Hur tekniska och ekonomiska faktorer påverkar solcellssystem i bostadsområden: En fallstudie från Teheran

Tabell 1 visar lufttemperatur (Ta), relativ luftfuktighet (RH), daggpunktstemperatur (Td), daglig soltidsduration (SD), atmosfärstryck (Pa), nederbörd (PRE), vindhastighet (WS), dominerande vindriktning (WD), snödjup (SnD), och Tabell 2 presenterar molnighet (N), Linke-turbiditetsfaktor (TL), global horisontell irradiering (GHI), fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR), diffust horisontellt irradiering (DHI), direkt normal irradiering (DNI), global strålning under klart väder samt långvågig (termisk, infraröd) strålning på en horisontell yta (Lin). Osäkerheterna för dessa data är 6 % för GHI, 11 % för DNI, 0,5 °C för temperatur, och 4 % för variabiliteten i GHI per år. Dagliga data för global strålning och temperatur presenteras i Fig. 2 och 3.

I Fig. 3 beräknas de minimala och maximala temperaturerna baserat på 10-åriga genomsnitt för studieområdet. Månatlig solstrålning och temperaturvariationer visas i Fig. 4 och 5. Solstrålning beräknas både för global strålning och diffus strålning. Fig. 4 visar solstrålning per månad för studieområdet i Teheran, medan Fig. 5 visar temperaturvariationer per månad. Månatlig soltidsduration och nederbörd för ett år presenteras i Fig. 6 och 7. Både soltidsduration och nederbörd visas som månadsgenomsnitt. Fig. 6 presenterar soltidsduration och astronomisk soltidsduration, medan Fig. 7 illustrerar nederbördsnivå och antal regniga dagar.

Data för global strålning och temperatur är hämtade från väderstationer i närheten samt satellituppskattningar baserade på 10-åriga genomsnitt. Denna information utgör grunden för att vidare beräkna och simulera solcellsanläggningar för byggnader i området. Med tanke på den geografiska och klimatologiska variabiliteten i Teheran, där solens gång och väderförhållanden spelar en stor roll, är dessa data grundläggande för att förstå potentialen för solcellsproduktion på en given plats.

I den här studien simuleras och beräknas ett solcellssystem för en bostadsbyggnad med traditionell arkitektur i Teheran, vilket är en bostadskomplex med ett platt tak. För den här simuleringen valdes ett on-grid BAPV (byggintegrerat solcellssystem) där ett monokristallint siliciummodul användes, då sådana moduler är vanligt förekommande på marknaden och presterar bättre relativt andra alternativ. Vid design av on-grid-systemet, där det inte finns någon strikt relation mellan produktion och konsumtion av elektricitet, bestäms systemkapaciteten i första hand baserat på installationsytans tillgång och andra faktorer som skuggning. Efter att ha undersökt de möjliga ytorna för installation beräknas systemets kapacitet, och hela systemet designas därefter.

För att beräkna systemets effektvärde beaktas den maximala nominella effekten på solpanelerna (i kW), medan månadsstrålningsvärdet på den lutande ytan (HAM) anges i kWh/m² per månad. Temperaturkompensation används beroende på årstid, där modulspecifika temperaturkorrigeringsfaktorer appliceras för olika månader. Eftersom invertereffektiviteten (ηINO) kan variera beroende på tillverkarens rapporterade värden, tas även detta med i beräkningarna. För att beräkna den förväntade månadsproduktionen (EPM) används en ekvation som inkluderar alla ovanstående faktorer.

För att jämföra solcellssystemets kostnadseffektivitet med andra energikällor används även LCOE (levelized cost of energy), som beräknar kostnaden per producerad kWh. Detta hjälper till att förstå den långsiktiga ekonomiska hållbarheten för solcellssystem och jämföra det med andra alternativ.

