Aurinkoenergiapotentiaaliselvitys

Sun Energia Oy Otaniementie 19 B 02150, Espoo E- Mail: info@sunenergia.com Web: www.sunenergia.com Aurinkoenergiapotentiaaliselvitys Tampereen kaupungin sekä Kangasalan ja Lempäälän kuntien alueilta 23.3.2016

1 Tiivistelmä Tämä aurinkoenergiapotentiaaliselvitys on osa Tampereen ja sen ympäryskuntien Uusiutuvan energian kuntakatselmus - projektia, jossa mukana olivat Tampereen kaupunki sekä Kangasalan ja Lempäälän kunnat. Projektissa selvitettiin Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän alueiden rakennusten kattopintojen aurinkoenergiapotentiaalit ja tarkasteltiin aurinkoenergian laajempaa hyödynnettävyyttä kaupunkialueilla. Tunnin aikana maapallon pinnalle tulee auringon säteilyenergiaa enemmän kuin koko ihmiskunta kuluttaa energiaa vuodessa. Eteläisen Suomen säteilyteho on noin 50 % Etelä- Euroopan säteilytasosta, ja likimain samansuuruinen Keski- Euroopan säteilytason kanssa. Suomen kannalta keskeisiä aurinkoenergian markkinakohteita ovat aurinkoenergian tuotantoon soveltuvien rakennusten kattopinnat. Aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää rakennuksissa sekä sähkönä että lämpönä, joko passiivisesti tai aktiivisesti. Passiivisesti auringon valon ja lämmön hyödyntäminen tapahtuu ilman erillistä laitetta esimerkiksi huomioimalla rakennuksen ikkunoiden suuntaus auringon säteilyn kannalta tarkoituksenmukaisesti. Aktiivinen hyödyntäminen tarkoittaa aurinkosähköpaneelin tai lämpökeräimen tuottaman energian talteenottoa. Lämpöä ja sähköä syntyy lähes ilman hiilidioksidipäästöjä ja itse energia on ilmaista. Aurinkoenergian tuotantopotentiaalin selvittävässä menetelmässä käytettiin parhaita saatavilla olevia aineistoja: Maanmittauslaitoksen laserkeilausaineistoja, Ilmatieteenlaitoksen säädata- aineistoa sekä kaupunkien ja kuntien rakennus- ja kiinteistörekisterin aineistoja. Aurinkoenergia- analyysissä selvitetyt aurinkoenergian tuotantopotentiaalit on laskettu olemassa olevien rakennusten kattopinnoilta niiltä osin kuin lähtötietoaineistoja oli saatavilla. Sun Energian menetelmällä tuotettiin rakennus- ja kuntatasoiset aurinkoenergia- analyysit. Menetelmä huomioi suoran säteilyn lisäksi diffuusin ja siroavan säteilyn, pilvisyyden, ilmankosteuden, lämpötilan, ympäristön varjostukset (puut, kasvillisuus, muut rakennukset) sekä katon omien rakenteiden varjostukset ja kattojen kaltevuudet. Aurinkoenergiapotentiaaliselvityksen aineisto tuotettiin jokaisesta saatavilla olleista kuntien alueiden rakennusten kattopinnoista yhden neliömetrin tarkkuudella. Kuntien kokonaispotentiaalit saatiin laskemalla rakennuskohtainen aineisto yhteen. Aurinkoenergia- analyysissä käytetty lähdeaineisto on tuotettu alueellisesti vuosina 2008-2014, joten tuotettu analyysi sisältää vähintään kaikki ennen vuotta 2008 rakennetut rakennukset. Aurinkoenergiapotentiaaliselvityksessä analysoitiin kohdekuntien rakennusten kattopinta- alasta yli 90 %. Tästä kattopinta- alasta aurinkoenergian tuotantoon hyvin tai erinomaisesti soveltuvaa on kunnasta riippuen 28,21-44,82 %. Aurinkoenergian tuotantoon hyvin soveltuvan kattopinta- alan aurinkosähköpotentiaali vuositasolla on yhteensä 926 GWh, joka vastaa 41,7 % osuutta koko alueen vuotuisesta sähkön kulutuksesta tarkastelualueen sähkönkulutuksen ollessa 2222 GWh.

