Brug af elektrificering og automatisering til at skabe mere effektive og bæredygtige elnet - del to af to

Udskiftning af traditionelle elnet energikilder med bæredygtige, grønne energikilder kaldes elektrificering. I del 1 af denne serie blev nogle af de udfordringer, der er forbundet med elektrificering, diskuteret sammen med, hvordan automatisering kan bidrage til effektivitet og bæredygtighed. Denne artikel, del 2 af 2, handler om LEED-certificeringer (Leadership in Energy and Environmental Design) og ZEB-certificeringer (Zero Energy Building), og hvordan de kan reducere CO2-udledningen og forbedre bæredygtigheden.

LEED-certificeringer (’Leadership in Energy and Environmental Design’ / energi- og miljødesignlederskab) og ZEB-certificeringer (’Zero Energy Building’ / energineutral bygning) repræsenterer en betydelig indsats, der støtter samfundets ønske om at reducere CO2-udledningen og forbedre bæredygtigheden. At opnå LEED- og ZEB-certificeringer kræver en holistisk tilgang, der kombinerer elektrificering, som erstatter energisystemer baseret på fossile brændstoffer, med bæredygtige alternativer som fotovoltaik (Photovoltaics / PV) og elektriske køretøjer (EV) med avancerede automatiserings- og styresystemer.

LEED-programmet fra det amerikanske Green Building Council (rådet for bæredygtigt byggeri / USGBC) inkluderer afkarbonisering af eksisterende bygninger og nybyggeri. ZEB-indsatsen koordineres af det amerikanske energiministeriums kontor for energieffektivitet og vedvarende energi (Energy Efficiency and Renewable Energy / EERE). Opnåelse af LEED- og ZEB-certificeringer kræver, at arkitekter og entreprenører har en ny tilgang til, hvordan bygninger designes, bygges og drives. Sammenlignet med ZEB, der udelukkende fokuserer på energiforbrug, er LEED et mere omfattende koncept, der tager højde for kulstof, energi, vand, affald, transport, materialer, sundhed og indendørs miljøkvalitet.

Denne anden artikel i en serie på to om elektrificering og bæredygtighed begynder med at se på LEED- og ZEB-certificeringsniveauerne, og hvad der skal til for at opnå disse certificeringer for kommercielle og industrielle bygninger, herunder en sammenligning af flere definitioner af en ZEB. Derefter beskrives et eksempel på, hvordan Phoenix Contact brugte automatisering og elproduktion fra solcelleanlæg på stedet til at opnå LEED Sølv- og ZEB-certificering for en 6500 kvadratmeter stor tilbygning på virksomhedens hovedcampus, herunder hvordan nogle af virksomhedens egne produkter bidrog til projektets succes (figur 1). Den afsluttes med et blik på, hvordan LEED-bygninger kan bidrage til FN's mål for bæredygtig udvikling.

Figur 1: Fotovoltaisk produktion på taget var en nøglefaktor for, at denne Phoenix Contact-facilitet kunne opnå LEED Sølv- og ZEB-certificeringer. (Billedkilde: Phoenix Contact)

LEED er holistisk

LEED er et omfattende system, der tager højde for alle de elementer, der er nødvendige for at skabe højtydende bygninger. LEED-certificeringer er baseret på kreditter eller point, der tildeles et projekt ved hjælp af detaljerede præstationskriterier. Ydelseskategorierne og deres relative vigtighed (fra mest til mindst vigtig) er¹:

• Reducere bidraget til globale klimaforandringer.
• Forbedre det enkelte menneskes sundhed.
• Beskytte og genoprette vandressourcer.
• Beskytte og styrke biodiversiteten og økosystemtjenester.
• Fremme bæredygtige og regenerative materialecyklusser.
• Forbedre livskvaliteten i lokalsamfundet.

Det vigtigste kriterium, reduktion af bidraget til globale klimaforandringer, tegner sig for 35 % af alle point. Niveauerne for LEED-certificeringer inkluderer certificeret (40-49 point), sølv (50-59 point), guld (60-79 point) og platin (80+ point).

I den nyeste version af LEED, v4.1, vedrører de fleste point drift og indbygget kulstof. Driftskulstof er kuldioxid (CO₂)-emissionerne, der genereres af opvarmning, ventilation og klimaanlæg (HVAC), belysning og andre energiforbrugende bygningssystemer. Indbygget kulstof er emissioner, der er forbundet med produktionen af byggematerialer og byggeprocesser gennem hele bygningens livscyklus.

LEED-certificering er vigtig for skabelsen af et mere bæredygtigt samfund. Bygninger står for 39 % af den globale CO₂-udledning, heraf 28 % fra bygningsdrift og 11 % fra indbyggede emissioner (figur 2). Da bygningssektoren er den største bidragyder til den globale CO₂-udledning, er der også udviklet særlige programmer for at fremme udviklingen af nulenergibygninger.

