Projektet IEA EBC Annex 83 ”Positive Energy Districts” har fokus på at samle den nødvendige viden og udvikle en vejledning til, hvordan Positive Energi Distrikter (PED) kan planlægges og implementeres. Dette gøres med henblik på at reducere og optimere energiforbruget i distrikterne og samtidig øge brugen af vedvarende energi både lokalt og i energiforsyningen
Artiklen har været bragt i HVAC Magasinet nr. 7, 2024 og kan læses uden illustrationer herunder
(Læs originalartiklen her)
Af Muhyiddine Jradi1,Per Sieverts Nielsen2, Peder Bacher3, Jørgen Rose4 og Kirsten Engelund Thomsen4
1 Center for Energy Informatics, Syddansk Universitet
2 DTU Management, Danmarks Tekniske Universitet
3 DTU Compute, Danmarks Tekniske Universitet
4 Institut for Byggeri, By og Miljø, Build, AAU
Danmark har et mål om at reducere CO2-udledningen med 70 procent inden 2030. For at nå dette mål er der behov for at reducere CO2-udledningen i byerne, som står for cirka 70 procent af den samlede CO2-udledning på verdensplan. Energiforbruget i bygningerne udgør 40 procent, mens transportsektoren og industrien også er store energiforbrugere. Tanken om at se på energisituationen på distriktsniveau er, at der er åbenlyse synergier i at se på større sammenhænge såsom bydele med mange bygninger af forskellig type.
Distrikternes helhedsløsninger kan inspirere byerne og måske være springbræt til en samlet løsning, hvor man nødvendigvis også ser ud over distriktsgrænserne. Denne type løsninger er efterspurgte i den grønne omstilling, da de giver bedre muligheder for at optimere og udnytte lokale ressourcer og samtidig kan medvirke til at sikre en højere grad af forsyningssikkerhed.
Danske koncepter for integrerede energisystemer med fjernvarme, køling og termisk lagring implementeret i distrikter vil føre til yderligere implementering af vindenergi i elnettet, og er derfor meget relevante i forhold til PED. Det samme gælder for solceller, da der ofte også vil være mulighed for lokalt at opsamle overskydende energi, som enten kan bruges direkte af den enkelte husstand, i energifællesskaber eller tilføres elnettet. En anden stor dansk interesse ligger i at analysere, hvordan det integrerede energisystem med el, fjernvarme, fjernkøling og bygninger kan opsamle og lagre den fluktuerende vedvarende energi fra sol og vind.
Det overordnede mål med IEA EBC Annex 83 er at samle den nødvendige viden og udvikle en vejledning til, hvordan Positive Energy Districts (PED) planlægges og implementeres, herunder både tekniske og byplanlægningsperspektiver, dvs. inklusive økonomiske, sociale og miljømæssige konsekvensanalyser for forskellige alternative udviklingsveje. IEA Annex-projekter har typisk et stort netværk af deltagende organisationer fra hele verden. I Annex 83 deltager mere end 50 forskellige institutioner fra 18 lande.
Den danske projektdeltagelse startede i sommeren 2020 og løber frem til sommeren 2024. Resultaterne af projektet henvender sig primært til bygningsejere og -brugere, designere og byplanlæggere, serviceudbydere, udviklere, investorer, F&U-organisationer, politiske beslutningstagere, teknologiudbydere, lokale myndigheder, energifællesskaber, energiforsyningsselskaber mv.
Denne artikel viser eksempler på nogle af de bidrag, Danmark har leveret til det internationale projekt.
Definition af PED
I projektet er der blevet arbejdet med at udforme en fælles international PED-definition med fokus på, at definitionen skal være relativt åben og tage form som en ramme, så den kan rumme de mange forskelligartede udgangspunkter, muligheder og begrænsninger, som de enkelte lande er underlagt. Der er blandt andet fundet inspiration i den metode, som anvendes inden for livscyklusvurderinger, hvor systemgrænser, omfang osv. kan ændres for at passe til en given situation.
Der har samtidig været et samarbejde med COST Action PED-EU-NET-medlemmer (PED European Network) med fokus på at fastlægge såkaldte Key Performance Indicators (KPI), dvs. de parametre som for eksempel kan bruges til at måle graden af succes i et givet PED-projekt. Der er også samarbejde med Smart City programmet i det europæiske netværk European Energy Research Alliance. DTU deltager i disse to netværk. Derudover kan det også nævnes, at begrebet PED stammer fra et andet europæisk netværk – JPI Urban Europe, som også er et forsknings- og udviklingsnetværk, hvor også byer deltager.
