Energia-alan tulevaisuuden näkymät ja teknologiat Antti Kosonen 30.9.2015
Esityksen sisältö 1. Johdanto 2. Kehitysnäkymät 3. Tilanne Suomessa 4. Energiasektori Suomessa vuonna 2050 5. Päästötön energiajärjestelmä?
Johdanto
Päästötön energian tuotanto ja käyttö? Lähde: Birgitta Resvik, Fortum
Maailman primäärienergian lähteet 1850 2011 Primäärienergian paraneva laatu Puusta hiileen ~ 80 vuotta Hiilestä öljyyn ~ 30 vuotta Öljystä hiileen vaiko uusiutuviin? Lähde: GEA Summary 2011, http://www.iiasa.ac.at/research/ene/gea/index.html.
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
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
Kehitysnäkymät
Uusi asennettu ja poistettu kapasiteetti Euroopassa vuonna 2014 Source: EWEA, Wind in Power 2014 European Statistics, 2015.
Tuulisähkön kehitys maailmalla Kehitys, 2014 1. Kiina, +23,4 GW 2. Saksa, +5,3 GW 3. USA, +4,9 GW x. Suomi, 0,18 GW Kapasiteetti, 2014 1. Kiina, 114,7 GW 2. USA, 67,9 GW 3. Saksa, 39,2 GW x. Suomi, 0,6 GW Source: EWEA, Wind in Power 2014 European Statistics, 2015.
Aurinkosähkön kehitys maailmalla Kehitys, 2014 1. Kiina, +10,6 GW 2. Japani, +9,7 GW 3. USA, +6,2 GW x. Suomi, 0,01 GW Kapasiteetti, 2014 1. Saksa, 38,2 GW 2. Kiina, 28,1 GW 3. Japani, 23,3 GW x. Suomi, 0,02 GW Snapshot of Global PV Markets 2014, IEA-PVPS 2015. Kattavuus, 2014 1. Italia, 7,9 % 2. Kreikka, 7,6 % 3. Saksa, 7,0 % x. Suomi, 0,02 % Tilastot 20 maassa yli 1 GW aurinkosähköä 19 maassa aurinkosähköllä tuotetaan sähköstä yli 1 %
Aurinkopaneelien hinnan kehitys Kapasiteetin tuplaantuminen on laskenut moduulien hintaa aina 20 % Source: IEA Technology roadmap solar photovoltaic energy 2014.
CO 2 -vapaasta aurinko- ja tuulisähköstä tulee pian edullisin sähköntuotantomuoto 2020 2030 Source: C. Breyer et al., North-East Asian Super Grid: Renewable Energy Mix and Economics, WCPEC-6, Kyoto, Nov. 2014.
Ajoittainen energian tuotanto tarvitsee erilaisia energiavarastoja ja joustavia linkkejä muiden energiasektoreiden välillä Lähde: C. Breyer et al., North-East Asian Super Grid: Renewable Energy Mix and Economics, WCPEC-6, Kyoto, Nov. 2014.
Tilanne Suomessa
Teho (MW) Energia (MWh/kk) Sähkön nettotuotanto ja -kulutus Suomessa vuonna 2013 9000000 8000000 7000000 6000000 5000000 4000000 3000000 2000000 1000000 0-1000000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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, (www.fingrid.fi) Oma tuotanto Osto Kuva Kesäkuu, 2013.
kwh/m 2 /a Energian loppukäyttö muissa kuin asuinrakennuksissa Specific energy consumption End-use energy mix 350 300 250 200 150 100 50 0 DH&CHP 6 % Oil 15 % Solid fuels 1 % RES 1 % Electricity 48 % Gas 29 % Total Electricity Lähde: Europe s buildings under microscope Country by country review of the energy performance of the buildings, Buildings Performance Institute Europe (BPIE), 2011. Rakennukset kuluttavat noin 40 % kaikesta energiasta EU:ssa Keskimääräinen ominaisenergiankulutus muissa kuin asuinrakennuksissa on 280 kwh/m 2 /a, joka on 40 % suurempi kuin asuinrakennuksissa Viimeisen 20 vuoden aikana sähkönkulutus on noussut 74%
Aurinkosähkön tuotantokapasiteetti/asukas 2 W p /asukas Suomessa Suurimmat aurinkosähkövoimalat: Maailman: 550 MW Saksan: 166 MW Suomen: 420 kw Lähde: EPIA Global Market Outlook for Photovoltaics 2014 2018.
