1
Energilager
För ett mer förberett och förutsägbart elnät
Av
Erik Svens
Bild 1 Förenklat Kopplingsschema
Examensarbete
EnergiLager
Läsår VT 2022-2024
Datum: 2023-10-03
Handledare: Marcus Bernsten
2
Sammanfattning
I en värld där vårt beroende av det konventionella elnätet ständigt ökar, bestämde jag mig för att gå emot
strömmen och ta kontroll över min egen energiframtid. Det som började som en enkel strävan i att sänka min
elräkning utvecklades snabbt till ett episkt projekt som skulle förändra sättet jag ser på energi. Jag skapade mitt
eget off grid-system och stod inför utmaningar som testade min tekniska kunskap och beslutsförmåga. Mitt
system, byggt med solceller, återvunna batterier och noggrann planering, blev min nyckel till självförsörjning.
Genom denna resa lärde jag mig inte bara att minimera min klimatpåverkan och spara pengar utan också att
drömmar kan bli verklighet med mod och uthållighet. Det här är berättelsen om hur jag skapade mitt eget
’el’dorado av energi och självförsörjning.
Förord
Jag vill rikta ett stort tack till Harry Liljegren, som har varit en ovärderlig resurs och samarbetspartner i detta
projekt. Hans expertis som elektriker och hans förmåga att koppla in denna anläggning har varit avgörande för
projektets framgång. Harry har även fungerat som ett värdefullt bollplank och bidragit med värdefulla insikter
och lösningar under hela arbetets gång. Utan hans engagemang och expertis hade detta projekt inte varit
möjligt.
Jag vill även rikta ett varmt tack till min familj som har varit en oumbärlig del av detta projekt. De har stöttat mig
och varit med på alla steg i processen, från planering till installation. Utan deras tålamod och engagemang hade
detta projekt varit betydligt mer komplicerat. Jag är tacksam för deras stöd och förståelse under denna resa mot
att skapa en mer hållbar energilösning till vårt hem.
3
Innehåll
Sammanfattning ................................................................................................................................................... 2
Förord .................................................................................................................................................................. 2
1.1 Begreppslista ............................................................................................................................................ 4
2. Inledning ....................................................................................................................................................... 6
2.1 Syfte ...................................................................................................................................................... 6
2.2 Metod ................................................................................................................................................... 7
3. Bakgrund ...................................................................................................................................................... 8
4. Resultat ...................................................................................................................................................... 20
5. Diskussion och slutsatser ............................................................................................................................. 28
Källförteckning ................................................................................................................................................... 30
Referenser .......................................................................................................................................................... 30
BildReferenser .................................................................................................................................................... 31
4
1.1 Begreppslista
Solceller: Fotovoltaiska paneler som omvandlar solens ljusenergi till elektricitet.
Van der Valk montagesystem: Ett företag som tillverkar montagesystem för solcellspaneler.
Trinasolar paneler: Solcellspaneler tillverkade av Trina Solar, ett ledande företag inom solenergi.
MPPT (Maximum Power Point Tracking): En teknik som används för att optimera solcellernas effektuttag genom
att anpassa spänningsnivån till solstrålningen för att maximera effekten.
OCV (Öppen kretsspänning): Den maximala spänningen som genereras av solcellspanelerna när de inte är
anslutna till någon last.
Batteribank: En uppsättning batterier som används för att lagra överskott av solenergi för senare användning.
BMS: Ett batterihanteringssystem, som övervakar och skyddar batterierna mot överladdning, underladdning och
andra riskfyllda situationer.
CC (Konstant ström): Laddningsläge där strömmen hålls konstant under laddningsprocessen.
CV (Konstant spänning): Laddningsläge där spänningen hålls konstant under laddningsprocessen.
Raspberry Pi: En enkortsdator som används för att övervaka och styra olika delar av solcellssystemet.
Arduino PLC: En programmerbar logikstyrningsenhet som används för att hantera inställningar och övervaka
systemet.
Modbus: Ett kommunikationsprotokoll som används för att överföra data mellan enheter i systemet.
Säkring: En säkerhetsanordning som bryter strömmen vid överbelastning eller kortslutning för att skydda
komponenterna i systemet.
Kortslutning: En oönskad elektrisk koppling som kan skada komponenter och orsaka överhettning eller brand.
