Integrated system of photovoltaic electricity and heat extraction from wastewater in multi-family buildnings : Model of Evertherm SEW in combination with photovoltaic cells in three Swedish cities

För att minska samhällens påverkan på klimatet finns ett antal mål och strategier såväl på global som nationell nivå. En av dessa är Agenda 2030 där Mål 7: hållbar energi för alla bland annat syftar till att öka takten för energieffektiviseringar. En viktig sektor för energieffektiviseringar är byggnads- och bostadssektorn, då denna i dag står för 35 % av det globala energibehovet. För att minska energianvändningen och/eller inköpt energi i byggnader finns ett flertal möjliga åtgärder så som tilläggsisolering, uppgradering av värmeväxlare och installation av värmepump. En effektiviseringsåtgärd som tidigare inte varit vidare uppmärksammad men som kommer spela en stor roll för att nå effektiviseringsmål är värmeåtervinning från byggnaders spillvatten. Det finns olika tekniker för att ta vara på denna, i detta arbete undersöks tekniken Evertherm SEW som består av värmeväxlare, tankar och en värmepump och som tar vara på restvärmen. Då implementering av en värmepump leder till att behovet av inköpt el ökar undersöks även solceller, som kan reducera detta behov. I examensarbetet skapas en modell som undersöker de möjliga energi- och kostnadsbesparingar som erhålls vid implementation av solceller, Evertherm SEW samt dessa kombinerade i en systemlösning i tre svenska städer. Hur energipriser påverkar lönsamheten och vilken inverkan en storskalig implementering av Systemlösningen skulle ha på Sveriges el- och fjärrvärmesektor undersöks också. Resultaten visar att det geografiska läget för de tre systemen spelar roll då energi- och kostnadsbesparingarna varierar till följd av de lokala förutsättningar. För Solcellssystemet återfinns störst potential i Malmö till följd av hög solinstrålning och höga elpriser, medan lägst potential återfinns i Umeå. När Evertherm SEW studeras framgår att de höga elpriserna i Malmö i kombination med låga fjärrvärmepriser leder till att detta är staden med lägst potential för en implementering. I stället återfinns störst potential i Stockholm med liknande potential även i Umeå. Eftersom Systemlösningen är en sammankoppling av Solcellssystemet och Evertherm SEW är potentialen större i Malmö för denna än för ett fristående Evertherm SEW system, men fortfarande lägst då de tre städerna jämförs. Jämförs de tre olika systemen med varandra framgår det att Systemlösningen genererar de största årliga besparingarna, följt av Evertherm SEW och därefter Solcellssystemet. För återbetalningstiderna har Solcellssystemet de kortaste, följt av Systemlösningen och sedan Evertherm SEW. Lönsamheten för Evertherm SEW och Systemlösningen ökar, enligt resultatet, då det genomsnittliga fjärrvärmepriset ligger närmre eller är högre än det genomsnittliga elpriset som använts i beräkningarna. De genomförda modelleringarna visar också på att en storskalig implementering av Systemlösningen i Sverige skulle medföra ett reducerat årligt nettobehov av såväl fjärrvärme som el. Detta leder till att koldioxidutsläppen från el- och värmeproduktion i el- och fjärrvärmenäten kommer att minska på årsbasis. Studeras i stället påverkan på månadsbasis kommer elbehovet under vinterhalvåret öka medan överskottsel från solcellerna i Systemlösningen under sommarhalvåret skickas ut på nätet. Utifån resultaten rekommenderas den tekniska möjligheten att implementera Systemlösningen undersökas vidare då denna visar på förbättrad lönsamhet och minskat årligt behov av inköpt el och värme.There are several strategies and goals in place to reduce societies impact on the climate, on a national level as well as a global. One of these goals is Agenda 2030 where Goal 7: Sustainable energy for all among others aims to increase the rate of implemented energy efficiency measures. One important sector for these measures is the building and housing sector, since this sector accounts for 35% of the global energy demand. There are several available measures to reduce the energy usage in buildings, such as additional insulation, upgraded heat exchangers and installation of heat pumps. One energy efficiency measure that has not previously been widely used, but that will play a part in reaching the energy efficiency targets, is heat recycling from the buildings wastewater flows. There are multiple technologies that try to harness this heat source, and one of these is examined in this master thesis. This technology is called Evertherm SEW and uses a system solution consisting of heat exchangers, buffer tanks and a heat pump to recycle the heat from the wastewater. Since the implementation of a heat pump increases electricity usage, the ability for photovoltaic (PV) cells to compensate for this is also being examined. Through constructed models, the thesis examines the possible energy and cost savings obtained when implementing PV cells, Evertherm SEW and these combined in a system solution in three Swedish cities. How energy prices affect profitability and what impact a large-scale implementation of the system implementation would have on Sweden's electricity and district heating sector is also examined. The results show that the geographical location of the three systems have an impact on the energy and cost savings which vary as a result of the local conditions. For the PV system, the greatest potential for implementation is found in Malmö due to high solar radiation and high electricity prices, while the lowest potential is found in Umeå. When Evertherm SEW is studied, it appears that the high electricity prices in Malmö in combination with low district heating prices lead to this being the city with the lowest potential for implementation. Instead, the greatest potential is found in Stockholm with similar potential in Umeå as well. Since the system implementation is an interconnection of the PV system and Evertherm SEW, the potential is greater in Malmö for the system implementation than for an independent Evertherm SEW system. Despite this, Malmö still has the lowest potential when all three cities are compared. If the three different systems are compared with each other, it appears that the System implementation generates the largest annual savings, followed by Evertherm SEW and then the PV system. For payback times, the PV system has the shortest, followed by the System implementation and then Evertherm SEW. Profitability for Evertherm SEW and the System implementation increases, according to the result, when the average district heating price is closer to or higher than the average electricity price used in the calculations. The constructed models also shows that a large-scale implementation of the System implementation in Sweden would lead to a reduced annual net demand for both district heating and electricity. This means that carbon dioxide emissions from electricity and heat production will be reduced on an annual basis. If the impact is studied on a monthly basis instead, the need for electricity will increase during the winter, while surplus electricity generated from the PV-system during the summer will be sent out on the grid. Based on the results, it is recommended that the technical feasibility of the System implementation is investigated further as it is shown to improve profitability and reduce annual need for purchased electricity and heat