ESEn aurinkosähköpaketeilla

Transkriptio

1 ESEn aurinkosähköpaketeilla

2 Miten syntyy aurinkosähkö Aurinkosähkö syntyy valosähköisessä ilmiössä, kun valon sisältämät fotonit (säteily) irrottaa aurinkopaneelin materiaalista elektroneja, jotka ovat sähkövirran alkeisyksikköjä ja synnyttävät sähkövirran suljetussa virtapiirissä. Aurinkopaneelit valmistetaan materiaalista, jossa valosähköisen ilmiön tapahtuminen on mahdollisimman voimakasta. Aurinkopaneelit kytketään kuormaan virtajohdoilla, jolloin aurinkopaneelien synnyttämää sähköenergiaa voidaan käyttää aivan kuten mitä tahansa sähkö. Sähköenergia voidaan käyttää lähellä aurinkopaneelia tai siirtää sähköverkkoa pitkin muille käyttäjille. Auringonvalo pn-liitos Virta I + R Kuorma Heijastus Jännite U Elektronit Kuva 1. Valosähköinen ilmiö Varsinaisena sähköenergian lähteenä käytettävän aurinkopaneelin lisäksi aurinkosähköjärjestelmään tarvitaan kuvan 2 mukaiset laitteet. Aurinkopaneelit Invertteri Turvakytkin Sähköpääkeskus Sähkömittari Sähköverkko Kuva 2. Aurinkosähköjärjestelmän komponentit. Kulutus

3 Aurinkopaneeleista korkeajännitteinen (n. 700 volttia) tasavirta johdetaan invertterille, joka muuntaa sähkön vaihtovirraksi eli yleisesti kiinteistöissä käytettäväksi sähkölaaduksi (230 volttia/50 Hz). Yleensä invertteri asennetaan sähköpääkeskuksen läheisyyteen, sisätiloihin. Sähköverkon vikatilanteessa invertteri irrottaa automaattisesti aurinkopaneelit pois tuotannosta ja myös palauttaa aurinkopaneelit takaisin tuotantoon, kun sähköverkon vikatilanne on poistunut. Turvakytkin on pakollinen varuste ja siihen on paikallisen sähköverkon haltijan päästävä ehdottomasti käsiksi ilman kiinteistön omistajan toimia eli käytännössä turvakytkin on syytä olla ulkoseinässä. Turvakytkimen kautta sähkö siirtyy käytettäväksi kiinteistön sähköä käyttäville laitteille (kulutus) tai jos kiinteistössä ei ole kulutusta riittävästi, niin sähkö siirtyy sähkömittarin kautta sähköverkkoon. Paikalliselta sähköverkon haltijalta (esimerkiksi ESE-Verkko Oy), on pyydettävä verkkoon kytkentä lupa ja samalla verkon haltija/verkkoyhtiö varmistaa, että sähkömittari on oikeaa tyyppiä ja mittaa myös verkkoon siirtyneen sähkön. Verkkoyhtiö käy myös tarkastamassa kytkennän ennen kuin se saadaan kytkeä sähköverkon rinnalle. Auringon määrä Suomessa Auringon säteilyn määrä Mikkelin korkeudella vastaa noin Pohjois-Saksan määriä (kts. kuva 3). Paneeleille kertyvä säteily koostuu suorasta- ja hajasäteilystä, joista viimeksi mainittu on Suomessa hyvin merkittävää, paikoitellen jopa puolet kertyneestä säteilystä. Hajasäteilyä tulee vesistöistä, rakenteista, pilvistä ja lumesta tulevista heijastuksista. Aurinkopaneelin kannalta on täysin sama tuleeko säteily suoraan vai heijastuksesta. Kaiken kaikkiaan voidaan todeta aurinkosähköpotentiaalin olevan Mikkelin korkeudella vertailukelpoinen Pohjois-Saksaan, jossa aurinkosähkö on yleisesti käytössä. Kuva 3. Auringon vuotuinen säteily maan pinnalle kwh/m2. Lähde: Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) Joint Research Centre

