Lavere effektbehov med driftsoptimalisering av utslippsfrie byggeplasser

Resultatene fra et ferskt SINTEF-prosjekt viser at effektbehovet ved en helelektrisk byggeplass kan være høyere enn effektbehovet når bygget står ferdig, noe som kan resultere i investeringer i overflødig infrastruktur. SINTEF og BKK har derfor sett på hvordan man kan optimalisere byggeplassdriften for å redusere effekttoppene.

I store byer utgjør utslipp fra byggeplasser mellom 5 og 10 % av totale klimagassutslipp, og i Oslo er denne andelen ca. 7 %. Overgangen til utslippsfrie byggeplasser kan hindres av begrenset tilgang til elektrisk effekt i byggefasen.

Utslippsfrie byggeplasser er nødvendige for å nå utslippsmål

I Parisavtalen er det satt et mål om 55 % utslippsreduksjon globalt innen 2030. For å nå dette målet er man avhengig av både internasjonal og lokal innsats. Bergen har blant annet i sin «Grønn Strategi» satt seg et mål om at kommunen skal være fossilfri innen 2030, mens Oslo har som mål å redusere byens klimagassutslipp med 95 % innen 2030.

På global basis utgjør utslipp fra byggeplass om lag 1 %, mens i byer bidrar utslipp fra byggeplass gjerne til en større andel av utslippene. Utslippsfrie byggeplasser er en viktig brikke som kan bidra til at Norge, og spesielt de store byene, kan redusere sine klimagassutslipp og bidra til at vi når internasjonale, nasjonale og regionale mål for utslippsreduksjon.

I 2018 utviklet DNV GL en veileder for fossilfrie og utslippsfrie løsninger på byggeplasser i samarbeid med flere private og offentlige aktører. I denne veilederen er en utslippsfri byggeplass definert som at byggeplassen bruker […] energikilder som ikke fører til lokalt utslipp av CO2 eller NOx på byggeplassen. Utslippsfrie alternativer til oppvarming inkluderer oppvarming basert på elektrisitet, fjernvarme og andre energibærere uten direkte utslipp. Utslippsfrie alternativer ved bruk av anleggsmaskiner inkluderer batterielektriske maskiner og elektriske maskiner koblet direkte til strømnettet (kabelelektriske anleggsmaskiner).

Fra tidligere studier SINTEF har gjennomført er det identifisert flere kriterier som må tilfredsstilles for at vi skal kunne realisere utslippsfri byggeplasser i større skala enn i dag, blant annet:

• Definerte systemgrenser og beskrivelse av hvilke utslipp som regnes inn og hvilke som utelates
• Etablering av gode nøkkelverdier og verktøy for å følge opp effekten av utslippsfrie løsninger
• God kommunikasjon og samhandling er kritisk for å få til gode utslippsfrie byggeplassprosjekter helt fra tidlig planleggingsfase og anskaffelse til gjennomføring og overlevering
• Økt tilgang til ny teknologi og utslippsfrie maskiner
• Tilgang til utslippsfrie energikilder og tilgang til nok elektrisk effekt

En utslippsfri byggeplass er med andre ord i stor grad en elektrifisert byggeplass.

Effektproblematikken

Det er fremdeles få elektrifiserte byggeplasser i Norge, men det er gjennomført flere prøveprosjekter. Her har man sett at tilgangen til nok elektrisk effekt gjerne er en utfordring man støter på underveis i byggefasen. Dette har de blant annet erfart i BKK sitt Pilot-E-prosjekt «Energipartner til utslippsfrie byggeplasser».

– Bedrifter som jobber med utslippsfrie byggeplasser i dag konsentrer seg mest om tilgangen på utslippsfrie maskiner og infrastrukturen for å kunne lade disse, mens problematikken rundt effektbehovet først viser seg når byggeplassen er i drift. Dette må avklares i en tidlig fase av byggeprosjektene slik at man finner gode løsninger for å dekke behovet i periodene med høyest aktivitet og effektforbruk. Da er det viktig å ha kontroll på hvilke muligheter og begrensninger som finnes for prosjektet, både i strømnettet og planlagt aktivitet på byggeplassen. Dersom det ikke er tilgjengelig tilstrekkelig effekt til planlagte aktiviteter må byggeprosjektet håndtere dette, eksempelvis ved å optimalisere med tanke på effekt, eller ved å legge inn en buffer mellom strømnettet og byggeplassen i form av batteri, sier prosjektleder Kristin Grindheim i BKK.

