prof. jero ahola: aurinkoenergian suora hyödyntäminen suomessa

Aurinkoenergian suora hyödyntäminen SuomessaJero Ahola, LUT Energia, 3.9.2014

Esitelmän sisältö

1. Johdanto2. Aurinkolämpö ja aurinkosähkö3. Aurinkosähkö Suomessa4. Aurinkosähkövoimalan suunnittelu ja kannattavuus5. Aurinkosähkövoimalan asennus ja käyttöönotto6. Aurinkosähkövoimalan toiminnan seuranta7. Yhteenveto

I. Johdanto

Maailman primäärienergian lähteet 1850-2011

4.9.2014 4Lähde: GEA Summary 2011, saatavissahttp://www.iiasa.ac.at/Research/ENE/GEA/index.html. (6.8.2012)

Puusta hiileen~ 80 vuotta

Hiilestä öljyyn~ 30 vuotta

Öljystä hiileen vaiko uusiutuviin?

Primäärienergian paraneva laatu

4.9.2014 5

in

outEROEIEE

Sekä energian laatu että määrä ovat tärkeitä

Energiatehokkuutta (käytetty energia/saatu palvelu) parantamalla

voidaan muuttaa toimintapistettä

Aurinko ja tuuli – Teknologian kehitys lisää saatavaa nettoenergiaa – Kilpailukyky

paranee suhteessa fossiilisiin energialähteisiin

Hyödynnettävissä olevat energialähteet maapallolla

Lähde: Richard Perez & Marc Perez, ”A Fundamental Look at Energy Reserves for the Planet”

”Auringosta saapuu maapallolle 14.5 sekunnissa yhtä paljon energiaa kuin ihmiskunta

käyttää vuorokaudessa”- Ramez Naam,

Scientific American

Aurinkopaneelien hinnan kehitys

Aurinkosähköjärjestelmän valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika

Lähde: Fraunhofer-ISE, Photovoltaics report, December, 2012.

* Tarkasteltavassa järjestelmässä monikidepiipaneelit

** Globaalisti parhailla alueilla säteilysumma on n. 2500 kWh/m2

2. Aurinkolämpö- ja aurinkosähkö

Auringon säteilyenergian hyödyntämisen päämenetelmät

1. Aurinkosähkö(PV – PhotoVoltaics)

2. Keskittävä aurinkovoima

(CSP, ConcentratedSolar Power Plants)

3. Aurinkolämpö

Aurinkolämpökeräinten päätyypit – tasokeräin ja tyhjiöputkikeräin

Kuva. Tasokeräimen toimintaperiaate Kuva. Tyhjiöputkikeräimen toimintaperiaate

Aurinkolämpökeräinten hyötysuhteet

Esimerkki 2: Kun ulkolämpötila on 0 C ja keräimessä kiertävän

veden lämpötila on 60 C

Esimerkki 1: Kun ulkolämpötila on 0 C ja keräimessä kiertävän

veden lämpötila on 30 C

Kiteiseen piihin pohjautuva aurinkosähkökenno ja sen toimintaperiaate

Kuvat: wikipedia

Kuva. Valosähköisen ilmiön toiminta piikennossa

Kuva. Yksikiteinen valmis piikenno

Suntech:n esittelyvideo aurinkopaneelin valmistuksesta:

http://www.youtube.com/watch?v=fZ1SC-vUe_I

Aurinkosähkökennojen hyötysuhteen kehitys

Yleisen jakeluverkon rinnalla toimivanaurinkovoimalan rakenne

Source: http://www.geservices.com.au/GridConnectedSystems.aspx, accessed 24.4.2014

Yksivaiheisen jakeluverkon rinnalla toimivan aurinkosähkövoimalan sähkökaavio

Source: http: www.pvshop.eu, accessed 24.4.2014

3. Aurinkosähkö Suomessa

Lappeenranta vastaa Frankfurtia aurinkosähkön tuotantopotentiaaliltaan

0

1

2

3

4

5

6

7

kWh/

m2/

d

Kuukausi

Frankfurt, Saksa

Lappeenranta, Suomi

Miten merkittävä määrä aurinkosähköä näkyisi Suomen voimajärjestelmässä heinäkuussa