Den endelige IEA Task 83 PED-definition lyder som følger i dansk oversættelse:
Positive energidistrikter er energieffektive distrikter med netto nul drivhusgasemissioner og en årlig positiv energibalance. De prioriterer brugen af lokal vedvarende energi og ressourcer. De søger at optimere samspillet og integrationen mellem bygninger, brugerne, mobilitet, energi og IKT-systemer. Positive energidistrikter stræber efter at bringe positive virkninger til det bredere energisystem såvel som sociale, økonomiske og miljømæssige fordele for samfundene. Vurderingen af den årlige energibalance er åben for alle metoder, der er veldefinerede og baseret på sunde principper.
Det er i sagens natur næsten lige så kompliceret at vurdere et distrikt som en by. På nogle områder er det nemmere, på andre områder sværere, fordi et distrikt jo er en del af en større helhed. Den lokale energiproduktion skal kortlægges; sol, vind, biomasse, overskudsvarme, som i nogle tilfælde bliver eksporteret, mens der samtidig importeres el, varme, biomasse, varme eller gas. Energiforbruget til mobilitet og transport er i sig selv en vanskelig opgave at vurdere, specielt fordi en stor del af energiforbruget stadig er fossile brændsler, som importeres, men selv eldreven transport kan jo lades både lokalt i distriktet og/eller udenfor distriktet. Så hvordan kan vi vurdere det forbrug?
Vi har faktisk i Danmark meget stor erfaring med lokal energiforsyning gennem vores mange fjernvarmenet. Disse dækker et lokalt varmebehov og er ikke et nationalt netværk, som el- og gasnettet er. Så vi har i Danmark stor erfaring med at drive lokale energifælleskaber. Det bliver dog lige en grad mere kompliceret, når det er alle slags energiforbrug og forsyningsformer, vi forsøger at indarbejde.
Litteraturundersøgelser
I et forskningsprojekt som IEA Annex 83 laver man ofte en state-of-the-art analyse, hvor man gennemfører et litteraturstudie, som afklarer, hvor langt man er kommet med forskningen på området, så der kan arbejdes videre herfra. I Annex 83 er der således indsamlet mere end 80 forskellige publikationer fra forskellige lande og på forskellige sprog. De har alle det til fælles, at de er retningslinjer, som henvender sig til lokale, regionale eller nationale myndigheder, og fokuserer overvejende på byudvikling og planlægningsprocesser eller teknologiske løsninger på distrikts- eller byniveau. Nogle dokumenter er tidsskriftsartikler med et meget snævert syn på specifikke teknologiske design- eller implementeringsaspekter, mens andre fokuserer på mere overordnede principper, men de er alle, i et eller andet omfang, relevante for udviklingen af PED.
Selvom forskningsområdet er relativt nyt, er mængden af tilgængelig information altså overvældende, og det ville tage alt for lang tid manuelt at kategorisere og bearbejde data til et punkt, hvor det er anvendeligt. Derfor er der i stedet anvendt kunstig intelligens (AI) som for eksempel NVIVO til at bearbejde data. AI benyttes således til at trække essensen ud af de mange dokumenter. Tanken er, i sidste ende, at AI’en på baggrund af de mange informationer kan etablere en indholdsfortegnelse til en guideline for udvikling af PED, og samtidig også levere inspiration til, hvad de enkelte kapitler i en sådan guideline skal indeholde – altså et forsøg på at samle al den viden, der eksisterer derude og kondensere den i ét samlet dokument.
Udvikling af generisk værktøj
Der er i projektet også fokuseret på at udvikle metoder, værktøjer og teknologier til generisk modellering, for den vej rundt at kunne planlægge og realisere positive energidistrikter.
Der findes allerede flere værktøjer til generisk modellering (City Analyst, Modelica, Energy Plus), men disse er alle såkaldte deterministiske værktøjer og udelukkende baseret på fysik, så den danske gruppe har blandt andet fokuseret mere på databaseret modellering.