2 Sisällysluettelo Johdanto... 3 Aurinkoenergia... 4 Mitä aurinkoenergia on?... 4 Aurinkoenergian hyödyntäminen... 5 Aurinkosähkö... 5 Aurinkolämpö... 6 Aurinkoenergian kannattavuus... 6 Aurinkoenergiajärjestelmän suuntaus... 7 Tampereen seudun aurinkoenergiapotentiaaliselvitys... 8 Projektikuvaus... 8 Laskennan metodologia... 8 Laserkeilausaineisto... 8 Korkeusmalli... 10 Sky View Factor... 11 Säädata- aineisto... 11 Aurinkoenergia- analyysi... 12 Menetelmän luotettavuus... 13 Luotettavuusluku... 13 Soveltuvuusluku... 13 Kuntien alueiden aurinkoenergiapotentiaali... 14 Tampereen kaupunki... 15 Kokonaispotentiaali... 15 Teknistaloudellisesti toteutettavissa oleva potentiaali... 16 Kangasalan kunta... 17 Kokonaispotentiaali... 17 Teknistaloudellisesti toteutettavissa oleva potentiaali... 18 Lempäälän kunta... 19 Kokonaispotentiaali... 19 Teknistaloudellisesti toteutettavissa oleva potentiaali... 20 Johtopäätökset... 21 Lähteet... 22

3 Johdanto Pirkanmaan kaupungit ja kunnat tekevät strategista kehitystyötä uusiutuvan energian lisäämiseksi alueillaan. Tämä aurinkoenergiapotentiaaliselvitys liittyi Tampereen kaupungin ja sen ympäryskuntien Uusiutuvan energian kuntakatselmus - projektiin, jossa mukana olivat Tampereen kaupunki sekä Kangasalan ja Lempäälän kunnat. Projektin tavoite oli muun muassa selvittää uusiutuvan energian potentiaaleja alueella sekä osoittaa kannattavia tapoja korvata fossiilisia polttoaineita käyttäviä energiamuotoja uusiutuvalla energialla. Osana tätä työtä haluttiin tutkia mahdollisuudet aurinkoenergian tuotantoon ko. kuntien alueella. Selvityksen toteutti aurinkoenergian rakennus- ja aluetasoista tietoa tuottava yritys, Sun Energia Oy. Tampere, Kangasala ja Lempäälä ovat yhdessä 77 muun suomalaisen kaupungin, kunnan tai kuntayhtymän kanssa sitoutuneet kunta- alan energiatehokkuussopimukseen. Kuntien energiatehokkuussopimuksella 2008 2016 (KETS) pyritään ensisijaisesti energiatehokkuuden parantamiseen, mutta siihen sisältyy myös uusiutuvan energian käytön edistämiseen liittyviä tavoitteita ja toimenpiteitä. Sopimuksen keskeinen tavoite on saavuttaa sopimuskauden lopussa, vuonna 2016 liittymisvaiheessa asetettu, vuotuinen energiansäästötavoite (MWh/a), joka vastaa yhdeksää prosenttia liittymisvaiheessa ilmoitetusta vuoden 2005 energiankäytöstä [1]. Energiatehokkuussopimukseen liittyvillä toimilla kunnat myötävaikuttavat osaltaan Suomen kasvihuonekaasujen vähentämiseen. Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin IPCC:n vakavimman skenaarion mukaan maapallon keskilämpötila voi nousta vuosisadan loppuun mennessä lähes viisi astetta. Kansainvälisesti asetettu tavoite lämpötilan nousun rajoittamisesta kahteen asteeseen edellyttäisi kasvihuonekaasupäästöjen rajua vähentämistä. IPCC:n raportissa arvioidaan kaikkiaan neljää uutta kasvihuonekaasuskenaariota. Näistä vaihtoehdoista vakavin, nykytahdilla kasvavat kasvihuonekaasupäästöt, johtaisi maapallon keskilämpötilan kohoamiseen viime vuosikymmenten tasoon verrattuna lähes kolmesta viiteen astetta vuoteen 2100 mennessä. Jos taas päästöt onnistuttaisiin kääntämään nopeaan laskuun jo vuoden 2020 tienoilla, lämpötila nousisi silti noin asteen [2]. Auringosta saadaan vuositasolla Suomen oloissa energiaa niin paljon, että sitä kannattaa hyödyntää. Lämpöä ja sähköä syntyy lähes ilman hiilidioksidipäästöjä ja itse energia on ilmaista. Sekä lämmitykseen että sähköntuotantoon tarvittavat aurinkoenergialaitteistot ovat pitkäikäisiä ja ne kestävät tyypillisesti vuosikymmeniä.

