Nullenergibygg øker tilgangen på fornybar strøm

(1)

Lindberg, “Impact of ZEB on the energy system”

Nullenergibygg øker tilgangen på fornybar strøm

KSU-seminar 2016 Bodø, 8.September 2016

Karen Byskov Lindberg PhD stipendiat

Institutt for Elkraftteknikk

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU)

Overingeniør

Energiavdelingen, Seksjon for Energibruk og teknologier

Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE)

(2)

Motivasjon

• EU’s Bygningsenergidirektiv (EPBD)

• Oppdatert i 2010

 alle nye bygg skal være

‘nær’ nullenergibygg

fra 2018/2020

Zero Energy Buildings (ZEB) Zero Emission Buildings (ZEB) Zero Carbon Buildings (ZCB)

Photo: K.B.Lindberg

(3)

Mål

• Storstilt utbredelse av ZEBs

– Energieffektive og energiproduserende bygg

• Hvordan vil dette påvirke kraftsystemet?

– vannmagasiner – kraftpriser

– Norges evne til å handle kapasitet mot Europa

Photo: NVE

(4)

1. Hva er nullenergibygg (ZEB)?

2. Effektprofiler

• ZEB bygg

• eksisterende bygg

3. Kraftmarkedsanalyse av Norden

• med 50 % ZEB i 2030

4. Konklusjon

Innhold

(5)

1. Hva er ZEB?

(6)

Zero Energy Building

el IMPORT el EKSPORT

el EKSPORT

EL- SPESIFIKT

behov

VARME behov

Systemgrense

∑ . = 0

bio IMPORT

• Netto null

– Årsbasis

• Svært energi- effektivt

– Redusert opp- varmingsbehov

• Lokal

produksjon

– eksport fra bygget (sommer)

– import til bygget

(vinter)

(7)

2. Effektprofiler for ZEB bygg

Timesmålinger av 200 næringsbygg

Regresjonsanalyse

Predikere last

(8)

• El-spesifikt behov

– Apparater

– Vifter og pumper – Belysning

• Varmebehov

– Romvarme – Varmtvann

Lastprofiler for ZEB

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1 25 49 73 97 121 145

W/m2

Hour of the week

KONTOR

ELEC demand Normal ELEC demand Passive 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1 25 49 73 97 121 145

W/m2

Hour of the week

KONTOR

HEAT demand Normal HEAT demand Passive

(9)

• Effekt ca. - 40%

– Kontor: - 39 % – Skole: - 48 % – Bolig: - 42%

• Energi - 30 til - 60 %

– Kontor: - 27%

– Skole: - 57%

– Bolig: - 44%

Varighetskurve

ZEB-bygg

(10)

3a. Kraftmarkedsanalyse

Lastprofiler

Model case

(11)

GBR

GER

LIT

EST RUS

NL POL

Modell

• Antagelser for ZEB

– 50 % av norsk bygningsmasse er ZEB i 2030 – PV produksjon 19 TWh/år (20 GW) i 2030

• Samkjøringsmodellen 2030

– Minimerer totale systemkostnader – Stokastisk optimering

– 30 klimatiske senarioår

– Tidshorisont: 1 år, med 3-timers oppløsing – Fastsettelse av kraftproduksjon per

enhet i hvert område

(12)

Model cases

• 50 % ZEB bygg i Norge 2030

– DIR: alle ZEB bruker panelovn – HP: alle ZEB bruker varmepumper

– OTH: alle ZEB varmes med annet en elektrisitet

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

DIR (direct electric)

HP (heat pumps)

OTH (other heat)

BAU ZEB cases

E lekt risit et sf o rb ru k (TW h /år )

Industry & EVs Existing buildings ZEB buildings PV

Net electric demand

(13)

• Med 50 % ZEB bygg

Lastprofil i 2030

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1 41 81 121 161 201 241 281 321 361

GWh/day

Day of the year

Daglig forbruksprofil, NO2

BAU DIR HP OTH

(ZEB m/panelovn) (ZEB m/varmepumpe) (ZEB m/annen

varmeteknologi enn el)

(14)

3b. Kraftmarkedsanalyse

Resultater fra BAU og ZEB-HP case

(15)

Vannmagasiner

• Magasinnivå

0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 %

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

R es er v oi r l ev el [ % ]