I det følgende gennemgås tre eksempler. Det første eksempel starter på bygningsniveau og er en case fra Høje-Taastrup. Det andet er på distriktsniveau i Odense med fokus på at bestemme det samlede varmeforbrug og det tredje eksempel flytter fokus over på elforbrug og produktion i et distrikt i Hvidovre.
Case Høje-Taastrup
På DTU er der arbejdet på forskellige projekter, der er relevante i forhold til Annex 83 arbejdet. Der er blandt andet modelleret et fjernvarmenetværk i Sengeløse, hvor der udvikles metoder til optimering af netværkets design (rørføring) med Multiple Linear Integer Programming. Der er desuden udført eksperimenter på Borgerskolen i Høje-Taastrup og udviklet modeller til Model Predictive Control (MPC) styring. DTU har sammen med andre Annex 83-deltagere skrevet en artikel om styrings- og optimeringsmetoder til PED.
I forsøg med MPC-styring af varmesystemet på Borgerskolen i Høje-Taastrup, se figur 2, blev der foretaget en optimering baseret på en varierende varmepris (rød linje i nederste plot). Resultatet viser potentialet i, at varmeforbruget (sort linje i nederste plot) reguleres væk fra de dyre perioder, samtidig med at gennemsnitstemperaturen i bygningen (sort linje i øverste plot) holdes inden for komfortgrænserne (stiplet linje i øverste plot) ved en kontinuerlig justering af setpunktet (rød linje øverste plot). Problemet er dog, at de individuelle rumtemperaturer (midterste plot) varierer relativt meget – nogle rum varmes hurtigt op og andre langsomt, så konklusionen var, at det er nødvendigt at udvikle en styring, som tager højde for varmedynamikken i de individuelle rum, og at man ikke kan aggregere dem sammen som “et stort rum i bygningen”.
Case Odense
For området Søhus modelleres og implementeres en fuldskalaanalyse, der tager højde for energiforsyningssystemerne såvel som bygningernes og faciliteternes fysiske omgivelser og konstruktioner. Analyserne dækker blandt andet tiltag i forhold til klimaskærm, energisystemer og de tilhørende el- og varmenet. Formålet er at undersøge muligheden for at omdanne området til det første PED i Odense. Området skal modelleres og undersøges i analyseværktøjet CEA for at simulere forskellige kombinationer af energiproduktion og bygningsrenoveringer som en del af et fremtidigt PED. CEA er et energiplanlægningsværktøj til simulering af energieffektive byer og distrikter.
Søhus ligger i den nordlige del af Odense, cirka 6 kilometer fra centrum. Det var oprindeligt en lille landsby, der kun bestod af et par gårde. Imidlertid er der sket en enorm udvikling i de seneste årtier, og kvarteret er i dag et livligt boligområde. Udvælgelsen af området var baseret på de nuværende planer om at implementere et fuldt renoveringsprojekt i kvarteret samt tilgængeligheden af data om energiforsyningssystemer, bygninger og faciliteter. Området består af over 40 bygninger, hvor der er detaljerede data tilgængelige for 37 af dem. De fleste bygninger er enfamiliehuse og lejligheder bygget i 1980’erne og 1990’erne. Derfor er det også nødvendigt at renovere bygningerne for at reducere energibehovet og dermed bane vejen for en PED-implementering. Hele kvarteret har været tilsluttet et lokalt fjernvarmenet siden 1998, som forsyner bygningerne med varme og varmt brugsvand. Det samlede årlige varmebehov for Søhus var 1.856 MWh i 2022. Fjernvarmen er baseret på en blanding af kul, halm og træpiller, og dermed en blanding af vedvarende og fossile energikilder. I overensstemmelse med den holistiske danske 2050 energistrategi, som sigter mod at opnå 100 procent uafhængighed af fossile brændstoffer i 2050, er et af hovedformålene med renoveringen af kvarteret og etablering af et PED, at udfase de konventionelle fossile energiressourcer og skifte til en 100 procent vedvarende energibaseret produktion. Samtidig er planen også at sigte mod at kunne levere både overskudsvarme og elektricitet ud af distriktet og dermed maksimere de positive energi- og miljøpåvirkninger.