4 Säteilyn ja siitä syntyvän sähkön määrä on taulukossa 1. Taulukko 1. Säteily ja siitä saatava sähkö Suomessa. Vaihe Määrät Auringon vuotuinen säteily per neliömetri (Suomessa)* n kwh/m 2 Aurinkopaneelien standardikoko (ESE) n. 1,7 m 2 Aurinkopaneelin pintaan tulevasta säteily n kwh/a Josta sähköksi muuttuu n. 15 % 255 kwh/a *) Vaakatasolle tuleva säteily vaihtelee välillä 980(etelä)-790 (pohjoinen) kwh/m 2, 45 asteen kulmassa vaihtelee noin kwh/m 2, joten 1000 kwh/m 2 on käyttökelpoinen nyrkkisääntö eri tulokulmille. Miksi Suomessa on vähemmän asennettua aurinkopaneelikapasiteettia kuin muualla Euroopassa? Auringon säteilyn määrä ei selvästikään selitä aurinkopaneelien vähyyttä Suomessa. Merkittävin syy aurinkopaneelien yleistymisessä ovat valtion tuet. Saksassa, Tanskassa ja Espanjassa valtio on tukenut avokätisesti uusiutuvan sähkön pientuotantoa veronmaksajien rahoilla ja näin valtiot ovat onnistuneet kiihdyttämään myös aurinkopaneelijärjestelmien asentamista. Toisaalta sähköenergian hinta verkosta ostettuna on esimerkiksi Tanskassa huomattavasti korkeammalla tasolla kuin Suomessa ja näin, käytännössä yhtä kalliin, investoinnin takaisinmaksuaika on tanskalaisen pientuottajan laskelmissa lyhempi kuin suomalaisen - myös ilman tukia. Suomalaisessa toimintaympäristössä (kevään 2015 arvoilla) aurinkopaneelijärjestelmän takaisinmaksuaika on jossain 15 ja 20 vuoden välissä. Toisin sanottuna esimerkiksi 10 vuoden tarkasteluaikana verkosta ostetun sähkön kokonaishinta (siirto, sähköenergia ja verot) ovat nykyisellä hintatasolla halvemmat kuin itse aurinkopaneeleilla tuotettu sähkö. Sähkön kokonaishinta tuskin kuitenkaan laskee laitoksen pitoaikana, vaan pikemminkin pitkänvälin trendillä nousee. Teknisesti paneelien on todettu kestävän yli 20 vuotta, paneelien tuottokapasiteetin ollessa jopa 20 vuodelle asti paneelivalmistajan takaamia. Aurinkopaneelijärjestelmä voikin tulla koko pitoaikana hyvin kannattavaksi ja samalla ympäristön CO2-päästöt laskevat. Tulevaa hintakehitystä ja laitekehitystä täytyy jokaisen investoijan tarkastella omista näkökulmistaan hankintapäätöstä tehdessään. Toinen paneelien yleistymistä hidastanut syy lienee, suomalaisessa ympäristössä, tuotannonjakauma. Suomessa jakauma on haasteellisempi verrattuna maihin, joissa aurinko paistaa tasaisemmin ympäri vuoden. Aurinkosähköseurannan mukainen keskimääräinen toteutunut jakauma Suomessa kuvattu kuvassa % 16 % 14 % 12 % 10 % 8 % 6 % 4 % 2 % 0 % Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtiikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu Kuva 4. Aurinkotuotannon jakauma kk-tasolla, Suomi