Figur 2: Bygningsdrift samt materialer og konstruktion er de største bidragydere til den globale CO₂-produktion. (Billedkilde: new buildings institute)

Definition af nul

Nulenergi virker som et ligetil begreb, men det har flere definitioner. De tre mest citerede er LEED Zero Energy program, International Living Future Institute (ILFI) Zero Energy, and the Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) - et initiativ fra organisationen Architecture 2030, der er blevet vedtaget som en energistandard for bygninger i Californien. Der er store forskelle på definitionen på "nul".

For at opnå LEED Zero Energy-certificering skal en bygning have en energibalance på nul over 12 måneder, inklusive produktion på stedet og eksternt genereret (hentet) energi. Forbrænding af fossile brændstoffer på stedet er ikke forbudt. Det samlede energiforbrug skal bestå af vedvarende energi produceret på stedet eller eksternt, eller CO2-kompensation.

ILFI Zero Energy-certificering er den mest restriktive standard. Den kræver, at vedvarende energikilder på stedet dækker 100 % af bygningens energibehov. Ingen forbrænding er tilladt, og certificeringen er baseret på den faktiske ydeevne; modellering er ikke tilladt.

Nul-koden er specifikt rettet mod nye kommercielle og institutionelle bygninger samt mellem- og højhuse. Den definerer en kulstoffri bygning som en, der ikke bruger fossile brændstoffer på stedet og producerer eller indkøber nok kulstoffri vedvarende energi eller kulstofkreditter til at dække bygningens energibehov. Nul-koden kræver også, at bygninger opfylder ASHRAE Standard 90.1-2019 for bygningseffektivitet. Nul-koden tillader erstatning af andre energieffektivitetsstandarder, hvis de resulterer i samme eller større energieffektivitet.

LEED som eksempel

Phoenix Contact installerede for nylig et 961 kilowatt (kW) solcellesystem på taget af logistikcentret på virksomhedens hovedcampus i USA. Systemet genererer nok strøm til at dække ca. 30 % af anlæggets energibehov, eller hvad der svarer til energiforbruget i ca. 160 hjem om året. Bygningen opnåede LEED Sølv- og Nulenergi-certificeringer.

Det naturgasfyrede 1 MW mikroturbine-kraftvarmesystem på stedet blev integreret med solcelleanlægget. Det centrale energistyringssystem overvåger solcelleanlæggets output og bygningens energiforbrug i realtid. Mikroturbingeneratoren bruges, når det samlede energibehov overstiger solcelleanlæggets produktion. Der er tidspunkter, hvor solcelleanlægget og mikroturbinen bruges sammen til at levere elektricitet til nettet gennem nettoafregning, hvilket genererer indtægter til virksomheden.

Systemet blev designet til at reducere naturgasforbruget i dagtimerne og mest køre mikroturbingeneratoren om natten, hvilket maksimerer den samlede energieffektivitet og minimerer den samlede CO₂-produktion. På nogle dage er det muligt at reducere naturgasforbruget til næsten nul. Nogle af solcellesystemets statistikker omfatter:

• 2.185 solpaneler
• 1.214.235 kWh genereret årligt
• 1.939.279 pund reduktion af CO₂-fodaftryk

Kontinuerlig overvågning og styring af individuelle solcellesystemsegmenter i store installationer som denne er nødvendig for at opnå maksimal effektivitet og tilgængelighed af elproduktionen.

Automatisering kræver handlingsorienteret information

Effektiv automatisering og styring af elektrificeringssystemer som solcelleanlæg kræver omfattende og brugbar information. Realtidsovervågning af hver streng af solcellepaneler maksimerer produktionen og understøtter forebyggende vedligeholdelse. Hvis en streng svigter uventet, kan den miste tusindvis af kW strøm med tilsvarende økonomiske tab.

Det 961 kW store solcellesystem på Phoenix Contacts hovedcampus i USA omfatter bl.a. tolv inverterer med seks strenge af solcellepaneler, der forsyner hver inverter, og det indeholder flere af virksomhedens produkter, begyndende med andengenerations EMpro-energimålere som den panelmonterede 2908286. Disse målere er designet til at måle og overføre vigtige energiparametre til cloud-baserede platforme, der understøtter fjernovervågning af alle systemelementer. EMpro-energimålere fås til forskellige designs af elsystemer, herunder en-, to- og trefasede installationer og konfigurationer. Systemet overvåger adskillige systemelementer og driftsforhold i realtid, herunder:

• Inverterne overvåges individuelt for DC-indgangseffekt, AC-udgangseffekt, aktiv og reaktiv effekt, fejl og driftsstatus.
• Hver solcellestreng overvåges for strøm- og spændingsoutput. Disse data evalueres for at bestemme strengens sundhed og eventuelle vedligeholdelsesbehov.
• Paneltemperaturerne overvåges med talrige sensorer spredt ud over hele anlægget.
• Vejrforhold som vindhastighed og -retning, temperatur, relativ luftfugtighed og lufttryk indsamles.
• Solindstrålingen måles med to pyranometre, et i en 10 graders vinkel, der svarer til panelernes installationsvinkel, og et, der er installeret vandret.
• Tilsmudsningssensorer måler det lystab, der forårsages af støv og snavs på solcellepanelernes overflade.
• Kameraer sørger for sikkerhedsovervågning af systemet.

