Använda elektrifiering och automatisering för att skapa effektivare och mer hållbara elnät - del två av två

Att ersätta traditionella energikällor i elnätet med hållbara, gröna energikällor kallas elektrifiering. I del 1 av denna serie diskuterades några av de utmaningar som är förknippade med elektrifiering samt hur automation kan bidra till effektivitet och hållbarhet. Den här artikeln, del 2 av 2, handlar om LEED-certifiering (Leadership in Energy and Environmental Design) och ZEB-certifiering (Zero Energy Building) och hur de kan minska koldioxidutsläppen och förbättra hållbarheten.

Certifieringar enligt LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) och ZEB (Zero Energy Building) är viktiga insatser för att stödja samhällets önskan att minska koldioxidutsläppen och förbättra hållbarheten. För att erhålla certifieringar enligt LEED och ZEB krävs en helhetssyn som kombinerar elektrifiering, som ersätter fossila bränslebaserade energisystem, med gröna alternativ som t.ex. solceller och elfordon med avancerade automations- och styrsystem.

LEED-programmet från USGBC (U.S. Green Building Council) omfattar minskade koldioxidutsläpp för befintliga byggnader och vid nybyggnation. Arbetet med ZEB samordnas av EERE (Energy Efficiency and Renewable Energy) vid det amerikanska energidepartementet. För att uppnå certifieringar enligt LEED och ZEB krävs det att arkitekter och entreprenörer tar nya grepp om hur byggnader utformas, byggs och förvaltas. Jämfört med ZEB, som enbart fokuserar på energiförbrukning, är LEED ett mer utbrett koncept som omfattar koldioxid, energi, vatten, avfall, transport, material, hälsa och kvaliteten i inomhusmiljöer.

Denna andra artikel i en serie av två, som handlar om elektrifiering och hållbarhet, börjar med att titta på certifieringsnivåerna för LEED och ZEB och vad som krävs för att uppnå dessa i kommersiella och industriella byggnader, inklusive en jämförelse av flera definitioner av ZEB. Därefter beskrivs ett exempel på hur Phoenix Contact använde automation och egen elektricitetsproduktion med solceller, för att erhålla LEED Silver- och ZEB-certifiering för en 6 500 kvadratmeter stor tillbyggnad på sitt huvudområde, inklusive hur några av företagets egna produkter bidrog till projektets framgång (figur 1). Artikeln avslutas med en blick på hur byggnader med LEED kan bidra till FN:s mål för hållbar utveckling.

Figur 1: Solcellsproduktion på taket var en nyckelfaktor för att anläggningen hos Phoenix Contact skulle erhålla certifieringar enligt LEED Silver och ZEB. (Bildkälla: Phoenix Contact)

LEED är holistiskt

LEED är ett omfattande system som tar hänsyn till alla delar som behövs för att skapa högeffektiva byggnader. Certifieringar enligt standarden LEED baseras på poäng som tilldelas ett projekt utifrån detaljerade kriterier för prestanda. Prestationskategorier och deras relativa betydelse (från mest till minst betydelsefull) är ¹:

• Minska bidraget till den globala klimatförändringen.
• Förbättra enskilda människors hälsa.
• Skydda och återställa vattenresurser.
• Skydda och förbättra den biologiska mångfalden och tjänster för ekosystem.
• Befrämja hållbara och regenerativa materialcykler.
• Förbättra livskvaliteten i samhället.

Det viktigaste kriteriet, att minska bidraget till den globala klimatförändringen, står för 35 % av alla poäng. Certifieringsnivåerna enligt standarden LEED omfattar: Certifierad (40-49 poäng), Silver (50-59 poäng), Guld (60-79 poäng) och Platinum (över 80 poäng).

I den senaste versionen av standarden LEED, v. 4.1, är de flesta poängen relaterade till drift och inbäddad koldioxid. Driftrelaterade koldioxidutsläpp är de koldioxidutsläpp som genereras av uppvärmning, ventilation och luftkonditionering, belysning samt andra byggnadssystem som förbrukar energi. Inbäddade koldioxidutsläpp är utsläpp som är förknippade med produktion av byggmaterial och byggprocesser under byggnadens hela livscykel.

Certifiering enligt LEED är viktigt för att skapa ett grönare samhälle. Byggnader står för 39 % av de globala utsläppen av CO₂, varav 28 % kommer från fastighetsdrift och 11 % från inbäddade utsläpp (figur 2). Eftersom byggnadssektorn är den sektor som bidrar mest till de globala utsläppen av CO₂ har även särskilda program utvecklats för att uppmuntra utvecklingen av nollenergibyggnader.