5 Auringosta saadaan siis energiaa eniten silloin, kun energian kulutus on pienimmillään. Tämä täytyy huomioida mitoituksessa. Toisaalta huomataan, että tuotanto on todella hyvällä tasolla jo maaliskuussa, mitä selittää runsas hajasäteily ja alhainen ulkolämpötila, joka on eduksi aurinkopaneelin toiminnalle. Tulevaisuudessa uusiutuvan energian kustannustehokas varastointi voi ratkaista jakaumaan liittyvän ongelman ja syys-helmikuu katetaan muina kuukausina varastoidulla energialla. Vielä varastointi ei ole lähellekään taloudellisesti kannattavaa. Järjestelmän koon valinta Aiemmin esitetyn yksittäisen paneelin tuotosta voidaan laskea helposti järjestelmän tuottama vuotuinen sähkömäärä (taulukko 2). Taulukko 2. Aurinkosähköjärjestelmän vuotuinen sähkötuotto. Järjestelmän koko (kw) Paneelien määrä (kpl) Vuotuinen tuotto (kwh/a) 2 8 8*255 = *255 = *255= *255= Kuitenkin, käytännön seurannoissa on havaittu, että järjestelmän koko eli huipputeho kerrottuna luvulla 800 saadaan hyvin lähelle keskimääräinen tuottoarvio (35 asteen asennuskulmaan). Tällä tavoin laskettuna vuotuiset tuotot ovat Taulukko 3. Vuotuiset tuotot 800 piikkitehotunnin perusteella. Järjestelmän koko (kw) Vuotuinen tuotto (kwh/a) 2 2*800 = *800 = *800= *800= ESEn mitoituslaskelmissa käytetään taulukon 3. Mitoituksena tämä on realistinen, kaikki tämän yli on paneelien omistajan kannalta positiivista. Varsinainen mitoitus erilaisille tyyppikäyttäjille on ESEn mitoituksessa tehty simuloidun tuotannon ja kulutuksen yhteensovittamisella. Kulutussimulaatio on mallinnettu energiayhtiöiden pitkäaikaisseurantaan perustuvan tyyppikuluttajien kulutuskäyrien perusteella ja tuotantosimulaatio perustuu kokemusperäisiin paneelien tuoton ja sääolosuhteiden vaikutusten mallinnuksiin Mikkelin korkeudelle. Simulaatiot siis huomioivat auringon liikkeiden lisäksi pilvisyyksiä lämpötiloja jne. Näin on pyritty ottamaan molemmissa käyrissä (kulutus/tuotto) huomioon todelliset luonteet mutta yksittäistä kohdetta katsottaessa on syytä muistaa, että mitoituksessa käytettävät arvot ovat keskiarvoja. Simulointien lopputuloksena on tyyppikäyttäjille saatu seuraavat ohjearvot: Taulukko 4. Varaavalla sähkölämmityksellä varustetut kiinteistöt (tyyppikäyttäjä L2): Sähkönkäyttö (kwh/ Paneelikoko Omakäyttöosuus (%) vuosi) (kw) kw kw kw kw > Yksilöllinen mitoitus Yksilöllinen mitoitus

6 Varaavan lämmityksen ajastus on ehdottomasti muutettava päiväsähkölle ainakin välillä maalis-lokakuu. Taulukko 5. Suoralla sähkölämmityksellä varustetut kiinteistöt (tyyppikäyttäjä L1) ja pienyritykset. Sähkönkäyttö (kwh/ vuosi) Paneelikoko (kw) Omakäyttöosuus (%) kw kw kw kw > Yksilöllinen mitoitus Yksilöllinen mitoitus Taulukko 6. Ei sähkölämmitystä (käyttösähkö). Sähkönkäyttö (kwh/ vuosi) Paneelikoko (kw) Omakäyttöosuus (%) kw kw kw kw > Yksilöllinen mitoitus Yksilöllinen mitoitus Taulukko 7. Yritykset ja maatilat, ei varaavaa sähkölämmitystä Sähkönkäyttö (kwh/ vuosi) Paneelikoko (kw) Omakäyttöosuus (%) kw kw kw kw > Yksilöllinen mitoitus Yksilöllinen mitoitus ESE-miehen mitoituksessa on tärkeää huomioida, että etenkin varaavaa lämmitystä käyttävien on oletettu säätävän varaaja päiväsähkökäyttöön ja mieluiten klo välille. Tällöin yllä olevat ESE-miehen mitoitukset ja omakäyttöosuudet ovat keskimäärin voimassa. Vaikutus näkyy hyvin alla olevissa kuvissa, kun asiaa on tarkasteltu tunti tunnilta yhdellä kesäkuun viikolla. Varaava lämmitys yöllä Kuva 5. Aurinkotuotto- ja kulutuskäyrän vertailu, kun varaava lämmitys ajastettu yölle.