Effektkapacitet: Den maximala mängden effekt som solcellssystemet kan generera under optimala förhållanden.
Elpris: Kostnaden för elektricitet som varierar beroende på tid på dygnet och andra faktorer.
Tibber: Ett energibolag som bland annat tillhandahåller realtidsinformation om elpriser och hjälper användare att
välja den mest ekonomiska tiden att använda elektricitet.
Bashscript: Ett skript i bash-programmeringsspråket som används för att automatisera uppgifter på Raspberry Pi.
Vinterläge: Ett läge i solcellssystemet som optimerar laddningsström och tidpunkt baserat på vinterförhållanden
och elpriser.
Lagringskapacitet: Mängden energi som kan lagras i batterierna, vanligtvis mätt i kilowattimmar (kWh).
5
Nominell spänning: Den spänning som batteriet är konstruerat för att arbeta vid som standard.
Busbar: Metalliska ledare som används för att ansluta battericeller i serie eller parallellt.
Balanskablar: Kablar som används för att övervaka och reglera spänningen på enskilda battericeller för att
säkerställa en jämn laddning och urladdning.
Double Conversion UPS: En typ av strömförsörjningssystem som konverterar inspänningen till DC och sedan
tillbaka till AC igen för att säkerställa en konstant och ren strömförsörjning.
Lithiumbatterier (Li-ion): Batterier med litiumjonceller som ger hög energitäthet och lång livslängd.
Lifepo4 (Lithium Iron Phosphate): En specifik typ av litiumbatteri som kännetecknas av sin höga säkerhet och
stabilitet.
NMC (Nickel Manganese Cobalt): En annan typ av litiumbatteri med hög energitäthet, men som är känsligare för
överladdning och urladdning.
LTO (Lithium Titanate): En typ av litiumbatteri med extremt hög livslängd och snabba laddnings- och
urladdningsförmågor.
UPS (Uninterruptible Power Supply): Ett strömförsörjningssystem som används för att säkerställa en oavbruten
elförsörjning vid strömavbrott.
Moduler: Enheterna som battericellerna är organiserade i, ofta används för att underlätta hantering och
anslutning.
Energidensitet: Mängden energi som kan lagras per enhet av volym eller vikt i ett batteri.
Blybatterier: Batterier som använder bly som en av sina huvudkomponenter, ofta använda i äldre fordon och
traditionell strömförsörjning.
Spänning: Den elektriska potentialen mellan två punkter i ett kretssystem, vanligtvis mätt i volt (V).
Skyddsutrustning: Utrustning som används för att skydda mot farliga elektriska situationer, som handskar, ögon-
eller ansiktsskydd.
Elektrisk jordning: En metod för att säkerställa att elektriska system är korrekt anslutna till jorden för att
minimera riskerna för elektriska stötar eller överspänning.
Konfiguration (exempelvis 14S3P): Hur battericellerna är anslutna, inklusive antal celler i serie (S) och parallellt
(P).
Växelriktare:
En växelriktare är en elektronisk apparat som används för att omvandla den likström (DC) som genereras av
solpaneler till växelström (AC). Växelström är den typ av elektrisk ström som används i våra hem och de flesta
elektriska apparater. När solpanelerna producerar elektricitet i form av likström, måste den omvandlas till
växelström för att kunna användas i våra hem eller distribueras i det allmänna elnätet.
Energiförluster: Förluster i en elektrisk krets som uppstår som värme eller andra former av oönskade
energiförluster.
Cykellivslängd: Antalet laddnings- och urladdningscykler som ett batteri kan klara innan det förlorar sin kapacitet.
6
2. Inledning
Mitt äventyr började med en hög elräkning och en stark önskan att ta kontroll över min egen energiframtid. Det
var en tid när solceller och batterilagring var på modet, men för mig handlade det om mer än bara att vara
ekologiskt medveten - det handlade om att skapa ett oberoende, ett off grid-system som skulle befria mig från
det konventionella elnätets bojor. Detta är historien om hur jag, från en blygsam start, utvecklade och
uppgraderade mitt off grid-system till något större och mer kraftfullt än jag någonsin hade föreställt mig.