Denne foreløbige undersøgelse betragter implementeringen af forskellige produktionskilder med henblik på at fjerne fossile brændstoffer helt fra fjernvarmesystemet. Udgangspunktet svarer til den brændselsblanding, som området fik leveret i 2022. De fossile brændsler (her kul) erstattes af varmepumper. Den resulterende løsning består af et kraftvarmeværk, der bruger halm, affald og træflis samt varmepumper. Den resulterende gennemsnitlige effektivitet af forsyningssystemet er 1,66. Effektiviteten (COP) og antallet af produktionstimer for hver produktionsenhed er vist i tabel 1.
Samlet set er forsyningsbehovet 1.438 MWh/år, hvilket er 40 procent mindre end i det indledende referencescenarie. Besparelserne opnås ved at energirenovere bygningerne og forbedre energiforsyningsnetværket. Varmebehovet for hver måned er illustreret i figur 5. For nuværende arbejdes der konkret videre med planlægningen af ombygningen, hvor der indledningsvis vil fokuseres på installation af varmepumper i forsyningen.
Arbejdet med udviklingen af CEA-programmet fortsætter på SDU med det formål at udvikle et nyskabende og holistisk energiplanlægningsværktøj til energieffektive byer og distrikter. Værktøjet bruger dynamiske bygningsenergisimuleringer fra Energy Plus samt data fra det danske bygningsreglement BR18. Derudover tager værktøjet hensyn til bygningers type, alder og anvendelse til forudsigelse af bygningernes individuelle varme- og elektricitetsbehov. Værktøjet fungerer dermed som et omfattende energiplanlægningsværktøj til byer, men er samtidig et simpelt, fleksibelt og brugervenligt værktøj, der kan bruges af en bred vifte af ingeniører, planlæggere og beslutningstagere.
Case Hvidovre
DTU arbejder også med casen Hvidovrevang i Hvidovre. Hvidovrevang er et lejlighedskompleks på 240 lejligheder fordelt på fem forskellige bygninger. Bygningerne er i tre etager og hver lejlighed er 54-78 kvadratmeter. Der er således tale om cirka 16.000 etagemeter bolig samt kælder. Det samlede varmeforbrug i 2023 var 1.464 MWh, dvs. 6,18 MWh per bolig inkl. varmeforbruget i fællesarealer. Den gennemsnitlige varmepris var 78 øre/kWh, svarende til et gennemsnit per lejlighed på 4.758 kroner. Lejlighederne fik nye vinduer ved en renovering i 2020/21 og ligger nu i energiklasse C.
Varmeforsyningen er fjernvarme og kommer fra Hofor. Hofor havde i 2023 80 procent af varmeproduktionen fra vedvarende energikilder. Målet for Hofor er at opnå 100 procent VE til varmeproduktionen i 2025. Det er naturligvis vigtigt for PED-evalueringen af Hvidovrevang. Hvis varmeforsyningen er fjernvarme og stort set er VE-baseret, er det i princippet muligt at udelukke dette energiforbrug i beregningen for Hvidovrevang. For at vurdere, om Hvidovrevang kunne blive et PED i fremtiden, ville der så ”kun” skulle fokuseres på elforbrug og mobilitet. Det samme ville naturligvis være gældende for alle andre distrikter i København.
Der er endnu ikke foretaget beregninger for, hvor meget energi beboerne bruger på transport. Der er installeret fire elladepunkter – og det vurderes, at der ud af 200 biler i distriktet er fem elbiler og 10 hybridbiler. Resten er benzin/dieselbiler. Elforbruget til elbilerne er naturligvis inkluderet i det samlede elforbrug (når der er ladet lokalt), og tæller derfor også med i det samlede forbrug over transformerstationen.
Hvidovrevang har ikke egen transformerstation, så det samlede elforbrug over transformerstationen, inkluderer andre boliger uden for Hvidovrevang. Hvidovrevang udgør 62 procent af aftagerne på den pågældende transformerstation. Det årlige forbrug af el i 2023 på Hvidovrevang var 545 MWh baseret på gennemsnitlige forbrugstal for alle aftagere. Ved en gennemsnitlig pris kan det således opgøres, at udgiften for varme og el for den enkelte lejlighed er nogenlunde på niveau; 5.000 kroner om året for varme og 5.000 kroner om året for el.