Det är avgörande för investerare att noggrant beakta alla dessa faktorer vid utvärderingen av solcellssystemets potential, både ur teknisk och ekonomisk synvinkel. Även om solceller kan verka som en enkel lösning för att minska energikostnader, kräver installationen av ett system en grundlig förståelse av lokala klimatförhållanden, solstrålningsmönster och ekonomiska aspekter. Genom att använda tillförlitliga väderdata och noggrant designade system kan man optimera både den tekniska prestandan och den ekonomiska lönsamheten för solcellsprojekt.

Hur ekonomisk och teknisk lönsamhet för BAPV-solkraftverk kan påverkas av lokala förhållanden och klimat

Det är värt att notera att eftersom taket på en bostadsbyggnad används för ett BAPV-solkraftverk, beaktas inte markpriser i beräkningarna. I den aktuella studien analyseras ett BAPV-solkraftverk beläget i Teheran med en nominell kapacitet på 19,5 kW både tekniskt och ekonomiskt. Detta kraftverk antas vara kopplat till elnätet med en statisk struktur. Tekniska och ekonomiska analyser genomfördes med hjälp av timvisa väderdata och data som presenteras i tabeller i avsnitt 3. Resultaten från simuleringen visar hur mycket energi som produceras av BAPV under olika månader på året.

Enligt resultaten är den maximala producerade energin relaterad till augusti månad. Om man endast beaktar det genomsnittliga värdet av den globala strålningen skulle juni vara den månad med högst värde. Emellertid visar simuleringarna på effekten av alla väderrelaterade faktorer på solkraftverket. Dessa resultat kan användas för att göra prognoser för framtida år för BAPV-kraftverket. Vidare ger tabell 7 andra tekniska resultat från simuleringarna, som inkluderar den årliga producerade energin per installerad kapacitet, PR, energiförluster på grund av skuggning, samt den energi som matas ut på nätet.

Enligt de tekniska resultaten är effekten av skuggning den största faktorn bakom den minskade elproduktionen, vilket förklarar cirka 66 % av den totala effekten. Den CO2-utsläppsreduktion som systemet bidrar med, uppskattas till 17 833 kg per år, vilket ligger i linje med den globala genomsnittliga reduktionshastigheten. Men när man jämför Irans siffror med det globala genomsnittet är de i själva verket högre, vilket gör att den miljömässiga fördelen av att använda solenergisystem i Iran är större än i många andra länder.

De ekonomiska resultaten av analysen visade att NPV (netto nuvärde) var positivt, och IRR (internränta) var högre än räntesatsen på 18 %. Trots att PBT (payback time) inte är särskilt lockande, visar det att investeringen kan återbetalas på åtta år under vissa förhållanden, men det finns fortfarande en ekonomisk risk. Den totala LCOE (levelized cost of electricity) efter det tionde året innebär att produktionskostnaden för elektricitet kommer att överstiga försäljningspriserna. Detta försvårar den ekonomiska lönsamheten på lång sikt, särskilt när faktorer som marknadsfluktuationer och valutakursförändringar beaktas.

Komponenterna för solenergisystem i Iran är starkt beroende av växelkursen, och detta har blivit ett hinder för investeringar. Även om de globala priserna på solpaneler har minskat, har byggkostnaderna för solkraftverk i Iran ökat. Dessutom har subventionerna för solkraft minskat i realiteten på grund av den fallande valutakursen i landet. Det innebär att även om FIT-priserna har ökat med 50 % under det senaste decenniet i rial, har denna ökning inte haft samma inverkan på de globala valutorna som euro och dollar, vilket gör investeringen mindre attraktiv.

Klimatförändringar, ökande energiförbrukning och luftföroreningar är centrala problem i många länder, och Iran är inget undantag. För att möta dessa utmaningar kan förnybara energisystem som solkraft vara en lösning. Iran, med sin stora yta och varierade klimat, har en stor potential för solenergi. Särskilt i områden med torra och semi-torra klimat finns det en utmärkt möjlighet att bygga solkraftverk. Vattenbrist och det lägre livscykelvattenavtrycket för solkraftverk gör det till en fördelaktig lösning.