Från de första stegen med en enkel 2 kW växelriktare och några solceller, till att bygga om begagnade batterier
från elbilar och skapa ett sofistikerat energilagringsnätverk, var varje steg en utmaning och en möjlighet att lära
sig mer. Jag ställdes inför beslut om batterityper, kopplingskonfigurationer och säkerhetsåtgärder, och jag
upptäckte de unika egenskaperna hos olika batterikemier. Det var en resa som krävde tekniskt kunnande,
kreativitet och beslutsamhet.
Denna berättelse utforskar mina erfarenheter, de tekniska utmaningar jag stötte på och de avgörande beslut
som formade mitt off grid-system. Från att ha försökt minimera min elräkning till att uppnå en verklig
självförsörjning och att maximera användningen av solenergi, har detta projekt varit en spännande resa genom
teknikens värld och ett steg mot en mer hållbar framtid. Häng med mig när jag delar med mig av insikterna,
misstagen och framgångarna i mitt off grid-äventyr.
2.1 Syfte
Syftet med detta arbete är att beskriva och dokumentera processen bakom utvecklingen och uppgraderingen av
ett off grid-system för energilagring och strömförsörjning. Arbetet syftar till att utforska olika tekniska aspekter
och beslut som fattades under projektets gång, inklusive valet av batterityper, kopplingskonfigurationer, och
säkerhetsåtgärder. Dessutom är syftet att förklara hur systemet utvecklades från en mindre installation till en
omfattande lösning som möjliggör självförsörjning och minskad beroende av elnätet.
Frågeställningar:
1. Vilka utmaningar och överväganden påverkade beslutet att uppgradera från ett ursprungligt 2 kW-
system till en mer omfattande lösning?
2. Hur valdes de olika batterityperna (till exempel Li-ion, Lifepo4, NMC) och vilka var deras specifika
fördelar och nackdelar i sammanhanget?
3. Hur påverkade övergången från blybatterier till litiumbatterier lagringskapaciteten och hanteringen av
energi under olika årstider?
4. Vilka var de tekniska och säkerhetsmässiga utmaningarna i samband med ombyggnaden och
installationen av begagnade battericeller från olika källor?
5. Hur användes växelriktare och MPPT-enheter för att optimera energilagring och användning i systemet?
6. Hur påverkade val av batterityp och kopplingskonfigurationer den totala lagringskapaciteten och
effektiviteten i off grid-systemet?
Syftet med detta arbete är att erbjuda insikter i utvecklingen av ett komplext off grid-energisystem och att dela
kunskap om de tekniska utmaningar och beslut som behövde hanteras för att nå önskad funktionalitet och
pålitlighet i systemet.
7
2.2 Metod
I mitt arbete kommer jag att använda mig av en mängd olika metoder och tekniker för att utforska och
dokumentera mitt off grid-energiprojekt på ett noggrant och strukturerat sätt. Här är några av de viktigaste
metoderna jag planerar att använda:
1. Teknisk Forskning och Planering: Mitt första steg kommer att vara att noggrant forska om olika
energisystemtekniker och batterityper. Jag kommer att granska olika litiumbatterikemier och analysera
deras fördelar och nackdelar. Dessutom kommer jag att studera solpaneler och växelriktare för att välja
de bästa komponenterna för mitt projekt.
2. Experiment och Prototypning: Innan jag går vidare med den slutliga installationen kommer jag att
genomföra experiment och bygga prototyper. Detta kommer att hjälpa mig att testa olika
konfigurationer och säkerställa att de valda komponenterna fungerar som förväntat. Jag kommer att
använda prototyperna för att samla in data och göra eventuella justeringar i systemdesignen.
3. Praktisk Installation: När jag har fastställt den mest effektiva och lämpliga designen för mitt
energisystem kommer jag att gå vidare med den praktiska installationen. Jag kommer att koppla
solpaneler, batterier, växelriktare och alla andra komponenter för att skapa en fungerande enhet.
4. Datainsamling och Mätning: Under hela projektets gång kommer jag att samla in data och göra
mätningar för att övervaka systemets prestanda och energiflöden. Jag kommer att använda dataloggrar
och elektriska mätinstrument för att registrera information om energiförbrukning, solinstrålning,
batteriladdning och urladdning samt andra relevanta parametrar.
5. Problemidentifiering och Felsökning: Om några problem uppstår i systemet kommer jag att använda mig
av felsökningsmetoder för att snabbt identifiera och lösa dem. Jag kommer att analysera data och
använda min tekniska expertis för att hitta och rätta till fel.