Systemet har også brug for dataloggere og interfacer. For eksempel kommunikerer virksomhedens Radioline trådløse moduler, som model 2901541, trådløst med solcellemodulets temperatur- og tilsmudsningssensorer ved hjælp af RS-485-protokollen uden kabler. I andre tilfælde overføres elektriske energi og data samtidigt via Ethernet (’Power over Ethernet’ / PoE). Indtrængningsbeskyttelse kan leveres af FL mGuard 1000-serien af sikkerhedsroutere, som model 1153079, der sørger for firewall-sikkerhed og brugeradministration.

At binde det hele sammen kræver en controller som den DIN-skinnemonterede model 1069208 fra Phoenix Contact, der er baseret på virksomhedens PLCnext-teknologi (figur 3). Når controlleren parres med et input/output (I/O)-modul som model 2702783, samler den data fra sensornetværket og sender dem til en cloud-tjenesteudbyder. Derudover kører en industriel pc Phoenix Contacts Solarworx-software. De medfølgende softwareværktøjer og biblioteker understøtter de kommunikationsprotokoller og standarder, som anvendes af solcelleindustrien. Systemet muliggør tilpasset automatisering og visualisering af solcelleanlæggets drift, og det er kompatibelt med tredjeparts softwarepakker, der kan analysere historiske data og realtidsdata med henblik på optimering af ydelsen. Bibliotekerne indeholder bl.a. funktionsblokke, der opfylder kravene i IEC 61131-standarden for programmerbare controllere.

Figur 3: DIN-skinnemonteret controller, velegnet til store solcelleanlæg.  (Billedkilde: Phoenix Contact)

Feed-in-styring er den sidste brik i elektrificeringspuslespillet til at integrere distribuerede energiressourcer (DER'er) som solcelle-arrays i elnettet. PGS-controllere fra Phoenix Contact kan overvåge spændings- og reaktive effektniveauer ved nettilslutningspunkter og bestemme de nødvendige kontrolværdier for inverterne for at understøtte ’feed-in-styring’ af strøm i mellem- og højspændingsnet.

LEED og bæredygtig udvikling

De Forenede Nationer (FN) har identificeret 17 Verdensmål for bæredygtig udvikling² (’Sustainable Development Goals’ / SDG'er), der har til formål at udrydde global fattigdom inden 2030. Ifølge USGBC kan elektrificeringen og automatiseringen i LEED-bygninger bidrage til at opfylde 11 af de 17 verdensmål, herunder:

Mål 3: Sundhed og trivsel

Mål 6: Rent vand og sanitet

Mål 7: Bæredygtig energi til en overkommelig pris

Mål 8: Vedvarende, inklusiv og bæredygtig økonomisk vækst, fuld og produktiv beskæftigelse og anstændigt arbejde for alle

Mål 9: Bygge robust infrastruktur, fremme inklusiv og bæredygtig industrialisering og understøtte innovation

Mål 10: Reducere ulighed i og mellem lande

Mål 11: Bæredygtige byer og lokalsamfund

Mål 12: Ansvarligt forbrug og produktion

Mål 13: Klimaindsats

Mål 15: Beskytte, genoprette og støtte bæredygtig brug af økosystemer på land, fremme bæredygtigt skovbrug, bekæmpe ørkendannelse samt standse jordforringelse og tab af biodiversitet

Mål 17: Revitalisere det globale partnerskab for bæredygtig udvikling og styrke midlerne til at nå målene

Virksomhedsstrategier kan også bidrage til et mere bæredygtigt samfund. For eksempel var Phoenix Contacts opnåelse af LEED Sølv- og Zero Energy-certificeringer for sit logistikcenter i Nord- og Sydamerika en del af virksomhedens oprindelige mål om at opnå CO2-neutralitet på alle sine lokationer verden over. Virksomhedens næste mål er at skabe en helt klimaneutral værditilvækstkæde inden 2030.

Konklusion

Byggesektoren er den største bidragyder til den globale CO₂-produktion. LEED- og ZEB-certificeringer er vigtige værktøjer til at måle succesen med at bruge elektrificering og automatisering til at skabe mere effektive og bæredygtige bygninger. Som vist kan store solcelleanlæg integreret med kraftvarmekapacitet på stedet bidrage til et bæredygtigt samfund. LEED-certificerede bygninger støtter også opfyldelsen af FN's sytten verdensmål og målet om at udrydde global fattigdom inden 2030.

Referencer:

1. LEED-klassificeringssystem, Green Building Council
2. Målene for bæredygtig udvikling, Forenede Nationer, FN