Bruken av elektrifisering og automatisering for å skape mer effektive og bærekraftige strømnett – del to av to

Å erstatte tradisjonelle energikilder i kraftnettet med bærekraftige, grønne kalles grønn elektrifisering. IDel 1 i denne serien tar vi for oss noen av utfordringene knyttet til grønn elektrifisering, sammen med hvordan automatisering kan hjelpe med effektivitet og bærekraft. Denne artikkelen, del 2 av 2, vil ta for seg lederskap innen energi- og miljødesign (LEED) og zero energy building (ZEB)-sertifiseringer og hvordan de kan redusere karbonutslipp og forbedre bærekraft.

LEED- og ZEB-sertifiseringer (LEED – leadership in energy and environmental design) (ZEB – zero energy building) representerer stor innsats rundt det å støtte samfunnets ønske om å redusere karbonutslipp og forbedre bærekraft. For å oppnå LEED- og ZEB-sertifiseringer kreves en helhetlig tilnærming som kombinerer grønn elektrifisering, som erstatter energisystemer basert på fossilt brensel med grønne alternativer som fotoelektrisitet (PV – photovoltaics) og elektriske kjøretøy (EV – electric vehicle) med avanserte automasjons- og styringssystemer.

LEED-programmet fra US Green Building Council (USGBC) inkluderer dekarbonisering av eksisterende bygninger og nybygg. Arbeidet med ZEB koordineres av EERE-kontoret (EERE – Energy Efficiency and Renewable Energy) hos det amerikanske energidepartementet (US Department of Energy). For å oppnå LEED- OG ZEB-sertifiseringer kreves det at arkitekter og innleide firmaer tar nye grep når det kommer til hvordan bygninger konstrueres, bygges og drives. Sammenlignet med ZEB, som fokuserer utelukkende på energiforbruk, er LEED et mer ekspansivt konsept som involverer karbon, energi, vann, avfall, transport, materialer, helse og innendørs miljøkvalitet.

Denne andre av to artikler om grønn elektrifisering og bærekraft begynner med å se på LEED- og ZEB-sertifiseringsnivåene og hva som kreves for å oppnå disse sertifiseringene for kommersielle og industrielle bygninger, inkludert en sammenligning av flere definisjoner av en ZEB. Den beskriver deretter et eksempel på hvordan Phoenix Contact brukte automasjon og lokal solcellestrømproduksjon til å oppnå LEED Silver- og ZEB-sertifisering for et 70 000 kvadratmeter stort tillegg på hovedcampuset, samt hvordan noen av bedriftens egne produkter bidro til prosjektets suksess (figur 1). Den avslutter med å se på hvordan LEED-bygninger kan bidra til FNs bærekraftsmål.

Figur 1: Solcellegenerasjon (PV) på taket var en viktig faktor som gjorde det mulig for dette Phoenix Contact-anlegget å oppnå LEED Silver- og ZEB-sertifiseringer. (Bildekilde: Phoenix Contact)

LEED er en helhetlig tilnærming

LEED er et omfattende system som tar hensyn til alle elementene som trengs for å lage bygninger med høy ytelse. LEED-sertifiseringer er basert på kreditter eller poeng som er tildelt et prosjekt ved hjelp av detaljerte ytelseskriterier. Ytelseskategoriene og deres relative betydning (fra mest til minst viktig) er¹:

• Redusere bidraget til globale klimaendringer.
• Forbedre menneskers individuelle helse.
• Beskytte og gjenopprette vannressurser.
• Beskytte og styrke tjenester for biologisk mangfold og økosystem.
• Fremme bærekraftige og regenerative materialsykluser.
• Forbedre samfunnets livskvalitet.

Det viktigste kriteriet, å redusere bidraget til globale klimaendringer, står for 35 % av alle punkter. Nivåene til LEED-sertifiseringer inkluderer Sertifisert (Certified) (40–49 poeng), Sølv (Silver) (50–59 poeng), Gull (Gold) (60–79 poeng) og Platina (Platinum) (80+ poeng).

I den nyeste versjonen av LEED, v4.1, er de fleste punktene relatert til driftsmessig og inkorporert karbon. Driftsmessig karbon er utslippene av karbondioksid (CO₂) som genereres av oppvarming, ventilasjon og klimaanlegg (HVAC), belysning og andre energikrevende bygningssystemer. Inkorporert karbon er utslipp forbundet med produksjon av byggematerialer og bygningskonstruksjonsprosesser gjennom hele livssyklusen til en bygning.

LEED-sertifisering er viktig for å skape et grønnere samfunn. Bygninger står for 39 % av de globale CO₂-utslippene, der 28 % er fra bygningsoperasjoner og 11 % er fra inkorporerte utslipp (figur 2). Siden bygningssektoren er den viktigste bidragsyteren til globale CO₂-utslipp, har det også blitt utviklet spesielle programmer for å oppmuntre til utviklingen av nullenergibygninger (zero energy buildings).