7 Varaava lämmitys päivällä Kuva 6. Aurinkotuotto- ja kulutuskäyrän vertailu, kun varaava lämmitys ajastettu päivälle. Omakäyttö kuvassa 5. on 41,6 % ja kuvassa 6. vastaavasti 77,5 %, koko vuoden ajalta laskettuna. Varaajan ajastuksen merkitys on ratkaiseva. Vertailun vuoksi kuvassa 7 perinteinen pohjakuorman mukaan tapahtuva mitoitus tarkoittaisi tässä tapauksessa paneelitehoa mikä olisi vain 20 % ESE-miehen mitoituksesta eli tuotettu aurinkosähkön määrä olisi olematon. Pohjakuormamitoituksessa aurinkotuoton huipun korkeus on maksimissaan noin sähkönkäytön pohjakuorma. Omakäyttöprosentti olisi tällöin tosin lähes 100 %. Varaava lämmitys yöllä Kuva 7. Aurinkotuotto- ja kulutuskäyrän vertailu pohjakuormamitoituksella. Muilla tyyppikäyttäjillä tällaista isoa säätömahdollisuutta ei ole oletettu mitoituksissa, vaan mitoitus on tehty suoraan tyyppikäyttäjien kulutuskäyrien mukaan, ilman muokkausta. Sähkökäytön lisäksi oikean järjestelmäkoon valinnassa on erityisen tärkeää varmistaa riittävä vapaa kattopinta-ala. Alla olevassa taulukossa 8. järjestelmien vaatima pinta-ala: Taulukko 8. paneelien vaatima vapaa kattopinta-ala. Paneelikoko (kw) Vapaa kattopinta-ala (min.) 2 kw 16 m 2 5 kw 40 m 2 7 kw 56 m 2 10 kw 80 m 2 +1 kw + 8 m 2

8 Lisäksi, asennuskuviosta riippuen, on paneelirivien väliin jätettävä kulku-uria ja alla olevan kuvan 9 mukaisia etäisyyksiä esteisiin. Tämä voi nostaa helposti tilan tarvetta >10 %, tämä tilantarve on laskettava mukaan pinta-alaan. Minimi vapaa lapepituus: 1 paneelirivin asennuksessa = 2800 mm 2 paneelirivin asennuksessa = 4500 mm 3 paneelirivin asennuksessa = 6200 mm 4 paneelirivin asennuksessa = 7900 mm 500 mm Minimietäisyys päätyräystääseen tai korkeaan esteeseen, kuten piippu tai korkea ilmastointihormi. Kuva 9. Minimietäisyyksiä esteisiin. Kuva FinnWind Oy. 300 mm 800 mm Minimitäisyys katon harjalle tai esteeseen, kuten savupiippuun tai ilmastointihormiin. Minimitäisyys lumiesteeseen tai räystääseen. 300 mm Minimitäisyys matalaan esteeseen, kuten lapetikkaat, lumieste tai matala ilmastointihormi. Invertteri, joka muuntaa tasavirran vaihtovirraksi eli normaaliin sähköjärjestelmään sopivaksi, vaatii karkeasti kuvan 10 mukaiset asennustilat. Asennuspaikka mahdollisimman lähelle sähkökeskusta ja samaan tilaan. Tarkat tiedot toimitetaan tarjouksen yhteydessä. Osalla inverttereistä on myös ulkoasennusmahdollisuus mutta ulkoasennus kuormittaa laitetta aina enemmän kuin sisäasennus. Fronius Symo Käyttölämpötila -25 C/+60 C Suhteellinen Kosteus 0-100% Paino 16,0/19,9 kg Suositeltava asennuskorkeus näyttö noin 1,5 m lattiatasosta Suositeltava vapaa tila verkkoinvertterin leveys 431 mm 200 mm Suositeltava vapaa tila Laitteen korkeus seinästä n. 204 mm. Tila oltava edestä vapaana Suositeltava vapaa tila 200 mm 200 mm verkkoinvertterin korkeus 645 mm 100 mm johdotukselle varattava tila Kuva 10. Verkkoinvertterin vaatimat asennustilat yhdellä esimerkillä. Riippuu invertterimallista. Kuva FinnWind Oy. Aurinkopaneelien asennuspaikan valinta Aurinkopaneelit on järkevintä asentaa kiinteästi rakennuksen katolle. Maavaraset telineet perustuksineen ovat usein kalliita ja auringon mukaan kääntyvät telineet tuovat liikaa kustannuksia ja hajoavia osia, verrattuna katolle asennettaviin. Katolle asennettaessa ensin on varmistettava riittävä vapaa pinta-ala, kuten aiemmin on kerrottu ja lisäksi on syytä varmistaa kattomateriaalin kunto. Jos kattomateriaali joudutaan vaihtamaan pian paneelien asentamisen jälkeen, koituu omistajalla kaksinkertainen asennuskustannus, mikä romuttaa aurinkopaneelihankinnan kannattavuuden.