Miten aurinkosähkötuotanto Saksassa näkyysähkömarkkinoilla

Lähde: www.sahkolamppu.com

Suomen sähköenergian tarpeen täyttämiseen vaadittavien aurinkosähköpaneelien pinta-ala

28 km x 28 kmSuomessa vuotuisesti kulutetun

sähköenergian tuottamiseen tarvittavien aurinkopaneelien

pinta-ala

Sähköenergian vuosikulutus Suomessa (TWh) 85Tarvittava asennettu kapasiteeti (GWp) 106Tarvittava maapinta-ala (km2) 744Pinta-alan tuottavan neliön sivu (km) 27.3

Auringon säteilyenergian hyödyntämisen tehokkuus sähkön tuotannossa

330 ha,10 m3/ha/akasvava metsä

1 ha, aurinkosähkövoimalaPrisman katolla

Suora auringon säteilyenergian muuntaminen

aurinkokennoilla sähköksi on 100-400 kertaa

tehokkaampaa kuin konversio metsäbiomassan

kautta voimalaitos-prosessissa

Aurinkosähkövoimalassa (PV) valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika

on n. 0.5-2 a ja laitoksen käyttöikä on n. 25-30 a

Sähköenergian nettotuotanto ja -kulutus Suomessa vuonna 2013

Kuva Kesäkuu, 2013.

Kuva Kuukausijakauma.

• Vuosikulutus 81,4 TWh• Vuosituotanto 66,0 TWh (81 %)• Kulutushuippu 14 GW• Suomi on ostosähkön varassa• Viikkorytmin näkyminen

Lähde: Fingrid, (www.fingrid.fi)

0100020003000400050006000700080009000

10000

Teho

(MW

)

Oma tuotanto

Osto

-10000000

100000020000003000000400000050000006000000700000080000009000000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ener

gia (M

Wh/

kk)

Kuukausi

Osto Myynti Tuotanto omaan käyttöön

Asennettu aurinkosähkökapasiteetti Euroopassa 2012

Lähde: EuropeanPhotovoltaik Industry Association (www.epia.org)

Suomi: 0.2 Wp/asukas

Tanska: 70 Wp/asukas

Case Tanska - Aurinkosähkökapasiteettia asennetaan nopeasti

0

100

200

300

400

500

600

20002001200220032004200520062007200820092010201120122013

MW

p

Year

Addition (MWp) Installed capacity (MWp)

N = 89000 kplPn,avg = 6.1 kWp

Nettomittaus poistui, syöttötariffi suunnitteilla,

15.5 €snt/kWh, 10a

1000 kWh/m2/aVastaa Etelä-Suomen

tasoa

PV-kapasiteetti Tanskassa (2013 loppu)97 Wp/asukas, vrt. Suomi 0.2-03 Wp/asukas

Poliittinen päätös:nettomittaus Pn < 6kWp

Ratkaistuja ja ratkaisemattomia aurinkosähkön yleistymisen hidasteista Suomessa

RATKAISTU: ”Energiateollisuus ry:n sähköverkon asiakkuustoimikunnan 4.2.2013 tekemän linjauksen mukaisesti. Energiateollisuus ry suosittelee, että luvussa 3 esitetyt suojausasettelut täyttävien laitosten lisäksi jakeluverkkoon hyväksytään myös teknisiltä ominaisuuksiltaan Saksan mikrotuotantonormin VDE-AR-N-4105 täyttävät laitteet”

Aurinkosähkövoimalan verkkoon liittäminen standardeilla, edullisilla ja turvallisilla laitteilla ilmoitusmenettelyn avulla

RATKAISTU: Jo noin 20 Sähkökauppaa harjoittavaa yhtiötä on lupautunut ostamaan pientuottajilta sähköenergiaa.