4 Aurinkoenergia Mitä aurinkoenergia on? Tunnin aikana maapallon pinnalle tulee auringon säteilyenergiaa enemmän kuin koko ihmiskunta kuluttaa energiaa vuodessa. Auringon kokonaissäteily koostuu auringosta suoraan tulevasta säteilystä ja hajasäteilystä. Hajasäteily on ilmakehän ja pilvien heijastamaa säteilyä sekä maasta heijastuvaa hajasäteilyä. Tässä selvityksessä analysoitu hajasäteily on jaettu edelleen diffuusiin ja ja siroavaan säteilyyn. Etelä- Suomen säteilyteho on n. 50 % pienempi Etelä- Eurooppaan verrattuna, mutta likimain samansuuruinen Keski- Euroopan kanssa (Kuva 1). Suomen kannalta keskeisiä aurinkoenergian markkinakohteita ovat rakennukset, rakennetun ympäristön ja kesäajan sovellukset sekä syrjäseutujen aurinkosähkösovellukset [3]. Kuva 1. Auringonsäteily Euroopassa [4]. Auringon energiaa on mahdollista hyödyntää paljon nykyistä enemmän sekä lämmön että sähkön tuotannossa Suomessa. Etelä- Suomessa jokainen vaakapinnan neliömetri vastaanottaa Ilmatieteen laitoksen testivuoden mukaan noin 980 kwh/m 2 auringon säteilyenergiaa vuodessa. Vain keskitalvella joulu- tammikuussa, jolloin aurinko on matalalla tai kokonaan horisontin takana, auringon energiaa ei juurikaan saada talteen [5]. Aurinkoenergian määrä pinta- alayksikköä kohden kasvaa kallistettaaessa pintaa kohti aurinkoa (Kuva 2).

