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)
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
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
Innhold 1. Hva er nullenergibygg (ZEB)? 2. Effektprofiler ZEB bygg eksisterende bygg 3. Kraftmarkedsanalyse av Norden med 50 % ZEB i 2030 4. Konklusjon
1. Hva er ZEB?
Zero Energy Building Systemgrense Netto null Årsbasis Svært energieffektivt Redusert oppvarmingsbehov el EKSPORT EL- SPESIFIKT behov el IMPORT Lokal produksjon el EKSPORT VARME behov bio IMPORT eksport fra bygget (sommer) import til bygget (vinter). = 0
2. Effektprofiler for ZEB bygg Timesmålinger av 200 næringsbygg Regresjonsanalyse Predikere last
Lastprofiler for ZEB Varmebehov Romvarme Varmtvann El-spesifikt behov Apparater Vifter og pumper Belysning W/m2 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 KONTOR 1 25 49 73 97 121 145 Hour of the week HEAT demand Normal HEAT demand Passive W/m2 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 KONTOR 1 25 49 73 97 121 145 Hour of the week ELEC demand Normal ELEC demand Passive
Varighetskurve ZEB-bygg Effekt ca. - 40% Kontor: - 39 % Skole: - 48 % Bolig: - 42% Energi - 30 til - 60 % Kontor: - 27% Skole: - 57% Bolig: - 44%
3a. Kraftmarkedsanalyse Lastprofiler Model case
Modell RUS 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 EST GBR LIT NL GER Lindberg, Impact of ZEB POL on the energy system
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 Elektrisitetsforbruk (TWh/år) 160 140 120 100 80 60 40 20 0-20 -40 DIR (direct electric) HP (heat pumps) OTH (other heat) Industry & EVs Existing buildings ZEB buildings PV Net electric demand BAU ZEB cases
Lastprofil i 2030 Med 50 % ZEB bygg 100 90 Daglig forbruksprofil, NO2 80 70 BAU GWh/day 60 50 40 DIR HP (ZEB m/panelovn) (ZEB m/varmepumpe) 30 20 OTH (ZEB m/annen varmeteknologi enn el) 10 0 1 41 81 121 161 201 241 281 321 361 Day of the year
3b. Kraftmarkedsanalyse Resultater fra BAU og ZEB-HP case
Vannmagasiner Magasinnivå 100 % Reservoir level [%] 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % Week 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 BAU -- max ZEB_HP - max BAU -- avg ZEB_HP - avg BAU -- min ZEB_HP - min
Energieffektivisering Får mer energi tilgjengelig Solproduksjon (PV) Øker tilgang til energi Varierer lite fra år til år GWh/day 100 80 60 40 20 0 300 LASTPROFIL 1 41 81 121 161 201 241 281 321 361 Day of the year PV PRODUKSJONSPROFIL BAU ZEB_HP Magasinnivå Vannkraftprodusentene tilpasser seg forandringene «Kjent» PV produksjon øker om våren Sesonlagring av vann mindre kritisk Lavere flomtap Økt kraftproduksjon GWh/wk Reservoir level [%] 200 100 0 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 Week of the year Week 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 BAU - max ZEB_HP - max BAU - avg ZEB_HP - avg BAU - min ZEB_HP - min
Nordisk kraftproduksjon Fossil kraftproduksjon Redusert med 4-6 TWh i normalår Produksjonssammensetning i en sommeruke GWh/h 60 40 20 0 week 25 0 24 48 72 96 120 144 Hour of the week nuclear coal lignite peat gas bio wind PV hydro
Kraftpriser Normalår Årlig gjennomsnittspris: -9 til -15 % Prisprofil om sommeren er snudd opp-ned 50 Winter. NO2. 50 Summer. NO2. Price (orenok/kwh) 45 40 35 30 25 1 7 1319 1 7 1319 1 7 1319 45 40 35 30 25 1 7 1319 1 7 1319 1 7 1319 BAU ZEB_DIR ZEB_HP ZEB_OTH Thursday Friday Saturday Thursday Friday Saturday
Kraftutveksling Nordisk kraftbalanse (normalår) Øker fra +36 TWh (BAU) til +60 TWh (ZEB_HP) Massiv eksport til UK, NL, DE & Baltikum MW 10000 8000 6000 4000 2000 0-2000 -4000-6000 -8000-10000 Netto eksport fra Norge. Sum alle overføringslinjer. 66 % 3hr-period of the year 90 % max export max import 1 256 511 766 1021 1276 1531 1786 2041 2296 2551 2806 BAU ZEB_HP