Figur 2: Fastighetsdrift samt material och konstruktion bidrar i allra högsta grad till den globala produktionen av CO₂. (Bildkälla: new buildings institute)

Definitionen av noll

Noll energi kan verka vara ett enkelt begrepp, men det finns flera olika definitioner. De tre mest citerade är programmet LEED Zero Energy, ILFI (International Living Future Institute) Zero Energy och Zero Code (Zero Code Renewable Energy Procurement Framework) — ett initiativ från organisationen Architecture 2030 som har antagits som energistandard för byggnader i Kalifornien. Det finns betydande skillnader i hur "noll" definieras.

För att uppnå certifiering enligt LEED Zero Energy måste en byggnad ha en energibalans på noll i 12 månader, inklusive energiproduktion på plats och externt genererad (inköpt) energi. Det är inte förbjudet att förbränna fossila bränslen på plats. Den totala energiförbrukningen måste bestå av förnybar energi som genereras på plats eller externt, eller av koldioxidkompensation.

ILFI Zero Energy är den mest restriktiva standarden. Den kräver att förnybara energikällor på plats ska tillgodose 100 % av byggnadens energibehov. Ingen förbränning är tillåten och certifieringen baseras på faktisk prestanda; modellering är inte tillåten.

Zero Code riktar sig särskilt till nya kommersiella och institutionella byggnader, samt medelstora till höga bostadshus. Den definierar en byggnad med noll koldioxid som en byggnad som inte använder några fossila bränslen på plats, som själva producerar eller upphandlar tillräckligt med förnybar energi fri från koldioxid eller koldioxidkrediter, för att tillgodose byggnadens operativa energibehov. Zero Code kräver även att byggnader uppfyller standarden ASHRAE 90.1-2019 för byggnadseffektivitet. Zero Code tillåter användning av andra energieffektivitetsstandarder om de resulterar i samma eller högre energieffektivitet.

LEEDa genom exempel

Phoenix Contact installerade nyligen ett solcellssystem på 961 kW på taket till logistikcentret vid företagets huvudkontor i USA. Systemet genererar tillräckligt med ström för att tillgodose cirka 30 % av anläggningens energibehov, eller motsvarande energiförbrukningen för cirka 160 bostäder per år. Byggnaden certifierades enligt LEED Silver och Zero Energy.

Det befintliga naturgaseldade kraftvärmesystemet med en mikroturbin på 1 MW integrerades med solcellssystemet. Det centrala energistyrningssystemet övervakar solcellsanläggningens produktion och byggnadens energiförbrukning i realtid. Mikroturbinens generator används när det totala energibehovet överstiger solcellssystemets produktion. Det finns tillfällen då solcellssystemet och mikroturbinen används tillsammans för att leverera elektricitet till elnätet genom nettomätning, vilket genererar intäkter för företaget.

Systemet utformades för att minska förbrukningen av naturgas under dagtid och driva mikroturbinens generator främst på natten, vilket maximerar den totala energieffektiviteten och minimerar den totala produktionen av CO₂. Vissa dagar är det möjligt att minska förbrukningen av naturgas till nästan noll. Några statistiska uppgifter om solcellssystemet inkluderar:

• 2 185 solpaneler
• 1 214 235 kWh genereras årligen
• Minskat utsläpp av CO₂ med 879 642 kg

Kontinuerlig övervakning och styrning av enskilda delar i stora solcellsanläggningar som denna är nödvändig för att uppnå maximal effektivitet och tillgänglighet för elproduktion.

Automation behöver användbar information

Effektiv automatisering och styrning av elektrifieringssystem som t.ex. solcellsanläggningar kräver omfattande och användbar information. Realtidsövervakning av varje slinga i solcellspaneler maximerar produktionen och stödjer förebyggande underhåll. Om en slinga oväntat går sönder kan den förlora tusentals kW i kraft med motsvarande ekonomiska förluster.

Solcellssystemet på 961 kW vid Phoenix Contacts huvudkontor i USA omfattar tolv växelriktare med sex slingor av solcellspaneler som matar respektive växelriktare, och de innehåller flera av företagets produkter, så som andra generationens energimätare EMpro och den panelmonterade 2908286. Mätarna är utformade för att mäta och överföra viktiga energiparametrar till molnbaserade plattformar som stödjer fjärrövervakning av systemets samtliga ingående delar. Energimätaren EMpro finns för olika kraftsystem, inklusive en-, två- och trefasinstallationer och konfigurationer. Systemet övervakar många delar i systemet samt driftsförhållanden i realtid, inklusive:

• Växelriktare som övervakas individuellt rörande DC-ingångseffekt, AC-utgångeffekt, aktiv och reaktiv effekt, fel och driftstatus.
• Respektive solcellsslinga övervakas med avseende på ström och spänning. Informationen utvärderas för att fastställa slingans skick och eventuella underhållsbehov.
• Paneltemperaturer övervakas med flertalet sensorer utspridda i hela anläggningen.
• Väderförhållanden som t.ex. vindhastighet och vindriktning, temperatur, relativ luftfuktighet och lufttryck samlas in.
• Solinstrålningen som mäts med två pyranometrar, en med en vinkel på 10° som motsvarar panelernas installationsvinkel och en som är installerad horisontellt.
• Smutsgivare mäter ljusförlusten orsakat av damm och smuts på solcellspanelernas yta.
• Säkerhetsövervakning av systemet tillhandahålls av kameror.