Auringon säteily Euroopassa Valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika Suomessa alle 3 vuotta Globaalisti parhailla alueilla säteilysumma on n. 2500 kwh/m 2 Lähde: European Union, Joint Research Centre, (http://re.jrc.ec.europa.e u/pvgis/cmaps/eur.htm)
Daily solar radiation (kwh/m2/d) Day length (hh:mm) Air temperature ( C) Ajallinen vertailu aurinkosähkön tuotantoon vaikuttavista tekijöistä 25.0 Barcelona 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0-5.0 Frankfurt Lappeenranta Lappeenranta vastaa Frankfurtia aurinkosähkön tuotantopotentiaaliltaan Suomessa viileämmät olosuhteet Kuukausijakauma erilainen Päivät pitkiä kesäaikaan Maailman parhailla alueilla tuotanto noin kaksinkertainen Suomeen verrattuna -10.0 7.0 6.0 5.0 Barcelona Frankfurt Lappeenranta 21:36 19:12 16:48 14:24 Barcelona Frankfurt Lappeenranta 4.0 12:00 3.0 9:36 2.0 1.0 7:12 4:48 2:24 0.0 0:00
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) Tarvittava asennettu kapasiteetti (GWp) Tarvittava maapintaala (km 2 ) Pinta-alan tuottavan neliön sivu (km) 85 106 744 27.3
Auringon säteilyenergian hyödyntämisen tehokkuus sähkön tuotannossa 1 ha, aurinkosähkövoimala Prisman katolla Suora auringon säteilyenergian muuntaminen aurinkokennoilla sähköksi on 200 400 kertaa tehokkaampaa kuin konversio metsäbiomassan kautta voimalaitosprosessissa 330 ha, 10 m3/ha/a kasvava metsä Aurinkosähkövoimalan (PV) valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika on < 3 a, laitoksen käyttöikä on n. 25 30 a
Suomen suurimmat aurinkosähkövoimalat Suomen suurimmat verkkoon kytketyt aurinkovoimalat 1. Oulu, sanomalehti Kaleva, 420 kw p 2. Helsinki, Suvilahti, 340 kw p 3. Salo, Astrum Keskus, 322 kw p 4. Lappeenranta, LUT, 208,6 kw p Kuva LUT. Kuva Suvilahti. Kuva Helen Oy. Kuva Astrum keskus. Kuva Soleras. Kuva Kalevan painotalo. Kuva Oulun Energia.
Energy price (c/kwh) Energy price (c/kwh) Aurinkosähkön tuotannon kannattavuus Suomessa* 20.0 18.0 16.0 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 1.5 eur/w 1.3 eur/w 1 eur/w 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 10.5% 8.5% 6.5% 4.5% 2.5% 0% 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Nominal interest rate (%) 0.0 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 System price (eur/w) 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. Elinikä 30 vuotta. *Simuloitu voimala: Sijainti Lappeenranta, paneelit suunnattu etelään, kulma 15, inflaatio 1,5 %, laskenta-aika 30 vuotta, kunnossapitokustannus 1,5 %/a
Aurinkosähkön tulevaisuus Suomessa? 2000 MWp ~ 2,2 % Suomen sähköenergian vuosikulutuksesta Kuva 2000 MWp aurinkosähköä Suomen ostosähkössä, kesäkuu 2013. Kuva 2000 MWp aurinkosähköä Suomen kokonaiskulutuksessa, kesäkuu 2013.
