Aurinkosähkön kasvava merkitys osana kotimaista sähköntuotantoa Jero Ahola, LUT Energia,

Transkriptio

1

2 Aurinkosähkön kasvava merkitys osana kotimaista sähköntuotantoa Jero Ahola, LUT Energia,

3 Esitelmän sisältö I. Johdanto II. Aurinkosähkö Suomessa III. LUT 220 kwp

4 I. Johdanto

5 Maailman primäärienergian lähteet Primäärienergian paraneva laatu Puusta hiileen ~ 80 vuotta Hiilestä öljyyn ~ 30 vuotta Öljystä hiileen vaiko uusiutuviin? Lähde: GEA Summary 2011, saatavissa ( ) 5

6 Sekä energian laatu että määrä ovat tärkeitä Aurinko ja tuuli Teknologian kehitys lisää saatavaa nettoenergiaa Kilpailukyky paranee suhteessa fossiilisiin energialähteisiin Energiatehokkuutta (käytetty energia/saatu palvelu) parantamalla voidaan muuttaa toimintapistettä EROEI E E out in

7 Hyödynnettävissä olevat energialähteet maapallolla Auringosta saapuu maapallolle 14.5 sekunnissa yhtä paljon energiaa kuin ihmiskunta käyttää vuorokaudessa - Ramez Naam, Scientific American Lähde: Richard Perez & Marc Perez, A Fundamental Look at Energy Reserves for the Planet

8 Aurinkopaneelien hinnan kehitys

9 /Wp Aurinkosähkövoimaloiden kokonaiskustannus USA:ssa ja Saksassa 6 Average PV System Prices Germany USA (1 = 1.35 $) /W p + 120% USA:n verkkoon liittämisen ja rakentamisen byrokratia on Saksaa raskaampi /W p 0 Jan-06 Jan-07 Jan-08 Jan-09 Jan-10 Jan-11 Jan-12 Lähteet: Statistic data on the German Solar power (photovoltaic) industry, German Solar Industry Association, Huomautukset: Saksa: P n < 100 kwp, ei arvonlisäveroa USA: Non-residental plants Lähde: U.S. Solar market insight 2011 Executive summary, Solar Industries Association,

10 Aurinkosähkökapasiteetti kasvaa eksponentiaalisesti verkkopariteetteja saavutetaan jo ilman tukia Vuosittain asennettu uusi aurinkosähkökapasiteetti Arvioidut verkkopariteetit Euroopassa vuonna 2016 Lähde: PV production grows despite 'crisis-led' drop in investments, saatavissa: Lähde: Ruggero Schleicher-Tappeser, How renewables will change electricity markets in the next five years, Elsevier Energy Policy, in Press

11 Saksassa uusiutuva energiantuotanto on jo heikentänyt perinteisen sähkön tuotannon kannattavuutta

12 Aurinkosähkön tuotantoennätys 24 GW in Saksassa at On from solar PV generation covered 46 % of all consumed electricity in Germany Electricity is generated from M of solar PV systems 8.5 M humans living in buildings which produce electric energy with PV systems Sources: SMA, (accessed )

13 Sähköstä puolet hiilidioksidivapaasti - Ydinvoima vs. uusiutuvat Source: Comparing the Cost of Low-Carbon Technologies: Whatis the Cheapest Option?, Agora Energiewende, Germany, 2014

14 Tarvittavat kapasiteetit Source: Comparing the Cost of Low-Carbon Technologies: Whatis the Cheapest Option?, Agora Energiewende, Germany, 2014

15 Energiajärjestelmien vertailukelpoiset kustannukset Source: Comparing the Cost of Low-Carbon Technologies: Whatis the Cheapest Option?, Agora Energiewende, Germany, 2014

16 Euroopassa on investoitu viime vuosikymmenellä pääosin uusiutuvaan sähköntuotantoon Sources: EPiA & Christian Breyer

17 Aurinkosähköjärjestelmän valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika Lähde: Fraunhofer-ISE, Photovoltaics report, December, * Tarkasteltavassa järjestelmässä monikidepiipaneelit ** Globaalisti parhailla alueilla säteilysumma on n kwh/m2

18 V. Aurinkosähkö Suomessa

19 Teho (MW) Energia (MWh/kk) Sähkön nettotuotanto ja -kulutus Suomessa vuonna Kuukausi Osto Myynti Tuotanto omaan käyttöön Kuva Kuukausijakauma. Vuosikulutus 81,4 TWh Vuosituotanto 66,0 TWh (81 %) Kulutushuippu 14 GW Suomi on ostosähkön varassa Viikkorytmin näkyminen Lähde: Fingrid, ( Oma tuotanto Osto Kuva Kesäkuu, 2013.

