Näkökulmia sähkön pientuotannon kilpailukykyyn ja kokonaistaloudellisiin hyötyihin Samuli Honkapuro Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems 12.5.2015 Samuli.Honkapuro@lut.fi
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
Sähkön tuotanto aurinkosähkö Aurinkokenno (PV) Keskittävä aurinkovoimala (CSP) Kuvat: http://pveducation.org, Wikipedia
Auringon säteilyenergian hyödyntämisen tehokkuus sähkön tuotannossa 1 ha, aurinkosähkövoimala Prisman katolla Suora auringon säteilyenergian muuntaminen aurinkokennoilla sähköksi on 100-400 kertaa tehokkaampaa kuin konversio metsäbiomassan kautta voimalaitosprosessissa 330 ha, 10 m3/ha/a kasvava metsä Covering just 0.7% of Europe's total land with photovoltaic modules would be enough to provide 100% of the continent's electricity needs. (http://www.epia.org)
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 Lähde: Jero Ahola / LUT
Solar and wind power in Germany 38 GW (2014) 33 GW (2013) Von Appen, J. et al. Time in the Sun The Challenge of High PV Penetration in the German Electric Grid. IEEE power & energy magazine. March/April 2013
Evolution of global PV cumulative installed capacity 2000-2013 EPIA: Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018
Evolution of European PV cumulative installed capacity 2000-2013 7 500 MW New photovoltaic (PV) capacity installed annually in Germany ( only 3 300 MW during 2013) EPIA: Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018
Source:http://w3.siemens.com/smartgrid/global/en/Events/SmartGridEurope/Documents/Conference%20presentations/Technology%20Plaza/121011_Smart Utilities_AMS_RE_v6.pdf Jukka Lassila 10
Asennettu aurinkosähkökapasiteetti Euroopassa 2012 Suomi: 0.2 W p /asukas Tanska: 70 W p /asukas Lähde: European Photovoltaik Industry Association (www.epia.org)
Potential of solar power, kwh/m2/day 7 6 5 kwh/m2/d 4 3 2 Frankfurt, Saksa Lappeenranta, Suomi 1 0 Kuukausi
Aurinkosähkövoimalan arvonlisäveroton kokonaiskustannus Saksassa (P n < 10 kwp) Hinnat Suomessa samaa tasoa, paneelien osuus noin 40 % kokonaisuudesta
Aurinkopaneeleiden hintakehitys Saksassa Lähde: Gerlach A. and Breyer Ch. (2012).
Aurinkopaneelien hinnan kehitys valmistetun kapasiteetin funktiona Asennetun kapasiteetin tuplaus on laskenut aurinkosähkö-paneelien hintaa 20 %:lla Lähde: IEA Technology roadmap solar photovoltaic energy 2014.
Kotitaloussähkön verollinen kokonaishinta (kulutus 2500-5000 kwh vuodessa) 1. puolivuotiskausi 2014 Senttiä / kwh 35 30 25 20 15 10 5 0 Bulgaria Romania Unkari Kroatia Latvia Viro Liettua Puola Tsekki Suomi Ranska Luxemburg Slovenia Slovakia Kreikka Malta Norja Iso-Britannia Alankomaat EU-28 Itävalta Ruotsi Espanja Portugali Belgia Italia Irlanti Kypros Saksa Tanska Lähde: Eurostat Energiateollisuus ry. Energiavuosi 2014
Sähkön kuluttajahinnan kehitys Saksassa (snt/kwh) Lähde: Petri Hakkarainen: Energiakäänne mistä Saksan energiapolitiikan mullistuksessa on kyse?