Week

BAU - max ZEB_HP - max BAU - avg ZEB_HP - avg BAU - min ZEB_HP - min

0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 %

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

R es er v oi r l ev el [ % ]

Week

BAU - max

BAU - avg

BAU - min

(16)

• Energieffektivisering

– Får mer energi tilgjengelig

• Solproduksjon (PV)

– Øker tilgang til energi – Varierer lite fra år til år

• Magasinnivå

– Vannkraftprodusentene tilpasser seg forandringene

– «Kjent» PV produksjon øker om våren

 Sesonlagring av vann mindre kritisk

 Lavere flomtap

 Økt kraftproduksjon

0 100 200 300

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49

G W h /wk

Week of the year

LASTPROFIL

PV PRODUKSJONSPROFIL

0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 %

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Reservoir level [%]

Week

BAU - max ZEB_HP - max BAU - avg ZEB_HP - avg BAU - min ZEB_HP - min 0

20 40 60 80 100

1 41 81 121 161 201 241 281 321 361

GWh/day

Day of the year

BAU ZEB_HP

(17)

Nordisk kraftproduksjon

• Fossil kraftproduksjon

– Redusert med 4 - 6 TWh i normalår

• Produksjonssammensetning i en sommeruke

0 20 40 60

0 24 48 72 96 120 144

GW h /h

Hour of the week

week 25 nuclear

coal

lignite

peat

gas

bio

wind

PV

hydro

(18)

Kraftpriser

• Normalår

– Årlig gjennomsnittspris: -9 til -15 %

– Prisprofil om sommeren er snudd opp-ned

25 30 35 40 45 50

1 7 1319 1 7 1319 1 7 1319 Thursday Friday Saturday

P ri c e ( or eN O K /k W h)

Winter. NO2.

25 30 35 40 45 50

1 7 1319 1 7 1319 1 7 1319 Thursday Friday Saturday

Summer. NO2.

BAU

ZEB_DIR

ZEB_HP

ZEB_OTH

(19)

Kraftutveksling

• Nordisk kraftbalanse (normalår)

– Øker fra +36 TWh (BAU) til +60 TWh (ZEB_HP) – Massiv eksport til UK, NL, DE & Baltikum

-10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000

1 2 56 5 11 7 66 10 21 12 76 15 31 17 86 20 41 22 96 25 51 28 06

MW

3hr-period of the year

Netto eksport fra Norge. Sum alle overføringslinjer.

BAU ZEB_HP 66 %

90 %

max export

max import

(20)

4. Konklusjon

Storstilt utbredelse av ZEB i Norge

 Konsekvenser for det Nordiske kraftsystemet i 2030

(21)

Konklusjoner

• Elektrisitetsforbruket

– ÷ el til oppvarming (vinter) – + produksjon fra PV (sommer)

• Vannkraftmagasiner

– «Kjent» PV produksjon om våren  redusert flomtap  økt kraftproduksjon 0,5%

• Utveksling mellom Norden og Europa

– Forventet årlig eksport på 36 TWh: øker 47 – 69%

• Kraftpriser

– Massiv PV-produksjon om sommeren  prisprofilen snudd på hodet – Gjennomsnittlig årlige kraftpriser: reduseres 9 – 15 %

Netto elforbruk: reduseres 17 – 27 %

(22)

• ZEB

– lavere effektbelastning enn eksisterende bygg

• ZEB i Norden er håndterbart

• Fleksibel vannkraft

– Tilpasser seg til daglige variasjoner i PV produksjon  god match – MEN, årlig vannkraftproduksjon er uforandret  lavere kraftpriser

• Nye forretningsmuligheter for Norge?

• Videre arbeid

– Detaljerte nettsimuleringer på distribusjonsnivå og regional-nettnivå

Hovedpoeng

Foto: K.B.Lindberg

(23)

Takk til

Interessert i å vite mer?