4. Konklusjon Storstilt utbredelse av ZEB i Norge Konsekvenser for det Nordiske kraftsystemet i 2030
Konklusjoner Elektrisitetsforbruket el til oppvarming (vinter) + produksjon fra PV (sommer) Netto elforbruk: reduseres 17 27 % 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 %
Hovedpoeng ZEB lavere effektbelastning enn eksisterende bygg Foto: K.B.Lindberg 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
Takk til Interessert i å vite mer? kli@nve.no Tlf: 99604272
Ekstra
Fremtidig bygningsmasse Area (mill. m2) 600 500 400 300 200 100 0 19 % 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 2032 2034 2036 2038 2040 2042 2044 2046 2048 2050 -> 1949 TEK 49 TEK 69 TEK 87 TEK 97 TEK 07 TEK 10 TEK 15 TEK 20 Demolished New Byggstandard for eksisterende bygg "Beste tilgjengelige" byggstandard Kilde: NVEs egne fremskrivninger Case studie: 50 % ZEBs i 2030
Aggregeringsmetodikk Lastprofil per byggkategori (11) per region (5) for alle klimatiske år (50) i r a Building stock 2 S ir, [mill. m ] Building s electricity consumption Predicted Electricity demand y tira EL 2,,, [Wh / m ] Predicted Heat demand y tira H 2,,, [Wh / m ] Ambient temperature T tr, Aggregated load: y * S = Y Electric spec. demand EL Y tra,, Heat demand H Y tra,, Electricity demand EL Y tra,, Electric Boiler direl Y tra,, Heat pumps EL-to-HP Y tra,, Other (wood, pellets, gas) Aggregated total electric load profile EL-TOT Y tra,, [MWh/hr]
Load profiles Heat demand profile peak power (- 50 %) annual heat consumption (- 60 %) Electric specific profile Little change (ca. - 10% for Office) Heat (Wh/m2) 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 Electricity (Wh/h per m2) HEAT 1 25 49 73 97 121 145 HEAT demand Normal ELECTRIC SPECIFIC 0 24 48 72 96 120 144 168 Hour of the week Normal Office Normal School HEAT demand Passive Passive Office Passive School Total electric load (if covering heat demand by direct electricity) Peak power (- ca 40 %) Wh/m2 80 70 60 50 40 30 20 10 0 TOTAL ELECTRICITY 1 25 49 73 97 121 145 Lindberg, Offices Direct Impact EH of ZEB on P the Offices energy Direct system EH
Future demand Annual energy demand TWh/yr 70 60 HEAT DEMAND TWh/yr 70 60 ELECTRIC SPECIFIC DEMAND 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 no pass 25% pass 50% pass no pass 25% pass 50% pass 0 no pass 25% pass 50% pass no pass 25% pass 50% pass 2010 2030 2050 2010 2030 2050 Households SUM Non-residential SUM Households SUM Non-residential SUM Heat demand dominated by households high impact of technical standard Electric specific demand dominated by non-residential buildings little impact of technical standard
Hourly total electric load 2030 6 with 50 % passive buildings «normal» climatic conditions NO2 - timesforbruk 5 4 3 2 1 0 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 BAU DIR HP OTH
Nær ZEB - hvor nært? Lokal produksjon ZEB-skole Fra: passiv-bygg ingen nullkrav Til: 100% ZEB balansen må være strengt = 0 (dvs. import = eksport) Forbruk
Effektprofil for el-forbruk Nær nullenergibygg (ZEB) import W/m 2 export 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 -30-35 -40-45 Hour Maks last = 80 W/m2 Maks eksport = 40 W/m2 8760 nozero (HP) 50% zeroco2 (Bio) 100% zeroco2 (Bio) 100% zeroco2 (HP)
Oppvarmingsteknologi i bygg For eksisterende bygg Database for Energimerkeordningen SSBs statistikk for oppvarmingsteknologier SSBs Energibalanse (sluttbruk av ulike energivarer per forbrukssektor) Småhus Skole Universitet Leilighet Næringsbygg Barnehage Sykehjem Kontor Butikk/ jøpesnter Hotell Sykehus Kultur- og idrettsbyg Panelovn/ elkjel 66 % 66 % 63 % 61 % 36 % 71 % 53 % 63 % 68 % 63 % 36 % 59 % VP 17 % 17 % 10 % 10 % 5 % 16 % 12 % 9 % 11 % 6 % 6 % 11 % Annet 17 % 17 % 27 % 29 % 59 % 13 % 35 % 28 % 21 % 31 % 58 % 31 % For ZEB bygg: må gjette Case studier: DIR, HP og OTH