Systemet behöver även loggningsenheter för information, samt gränssnitt. Företagets trådlösa Radioline-moduler, som t.ex. modell 2901541, kommunicerar trådlöst med solcellsmodulens temperatur- och smutsgivare med hjälp av protokollet RS-485. I andra fall används PoE (Power over Ethernet) för att överföra ström och information samtidigt. Intrångsskydd kan tillhandahållas av säkerhetsroutrar i serien FL mGuard 1000, som t.ex. modell 1153079, med brandväggssäkerhet och användaradministration.

För att knyta ihop allt krävs en styrenhet som exempelvis modellen 1069208från Phoenix Contact, som monteras på DIN-skena och är baserad på företagets PLCnext-teknologi (figur 3). I kombination med en I/O-modul, som t.ex. modellen 2702783, samlar styrenheten in information från sensornätverk och överför denna till en molntjänstleverantör. Dessutom körs programmet Solarworx från Phoenix Contacts på en industridator. Medföljande programverktyg och bibliotek stödjer kommunikationsprotokoll och standarder som används inom solenergibranschen. Systemet möjliggör anpassad automatisering och visualisering av solcellssystemets produktion och det är kompatibelt med programpaket från tredje part som kan analysera historisk data och realtidsdata för prestandaoptimering. Biblioteken innehåller funktionsblock som uppfyller kraven för programmerbara styrenheter enligt standarden IEC 61131.

Figur 3: Styrenheter för montering på DIN-skena är lämpligt för storskaliga produktionssystem med solceller. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Inmatningsstyrning är den sista pusselbiten i elektrifieringspusslet för att integrera distribuerade energiresurser (DER), som exempelvis solcellsanläggningar, till elnätet. PGS-styrenheter från Phoenix Contact kan övervaka spänning och reaktiva effektnivåer vid nätanslutningspunkter och konstatera nödvändiga styrvärden för växelriktare för att stödja hantering av kraftinmatning i elnät med medel- och högspänning.

LEED och hållbar utveckling

FN har fastställt 17 hållbara utvecklingsmål ² (SDG) som syftar till att utrota den globala fattigdomen senast 2030. Enligt USGBC kan elektrifiering och automatisering i byggnader med LEED bidra till att uppfylla 11 av de 17 globala målen för hållbar utveckling, bland annat:

Mål 3: God hälsa och välbefinnande

Mål 6: Rent vatten och sanitet

Mål 7: Hållbar och ren energi för alla

Mål 8: Främja varaktig, inkluderande och hållbar ekonomisk tillväxt, full och produktiv sysselsättning samt anständiga arbetsvillkor för alla

Mål 9: Skapa en motståndskraftig infrastruktur, främja inkluderande och hållbar industrialisering samt främja innovation

Mål 10: Minska ojämlikheten inom och mellan länder

Mål 11: Hållbara städer och samhällen

Mål 12: Ansvarsfull konsumtion och produktion

Mål 13: Klimatåtgärder

Mål 15: Skydda, återställa och främja hållbar användning av landbaserade ekosystem, hållbart skogsbruk, bekämpa ökenutbredning samt hejda och omvända markförstöring och förlust av biologisk mångfald

Mål 17: Stärka genomförandet och återuppliva det globala partnerskapet för hållbar utveckling

Företagsstrategier kan också bidra till ett mer hållbart samhälle. Att exempelvis erhålla certifieringarna LEED Silver och Zero Energy vid Phoenix Contacts amerikanska logistikcenter var en del av företagets ursprungliga mål för att uppnå koldioxidneutralitet på alla sina globala anläggningar. Företagets nästa mål är att skapa en helt klimatneutral förädlingskedja före år 2030.

Sammanfattning

Byggsektorn är den sektor som bidrar mest till den globala produktionen av CO₂. Certifieringar enligt LEED och ZEB är viktiga verktyg för att mäta framgången med att använda elektrifiering och automation för att skapa mer effektiva och hållbara byggnader. Som framgår kan storskalig egen solcellsproduktion som integreras med kraftvärmekapacitet bidra till ett grönare samhälle. Byggnader med LEED-certifieringar bidrar också till att uppnå FN:s sjutton globala mål för hållbar utveckling och dess mål att utrota den globala fattigdomen senast 2030.

Referenser:

1. Klassificeringssystemet LEED, Green Building Council
2. Mål för hållbar utveckling, Förenta nationerna