[email protected]

Tlf: 99604272

(24)

Ekstra

(25)

• Case studie: 50 % ZEBs i 2030

Fremtidig bygningsmasse

0 100 200 300 400 500 600

2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 2032 2034 2036 2038 2040 2042 2044 2046 2048 2050

A re a (mi ll. m2 )

-> 1949 TEK 49 TEK 69 TEK 87 TEK 97 TEK 07 TEK 10 TEK 15 TEK 20 Demolished New

19 %

"Beste tilgjengelige"

byggstandard Byggstandard for eksisterende bygg

Kilde: NVEs egne fremskrivninger

(26)

Aggregeringsmetodikk

Building stock

• Lastprofil per byggkategori (11) per region (5) for alle klimatiske år (50)

Predicted Electricity demand

Heat pumps Electric Boiler Electricity demand

Building’s

electricity consumption

Predicted Heat demand

Other

(wood, pellets, gas)

EL 2

, , ,

[Wh / m ]

t i r a

y

H 2

, , ,

[Wh / m ]

t i r a

y

EL , , t r a

Y

Aggregated total electric load profile

EL-TOT

, ,

[MWh/hr]

t r a

dirEL

Y

, , t r a

Y

EL-to-HP , , t r a

Y

Aggregated load:

y * S = Y

Ambient temperature

2 ,

[mill. m ] S

i r

i r a

Heat demand

H , , t r a

Y

,

T

t r

Electric spec.

demand

EL , , t r a

Y

(27)

Load profiles

• Heat demand profile

– peak power (- 50 %)

– annual heat consumption (- 60 %)

• Electric specific profile

– Little change (ca. - 10% for Office)

• Total electric load

(if covering heat demand by direct electricity) – Peak power (- ca 40 %)

051015202530

Electricity (Wh/h per m2)

0 24 48 72 96 120 144 168

Hour of the week

Normal Office Passive Office Normal School Passive School

0 10 20 30 40 50 60 70 80

1 25 49 73 97 121 145

Wh/m2

TOTAL ELECTRICITY

Offices Direct EH P Offices Direct EH 0

10 20 30 40 50

1 25 49 73 97 121 145

Heat (Wh/m2)

HEAT

HEAT demand Normal HEAT demand Passive

ELECTRIC SPECIFIC

(28)

• Annual energy demand

– Heat demand

• dominated by households

• high impact of technical standard

Future demand

0 10 20 30 40 50 60 70

no pass

25%

pass 50%

pass no pass

25%

pass 50%

pass

2010 2030 2050

TWh/yr

HEAT DEMAND

Households SUM Non-residential SUM 0 10 20 30 40 50 60 70

no pass

25%

pass 50%

pass no pass

25%

pass 50%

pass

2010 2030 2050

TWh/yr ELECTRIC SPECIFIC DEMAND

Households SUM Non-residential SUM

– Electric specific demand

• dominated by non-residential buildings

• little impact of technical standard

(29)

• with 50 % passive buildings

• «normal» climatic conditions

Hourly total electric load 2030

0 1 2 3 4 5 6

1 132 263 394 525 656 787 918 1049 1180 1311 1442 1573 1704 1835 1966 2097 2228 2359 2490 2621 2752 2883 3014 3145 3276 3407 3538 3669 3800 3931 4062 4193 4324 4455 4586 4717 4848 4979 5110 5241 5372 5503 5634 5765 5896 6027 6158 6289 6420 6551 6682 6813 6944 7075 7206 7337 7468 7599 7730 7861 7992 8123 8254 8385 8516 8647

NO2 - timesforbruk

BAU DIR HP OTH

(30)

Nær ZEB - hvor nært?

• ZEB-skole

– Fra: passiv-bygg  ingen nullkrav

– Til: 100% ZEB  balansen må være strengt = 0 (dvs. import = eksport) Lokal

produksjon

Forbruk

(31)

• Nær nullenergibygg (ZEB)

Effektprofil for el-forbruk

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 10 15 20 25 30 35 40 -5 0 5

W /m 2

Hour

noZero (HP)

50% zeroCO2 (Bio) 100% zeroCO2 (Bio) 100% zeroCO2 (HP)

im po rt expo rt

8760

Maks last = 80 W/m2

Maks eksport = 40 W/m2

(32)

• For eksisterende bygg

– Database for Energimerkeordningen

– SSBs statistikk for oppvarmingsteknologier

– SSBs Energibalanse (sluttbruk av ulike energivarer per forbrukssektor)

• For ZEB bygg: må gjette  Case studier: DIR, HP og OTH

Oppvarmingsteknologi i bygg

S m å hus Le il ighe t N æ ri ngs - by gg S k o le Un iv e rs it e t B ar ne - hag e S y k ehj em K ont or B u tik k / jø pes nt er Ho te ll S y k ehus K ul tur - og idr et ts by g