Dock är den ekonomiska lönsamheten inte lika tillfredsställande, vilket innebär att för att detta projekt ska vara ekonomiskt attraktivt på lång sikt krävs stabilisering av priser, växelkurser och ett mer robust ekonomiskt stöd för solkraftverk. För närvarande är elpriserna för konsumenterna mycket lägre än FIT-priserna, vilket gör det svårt att få investeringarna att bära frukt utan politiska och marknadsmässiga förändringar.

För att maximera potentialen för BAPV i Iran måste flera faktorer beaktas, såsom prisstabilitet, långsiktig politisk vilja att främja förnybar energi och hantering av de ekonomiska utmaningarna relaterade till valutafluktuationer och inflation. Om dessa problem kan lösas skulle Iran kunna dra nytta av sin stora solenergiresurs och bidra till att möta landets växande energibehov på ett hållbart sätt.

Hur kan solenergi hjälpa Afrika att möta sina framtida energiutmaningar?

Solenergi har länge setts som en lovande lösning för att hantera Afrikas energibehov och klimatutmaningar. Under åren 2019 till 2021 har kapaciteten för solenergi i Afrika stadigt ökat, från 110 GW 2019 till 150 GW 2021. En betydande bidragande faktor till denna ökning var installationen av ett stort solkraftverk på 1,65 GW i Ben Ban, Aswan, i Egypten. Detta är ett exempel på hur solenergi kan spela en central roll i att möta både den växande efterfrågan på energi och de ökande riskerna som klimatförändringarna medför.

Afrika står inför en snabb urbanisering, där de tre största megastäderna — Kairo, Lagos och Kinshasa — redan ser en dramatisk befolkningstillväxt. Enligt uppskattningar kommer Afrika att ha fem megastäder till år 2030. Detta innebär ett ytterligare tryck på energiåtgången, och behovet av förnybar energi, särskilt solenergi, blir allt mer akut. Förutom att producera ren energi, erbjuder dessa investeringar också möjlighet att skapa nya jobb och främja hållbar utveckling i regionen.

De senaste rapporterna från IEA visar att förnybara energikällor, särskilt vind, sol och vattenkraft, kommer att öka kraftigt fram till 2030, med förnybar energi som en allt större andel av den totala energimixen i regionen. Trots detta kommer olja och naturgas att fortsätta dominera bränslemixen i Nordafrika och kol i Sydafrika under överskådlig framtid.

Ett intressant exempel på hur solenergi kan utvecklas är Egypten, som har en av de bästa solenergiresurserna i världen. Landet får i genomsnitt 2400 soltimmar per år och har därför blivit en föregångare i användningen av solenergi. Redan 1913 byggdes världens första soldrivna kraftverk i Cairo för att pumpa vatten från Nilen till torra markområden. Denna tidiga solenergiinnovation demonstrerade den enorma potentialen i att använda solens energi för att tillgodose behovet av elektricitet och vatten. Egypten fortsatte att vara en pionjär inom solenergiutvecklingen under hela 1900-talet och fram till idag.

Under de senaste åren har Egypten genomfört flera initiativ för att främja solenergi, bland annat genom att erbjuda incitament för installation av solpaneler och en feed-in tariff för att uppmuntra privat och kommersiell investering i solkraft. Dessa åtgärder är en del av landets strategi för att möta sina växande energibehov och minska sitt beroende av fossila bränslen. Enligt rapporter från IEA och andra internationella organisationer har Egypten också satt upp ambitiösa mål för att öka andelen förnybar energi i sin energimix, med särskilt fokus på solkraft.

Det är också avgörande att förstå att även om solenergi har enorm potential, måste den användas tillsammans med andra förnybara källor, som vind och vattenkraft, för att skapa en balanserad och tillförlitlig energimix. Det är även viktigt att notera att investeringar i solenergi och andra förnybara energikällor inte bara kommer att skapa en mer hållbar framtid för Afrika, utan också bidra till globala mål om att minska utsläppen av växthusgaser och bekämpa klimatförändringar.