Bærekraftig energisystem basert på sesonglagring av solenergi : en mulighetsstudie for Olavsbu

Abstract

Formålet med denne masteroppgaven er å vurdere muligheten for et bærekraftig energisystem for Olavsbu som baserer seg på sesonglagring av solenergi. En metode for sesonglagring av solenergi er å benytte solfangeranlegg i kombinasjon med brønnparker. Brønnparker består av energibrønner i berggrunnen og fungerer som et varmelager. Det er en økende interesse for storskala energisystemer av denne typen. Drake Landing Solar Community med sine 52 boliger har oppnådd en dekningsgrad for oppvarming på over 90 % fra solenergi ved bruk av et slikt energisystem.

Første steg for å vurdere muligheten for etablering av et tilsvarende energisystem på Olavsbu, er å innhente informasjon om ressursgrunnlaget i området. Olavsbu består av øvre og nedre hytte, der hyttetaket til øvre hytte med orientering mot sør-vest, egner seg best for installering av solfangeranlegg. Det eksisterer ingen målestasjon for meteorologiske data på Olavsbu. Simuleringer med bruk av innstrålingsdata fra Løken målestasjon, fem mil sør-øst for Olavsbu, samt estimerte innstrålingsdata fra databasen Meteonorm, viser at innstrålingen på hyttetaket til Olavsbus øvre hytte er forventet å være på mellom 810 – 1030 kWh/m2. På hyttetaket kan det installeres et solfangeranlegg med areal på 94 m2. Beregninger basert på data fra Løken målestasjon, viser at forventet høstet energi fra et solfangeranlegg av denne størrelsen, er på 54 000 kWh årlig.

Beregnede verdier for høstet energi er videre blitt benyttet til å presentere to forslag for et energisystem på Olavsbu. Begge forslagene baserer seg på solfangeranlegg på hyttetaket til øvre hytte samt gulvvarmeanlegg i begge hyttene. For å oppnå ønsket strømning i systemet, foreslås det å installere et PV-anlegg for produksjon av elektrisk energi til drift av sirkulasjonspumper. Beregninger for ulike driftssituasjoner viser at det vil være hensiktsmessig å benytte rør med forholdsvis stor indre diameter i systemet, samt tillate en ΔT i solfangeranlegget på over 30 K. Forslagene skiller seg fra hverandre i valg av varmelager, der det for forslag 1 er valgt å benytte en brønnpark, mens det i forslag 2 er valgt å benytte en akkumulatortank. Beregninger viser at forslag 1 møter 100 % av energibehovet med solenergi, og forslag 2 har en dekningsgrad på 85 % solenergi. Det anbefales å etablere energisystemet foreslått i forslag 1. Dette for å sikre et energioverskudd som kan benyttes til etablering av gode løsninger for klestørking, oppvarming av biologisk toalett og til kompostering av avfall og andre komfortøkende tiltak.

Totale klimagassutslipp for anbefalt energisystem vil på få år være mindre enn utslippene tilknyttet dagens løsning som årlig krever helikopterfrakt med vedforsyning. Grov økonomisk budsjettering av foreslåtte løsninger, viser at energisystemet vil ha en totalkostnad på om lag 900 000 kr over en 20 års-periode. Totalkostnaden for dagens energiløsning over samme periode, er beregnet til å være 1 400 000 kr. Resultatene i denne masteroppgaven viser at sesonglagring av solenergi vil kunne være en bærekraftig energiløsning for Olavsbu, samt være lønnsomt ut fra et økonomisk perspektiv.

The purpose of this study is to assess the possibility of integrating a sustainable energy system at Olavsbu based on seasonal storage of solar energy. A method used for storing solar energy is to install solar collectors combined with a borehole thermal energy storage. A borehole thermal energy storage (BTES) system is an underground structure for storing solar energy. There is an increasing interest for big scale energy systems of this type. Drake Landing Solar community with its 52 homes has achieved, using this kind of energy system, to meet the residental space heating needs with over 90 % by solar thermal energy.

First step to assess the possibility to establish a similar system at Olavsbu, is to collect information about the resource base. Olavsbu is consisting of upper and lower cabin, where the roof of the upper cabin, with its orientation to South-West, is best suited for installing solar collectors. There is no weather station at Olavsbu. Simulations with use of solar irradiance data from Løken weather station, 50 km south-east of Olavsbu, as well as estimated irradiance data from the database Meteonorm, show that the expected insolation can be in the range 810 – 1030 kWh/m2. The roof of the cabin could hold a solar collector plant with an area of 94 m2. Calculations show that energy harvested, using data from Løken weather station, is expected to be 54 000 kWh.

Calculated values for harvested energy are further used to present two appropriate energy systems at Olavsbu. Both suggestions are based on solar collectors at the upper cabin’s roof as well as underfloor heating in both cabins. To achieve desired flow in the system, it is suggested to install a PV-plant for production of electric energy for the operation of circulaton pumps. Calculations for different operation situations shows that it will be beneficial to use pipes with relatively big inner diameters as well as to ensure a ΔT in the collectors to acheive 30 K. The proposed systems differ in the choice of heat storage, where there in option 1 is used a borehole thermal energy storage whereas there in option 2 is chosed to use a accumulator. Calculations show that option 1 meets the energy need with 100 % solar energy, while the covarage ratio is 85 % for option 2. It is recommanded to establish the energy system proposed in option 1. This system will guarantee a energy surplus that could be utilized to establish smart solutions for drying clothes and heating of biological toilets and composting carbage.

The total amount of greenhouse gas emissions for the recommanded system will in few years be less than the emissions from current energy system where helicopters transports wood to the cabins every year. Rough finacial budgeting for recommanded option shows that the total cost for the system period of 20 years, will be about 900 000 NOK. The total cost for todays solution is 1 400 000 NOK. The results of this thesis shows that seasonal storage of solar energy can be a sustainable energy system at Olavsu, as well as profitably on the basis of an economic perspective.