Energy calculations on a unique low-energy-building : Calculations of electric needs, thoughts around self-sufficiency and questions about climate impact

För drygt två år sedan började Laura och Erik Vidje att bygga sitt eget hus i utkanten av Umeå. Det här byggprojektet skulle senare visa sig bli ett unikt och uppmärksammat projekt med många involverade och intresserade parter. Byggprojektet involverade en hel fastighet med bostad, gäststuga, garage, jordkällare och solcellsanläggning, och Laura och Erik skulle själva utföra så mycket av arbetet som gick. Vad som gjorde den här fastigheten unik var valet att utforma den efter kraven för passivhus och samtidigt använda sig av okonventionella och återvinningsbara byggnadsmaterial, bland annat var isoleringsmaterialet tänkt att bestå av halm och golvplattan av återvunnet foamglas. Även konstruktionen skulle bli väldigt genomtänkt, där stora fönster placeras mot söder med ett långt taköverhäng som skyddar mot hög solinstrålning på sommar men optimerar instrålningen på vintern. Väggarnas konstruktion var tänkt att bli nästan en meter tjock för att isolera väl och hela byggnaden klimatskärm skulle bli oerhört tät för att minimera värmeförluster, men den mest påtagligt ovanliga egenskapen med bostaden var att den skulle bli rundformad. I dagsläget har stora delar av fastigheten färdigställts, men innan vissa tekniska installationer utförs ville paret Vidje ta reda på vad fastigheten förväntas ha för behov, främst elenergimässigt och hur den kommer att prestera i förhållande till officiella krav. Detta visade sig endast bli positivt för dem då hela fastigheten uppskattas ha ett elenergibehov motsvarande ungefär 23,1 kWh/m2 och år vilket nästan är två tredjedelar av schablonvärdet för endast hushållsenergin. Även BBR-kravet för primärenergital visade sig ligga mer än dubbelt så högt som fastighetens beräknade primärenergital, vilket bevisar den högt planerade kvalitén och hur genomtänkt byggprojektet är. Det fanns även ett intresse att ta reda på vad det finns för nya tekniker inom hållbara hushåll och om dessa kommer att vara möjliga att implementera i deras hushåll. Bland annat var solcellerna kombinerade med ett hemmabatteri en viktig fråga för paret Vidje. De vill kunna använda så mycket av deras egna producerade solel som möjligt. Vad det här arbetet kom fram till var att den inplanerade solcellsanläggningen på 5 kWp (kilowattpeak) skulle lyckas täcka ca 70% av fastighetens årliga elbehov men att inte mer än max hälften av den producerade solelen skulle kunna användas av dem själva. Resten skulle säljas ut på elnätet eller sparas i ett eventuellt hemmabatteri. Vad som blev uppenbart efter batteriets lönsamhetsberäkningar var att med dagens elpriser kommer det alltid vara mer ekonomiskt lönsamt att sälja solcellernas överskottsel ut på nätet. Ekonomisk lönsamhet var ett återkommande tema, inte minst för just solcellerna och hemmabatteriet. För solcellerna låg fokuset på om det skulle bli mer lönsamt att hyra anläggningen eller att köpa den. I slutändan visade det sig inte vara en oerhörd ekonomisk skillnad mellan de två alternativ utan den avgörande aspekten kommer antagligen att vara bekvämligheten av att genomföra edera alternativ. 3 Solcellerna visade sig täcka en stor del av detta arbete då man även ville ta reda på hur stort klimatavtryck den planerade anläggningen kommer att ha jämfört med alternativet att använda elektricitet från Umeå Energis elnät. Resultatet från denna undersökning var nog det mest överraskande av alla resultat. På grund av att en stor del av världens solceller tillverkas i länder med höga växthusgasutsläpp samt kräver mycket energi för att tillverkas så innebär det att solcellers klimatavtryck är det högsta bland förnybara energikällor. Då Umeå Energi har övergått till 100% förnybar elproduktion med andra energislag än solkraft, visade det sig att under solcellernas livstid på 25 år skulle solcellsanläggningens klimatavtryck vara mer än dubbelt så högt än om elen hade tagits från nätet. Paret Vidje ville också veta mer om nyutvecklade energirelaterade tekniker, däribland V2G, självförsörjande hushåll, vätgaslagring, likströmsnät och elbilsladdning, för att kunna avgöra om någon av dessa kommer vara möjliga att integrera med deras fastighet inom en snar framtid. V2G, Vehicle-to-Grid, är fortfarande för outvecklat för att det skall vara möjligt för en privatperson att kunna använda sig av det. Självförsörjning är helt klart möjligt i dagsläget, men den enda väl fungerande metoden verkar vara vätgaslagring och det är fortfarande en teknik som är oetablerad på marknaden och därmed även väldigt dyr. Att ställa om sitt hushåll till ett likströmsnät är en intressant trend som en del kunniga personer har börjat göra de senaste åren, men det verkar dock vara just det, någonting som endast en kunnig och intresserad person i området kan klara av att genomföra i dagsläget. Det finns ingen etablerad teknik för att enkelt kunna ställa om ett hushåll till att använda likström i sina vägguttag. Eftersom paret Vidje planerar att införskaffa en elbil så var de väldigt nyfikna angående hur det kan gå till att ladda sin elbil hemma. Den mest kritiska frågan var om en laddbox var ett krav. Vad arbetet kom fram till var väldigt enkelt, laddbox är tekniskt sett inget krav, men att använda ett vanligt 230 V vägguttag som standard är en dålig och nästintill farlig metod. Det är dessutom en oerhört ineffektiv metod då vägguttag avger väldigt låga effekter och därmed skulle innebära ohållbart långa laddningstider. En laddbox på 11 kW verkar vara det bästa alternativet just nu för att ladda en elbil i hemmet. Snabbladdare på över 22 kW finns tillgängliga men är mer kostsamma och tillför endast kortare laddtid som egentligen inte är nödvändig för de flesta hushåll.About two years ago Laura and Erik Vidje began building their very own home just outside the city of Umeå. This building project would