Yhtenäiset aurinkoenergiaa suosivat rakennustapaohjeet kaikkiin kuntiin

Mikrotuotetulle ylijäämäsähkölle ostaja

Kotitalouksille investointituki aurinkosähköinvestointeihin

Kuluttaja-tuottajan sähköenergian tuntimittaus

Ferraris-mittausperiaatteen käyttäminen on järkevää sekä verkkoyhtiön että kuluttaja-tuottajan kannalta

KIINTEISTÖN KULUTUS

3-vaiheinvertteri 1-vaih. Kuorma

Hetkellinen teho (kW)

Hetkellinen teho (kW)

Osto E+ (kWs)

Myynti E- (kWs)

Osto E+ (kWs)

Myynti E- (kWs)

L1 1 3 2 0L2 1 0 0 1L3 1 0 0 1Energia yhteensä (kWs)

3 3 0 0 2 2

0 0

SÄHKÖENERGIAMITTARIN ENERGIAREKISTERIEN SISÄLLÖN MUUTOS (näytteistystaajuus 1 Hz)

KIINTEISTÖN AURINKOSÄHKÖTUOTANTO

Ferraris-mittausperiaate Staattinen mittausperiaate

Kannustaa käyttämään yksivaiheisia aurinkoinvertterejä ja keskittämään kiinteistön kuormat tähän samaan

vaiheeseen

Ei rankaise 3-vaiheinvertterin käytöstä, kiinteistön kuormien

ryhmittelemisestä yhteen vaiheeseen ei hyötyä

Hyöty kuluttaja-tuottajalle esin.: sähkön myynti 40 €/MWh, itse tuotetun sähkön käyttö 150 €/MWh

Esimerkki 8 kWp järjestelmä omakotitalossa – Netottavan tuntimittauksen merkitys

0

1

2

3

4

5

6

7

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

109

118

127

136

145

154

163

172

181

190

Energia[kWh]

Aika [h]

Kulutus (kWh) Syöttö (kWh)

0

1

2

3

4

5

6

7

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105

113

121

129

137

145

153

161

169

177

185

Energia[kWh]

Aika [h]

Oikaistu kulutus (kWh) Oikaistu syöttö (kWh)

Kulutus = 102 kWh, Syöttö = 175 kWh Kulutus = 78 kWh, Syöttö = 151 kWh

Tässä tapauksessa oman kulutuksen osuuskasvaa noin 20 %

Nykyinen staattinen mittaustapa Oikaistu netottava tuntimittaus

Vapautettu Ilmoitusmenettely Toimepidelupa Ei mainintaa0

100

200

300

400

500

600

Asu

kasl

uku

(tuha

tta)

Lappeenranta

Helsinki

Vantaa

Lahti Kouvola

Mikkeli

HaminaKotkaImatra

Espoo

Aurinkopaneeliasennukset kuntien rakennusjärjestyksissä, tilanne kevät 2013

Kasvava kustannus sekä kuntalaiselle että lupia käsittelevälle viranomaiselle

Mikä on saavutettava hyöty??

Tavoitetila kaikkien

kuntien osalta

Pientalokokoluokan aurinkosähköjärjestelmän kustannusrakenne

Paneelit38 %

Invertteri13 %

Telineet7 %

Kaapelit ja liittimet1 %

Muut tarvikkeet2 %

Työ20 %

Arvonlisävero19 %

Aurinkosähköjärjestelmän kustannusrakenne: 5 kWphinta: 1.6 €/Wp (alv 0%), 2€/Wp (alv. 24%)

Paneelit

Invertteri

Telineet

Kaapelit ja liittimet

Muut tarvikkeet

Työ

Arvonlisävero

ALV:n suuruisen osan poistaminen henkilöverotuksessa mahdolliseksi?

(toteutustapa mikä hyvänsä)

Asennusmäärä (kpl/a) 10000 50000 100000Asennettu kapasiteetti (MWp/a) 50 250 500Suora työllistäminen, asennus (henkilöä) 300 1500 3000Liikevaihto (M€) 100 500 1000

”Menetetty” ALV tuotanto-

tukena:16 €/MWh

ALV-kantoja EU:ssa 2014:Suomi 24 %

Luxemburg 15 %Saksa 19 %

Alankomaat 19 %

Kotimaisuusaste:investointi 25-90%

tuotettu energia: 100 %

ALV:n poisto lisäisi kuluttajan aurinkosähköinvestoinnin kannattavuutta

Sijaintina Lappeenranta, suunnattu etelään, kulma 15 astetta, Invertterin elinikä 15 a ja paneelien 30 a