20 Asennettu aurinkosähkökapasiteetti Euroopassa 2012 Suomi: 0.2 W p /asukas Tanska: 70 W p /asukas Lähde: European Photovoltaik Industry Association (

21 MWp Case Tanska - Aurinkosähkökapasiteettia asennetaan nopeasti PV-kapasiteetti Tanskassa (2013 loppu) 97 W p /asukas, vrt. Suomi W p /asukas N = kpl P n,avg = 6.1 kw p Addition (MWp) Installed capacity (MWp) kwh/m2/a Vastaa Etelä-Suomen tasoa Nettomittaus poistui, syöttötariffi suunnitteilla, 15.5 snt /kwh, 10a Year Poliittinen päätös: nettomittaus P n < 6kWp

22 Suomen sähköenergian tarpeen täyttämiseen vaadittavien aurinkosähköpaneelien pinta-ala 28 km x 28 km Suomessa vuotuisesti kulutetun sähköenergian tuottamiseen tarvittavien aurinkopaneelien pinta-ala Sähköenergian vuosikulutus Suomessa (TWh) 85 Tarvittava asennettu kapasiteeti (GWp) 106 Tarvittava maapintaala (km 2 ) 744 Pinta-alan tuottavan neliön sivu (km) 27.3

23 Auringon säteilyenergian hyödyntämisen tehokkuus sähkön tuotannossa 1 ha, aurinkosähkövoimala Prisman katolla Suora auringon säteilyenergian muuntaminen aurinkokennoilla sähköksi on kertaa tehokkaampaa kuin konversio metsäbiomassan kautta voimalaitosprosessissa 330 ha, 10 m3/ha/a kasvava metsä Aurinkosähkövoimalassa (PV) valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika on n a ja laitoksen käyttöikä on n a

24 Miten merkittävä määrä aurinkosähköä näkyisi Suomen voimajärjestelmässä heinäkuussa

25 Daily solar radiation (kwh/m2/d) Day length (hh:mm) Air temperature ( C) Ulkolämpötila, säteilymäärä ja päivän pituus Barcelona Frankfurt Lappeenranta Lappeenranta vastaa Frankfurtia aurinkosähkön tuotantopotentiaaliltaan Suomessa viileämmät olosuhteet kuukausijakauma erilainen Päivät pitkiä kesäaikaan Parhailla alueilla tuotanto noin kaksinkertainen Suomeen verrattuna Barcelona Frankfurt Lappeenranta 21:36 19:12 16:48 14:24 Barcelona Frankfurt Lappeenranta :00 9: : :48 2: :00 0.0

26 PV production (kwh/yr) PV production (kwh/yr) kwh/h Energy (kwh/month) Tuotantoon vaikuttavia tekijöitä June S15 S45 S90 Tracking S15 S45 S90 Tracking Kuva Päivän sisäinen tuotanto Kuva Kuukausituotanto PV annual production with 1 kw system South East West PV slope ( ) Kuva Paneelikulman vaikutus tuotantoon PV annual production with 1 kw system Azimuth ( W of S) Kuva Suuntauksen vaikutus tuotantoon

27 Ratkaistuja ja ratkaisemattomia aurinkosähkön yleistymisen hidasteista Suomessa Aurinkosähkövoimalan verkkoon liittäminen standardeilla, edullisilla ja turvallisilla laitteilla ilmoitusmenettelyn avulla RATKAISTU: Energiateollisuus ry:n sähköverkon asiakkuustoimikunnan 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 Mikrotuotetulle ylijäämäsähkölle ostaja RATKAISTU: Jo noin 20 Sähkökauppaa harjoittavaa yhtiötä on lupautunut ostamaan pientuottajilta sähköenergiaa. Vaiheiden välinen reaaliaikainen netotus käyttöön sähköenergiamittareissa Ferraris-mittausperiaate käyttöön staattisen sijasta Yhtenäiset aurinkoenergiaa suosivat rakennustapaohjeet kaikkiin kuntiin Kotitalouksille investointituki aurinkosähköinvestointeihin ja tuntikohtainen energian nettomittaus