Figur 2: Bygningsdrift, som omfatter materialer og konstruksjon, er viktige bidragsytere til global CO₂-produksjon. (Bildekilde: new buildings institute)

Definisjonen av null

Null-energi virker som et ukomplisert konsept, men det har flere forskjellige definisjoner. De tre mest siterte er LEED Zero Energy-programmet, International Living Future Institute (ILFI) Zero Energy og Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) – et initiativ fra organisasjonen Architecture 2030 som er innført som en energistandard for bygninger i California. Det er betydelige forskjeller i hvordan «null» (zero) defineres.

For å oppnå LEED Zero Energy-sertifisering, må en bygning ha en energibalanse på null i 12 måneder, inkludert lokalt og eksternt generert (innhentet) energi. Det er ikke forbudt å forbrenne fossilt brensel lokalt. Det totale energiforbruket må bestå av lokalt eller eksternt generert fornybar energi eller karbonoffset.

ILFI sin nullenergisertifisering (ILFI Zero Energy Certification) er den mest restriktive standarden. Denne krever at fornybare kilder er lokalt tilgjengelige for å dekke 100 % av bygningens energibehov. Ingen forbrenning er tillatt, og sertifisering er basert på faktisk ytelse. Modellering er ikke tillatt.

Zero Code retter seg spesielt mot nye kommersielle bygg, institusjonelle bygg og middels til høye boligbygg. Denne definerer en null-karbon-bygning som en bygning som ikke bruker fossilt brensel lokalt, som selv produserer nok fornybar energi eller anskaffer nok karbonfri fornybar energi, eller karbonkreditter, for å møte bygningens driftsmessige energibehov. Zero Code krever også at bygninger oppfyller ASHRAE-standarden 90.1-2019 for bygningseffektivitet. Zero Code gjør det mulig å erstatte andre energieffektivitetsstandarder hvis de resulterer i lik eller større energieffektivitet.

LEEDe ved eksempel

Phoenix Contact installerte nylig et 961 kilowatt (kW) solcelleanlegg på taket til logistikksenteret på bedriftens hovedcampus i USA. Systemet genererer nok strøm til å dekke ca. 30 % av anleggets energibehov, eller tilsvarende energiforbruket til ca. 160 boliger per år. Bygningen fikk LEED Silver- og Zero Energy-sertifiseringer.

Det lokale naturgassfyrte kraftvarmesystemet med mikroturbin på 1 MW ble integrert med solcelleanlegget. Det sentrale energistyringssystemet overvåker solcelleanleggets produksjon og bygningens energiforbruk i sanntid. Mikroturbingeneratoren brukes når det totale energibehovet overstiger solcelleanleggets utgangseffekt. Noen ganger brukes solcelleanlegget og mikroturbinen sammen for å gi strøm til nettet gjennom nettmåling, noe som genererer inntekter for bedrifter.

Systemet ble utviklet for å redusere naturgassforbruket i dagslys og drive mikroturbingeneratoren hovedsakelig om natten, noe som maksimerer den totale energieffektiviteten og minimerer den totale CO₂-genereringen. På noen dager er det mulig å redusere naturgassforbruket til nesten null. Noe av statistikken for solcellesystemet, omfatter:

• 2185 solcellepaneler
• 1 214 235 kWh generert årlig
• Reduksjon av CO₂-utslipp på 879,64 tonn (1 939 279 pund)

Kontinuerlig overvåking og styring av individuelle solcelleanleggsegmenter i store installasjoner som dette er nødvendig for å oppnå maksimal virkningsgrad og tilgjengelighet av effektproduksjon.

Automasjon trenger handlingbar informasjon

Effektiv automasjon og styring for grønne elektrifiseringssystemer som solcelleanlegg krever omfattende og handlingsbar informasjon. Sanntidsovervåking av hver streng med solcellepaneler maksimerer produksjonen og støtter forebyggende vedlikehold. Hvis en streng går uventet ned kan den miste tusenvis av kW, og medføre et tilsvarende pengetap.

Det 961 kW solcelleanlegget på hovedcampuset til Phoenix Contact i USA inkluderer tolv invertere med seks solcellestrenger som mater hver inverter, der flere av bedriftens produkter inkorporeres, slik som andregenerasjons EMpro-energimålere som den panelmonterte 2908286. Disse målerne er konstruert for å måle og overføre viktige energiparametere til skybaserte plattformer som støtter ekstern overvåking av alle systemelementene. EMpro-energimålere er tilgjengelige for ulike strømsystemkonstruksjoner, inkludert en-, to- og trefaseinstallasjoner og -konfigurasjoner. Systemet overvåker en rekke systemelementer og driftsforhold i sanntid, for eksempel:

• Invertere overvåkes individuelt for DC-inngangseffekt, AC-utgangseffekt, aktiv og reaktiv effekt, feil og driftsstatus.
• Alle solcellestrenger overvåkes for strøm og spenning på utgangen. Disse dataene evalueres for å fastsette strengens tilstand og potensielle vedlikeholdsbehov.
• Paneltemperaturer overvåkes med mange sensorer spredt over hele installasjonen.
• Værforhold som vindhastighet og retning, temperatur, relativ fuktighet og lufttrykk samles inn.
• Solinnstråling måles med to pyranometre (solinnstrålingsmålere), ett i en 10-graders vinkel som samsvarer med den installerte panelvinkelen, og ett installert horisontalt.
• Tilsmussingssensorer måler lystapet forårsaket av støv og skitt på solcellepanelenes overflate.
• Kameraer sørger for sikkerhetsovervåking av systemet.