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

Ener

gy p

rice

(snt

/kW

h)

System price (eur/W)

Energy price for next 30 years (annual inflation rate 1.5%)

10%

8%

6%

4%

2%

0%

ALV:n poistonvaikutus aurinkosähkön tuotantokustannukseen

Kuluttajan maksamasähköenergiankokonaishinta2013

4. Aurinkosähkökovoimalankannattavuus ja suunnittelu

Aurinkosähkön tuotannon kannattavuus Suomessa*

Kuva. Sisäinen korko, kun itse tuotettu aurinkosähköenergia korvaa aina ostosähköä. Järjestelmän vuotuinen kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista

Kuva. Aurinkosähköenergian tuotantokustannus eri investointikustannuksilla ja korkotasoilla. Laitteiston vuotuinen kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista.

0.02.04.06.08.0

10.012.014.016.018.020.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Ener

gy p

rice

(c/k

Wh)

Nominal interest rate (%)

1.5 eur/W

1.3 eur/W

1 eur/W

0.02.04.06.08.0

10.012.014.016.018.020.0

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Ener

gy p

rice

(c/k

Wh)

System price (eur/W)

Energy price for next 30 years (annual inflation rate 1.5%)

10.5%

8.5%

6.5%

4.5%

2.5%

0%

*Simuloitu LUT:n voimalalle: Sijainti Lappeenranta, paneelit suunnattu etelään, kulma 15

Pientalon aurinkosähkövoimalan toteutusprosessi

Asiakkaansähkö-

verkkoyhtiö

Kunnanrakennus-valvonta1. Laitteiston tekniset

tiedot 2. Laitteiston sijoittaminen

Mikrotuotanto-laitteiston yleistietolomake

Laitteistonhankinta ja

asennus(urakoitsija,asiakas,tms)

1. Käyttöönotto-tarkastus (urakoitsija)2. Sopiminen (asiakas) energiayhtiön kanssa

mahdollisen ylijäämäsähkön

käsittelystä

Luvat ja vaatimukset

Asennus ja käyttöönotto

Käsittely

1.Ei mitään2.Ilmoitus3.Toimenpidelupahakemus

Verkkoyhtiö ja kunnan

rakennusvalvonta 1. Käyttöönottotarkastus-pöytäkirja

2. Sähkönmyyntisopimus

1.Laitteiston suunnittelu (sijoitus, laitoksen koko)

2.Komponenttien valinta, kiinnitys-

ratkaisut, mitoitukset

Suunnittelu ja kilpailutus

Tuotannon simulointi ja suunnittelu• Tuotantoa voidaan simuloida ottaen huomioon paikalliset olosuhteet

• Säteily, lämpötila, suuntaus, paneelikulma, teho, lumi, yms.

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

PV p

rodu

ctio

n (k

Wh/

yr)

PV slope (°)

PV annual production with 1 kW system South

East

West

750

800

850

900

950

1000

1050

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90PV

pro

duct

ion

(kW

h/yr

)

Azimuth (° W of S)

PV annual production with 1 kW system

45°

30°

15°

0

50

100

150

200

250

Ener

gy (k

Wh/

mon

th)

S15°

S45°

S90°

Tracking

Kuva Kuukausituotanto erilaisilla järjestelmillä.

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

kWh/

h

June

S15° S45° S90° Tracking

Kuva Ominaistuotanto erilaisilla järjestelmillä päivän sisällä.

Kuva Suuntauksen vaikutus tuotantoon. Kuva Paneelikulman vaikutus tuotantoon.

