Cold Thermal Storage in Commercial Buildings : A study and comparison of different cold storage solutions for the property Nöten 3

Det svenska energi- och klimatmålet säger att den svenska elproduktionen ska vara 100% förnybar till 2040 vilket förutspås sätta större press på flexibel elanvändning. Utöver det hotar en kapacitetsbrist i främst de svenska storstäderna då eleffektbehovet vid vissa tidpunkter förutspås bli högre än vad elnätet klarar av att leverera. Bygg- och fastighetssektorn stod 2017 för 32% av den slutliga energianvändningen i Sverige och kylning av kommersiella fastigheter blir allt viktigare med ett varmare klimat och högre krav från hyresgäster. Kyla produceras antingen lokalt, till exempel med kylmaskiner, vilket oftast drivs utav elektricitet alternativt levereras via ett fjärrkylnätverk. Ett sätt att sänka effektbehovet på elnätet alternativt fjärrkylnätverket är att lagra under perioder då kylbehovet är lågt eller elektriciteten billig för att sedan utnyttja den då elpriset stiger eller kyleffektbehovet är högt. Elnätsleverantörerna har idag varierande kostnader beroende på om elektriciteten levereras under hög- eller låglasttider vilket ger ett ekonomiskt incitament att installera ett kyllager i fastigheten.Vasakronans fastighet Nöten 3 har använts som studieobjekt för att simulera ett kyllager. Fastigheten har nyligen installerat kylmaskiner men är fortfarande kopplat till fjärrkyla för att täcka höga kyleffektbehov.Det finns flera olika medium att lagra kyla i där fasförändrande material/Phase change material (PCM), is samt vatten har undersökts. Den undersökta PCM lösningen är levererad från PCM products, islagringslösningen från Baltimore Aircoil medan vattenlagringslösningen uppskattats från tidigare rapporter om stora ackumuleringstankar.En simuleringsmodell i Excel har skapats utifrån timdata över fastighetens kylanvändning. Där har fastighetens kylsystem simulerats med olika kyllagringslösningar där kylmaskinens arbete styrts utifrån elnätleverantörens prissättning. Kyllagrets storlek och dimensioner samt kylsystemets investerings-, underhålls och driftkostnader har presenterats och jämförts mot varandra för att finna den optimala lösningen för den undersökta fastigheten.Ett kyllager med PCM på 2 900 kWh och kylmaskiner på totalt 495 kW anses vara det mest optimala för fastigheten då det dels är det enda kyllagret som får plats i fastigheten. Kylsystemet med kyllagret uppskattas vara ekonomiskt lönsamt jämfört mot ett kylsystem med kylmaskiner och fjärrkylabonnemang. Ytterligare ett alternativ på kyllager till de redan installerade kylmaskinerna presenteras. Ett kyllager på 1250 kWh möjliggör en frånkoppling från fjärrkylanätverket som har en relativt hög fast kostnad men lågt energiuttag.Simuleringsmodellen har många osäkerheter främst gällande de ekonomiska beräkningarna då kostnaderna främst baserats på uppgifter från en leverantör av varje produkt. Även driften och livslängden är osäker då de är baserade på leverantörernas egna uppgifter och inte fristående rapporter. Därmed rekommenderas en installation av ett 1250 kWh PCM lager i Nöten 3 som komplement till de nuvarande kylmaskinerna då det möjliggör undersökning av optimal storlek och drift av kyllagret utan att utgöra en stor risk då kyllagret endast behövs för att täcka höga kyleffektbehov under sommarmånaderna. Samtidigt uppskattas det vara ekonomiskt lönsamt då fjärrkylabonnemanget kan sägas upp.The Swedish energy and environmental goals state that the Swedish electricity production should be 100% renewable in 2040, which predicts a more flexible electricity use. In additional is a capacity shortage threatening urban areas since the electricity grid has not been expanded in the same pace as the electricity demand. In 2017, the construction and real estate sector accounted for 32% of the final energy use in Sweden and comfort cooling of commercial real estate becomes more important with a warmer climate and higher requirements from tenants. Comfort cooling are either locally produced, often with machines driven by electricity, or delivered from a district cooling network. One alternative to decrease the power demand on the electricity grid and district cooling network is to store during times when the cooling need is low or the electricity is cheap for later use when the electricity cost is higher or cooling need is high. Today electricity grid providers have costs that vary with time and demand, this gives an economical incitement to install a cold thermal energy storage in the real estate.The real estate Nöten 3 owned by the real estate company Vasakronan has been used as the case study to simulate a cold thermal energy storage. Cooling machines have recently been installed to decrease the amount of the bought energy but the district cooling is still in use to cover high peak demands.There are several different possible storage mediums where ice, non-ice phase change material (PCM), and liquid water have been studied. The company “PCM Products” deliver the studied PCM, Baltimore Aircoil the ice storage system and the water storage are estimated from previous published reports.A simulation model in Excel was created based on hourly data of the property’s cooling need. The model simulates the cooling system with different cold thermal energy storage where the cooling machines work are regulated based on the variation in the electricity grid cost to minimize the cost. The cold thermal energy storage size and dimension as well as the cooling systems investment, maintenance and operation costs are presented and compared for the optimal storage solution.A cold thermal energy storage of 2 900 kWh with the storage medium PCM and cooling machines with a total capacity of 490 kW are found to be the most suitable cooling system for the property, since it is primarily the only storage that fits inside the building. The cooling system with storage and smaller cooling machines are estimated to be economically feasible compared to today’s cooling system with larger cooling machines and district cooling. An additional cold thermal energy storage of 1250 kWh with the storage medium PCM are proposed, which can complement the already installed cooling machines. The smaller storage enables decoupling from the district cooling and would be economically feasible.The model has several uncertainties, mainly in the economic calculations since the costs are based on information from only one supplier of each product. In addition, the operation and life span is uncertain since they are based on the supplier records and not reviewed reports. Therefore, an installation of a 1250 kWh PCM cold thermal energy storage is recommended as a complement to the existing cooling machine. That enables examination of the optimal size and operation of a cold thermal energy storage without creating a greater risk since the stored cold only are needed during high cooling needs during the summer months. At the same time is it predicted to be economically feasible since the district cooling can be disconnected