Betragtes den mulige lokale energiproduktion, er der udelukkende tale om solenergi på hustagene og evt. parkeringsområderne. Det samlede tagareal på de fem bygninger er 8.000 kvadratmeter, så en 50 procent dækning af tagarealet med solceller vil betyde 4.000 kvadratmeter solceller med en kapacitet på 140 W/m2. Solcellerne vil realistisk kunne producere 130 kWh/m2 om året, og dermed fås en samlet produktion på 520 MWh/år, hvilket matcher det samlede elforbrug i den nuværende situation. Hvorvidt Hvidovrevang kan blive et ”rigtigt” PED, afhænger så af, om der er tilstrækkelig produktion til at kunne dække emissioner fra benzin- og dieselbilerne, eller om der er ekstra potentiale i tagene/solcellerne til at kunne dække alle biler som elbiler. Hvidovrevang forventer at dykke dybere i beregningerne, så der kan tages en endelig beslutning, når tage på bygningerne skal udskiftes i 2028-2030.
Case study database
I Annex 83 er der også foretaget indsamling af eksempler eller casestudier i en database, som er frit tilgængelig for alle. Intentionen er, at databasen kan benyttes som inspiration for andre i forhold til, hvordan forskellige dele af PED-konceptet kan udvikles og realiseres i praksis. Databasen er udviklet i samarbejde med JPI Urban Europe PED-projekt (https://jpi-urbaneurope.eu/ped/) og Cost Action Positive Energy Districts European Network (https://www.cost.eu/actions/CA19126/).
Demonstrationsprojekterne i databasen kan være både igangværende eller allerede afsluttede projekter, og de er opdelt i tre kategorier; PED Lab, PED Case Study og PED Relevant Case Study. PED-LAB er oftest pilotprojekter med forskningsmæssige aspekter, afprøvning af løsninger og lignende. PED Case Study er et projekt, som i vid udstrækning lever op til den tidligere omtalte definition og PED Relevant Case Study er projekter, som indeholder et eller flere elementer, som er relevante i forbindelse med PED. Databasen indeholder i skrivende stund 25 forskellige eksempler og vokser støt (https://pedeu.net/map/). Figur 6 viser et kort, hvorpå er markeret placeringen af eksemplerne. For nuværende er der altså udelukkende eksempler fra Europa.
Konklusion
Danmark deltager via EUDP i det internationale forskningsprojekt IEA EBC Annex 83. Projektets overordnede formål er at samle viden om Positive Energi Distrikter (PED) og udvikle en vejledning til, hvordan de udvikles og planlægges i praksis. Konceptet stammer fra EU og har til formål at medvirke til at accelerere den grønne omstilling, så EU kan nå målet om et fossilfrit Europa i 2050. Det er planen, at der med udgangen af 2025 skal være mindst 100 PED i Europa.
Selvom PED-konceptet har haft stærk opbakning både i og udenfor EU, og der allerede er lagt en betydelig forskningsindsats i området, er det dog ikke uden udfordringer. Set med danske øjne er det for eksempel problematisk, at der fokuseres på, at distrikter skal være ”positive” i forhold til energibalancen.
Der vil være distrikter, hvor dette giver god mening, og hvor lokal energiproduktion eller for eksempel udnyttelse af overskudsvarme gør det muligt relativt nemt at komme i plus. Men der vil også være områder, hvor det vil kræve alt for store investeringer og lede til ikke-optimale løsninger. Her skal der i stedet kigges på den større helhed, altså ud over distriktsgrænserne. Ligeledes er det også et problem, at der i definitionen fokuseres på ”energi” og ikke på samlet CO2-udledning. Danmarks energiforsyning bliver grønnere og grønnere, og dermed er det mere relevant at fokusere på udledninger og betragte situationen ud fra et fuldt livscyklusperspektiv, eller i virkeligheden ud fra et perspektiv hvor det handler om at få vores distrikter til at balancere inden for de planetære grænser.
BOKS:
Det internationale projekt afsluttes ved udgangen af oktober 2025.
Website: https://annex83.iea-ebc.org/.
Twitter: https://twitter.com/Annex83_IEA?s=20.
LinkedIn: https://www.linkedin.com/company/iea-ebc-annex-83-positive-energy-districts/.
Forfatterne vil gerne takke Energistyrelsen for økonomisk støtte via EUDP til den danske deltagelse i IEA EBC Annex 83-projektet.