28 Ferraris-mittausperiaatteen käyttäminen on järkevää sekä verkkoyhtiön että kuluttaja-tuottajan kannalta Hyöty kuluttaja-tuottajalle: sähkön myynti 40 /MWh, itse tuotetun sähkön käyttö 150 /MWh KIINTEISTÖN AURINKOSÄHKÖTUOTANTO KIINTEISTÖN KULUTUS SÄHKÖENERGIAMITTARIN ENERGIAREKISTERIEN SISÄLLÖN MUUTOS (näytteistystaajuus 1 Hz) 3-vaiheinvertteri 1-vaih. Kuorma Ferraris-mittausperiaate Staattinen mittausperiaate Hetkellinen teho (kw) Hetkellinen teho (kw) Osto E+ (kws) Myynti E- (kws) Osto E+ (kws) Myynti E- (kws) L L L Energia yhteensä (kws) Ei rankaise 3-vaiheinvertterin käytöstä, kiinteistön kuormien ryhmittelemisestä yhteen vaiheeseen ei hyötyä Kannustaa käyttämään yksivaiheisia aurinkoinvertterejä ja keskittämään kiinteistön kuormat tähän samaan vaiheeseen

29 Esimerkki 8 kwp järjestelmä omakotitalossa - Mitä sähköenergian netottaminen tuntitasolla tarkoittaisi Kulutus (kwh) Syöttö (kwh) Oikaistu kulutus (kwh) Oikaistu syöttö (kwh) Energia [kwh] 4 3 Energia [kwh] Aika [h] Aika [h] Kulutus = 102 kwh, Syöttö = 175 kwh Kulutus = 78 kwh, Syöttö = 151 kwh Oman kulutuksen osuus kasvaa noin 20 %

30 Asukasluku (tuhatta) Aurinkopaneeliasennukset kuntien rakennusjärjestyksissä, tilanne kevät Helsinki Kasvava kustannus sekä kuntalaiselle että lupia käsittelevälle viranomaiselle Mikä on saavutettava hyöty?? Espoo Vantaa Tavoitetila kaikkien kuntien osalta Lahti Lappeenranta Kouvola Mikkeli Hamina Kotka Imatra Vapautettu Ilmoitusmenettely Toimepidelupa Ei mainintaa

31 Kiinteistökokoluokan aurinkosähköjärjestelmän kustannusrakenne ALV:n suuruisen osan poistaminen henkilöverotuksessa mahdolliseksi? (toteutustapa mikä hyvänsä) Menetetty ALV tuotantotukena: 16 /MWh ALV-kantoja EU:ssa 2014: Suomi 24 % Luxemburg 15 % Saksa 19 % Alankomaat 19 % Työ 20 % Aurinkosähköjärjestelmän kustannusrakenne: 5 kwp hinta: 1.6 /Wp (alv 0%), 2 /Wp (alv. 24%) Arvonlisävero 19 % Muut tarvikkeet 2 % Kaapelit ja liittimet 1 % Kotimaisuusaste: investointi 25-90% tuotettu energia: 100 % Telineet 7 % Invertteri 13 % Paneelit 38 % Paneelit Invertteri Telineet Kaapelit ja liittimet Muut tarvikkeet Työ Arvonlisävero Asennusmäärä (kpl/a) Asennettu kapasiteetti (MWp/a) Suora työllistäminen, asennus (henkilöä) Liikevaihto (M )

32 Energy price (snt/kwh) ALV:n poisto lisäisi kuluttajan aurinkosähköinvestoinnin kannattavuutta Energy price for next 30 years (annual inflation rate 1.5%) 35,0 30,0 25,0 20,0 Kuluttajan maksama sähköenergian kokonaishinta 2013 ALV:n poiston vaikutus aurinkosähkön tuotantokustannukseen 10% 8% 15,0 10,0 6% 4% 2% 0% 5,0 0,0 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 System price (eur/w) Sijaintina Lappeenranta, suunnattu etelään, kulma 15 astetta, Invertterin elinikä 15 a ja paneelien 30 a

33 Suomen (toiseksi) suurin aurinkovoimala LUT 220 kwp Toteutusaikataulu

34 LUT aurinkoenergian hyödyntämisen edistäjänä Riippumattoman tiedon tuottaja Tutkija Kouluttaja Demonstraatiokohde

35 Teema 1, kesä 2013: Kustannustehokas ja turvallinen asennus suomalaisille tasakatoille Rakennuskanta uusiutuu %/a Aurinkosähkön markkinaehtoinen yleistyminen: päivittäistavarakauppa, toimistot ja julkiset rakennukset Miten tasakattoasennuksia nykyiselle rakennuskannalle kustannustehokkaasti? Kuva Paneeliteline tasakatolle. Kuva 51.5 kw:n voimala LUT:n tasakatolla