6. Utvärdering och Optimering: Jag kommer att kontinuerligt utvärdera systemets prestanda och
effektivitet och göra optimeringar när det är nödvändigt. Detta kan innebära justeringar av
batteriladdningsparametrar, ökad solpanelkapacitet eller ändringar i systemdesignen.
7. Kommer även utgå från elsäkerhetsverkets svar jag fick av dom gällande detta arbete:
” Reglerna för hur starkströmsanläggningar ska vara utförda utgår i huvudsak från föreskriften ELSÄK-
FS 2008:1. Eftersom föreskriften är en ramföreskrift finns det inga detaljer hur en starkströmsanläggning
skall utföras, istället hänvisar föreskriften till svensk standard för detaljer. Den standard som i första
hand används är SS 436 40 00 Elinstallationsreglerna. Om en anläggnings utförande helt eller delvis
avviker från svensk standard ska de bedömningar som ligger till grund dokumenteras.
I kapitel 55, elinstallationsreglerna finns detaljer hur en starkströmsanläggning ska utformas med tanke
på generatoraggregat, generatoraggregat omfattas bland annat av batterier och solceller. För vidare
tolkning av elinstallationsreglerna kontakta Svensk Elstandard”
8
3. Bakgrund
Off-grid solenergilösningar har blivit alltmer attraktiva i takt med att samhället strävar efter hållbara och oberoende
energikällor. Det som gör detta projekt unikt är att det utvecklats i en miljö med tillgång till det fasta elnätet, vilket är
mer ovanligt för Off Grid-installationer. Under sökandet efter den mest lämpliga energilagringslösningen stötte jag på
Nilson och hans vätgaslageridé
1
. Emellertid visade sig vätgaslagring vara ekonomiskt och säkerhetsmässigt opraktiskt,
vilket ledde till att det förkastades som ett alternativ.
När projektet startade var batterilagringslösningar för solenergi fortfarande relativt ovanliga, speciellt för fastigheter
med tillgång till elnätet. De hade tidigare använts främst på båtar och mobila plattformar där tillgången till det fasta
elnätet var begränsad. Ett av huvudkraven för detta projekt var att ha en egen sinusvåg året om, utan att vara beroende
av elnätets frekvens. Informationen om detta var dock knapphändig, och det mesta som fanns tillgängligt fokuserade
på dubbelkonverterings-UPS-system och deras funktioner.
Projektet har sedan dess vuxit och utvecklats i syfte att minska energikostnader, minimera miljöpåverkan och optimera
energieffektiviteten. Detta arbete kommer att utforska detaljerna och utmaningarna med detta Off Grid solkraftsystem
och delge insikter som kan inspirera andra att överväga liknande hållbara energilösningar.
Denna resa började omkring år 2020 när vår elförbrukning började öka kraftigt, vilket fick oss att börja fundera på olika
lösningar.
Jag kommer dock att begränsa mitt examensarbete till att fokusera på uppbyggnaden av energilagret. Att inkludera
detaljer om solceller, automation och andra komponenter skulle göra examensarbetet alldeles för stort.
Jag började med en 2 kW växelriktare, två solceller på 400 W vardera och åtta 12V-batterier kopplade i en 2s4p-
konfiguration för att få 24V:
Bild 2 Första experiment installationen
1
https://www.dn.se/ekonomi/unikt-system-driver-hans-olofs-villa-ville-visa-att-det-gar/
9
Därefter insåg jag att jag behövde gå upp till 48V, delvis på grund av mindre förluster och att fler
växelriktare/mppt:er med högre effekt kunde användas:
Bild 3 Uppgraderad experimentinstallation
Efter att ha testat systemet under flera månader kände jag att det var dags att genomföra den slutgiltiga
installationen enligt följande plan:
Bild 4 Original installationsritningen
10
Planen innebar att använda 2 växelriktare för att driva alla enfasbelastningar i huset och koppla våra 3-
fasbelastningar till min befintliga UPS. Växelriktarna skulle vara anslutna till 12 AGM-batterier:
Bild 5 Första varianten på riktiga installationen
Detta blev dock inte hur installationen slutligen såg ut. Vi insåg snabbt att det skulle vara en god idé att köpa
ytterligare en växelriktare och konfigurera dem för 3-fasdrift så att allt på gården kunde drivas av dem. Detta
blev vår nya plan som jag började implementera.