Aurinkosähkön tuotannon kannattavuus Suomessa* Energy price (c/kwh) 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 1.5 eur/w 1.3 eur/w 1 eur/w 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Internal interest rate (%) Kuva. Sisäinen korko, kun itse tuotettu aurinkosähköenergia korvaa aina ostosähköä. Järjestelmän vuotuinen kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista Energy price (c/kwh) 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 Energy price for next 30 years (annual inflation rate 1.5%) 0,0 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 System price (eur/w) Kuva. Aurinkosähköenergian tuotantokustannus eri investointikustannuksilla ja korkotasoilla. Laitteiston vuotuinen kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista. *Simuloitu LUT:n voimalalle: Sijainti Lappeenranta, paneelit suunnattu etelään, kulma 15 10.5% 8.5% 6.5% 4.5% 2.5% 0% Lähde: Jero Ahola / LUT
Tuottopotentiaali http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php
Arvonlisävero 19% Sähkön hankinta 34% Oma käyttö vs. myynti Sähköverot 11% Sähkön myynti 6% Jakeluverkkosiirto 28% Kantaverkkosiirto 2% Lähde: Energiamarkkinavirasto Lähde: Grönberg: Passiivisesta sähkönkuluttajasta aktiiviseksi energiakansalaiseksi
Kotitalouden aurinkovoimalan periaate http://www.geservices.com.au/gridconnectedsystems.aspx
Smart Grid & Customer Gateway Energy and capacity efficiency, reduction of CO 2 emissions, self made clean energy
Oman käytön osuuden lisääminen (seuraavan 30 vuoden aikana) Tuotannon ennustaminen Kysyntäjousto Lämmitys (käyttövesi ja rakennus, varaajat, lattialämmitys, lämpöpumput) Jäähdytys (lämpöpumput) Kodinkoneet Sähköautot Energiavarastot (akut) https://www.sunnyportal.com/fixedpages/homanlive.aspx https://www.sunnyportal.com/templates/publicpagesplantlist.aspx
http://www.teslamotors.com/powerwall
Economics of batteries, example Price of batteries (30 kwh) used as an energy storage If the price of a battery pack is 10 000 20 000 and the lifetime is 2000 4000 cycles, the investment price per discharged energy is 8 33 cent/kwh Lähde: Jukka Lassila / LUT 26
Learning curve: Price decrease 20 % as capacity is doubled
LUT GREEN CAMPUS NEO-CARBON Source: Gasum
POWER METHANE - SNG Key technology for solar economy SNG is the only visible affordable solution for large scale energy storing SNG combines existing electricity and gas networks Gas infrastructure is further expanding due to increasing shale gas business Existing traffic system with combustion engines is easily convertable for power methane All the needed conversion processes are available No need for fossil fuels in the future Source: Michael Sterner, Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems, Dissertation, University of Kassel, 2009
Sähköenergiamittareissa kahta mittaustapaa Hyöty kuluttaja-tuottajalle esim.: 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) L1 1 3 2 0 L2 1 0 0 0 0 1 L3 1 0 0 1 Energia yhteensä (kws) 3 3 0 0 2 2 Ei rankaise 3-vaiheinvertterin käytöstä, kiinteistön kuormien ryhmittelemisestä yhteen vaiheeseen ei hyötyä Kannustaa käyttämään yksivaiheisia aurinkoinvertterejä ja keskittämään kiinteistön kuormat tähän samaan vaiheeseen Lähde: Jero Ahola / LUT
Esimerkki: Netottavan tuntimittauksen merkitys, 100%:lle vuosikulutuksesta mitoitettu kolmivaihejärjestelmä Staattinen mittaustapa Netottava tuntimittaus Kulutus (kwh) Syöttö (kwh) Oikaistu kulutus (kwh) Oikaistu syöttö (kwh) 7 7 6 6 5 5 Energia [kwh] 4 3 Energia [kwh] 4 3 2 2 1 1 0 1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 Aika [h] Osto verkosta = 102 kwh, Syöttö = 175 kwh 0 Verkkoon syöttö: -15 % 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 Aika [h] Osto verkosta = 78 kwh, Syöttö = 151 kwh Tuntinetotus lisää oman käytön osuutta tuotetusta sähköenergiasta merkittävästi ja edesauttaa kysynnän jouston toteuttamista. Lähde: Jero Ahola / LUT
Netottavan tuntimittauksen merkitys, 25%:lle vuosikulutuksesta mitoitettu yksivaiheinen järjestelmä (Pn = 1.3 kwp) Teho (kw) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Osto: 194 kwh Myynti: 100 kwh Osto (mitattu) Myynti (mitattu) Verkkoon syöttö: -48% Teho (kw) 2.5 2.0 1.5 1.0 Tuntinetotus: Osto: 146 kwh Myynti: 52 kwh Osto (netotus) Myynti (netotus) 0.5 0.0 Lähde: Jero Ahola / LUT
LUT Green Campus Yliopiston kampusrakennukset 62 900 m 2, 274 000 m 3 Energiankulutus 16 GWh/a (kaukolämpö 59%, sähkö 41%) Veden kulutus 21 230 m 3 /a 1100 parkkipaikkaa, (320 lämmitystolppaa) 5000 opiskelijaa, 950 henkilökuntaa LOAS opiskelija-asunnot 5 rakennusta, 415 asukasta 13 290 m 2, 43 790 m 3 Energiankulutus 2.7 GWh/a (kaukolämpö 66%, sähkö 34%) Vedenkulutus 17 700 m 3 /a
LUT GREEN CAMPUS The overall objective of the Green Campus The overall objective of the Green Campus project is to promote and improve energy efficiency in a campus environment. Several demonstration projects will be developed and used to achieve this objective. The demonstration projects are designed around the following three main areas of Green Campus research and development: efficient use of energy and resources leading lower energy use and CO2 emissions optimized utilization (reduction) of the grid and generation capacity, and everyday energy efficient behavior of staff and students.