Tuulisähkön tuotantokapasiteetti Source: EWEA, Wind in Power 2014 European Statistics, 2015.
Energiasektori Suomessa vuonna 2050
Visio Suomen hiilidioksidivapaasta energiajärjestelmästä Tarkastelussa mukana sähkö, lämmitys ja liikenne, jotka linkittyvät toisiinsa 9 erilaista energiaskenaariota, joiden mallinnus tuntitasolla Tuuli ja aurinko suuressa roolissa Mukana Power-to-Gas (PtG) Power-to-Liquid (PtL) Energiavarastointiteknologiat 100 % uusiutuviin perustuva energiajärjestelmä Hiilidioksidivapaa energiajärjestelmä Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Skenaariot (1/2) Vuosi 2012 Vuosi 2020 2050 perus (Max. 145 TWh th biomassaa) 100 % uusiutuviin perustuva Vähän ydinvoimaa (1,6 GW e ) Keskimäärin ydinvoimaa (2,8 GW e ) Uutta ydinvoimaa (4 GW e ) 2050 vähän biomassaa (Max. 113 TWh th biomassaa) 100 % uusiutuviin perustuva Vähän ydinvoimaa (1,6 GW e ) Keskimäärin ydinvoimaa (2,8 GW e ) Uutta ydinvoimaa (4 GW e ) 2050, Business as usual Tavoitteena päästötön energiasektori Energiariippumaton Suomi Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Skenaariot (2/2) Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Primäärienergia Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Sähkön tuotanto Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Sähkön kulutus Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Vuosittaiset kustannukset Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Päästötön energiajärjestelmä?
/ KEY FIGURES 5 years 2014-2019 14 M 3 Finnish research partners 15 industrial partners 3 NGOs 5 international partners Contact: Pasi VAINIKKA, +358 40 5825987 Principal scientist VTT, Adjunct professor LUT www.neocarbonenergy.fi facebook.com/neocarbonenergy twitter: @neocarbonenergy
/ A COMPLETELY NEW RENEWABLE ENERGY SYSTEM WHERE ENERGY IS EMISSION-FREE, COST-EFFECTIVE AND INDEPENDENT. WHY? 2050: zero emission energy system has to be in place if global warming is limited to +2 C. 2030: only emission free technologies can be taken in use. 2015: solar and wind become the least cost options in large part of the World.
Sähkön ja lämmöntuotantosektorin päästöttömyys on välttämätön, mutta ei riittävä CO 2 emissions distribution Transportation 13.5% Electricity & heat 24.6% Industry + others 26% Biomass is not a sustainable energy source in large part of the World. Land use change 18% Agriculture & Waste 17% 77% (CO 2 )
/ SOLUTION IMPACTS: A WORLD ELECTRIFIED BY SOLAR AND WIND SOLAR AND WIND NEOCARBONISATION STORAGE Design of a feasible renewable energy system with variable electricity production and energy storages. Industry: new technologies for large-scale energy storage, transportation, heating, cooling and chemical industry. Business: a new industrial cluster serving the new energy world s needs. Business cases through pilots. Politics: new legislative frameworks. Changes in geopolitical power relations. Consumers: production distributed to prosumers. Democratisation of energy. Energy transformation: the current form of energy business die. Energy companies need to re-invent themselves.
Energian varastointijärjestelmät Kapasiteetti vs. aika Source: ETOGAS smart energy conversion, Power to Gas: Smart energy conversion and storage, Q2/2013.
Energiajärjestelmä uusiutuvan sähkön ja polttoaineen tuotantoon Closed loop circulation through atmosphere Source: DNV KEMA Energy & Sustainability, Final Report: Systems Analyses Power to Gas, Deliverable 1: Technology Rev., 2013.
A WORLD ELECTRIFIED BY SOLAR AND WIND Neo-Carbon Energy: Future energy system
Matkalla kohti puhtaampaa ja aurinkoisempaa tulevaisuutta