Vapaasti käytettävä työkalu aurinkosähköjärjestelmän tuotantopotentiaalin alustavaan arviointiin

”PV Potential Estimation Utility”, saatavissa: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

Homer – vapaasti käytettävä hybridienergiajärjestelmien simulointityökalu (www.homerenergy.com)

SMA:n suunnittelu- ja mitoitustyökalu

Paneelien kiinnitystarvikkeiden tarpeen laskenta

Kiinnitystarvikkeiden määrän laskenta, lisäksi saatavilla rakenneanalyysi

Mikrotuotannon verkkoon liittäminen –standardi SFS-EN 50438

• Tehty yksinkertaistamaan alla 50 kVA (3-vaiheiset) tai alla 16 A (1-vaiheiset) jakeluverkon rinnalla toimivien mikrotuotantolaitosten verkkoon valmistamista ja liittämistä:

• Vaatimukset generaattoreille, keskeisenä suojaustoiminnallisuus, jonka perusteella kytketään verkkoon tai irti verkosta • Suojausten parametrisoinnissa kansallisia eroja, Suomessa voidaan käyttää saksalaisen VDE-AR-N-4105 normin mukaisia laitteita

Mikrotuotantolaitteiston yleistietolomake

5. Aurinkosähkövoimalan asennus ja käyttöönotto

Mekaniikka-asennukset pitää tehdä oikein

Järjestelmä suunnitellaan kestämään 30 a: 1) Oikeat kiinnikkeet kattotyypille,2) riittävästi kiinnikkeitä, 3) Oikea kiinnikkeen asennustapa

Oikea kattokiinnike oikein asennettuna

Paneelikentän lumikuorma (puristus) ja tuulikuorma kohdistuu kiinnikkeisiin, ruuvien ja pulttien pitää olla vähintään kuumasinkittyjä

Asennuskiskojen kiinnitys kattokiinnikkeisiin

1) Tiilet takaisin paikoilleen, 2) Kiskojen pulttaus kiinnikkeisiin, 3) Kiskojen jatkaminen jatkokappaleilla

Kiinnityskiskot odottamassa paneelien asennusta

1) Kuvan asentajalta puuttuvat turvavaljaat, kypärä ja turvakengät2) Paneelien nostaminen katolle onnistuu kätevästi esimerkiksi henkilönostimella

Tarvittavia liittimiä ja kiinnitystarvikkeita

Kattoasennusten viimeistely

1) Kiinnityskiskojen maadoitus molemmista päistä (6 mm2 KEVI)2) Putket kaapeloinnille (läpiviennit harjalta käyttöullakolle)

Paneelit kytketään sarjaan paneeliliittimien avulla(MC4, Tyco, Amphenol, etc)

Invertteri ja DC-kaapeli

Turvakytkin ja voimalan kytkentä sähkökeskukseen

1) Laitoksessa oltava lukittava AC-puolen erotusmahdollisuus, johon verkonhaltijalla on

esteetön pääsy2) Aurinkovoimalan syöttökaapeli suojattu johdonsuojakatkaisijoilla ja kytketty keskukseen

Valmis asennus - Pn = 8 kWp

Myyntisopimus ylijäämäsähköstä energiayhtiön kanssa

6. Aurinkosähkövoimalantoiminnan seuranta

Osa invertterivalmistajista tarjoaa pilvivalvomoja

Lappeenrannan Energian asiakasportaali

7. Kuvia Lappeenrannan seudulle toteutetuista aurinkosähkövoimaloista

LUT 108 kWp voimala Lappeenrannassa

5 kWp voimala Lemillä

3 kWp voimala Kuusankoskella

4.1 kWp voimala Taipalsaarella

5.2 kWp voimala Lappeenrannassa

7.5 kWp voimala Lappeenrannassa

11.5 kWp voimala Lappeenrannassa

Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi

Voimala Lemillä

Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi

Voimala Virolahdella

Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi

Voimala Taipalsaarella

Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi

Yhteenveto - Aurinkosähkö tulee myös Suomeen

Seuraavat väittämät eivät pidä paikkaansa

”Aurinkosähköjärjestelmät tuottavat sähköä vain kesällä ja sähköenergiaa kuluu asunnossa vain lämmitykseen”

”Aurinkosähköjärjestelmät ovat kalliita ja vaikeita asentaa olemassa oleviin rakennuksiin”

”Aurinkosähköjärjestelmää ei voi kytkeä toimimaan sähköverkon rinnalle”

”Aurinkopaneelit eivät kestä lumikuormaa”

”Aurinkopaneelit eivät tuota yhtä paljon energiaa kuin mikä kuluu paneelien valmistukseen”