prof. jero ahola: aurinkoenergian suora hyödyntäminen suomessa
DESCRIPTION
Luentomateriaalit energiatehokkuuden professori Jero Aholan "Aurinkoenergian suora hyödyntäminen Suomessa" -puheenvuorosta. Luento järjestettiin Kuopion Aurinkoenergiailtana 3.9.2014TRANSCRIPT
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”