Systemet trenger også dataloggere og grensesnitt. For eksempel kommuniserer bedriftens trådløse Radioline-moduler, for eksempel 2901541-modellen, trådløst med solcellemodulens temperatur- og tilsmussingssensorer ved hjelp av RS-485-protokollen, uten kabler. I andre tilfeller brukes strøm over Ethernet (PoE – Power over Ethernet) til å overføre strøm og data samtidig. Inntrengningsbeskyttelse kan leveres av sikkerhetsrutere i FL mGuard 1000-serien, for eksempel 1153079-modellen, som tilbyr brannmurssikkerhet og brukeradministrasjon.

For å knytte det hele sammen trengs en styring, for eksempel 1069208-modellen med DIN-skinnefeste fra Phoenix Contact, som er basert på bedriftens PLCnext-teknologi (figur 3). Når den sammenkobles med en inngangs-/utgangsmodul (I/O-modul) som 2702783-modellen, samler styringen data fra sensornettverket og overfører dem til en skytjenesteleverandør. I tillegg vil en industriell datamaskin kjøre Phoenix Contact sin Solarworx-programvare. De medfølgende programvareverktøyene og bibliotekene støtter kommunikasjonsprotokoller og standarder som solenergibransjen tar i bruk. Systemet muliggjør tilpasset automatisering og visualisering av solcelleanleggets drift, og det er kompatibelt med tredjeparts programvarepakker som kan analysere historikk- og sanntidsdata for ytelsesoptimalisering. Bibliotekene inkluderer funksjonsblokker som oppfyller kravene i IEC 61131-standarden for programmerbare styringer.

Figur 3: Styring med DIN-skinnemontering som er egnet for solcelleanlegg i storskala. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Innmatingsstyring er den siste delen av det såkalte grønne elektrifiseringspuslespillet, som innebærer å integrere distribuerte energiressurser (DER – distributed energy resource) som solcellematriser med strømnettet. PGS-styringer fra Phoenix Contact kan overvåke spenningsnivåer og nivåer for reaktiv effekt ved tilkoblingspunkter til nettet, og fastsette de nødvendige styringsverdiene for invertere slik at de kan støtte innmatingshåndtering av strøm til strømnett med medium til høye spenningsnivåer.

LEED og bærekraftig utvikling

FN har identifisert 17 bærekraftige utviklingsmål² (SDG-er) som skal utrydde global fattigdom innen 2030. Ifølge USGBC kan den grønne elektrifiseringen og automatiseringen i LEED-bygninger bidra til å oppfylle 11 av de 17 bærekraftsmålene, deriblant:

Mål 3: God helse og velvære

Mål 6: Rent vann og rene sanitærforhold

Mål 7: Rimelig og ren energi

Mål 8: Fremme vedvarende, inkluderende og bærekraftig økonomisk vekst, full og produktiv sysselsetting og anstendig arbeid for alle

Mål 9: Bygge robust infrastruktur, fremme inkluderende og bærekraftig industrialisering og drive frem innovasjon

Mål 10: Redusere ulikhet i og mellom land

Mål 11: Bærekraftige byer og lokalsamfunn

Mål 12: Ansvarlig forbruk og produksjon

Mål 13: Klimatiltak

Mål 15: Beskytte, gjenopprette og fremme bærekraftig bruk av terrestriske økosystemer, forvalte skoger på en bærekraftig måte, bekjempe ørkenspredning og stanse og reversere landforringelse og tap av biologisk mangfold

Mål 17: Styrke implementeringsmetodene og revitalisere det globale partnerskapet for bærekraftig utvikling

Bedriftsstrategier kan også bidra til et mer bærekraftig samfunn. Phoenix Contact sine LEED Silver- og Zero Energy-sertifiseringer for logistikksenteret for Amerika var for eksempel en del av bedriftens opprinnelige mål om å oppnå karbonnøytralitet på alle sine verdensomspennende lokasjoner. Bedriftens neste mål er å skape en helt klimanøytral verdiskapende kjede før 2030.

Konklusjon

Bygningssektoren er den viktigste bidragsyteren til global CO₂-produksjon. LEED- og ZEB-sertifiseringer er viktige verktøy for å måle fremgangen av å bruke elektrifisering og automasjon til å skape mer effektive og bærekraftige bygninger. Som vist, kan solcelleanlegg i storskala integrert med lokal kraftvarmekapasitet bidra til et grønnere samfunn. LEED-sertifiserte bygninger støtter også FNs sytten bærekraftige utviklingsmål, samt målet om å utrydde global fattigdom innen 2030.

Referanser:

1. LEED-klassifiseringssystem, Green Building Council
2. Bærekraftige utviklingsmål, FN