvägagångssätt där effekten av policyändringar undersöks med hjälp av teknoekonomiska scenarioanalyser samtidigt som systemlösningen PV-ESS demonstreras på KTH Live-In Lab.
- Förbättra tillgången till solenergi inom bostadssektorn genom att identifiera hållbara PV-ESS affärsmodeller.
- Utveckla och demonstrera två viktiga PV-ESS-relaterade innovationer som ökar flexibiliteten och motståndskraften hos solcellssystem med en integrerad drift i byggnader.
Projektbeskrivning
Projektet utgörs av två parallella och kompletterande delar:
1. Teknoekonomiska scenariobaserade analyser.
- Identifiera affärsmodeller för solenergiutvecklare, prosumers och distributörer samt verktyg som följer nätreglerna.
- Utvärdera distributionen av solenergi bortom testbädden via maskininlärning och med hänsyn till solenergins dagsbaserade och säsongsbetonade karaktär samt priser och efterfrågan.
2. En demonstrativ testbädd.
- Utveckling och verifiering i relevant miljö av en ny optimerad PV-ESS nyckelfärdig lösning för applikationer inom C&I marknadssegmentet.
- En 150kW solcellsinstallation, ett 300kWh målbatterisystem och en optimerad hantering av den integrerade lösningen.
- En Li-ion batteriinstallation, den första i sitt slag, gjord av prismatisk cellförpackningsdesign tillverkad och monterad i Sverige med ett urladdningsdjup på 80 % och en livslängd på 5 000 cykler.
- Mätning och utvärdering av systemet under minst 3 600 timmar fördelat på de olika årstiderna för att validera styrsystemet.
- Utveckla en generisk "plug-and-play"-arkitektur för PV-ESS-lösningen som gör den nyckelfärdig för framtida implementeringsplatser.
- Riktlinjer för design, installation och drift av de tekniska systemen kommer att tillhandahållas i enlighet med gällande regler och aktuella möjligheter för intäktsgenerering.
Implementering
Northvolt kommer att leda arbetet med batterisystemets design, tillverkning samt installation. Leverantörer av elektrisk utrustning som redan samarbetar med Northvolt kommer också att stödja projektet. KTH kommer att leda arbetet med styrmjukvaruaspekterna kopplade till optimala laddnings- och urladdningsstrategier som en funktion av prognostiserad solelproduktion, konsumentefterfrågan, nätpriser och batteritillstånd (kombinerar ML och stokastiska algoritmer med linjär optimering med blandade heltallösare).
Det kompletta systemet (hårdvara plus styrmjukvara) kommer att installeras på KTH Live-In-Lab, där KTH-forskare kommer att hantera driften och datainsamlingen för att sedan slutligen utföra verifieringsprocessen och föreslå systemmodifieringar inför potentiell kommersialisering av den nyckelfärdiga lösningen av Northvolt. Live-In-Labs installation kommer att ingå i en testbäddsbyggnad med totalt 150kW solcellskapacitet, vilket motsvarar en genomsnittlig produktion på 230 MWh/år (Testbed EM).
EM kommer att bidra till projektet genom att tillhandahålla överskottsel som genereras av PV-anläggningen och övervaka systemintegration med befintlig installation. EM kommer även att bidra direkt till scenarioanalysverksamheten genom att tillhandahålla relevant information från andra befintliga och planerade flerfamiljshus i Stockholmsregionen med integrerade solcellsanläggningar på hustak. På ett liknande sätt kommer Northvolt att bidra direkt till affärsmodellutvecklingsuppgifterna genom att finansiera en ny industridoktorand vid KTH, specifikt inriktad på att identifiera de bästa affärsmodellerna för solenergi samt lagring av nyckelfärdiga lösningar. Detta kommer resultera i ett underlag som möjliggör för produkten att demonstreras som en del av deras portfölj av nya lösningar för aktörer inom byggnadssektorn, kommersiella sektorn samt industrin.
Projektets slutmål
- Styrsystemet ska möjliggöra en ökning av egenförbrukningen av den befintliga solcellsanläggningen i testbäddsanläggningen med minst 20 %, även baserat på årliga minskningar med 5 % och 10 % i nätanvändning under rusningstid respektive distributionsförluster.
- Överväg alla möjliga intäktsgenereringsstrategier och tekniska begränsningar för att totalt öka installationens lönsamhet med minst 15 %.
- Den föreslagna nyckelfärdiga PV-ESS-lösningen ska uppfylla ett mål på 18 öre/kWh för en produkt med 2 timmars lagringskapacitet och en livslängd på 20 år, inklusive byte av ESS efter varje 5 000 cykler.
- CO2-avtrycket för den industrialiserade PV-ESS-lösningen får inte överstiga 50 kg CO2-ekv/kWh.
Projekresultat
Projektets resultat kommer att publiceras i tre vetenskapliga tidskrifter och i fyra konferenshandlingar. Projektets framsteg, preliminära resultat och slutliga resultat kommer också att kommuniceras via KTH Live-In Labs kommunikationskanaler för att maximera projektets samhälleliga påverkan. Kommunikationskanalerna för KTH Live-In Lab är i första hand webbplatsen samt workshops, som lockar flera intressenter, inklusive byggherrar, konsulter, designers, entreprenörer, beslutsfattare, byggnadsanvändare och studenter. Resultat kommer också att förmedlas genom Viable Cities Community, som inkluderar alla relevanta parter i den fyrfaldiga helixen (politiker, forskning, industri och civilsamhället). Regelbundna seminarier kommer också att hållas och förberedas ad hoc för att interagera med identifierade intressenter.