Jag insåg också att en enda MPPT inte skulle räcka för våra solpanelsplaner. Det innebar att vi behövde köpa
ytterligare 2 stycken MPPT-enheter för att kunna hantera 2 strängar vardera med totalt 12 paneler per MPPT.
Bild 6 3fas Uppgradering
11
Detta fungerade bra till en början, men vi insåg att vi behövde mer batterilagring. Vi hade cirka 24 kWh med
blybatterier, men eftersom du bara ska ladda ur dem till 50%,
2
kan du endast använda 12 kWh av energin utan
att skada batterierna. Dessutom måste blybatterierna laddas helt och överladdas en del för att bibehålla sin
laddningsförmåga,
3
vilket begränsar möjligheten att utnyttja solinstrålningen på soliga dagar, eftersom
batterierna måste vara fulladdade innan de kan användas igen.
Så vi beslutade oss för att övergå till lithium-batterier. Inom lithium-batterier finns olika kemier att välja mellan,
och här är tre av de vanligaste:
1. LFP (Litiumjärnfosfat):
• Fördelar:
• Lång livslängd: LFP-batterier har vanligtvis en längre cykel- och kalenderlivslängd jämfört
med andra litiumkemier. De kan klara upp till 2000-5000 cykler.
• Termisk stabilitet: LFP-batterier är mindre benägna att överhettas och börja brinna
jämfört med vissa andra litiumkemier.
• Mindre risk för termisk rusning: De är mindre benägna att drabbas av termisk rusning,
vilket är en farlig situation där temperaturen snabbt ökar vilket nästan alltid resulterar i
brand.
• Nackdelar:
• Lägre energitäthet: LFP-batterier har vanligtvis lägre energitäthet jämfört med vissa
andra litiumkemier som exempel nmc, vilket innebär att de kan vara större och tyngre
för samma kapacitet.
• Lägre specifik effekt: LFP-batterier kan ha en lägre specifik effekt, vilket innebär att de
kan vara mindre lämpliga för tillämpningar som kräver höga effektutgångar.
2. NMC (Litiumnickelmangancoboltoxid):
• Fördelar:
• God balans mellan energitäthet och effekt: NMC-batterier erbjuder en balans mellan hög
energitäthet och förmåga att leverera hög effekt, vilket gör dem användbara för många
olika applikationer, inklusive elbilar.
• Bred användning: NMC-batterier används ofta i elbilar och bärbara enheter på grund av
deras bra prestanda och energi-/effektbalans.
• Nackdelar:
• Termisk risk: Vid överladdning eller missbruk kan NMC-batterier vara benägna att
termisk rusa, vilket kan leda till brand.
• Längre laddningstider: Jämfört med LTO
3. LTO (Litiumtitanat):
• Fördelar:
• Lång livslängd: LTO-batterier har en extremt lång livslängd och kan klara över 20 000
cykler utan betydande förlust av kapacitet.
• Snabb laddning: De kan laddas och urladdas snabbt, vilket gör dem användbara i
tillämpningar som kräver snabba laddningstider.
• Nackdelar:
• Lägre energitäthet: LTO-batterier har lägre energitäthet jämfört med både NMC och LFP,
vilket kan göra dem mindre lämpliga för tillämpningar där kompakt storlek är viktigt.
• Hög kostnad: LTO-batterier kan vara dyrare att tillverka jämfört med vissa andra
litiumkemier.
4
2
https://louwrentius.com/a-practical-understanding-of-lead-acid-
batteries.html#:~:text=The%20common%20rule%20of%20thumb,if%20you%20deep%20discharge%20them.
3
https://www.morningstarcorp.com/lead-acid-
batteries/#:~:text=The%20battery%20must%20remain%20in,50%20Volts%20the%20previous%20night.
4
https://www.sustainable-bus.com/news/nmc-lfp-lto-battery-explained/
12
Vi valde NMC, främst på grund av priset och möjligheten till hög laddnings- och urladdningskapacitet jämfört
med LFP celler
Så efter lite letande hittade jag ett begagnat Nissan Leaf-batteri på Facebook Marketplace som jag köpte:
Bild 7 Nissan Leaf batteri
Min plan var då att ta ut cellerna och bygga om batteriet till ett 14S-batteri med en nominell spänning på 52V,
vilket passar perfekt för ett 48V-system.