later turn out to become a unique and well noticed project with many involved and interested parties. The building project involved an entire estate with a residence, guest house, cold storage cellar and a PV (photovoltaic) system, and Laura and Erik were planning on doing as work as possible by themselves. What made this estate so unique was the choice of designing it according to the passive house requirements and at the same time be using unconventional and recyclable building materials, among other things was that the isolating material was going to be entirely made up of straw and the base plate would be made of recycled foam glass. The construction was going to be very well thought through, with large window facing south and a long roof overhang that will protect against insolation during summer but optimizes the insolation during winter. The walls would be built almost one meter thick to make great isolation and the entire building envelope were going to be extremely dense to minimize heat loss, but the most obvious unique attribute about the residence were going to be its round shape. By today the estate is nearly finished, but before a few technical instalments is executed the Vidje couple wanted to know what energy related needs the estate will have and how it will perform relative to official requirements. This specifically turned out to be only positive for them because the estate is now estimated to have a total need of electricity at about 23,1 kWh/m2 Atemp and year, which is almost one third lower than the standard value only for household energy. Also, the BBR-requirement for EPpet (primärenergital) turned out to be more than twice as high as the actual EPpet for the estate, which proves how well thought out the building project is and its high quality. In addition to this there were an interest in learning about knew technologies within sustainable housing and whether it was possible to implement these to their home. An important question to the Vidje couple was the possibilities regarding the PV system combined with a battery storage system. They would want to use as much of their own solar electricity as possible. What this project found out was that the 5 kWp (kilowattpeak) PV system would be able to cover around 70% of the estates yearly electricity needs, but that they would only be able to personally use no more than half of all that produced electricity. The rest would have to be sold and transferred out on the grid or possibly be saved in a battery storage unit. What became obvious while calculating the profitability of a battery storage system was that, with today’s electricity pricing, to sell the surplus PV production out on the grid will always be the most economically profitable option. Economic profitability was a reoccurring theme, especially for the PV- and battery storage system. Most of the focus regarding the PV system was between the options of renting it or buying it. In the end it turned out not to be a very significant difference 5 between the two options, the most decisive aspect when choosing will most likely be the difference of overall comfortability between the two. Analysing the PV system became a larger part of this project than expected when another request was to figure out how big of a climate impact the system would have compared to if the same amount of electricity was used from Umeå Energis grid. This analysis came up with probably one of the most interesting results of this entire project. Because PV panels require a lot of energy to produce and a large proportion of all panels in the world are produced in countries with a high carbon footprint, it means that PV systems has one of the worst climate impacts of all renewable energy sources. According to Umeå Energi 100% of their electricity are produced from renewable sources where solar power is not one of them. Because of this it turned out that during the 25-year lifespan of the PV system it would have more than twice the climate impact rather than if the electricity came from the power grid. The Vidje couple also wanted to know more about newly developed technologies related to energy, among things like V2G, self-sustaining homes, hydrogen energy storage, direct current grids and electric vehicle charging, to be able to establish whether any of these would be possible to integrate with their home in the near future. V2G, Vehicle-to- Grid, is still very much under development and therefore are not available for any person to use. Self-sustainability is definitely possible with today’s standards, but the only method that seems to work well enough is hydrogen energy storage which is still not very well established on the market and therefore also very expensive. Readjusting your home to work with a direct current grid is an interesting trend that some knowledgeable people have been doing lately, but it seems to be just that, something only a person who is interested and knowledgeable in the area are capable to perform at this stage. There are now established technique for easily changing your home to be able to run on direct current. Because the Vidje couple are planning on getting an electric car it made them curious about what options there were to be able to charge it at home. The most critical question was if a charging box is a requirement or not. The answer is pretty simple, a charging box is technically not a requirement, but using a 230 V power outlet as standard is a very bad and sometimes even considered as dangerous. It is also a very inefficient method because regular outlets can only put out a relatively low power charge and therefore would mean unreasonably long charging times. An 11 kW charger box seems to be the best option right now be able to charge your electric car at home. Quick chargers above 22 kW to exist but are usually expensive and only lowers the charging time a little bit which for most households are quite unnecessary