Med bakgrunn i dette har SINTEF i et internt prosjekt, samt i et samarbeidsprosjekt med BKK, sett på de bakenforliggende årsakene knyttet til de høye toppene i strømbruken (effekttopper) på utslippsfrie byggeplasser. I disse prosjektene har SINTEF-forskere sett på hvordan man kan modellere forventet elektrisk effektbehov på utslippsfrie byggeplasser med elektriske anleggsmaskiner. I tillegg har de vurdert hvordan driften av en byggeplass kan optimaliseres for å redusere effekttoppene og dermed unngå problemer med at begrenset tilgang på effekt fører til stans i drift og batterilading av elektriske maskiner. Resultatene viser at effektbehovet ved en helelektrisk byggeplass kan være høyere enn effektbehovet når bygget står ferdig, noe som kan resultere i at man må investere i infrastruktur som blir overflødig når byggearbeidene er ferdigstilt.

For å vise dette tydeligere kan vi se på eksempelet nedenfor. Her sammenlignes topplasten for en ferdigbygget barnehage med effektbehovet på en liten, helelektrisk, utslippsfri byggeplass. Barnehagen som bygges i dette eksempelet er et typisk nytt barnehagebygg på Østlandet på 1600 m2. Vi antar at en bergvarmepumpe forsyner hele barnehagens oppvarmingsbehov. Forventet topplast for et slikt barnehagebygg vil typisk kunne ligge mellom 60-66 kWh/h. Figuren viser det forventede effektbehovet for byggeplassen hver uke gjennom en byggeperiode på ett år. Den stiplede linjen i figuren viser den forventede topplasten for den typiske barnehagen som ferdigbygget (63 kWh/h). Eksempelet viser at forventet effektbehov for byggeplassen kan være opptil fem ganger så høyt som effekttoppen for den ferdigbygde barnehagen.

Effektoptimalisering

Det finnes alternative måter å løse effektutfordringen på som ikke krever utbygging av overflødig infrastruktur, men dette krever god planlegging. Et alternativ kan være å investere i batterier på byggeplassen for å jevne ut effekttoppene. I stedet for, eller i tillegg til dette, kan man endre og optimalisere selve driften av byggeplassen slik at effekttoppene gjennom dagen jevnes ut, og reduseres mest mulig.

I figuren nedenfor skal vi ta en nærmere titt på en typisk dag i uke 8 på den helelektriske byggeplassen fra forrige eksempel. I uke 8 er grunnarbeidet på byggeplassen godt i gang, og det benyttes elektrisitet til brakker, byggtørk, gravemaskiner og vibroplate. Gravemaskinene er batteridrevne, og må derfor hurtiglades i pauser i løpet av dagen – noe som gir et høyt effektbehov midt på dagen. På natten kan batteriene til gravemaskinene derimot lades på lavere effekt. I dette eksempelet har vi først tatt utgangspunkt i at alle maskiner på byggeplassen tar pause samtidig midt på dagen, og at hurtigladingen av de tre gravmaskinene skjer samtidig i denne pausen. Dette gir en effekttopp i pausen på opp mot 250 kWh/h.

Ved å optimere arbeidsdagen gitt at maskinen skal være i drift så mye som mulig, men med så lavt effektforbruk som mulig, er det teoretisk sett mulig å redusere denne effekttoppen betydelig. SINTEF har utviklet en optimeringsmodell med disse restriksjonene, og undersøkt hva som kreves for å redusere effekttoppen i uke 8 så mye som mulig uten å sette inn batterier. Resultatet av denne er vist i figuren nedenfor.

Ved optimalisert drift kan effekttoppen reduseres fra 240 kW ned til 64 kW. En konsekvens av å redusere effektbehovet så mye som mulig, er at ladesyklusen til maskinene blir mer utfordrende. Fordi maskinene ikke kan lades samtidig må de lades oftere. Dette er en logistikk som vil være utfordrende å gjennomføre i praksis, men vi ser tydelig av eksempelet at effektbehovet på byggeplassen kan reduseres betraktelig ved endrede driftsmønstre på byggeplassen. Figuren nedenfor viser sammenligningen mellom effektbehovet for byggeplassen i uke 8 før og etter optimering av driften.