LUT Green Campus Smartgrid Elements (Planned) 40 kw 20 kw (in operation) 200 kw ~ 200 kw (in operation) 500 1000 kwh 1 2 MW 30 + 30 kwh (in laboratory tests) PHEV (4.4 kwh, G2V + V2G, in operation) BEV (24 kwh, G2V, in operation) 20 30 kw Hundreds of kws Hundreds of kws
LUT GREEN CAMPUS Green Campus Smart Grid Energy Management System Targets and tasks of the Energy Management System: - Processing of measurement data and background infromation ICT in critical role - Cost efficient and optimized operation of active resources (DG, ES, DR, EV,...) - Platform for energy business activities - Energy balance in Green Campus
LUT GREEN CAMPUS PV in LUT Roof installation Carport installation Schletter AluGrid Angle: 15 Type Model Total (kwp) Määrä (kpl) mono-si poly-si poly-si (bc) Tianwei TWY250M660 Tianwei TW250P60-FA Cencorp Chrome 250 25,50 102 17,50 70 8,50 34 Total 51,50 206 Schletter Park@Sol Angle: 15 Type Model Total (kwp) Määrä (kpl) mono-si poly-si Tianwei TWY250M660 Tianwei TW250P60-FA 9,00 36 99,00 396 Total 108,00 432 www.lut.fi/green-campus/alykas-sahkoverkko-smart-grid/tuotantolukemia
LUT GREEN CAMPUS PV in LUT www.lut.fi/green-campus/alykas-sahkoverkko-smart-grid/tuotantolukemia
LUT GREEN CAMPUS PV in LUT Roof installation www.lut.fi/green-campus/alykas-sahkoverkko-smart-grid/tuotantolukemia
Aurinkopaneeli julkisivuna
SMART GRIDS ENERGY STORAGES Solar and Energy storages LOAD + SOLAR (1-8.7.2012) Case: LUT Load + Solar, P n = 400 kw (scaled from residential level solar panels, P n = 3 kw) Year 2012 (June August) LOAD Sun Mon Tue Wed Thu Fri Sat SOLAR LOAD ~ 2 MWh High renewable generation during low load moments create incentive for energy storage applications LOAD WITH SOLAR Sunday Lähde: Jukka Lassila / LUT Jukka Lassila 42
LUT GREEN CAMPUS Processing of data Energy balance LOCAL WEATHER STATISTICS WEATHER FORECASTS Wind speed LOAD FORECASTS Temperature Solar activity Power DG STATISTICS GENERATION FORECAST FORECAST FOR THE ENERGY BALANCE IN THE GREEN CAMPUS Lähde: Jukka Lassila / LUT
LUT GREEN CAMPUS Possibilities for activities 2500 2000 One day load curve DISTRIBUTED GENERATION, LOAD CONTROL AND ENERGY STORAGE SOLUTIONS P max DEMAND RESPONSE AND ENERGY STORAGE SOLUTIONS P peak 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Night Morning Day Evening Night Power [kw] 1500 1000 Annual load curve 500 Grid disturbance ENERGY STORAGE AND LOAD CONTROL SOLUTIONS 0 1.1.2011 1.2.2011 1.3.2011 1.4.2011 1.5.2011 1.6.2011 1.7.2011 1.8.2011 1.9.2011 1.10.2011 1.11.2011 1.12.2011 Winter Spring Summer Autumn Winter P base Base load level ENERGY SAVING AND EFFICIENCY SOLUTIONS 2500 2000 Power Power [kw] 1500 1000 500 0 0 Lähde: Jukka Lassila / LUT
Kiitos! D.Sc. Samuli Honkapuro LUT School of Energy Systems Lappeenranta University of Technology Lappeenranta, Finland Samuli.Honkapuro@lut.fi Lappeenranta University of Technology (LUT)