36 Teema 2, kesä 2013: Aurinkopaneelit rakenteen katteena Miksi aurinkopaneeli pitäisi asentaa olemassa olevan pintamateriaalin päälle? Paneelia itsessään voidaan soveltaa aurinkoverhona tai katteena. Tavoitteena demonstroida autokatos, jossa katemateriaalina aurinkopaneeli. Kuva Suojaisa parkkipaikka autoille. Kuva 108 kw paneeleita autokatoksiin. Autokatokset

37 Teema 3, kesä 2014: Aurinkopaneelit rakenteen julkisivuna Miksi aurinkopaneeli ei voisi olla näyttävä julkisivuelementti? Paneeli ei näytä ikkunaan verrattuna kovinkaan erilaiselta. Paneeli voi toimia aurinkoverhona ikkunoille. Tavoitteena demonstroida aurinkopaneeli julkisivuelementtinä. Lähde: Schletter GmbH, ( Kuva Seinäasennus aurinkopaneeleille. Kuva Aurinkoverho ikkunoille.

38 Tuotannon mittaaminen ja seuraaminen Energiamittarit mittaavat jokaista kokonaisuutta voimaloiden tuotannot erotellaan Päivittäiset tuotantotiedot esitetään minuuttitasolla Kommunikaatio ja mittausohjelmisto oleellisessa asemassa Valmistajat tarjoavat omia ohjelmistoja tuotannon seuraamiseen Kuva LUT aurinkovoimalan kommunikaatiojärjestelmä. Kuva Tuotantolukemia (160 kwp voimala).

39 LUT aurinkosähkövoimala, P n = 220 kwp Valmistuessaan Suomen 2. suurin aurinkovoimala (tällä hetkellä 3. suurin verkossa oleva voimala) Voimala koostuu erilaisista kokonaisuuksista Tasakatto 51,5 kwp Autokatos 108 kwp Seinä 40,5 kwp Automaattisesti säätyvä (tracking system) 5 kwp Kiinteä asennus (verrokki säätyvälle) 5 kwp Ohutkalvo 10 kwp Yhteensä 220 kwp Kuva 5 kw säätyvä 2-akselinen järjestelmä.

40 Hankkeen eteneminen 1. Päätös voimalan rakentamisesta % investointituki voimalan rakentamiseen (TEM) 3. Lupa rakennuksen omistajalta (SYK) 4. Lupa kaupungin rakennusvalvonnalta Ilmoitusmenettely (tasakattovoimala) Toimenpidelupa (autokatosvoimala) 5. Hankintaprosessi (yli 30 keur hankinnoissa hankintalain mukaan) Telineet, invertterit, paneelit, kaapelit, työt 6. Rakentaminen (työturvallisuus) 7. Sähkösuunnittelu ja -työt (suojaukset, kaapelit, mittaukset, kytkennät, keskukset) 8. Varmennustarkastus ja ilmoitus Lappeenrannan Energialle mikrotuotantolaitteiston liittämisestä sähköverkkoon 9. Käyttöönotto

41 LUT tasakattovoimala (1/2) Vesikattoa läpäisemätön pinta-asennus bitumikermikatolle Neliöpaino kg/m 2 Asennuskulma 15 Paneelikiinnikkeet paneelikehyksen korkeuden mukaan Lisäpainot ( jätekivi ) valmistajalta saadun tuulikuormalaskelman mukaan

42 LUT tasakattovoimala (2/2) Inv. Panels Type Manuf. 1 2 Poly 2x17 3 Tianwei 4 5 2x18 Mono 6 2x17 Poly Cencorp Totally: 206x250 W = 51,5 kw p

43 LUT autokatosvoimala (1/2) Rakenne modulaarinen (pulttiliitokset, ei paikan päällä tehtyjä hitsauksia) Aluskate estämässä vesivuodot Kattokulma 15 Paneelikiinnikkeet paneelikehyksen korkeuden mukaan Lumikuormalaskelmat valmistajalta

44 LUT autokatosvoimala (2/2) Inv. Panels Type Manuf x18 Poly Tianwei 2 Poly 3 2x18 Tianwei 4 5 Mono 6 Poly Totally: 432x250 W = 108 kw p

45 Sähköistys Autokatosvoimala kytketty 6-vaiheen sähkökeskukseen Tasakattovoimala kytketty 3-vaiheen sähkökeskukseen Aurinkovoimala ei lisää kuormitusta Aurinkovoimala merkittävä näkyvin kyltein Voimala täytyy pystyä irrottamaan mekaanisesti verkosta Kuva Kaaviokuva LUT aurinkovoimalan sähköistyksestä. Kuva Merkintäkyltti.