9 Optimaalinen ilmansuunta on etelä. Paneelin suuntaaminen ei ole kuitenkaan kovin tarkkaa, koska kaakkoon tai lounaaseen suunnatut paneelit tuottavat 95 % etelään asennettuihin verrattuna (kuva 11). Kuva 11. Asennussuunnan vaikutus vuotuiseen tuottoon. Etelä 100 %. Asennuskulmana optimaalinen (Mikkelissä) on 40 astetta. Mutta tuotto ei ole kovin herkkä myöskään asennuskulmalle, esimerkiksi 20 tai 60 asteen kulmaan asennetut paneelit tuottavat yli 95 % verrattuna 40 asteen optimikulmaan asennettuihin paneeleihin (kuva 12). Kuva 12. Asennuskulman vaikutus vuosituottoon. 40 astetta 100 %. Edellä mainituista syistä aurinkopaneelit kannattaa (yleensä) asentaa katon suuntaisesti eikä optimaalisinta asentoa kannata hakea erillisillä virityksillä, koska asennuskustannukset nousevat hyötyä enemmän. Monen mielestä myös ulkonäkö on paras, kun paneelit ovat mahdollisimman huomaamattomasti samassa linjassa katon kanssa.

10 Mitä tapahtuu sähkölle jota ei pystytä kuluttamaan kiinteistön omissa kulutuskohteissa? Niin kutsutun ylijäämäsähkön voi myydä sitä ostaville sähkönmyyjille, jotka välittävät sähkön omille asiakkailleen. Esimerkiksi sähkön voi myydä ESE Oy:lle, asiasta tehdään erillinen sopimus. Sähkö mitataan kuvan 2 mukaisesti kiinteistön sähkömittarilla, joka pystyy mittaamaan sekä verkosta otetun ja verkkoon siirretyn sähkön. Sähkönmyyjä (ESE Oy) saa mittarilukemat niin käytöstä kuin verkkoon tuotetusta sähköstä etäluennan kautta ja kiinteistön haltijan ei tarvitse tehdä sopimuksen solmimisen jälkeen mitään, toiminta vastaa täysin sitä tilannetta missä sähkö ostetaan verkosta ja laskut tulevat ajallaan. Tässä tilanteessa sähkön toimittamisesta tulevat tulot vähentävät sähkölaskua tai voivat tulla jopa euromääräisenä suorituksena sähköyhtiöltä kiinteistölle! Säästyykö aurinkopaneeleita käyttämällä oikeasti CO2-päästöjä? Aurinkosähkön valmistuksesta aiheutuvat hiilidioksidipäästöt ovat elinkaarilaskelman mukaan noin g/kwh ( Kun aurinkosähköllä korvataan suomalaista sekasähköä, päästöt 258 g/kwh, säästetään aurinkosähköllä noin g(co2)/kwh. Näin ollen 2 kw järjestelmä säästää elinkaarellaan Taulukko 9. Aurinkosähkön tuotolla säästetyt hiilidioksidipäästöt Osatekijä Aurikosähkön tuotanto 25 vuotta, 2 kw järjestelmä Säästetty hiilidioksidipäästö Säästö yhteensä Lukuarvo 1600 kwh/a*25 a = kwh g/kwh kg (CO2) Taulukko 10. Päästöt muutettu henkilöautoilun päästöiksi Osatekijä Saavutettu hiilidioksidipäästösäästö Keskimääräinen henkilöauto (v. 2013) Säästö vastaa ha-ajokilometreinä km Lukuarvo kg (CO2) 134 g/100 km Suomessa aurinkopaneelien elinkaarelle lasketut hiilidioksidipäästöt ovat (vuonna 2015) todennäköisesti lähempänä 100 g/ tuotettu-kwh kuin 40 g/tuotettu-kwh, koska Suomessa aurinkosähkötuotanto jää maista, jotka sijaitsevat aurinkoisemmilla leveyspiireillä. Näin ollen on syytä käyttää arvioissa alempia säästöarvoja, jotka nekin ovat merkittävät. Hankkimalla 2 kw aurinkosähköjärjestelmän, säästää lähes kilometrin henkilöautoilun päästöt! Jokainen kw-lisäys tuo siis elinkaaren aikana noin kilometrin autoilua vastaavan päästösäästön. Aluksi päästöt lisääntyvät, koska valmistuksen päästöt syntyvät heti, mutta ajan myötä päästöt pienenevät elinkaaren aikana merkittävästi. Lisätietoja ja lähteitä Lisää perusteellisempaa tietoa löytyy esimerkiksi Motivan sivuilta.