Resultatene fra SINTEF sin modell viser at effektbehovet teoretisk kan reduseres til en fjerdedel gjennom optimalisering av driften. BKK kjenner igjen problematikken:

– Dette viser hvor viktig det et er å planlegge driften av byggeplassen i en tidlig fase, det har en effekt å planlegge aktiviteter til andre tidspunkter for å unngå de store effekttoppene. Hvor nøye driften bør planlegges, vil avhenge av ladesylkuser og den reelle driften på byggeplassen, og dette vil variere fra uke til uke og prosjekt til prosjekt, sier Grindheim.

Effektreduksjon kan potensielt spare byggeprosjekter for kostnader i forbindelse med tilknytning til strømnettet, eksempelvis ved at en reduserer eller eliminerer behov for forsterking av strømnettet. Videre kan dette redusere nødvendig tid for å få nettilknytning på plass.

Der optimalisering av driften ikke kan reduseres tilstrekkelig uten at det går utover fremdriften i prosjektet, er et godt alternativ å bruke mobile batteriløsninger. Effektbehovet gjennom byggeprosjektet, mulighet til å tilpasse driften, samt batteristørrelse bestemmer hvor høy reduksjon av effektuttak som er mulig, og må sees opp mot tilgjengelig kapasitet i strømnettet.

Behov for mer forskning og pilotering

Gjennom arbeidet med effektbehov og optimalisering av effektbehov på byggeplass ser BKK og forskerne i SINTEF at det er behov for ytterligere forskning og pilotering på området. Vi mangler erfaringer fra praktiske prosjekter, da det kun er et fåtalls gjennomførte piloter på dette. Flere piloter og referanseprosjekter vil gi et høyere kunnskapsnivå om hvordan man best kan redusere utslipp på byggeplasser, og samtidig hvordan man bør drifte utslippsfrie byggeplasser kostnadseffektivt.

I tillegg til arbeidet med elektrifisering av byggeplasser er det viktig å se på langtidsperspektivet for utslipp fra materialer og logistikkprosessene tilknyttet bygge- og anleggsprosjekter, og ikke kun direkte utslipp «innenfor gjerdet» på byggeplassen. SINTEF jobber videre med disse problemstillingene, blant annet i samarbeid med BKK og i andre forskningsprosjekter.

Referanser

Referanser benyttet i teksten og ytterligere informasjon kan finnes her:

DNV GL, 2019, Perspective on Zero Emission Construction, https://www.klimaoslo.no/wp-content/uploads/sites/88/2019/06/Perspectives-on-zero-emission-construction.pdf
European Commission, n.d., 22030 climate & energy framework, https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2030_en
Bergen kommune, Grønn strategi – Klima og energihandlingsplan https://www.bergen.kommune.no/hvaskjer/tema/gronn-strategi
Oslo kommune, Klima- og energistrategi for Oslo, https://www.oslo.kommune.no/getfile.php/1356550-1480689984/Tjenester%20og%20tilbud/Politikk%20og%20administrasjon/Etater%2C%20foretak%20og%20ombud/Klimaetaten/Dokumenter%20og%20rapporter/Klima-%20og%20energistrategi%20for%20Oslo%20NO.pdf
DNV GL, Veileder for tilrettelegging av fossilfrie og utslippsfrie løsninger på byggeplassen, Rapportnr.: 2018-0418, Rev. 2
Fufa, S.M., Mellegård, S.E., Wiik, M.R.K., Flyen, C., Hasle, G., Bach, L., González, P., Løe, E.S., Idsøe, F., Utslippsfrie byggeplasser. State of the art. Veileder for innovative anskaffelsesprosesser. SINTEF akademisk forlag 2018. https://www.sintef.no/publikasjoner/publikasjon/1618841/
Wiik, M.K., Haukaas, N.O., Ibsen, J.I., Lekanger, R., Thomassen, R., Sellier, D., Schei, O.D., Suul, J., Nullutslippsgravemaskin – Læringsutbytte fra elektrifisering av anleggsmaskiner https://www.sintef.no/publikasjoner/publikasjon/1813592/
Fufa, S.M., GHG emission calculation from construction phase of Lia barnehage, SINTEF akademisk forlag 2018, https://www.sintef.no/publikasjoner/publikasjon/1640363/
Lindberg, K.B. et al. (2019). Modelling electric and heat load profiles of non-residential buildings for use in long-term aggregate load forecasts. Utilities Policy (58) 63-88, https://doi.org/10.1016/j.jup.2019.03.004