46 Rated power (W) Paneelit Standardipaneelikoko: n Moni- ja yksikidekennot (hyötysuhde 15 %, nimellisteho 250 W) Liitintyyppi MC4 (muita esim. Amphenol ja Tyco Solarlok) Jännitekesto 1000 VDC ja toimintalämpötila 40 C 85 C IP-luokitus: IP65 (myös liittimien osalta) Mekaaninen kuormituskesto 5400 Pa Flash testausdokumentit (takuu paneelin todellisesta nimellistehosta) TÜV tai IEC standardin mukainen hyväksyntä Tianwei Cencorp 10 a 25 a Year Kuva Paneelin tuotanto vähintään. Suorituskyky: 90 % (10 a), 80 % (25 a) Kestää n. 550 kg/m 2 tasaista kuormaa Tuotanto heikkenee lämpötilan noustessa standardiolosuhteiden yläpuolelle n. 0.5 %/ C 1 kw:n voimala tuottaa Suomessa n. 800 kwh/a 1 kw paneeleja vie tilaa n. 6,5 m 2

47 Mitoitus ja paneelikytkennät Invertterivalmistajilla mitoitusohjelmia paneelikenttien mitoittamiseen LUT: 8,9 kw invertterit paneelin sarjaankytkentä (string) Sarjaankytkennällä nostetaan DC-jännite riittäväksi Rinnankytkennällä nostetaan kenttien tuottamaa virtaa INVx.3 INVx.1 INVx Kuva Esimerkki tasakaton paneelikytkennöistä. INVx.3 INVx.2 INVx Kuva Kaapelit suojaan UV-säteilyltä. Kuva Esimerkki autokatoksen paneelikytkennöistä.

48 Paneelien sijoittelu Hyvin suunniteltu paneelien sijoittelu lisää tuotantoa, helpottaa kytkentöjen tekemistä ja kaapelointia Kokonaisuus tärkein Kuva Lumi vaikuttaa tuotantoon. Kuva Varjot vaikuttavat tuotantoon.

49 Teho (kw) Energia (kwh/kk) 220 kwp LUT:n omaan käyttöön? Kuukausittainen sähkön jakauma Kuukausi Simuloitu vuosituotanto 186 MWh n. 2,6 % kokonaiskulutuksesta Kulutuspiikkejä tasataan tuotannolla Paneelipinta-ala n m 2 Osto Myynti Tuotanto omaan käyttöön Oma käyttö Osto Kuva Yliopiston sähkön alkuperä 220 kwp voimalalla.

50 Teho (kw) Energia (kwh/kk) 800 kwp aurinkovoimala LUT:ssa? Kuukausittainen sähkön jakauma Kuukausi Simuloitu vuosituotanto 676 MWh n. 9,4 % kokonaiskulutuksesta Myyntiin 10,6 kwh (0,002 %) Paneelipinta-ala n m 2 Osto Myynti Tuotanto omaan käyttöön Oma käyttö Osto Kuva Yliopiston sähkön alkuperä 800 kwp voimalalla.

51 Teho (kw) Energia (kwh/kk) 8,6 MWp aurinkovoimala LUT:ssa Kuukausittainen sähkön jakauma Kuukausi Simuloitu vuosituotanto 7269 MWh n. 100,5 % kokonaiskulutuksesta Vuosittainen nettosähkönkäyttö 0 kwh Myyntiin 4238 MWh (58,3 %) Paneelipinta-ala n m 2 Osto Myynti Tuotanto omaan käyttöön Oma käyttö Osto Kuva Yliopiston sähkön alkuperä 8,6 MWp voimalalla.

52 Energy price (snt/kwh) Onko aurinkosähkö kannattavaa? LUT maksaa tällä hetkellä n. 10 snt/kwh 35.0 Energy price for next 30 years (annual inflation rate 1.5%) % 8% 6% 4% 2% 0% System price (eur/w) Kuva Tuotetun energian hinta aurinkovoimalan elinkaaren aikana. (Homer, The Micropower Optimization Model)

53 Sähkön hinta (snt/kwh) Oma käyttö (kwh/a) Optimaalinen voimalan koko sähkönhinnan kannalta Nykyhinnoilla laskettuna Myyntisähkö 4,52 snt/kwh (Lappeenrannan Energia, kaksivuotinen sopimus) Oma tuotanto 5 snt /kwh (1,5 /W, 1,5 % inflaatio, 0 % korko) Ostosähkö 9,64 snt /kwh n. 9 MWp Sähkön hinta 7,98 snt /kwh Sähkön hinta, 30 a Omaan käyttöön Voimalan koko (kwp) Voimalan koko (kwp) Kuva Sähkön hinta nykyhinnoilla laskettuna. Kuva Aurinkosähkö omaan käyttöön.

54