5 Kuva 2. Vuotuinen auringon säteilymäärä optimaalisesti suunnatulle ja kallistetulle pinnalle Etelä- Suomessa [4]. Suomessa hajasäteilyn osuus kokonaissäteilystä on merkittävä. Etelä- Suomessa yli puolet vuoden säteilystä on hajasäteilyä. Aurinkopaneelien tuotannon kannalta ei ole merkitystä, onko paneelille tuleva säteily suoraa vai hajasäteilyä. Hajasäteilyn suuri osuus kokonaissäteilystä Suomessa aiheuttaa kuitenkin sen, että keskittävät aurinkosähköjärjestelmät sekä aurinkoa seuraavat (tracking) järjestelmät eivät ole yleisen käsityksen mukaan taloudellisesti järkeviä, sillä ne perustuvat lähinnä suoran säteilyn tehokkaaseen hyödyntämiseen [5]. Aurinkoenergian hyödyntäminen Aurinkoenergia voidaan hyödyntää sekä sähkönä että lämpönä, joko passiivisesti tai aktiivisesti. Aurinkosähkö Aurinkosähkön tuotanto perustuu yleensä suoraan konversioon puolijohdeaurinkokennolla ( aurinkopaneelit ), jolloin pinnalle saapuvasta säteilystä noin 15 % saadaan talteen sähkönä [5]. Aurinkoenergiasta voi tuottaa sähköä järjestelmällä, joka on kytkettynä sähköverkkoon tai täysin erillään siitä. Aurinkopaneelien yleisin valmistusmateriaali on yksi- tai monikiteinen pii. Teknologia on vakiintunutta, ja noin 90 % tarjolla olevista aurinkokennoista on piikidekennoja. Ohutkalvokennot valmistetaan lisäämällä niiden nimen mukaisesti hyvin ohuita kerroksia valoherkkää ainetta edulliselle pohjamateriaalille, kuten lasille, ruostumattomalle teräkselle tai muoville [6]. Ohutkalvokennoista koottujen aurinkopaneelien hyötysuhde on tavallisesti noin 9-11 % [7].

6 Aurinkosähköä voi tuottaa rakennuksessa korvaamaan ostosähköä, lisäämään omavaraisuusastetta tai sähköverkkoon syötettäväksi ja myytäväksi. Taloudellisesti kannattavinta on tuottaa aurinkosähkö rakennuksessa käytettäväksi, sillä aurinkosähkön verkkoonsyötön hyvitys alittaa selvästi aurinkoenergian tuotantokustannuksen. Aurinkolämpö Aurinkolämmitysjärjestelmä voidaan yhdistää kaikkiin päälämmitysmuotoihin. Erityisen hyvin se soveltuu sellaisen lämmitysjärjestelmän yhteyteen, jossa on jo vesivaraaja (esimerkiksi puu- tai hakelämmitys), mutta myös lämpöpumppujärjestelmiin. Sähkölämmitteisessä talossa aurinkolämmöllä voidaan lämmittää käyttövesi, tai jos talon lämmönjako on vesikiertoinen, voidaan aurinkolämpöä käyttää myös huoneiden lämmittämiseen kytkemällä se lämminvesivaraajaan [5]. Lämmityksessä hyödynnettävä lämpö voidaan kerätä aktiivisesti erilaisin lämpökeräimin tai passiivisesti sijoittamalla esim. rakennuksen ikkunat siten, että säteilyenergia lämmittää taloa. Passiivisesti auringon valoa ja lämpöä voidaan siis käyttää suoraan ilman erillistä laitetta. Aktiiviset lämpökeräimet pystyvät tyypillisesti ottamaan talteen n. 40 % pinnalle saapuvasta säteilyenergiasta tuntuvaksi energiaksi [5]. Lämmitykseen aurinkoenergiaa käytetään Suomessa pääsääntöisesti yhdessä jonkun toisen lämmitysmuodon kanssa. Näin vähennetään päästöjä ja alennetaan lämmityksen kokonaiskustannuksia [5]. Aurinkoenergian kannattavuus Auringosta saadaan vuositasolla Suomen oloissa energiaa niin paljon, että sitä kannattaa hyödyntää. Lämpöä ja sähköä syntyy lähes ilman hiilidioksidipäästöjä ja itse energia on ilmaista. Sekä lämmitykseen että sähköntuotantoon tarvittavat aurinkoenergialaitteistot ovat pitkäikäisiä ja ne kestävät tyypillisesti vuosikymmeniä [5]. Energiankäytön tehostamisella ja uusiutuvan energian käytöllä voidaan parantaa kunnan tai kaupungin toiminnan taloudellisuutta. Kuluttajasähkön hinta Suomessa on taulukon 1 mukaisesti noussut vuosien 2006-2014 aikana 64 % [8]. Keskimääräinen inflaatio samalla aikavälillä on ollut 2,4 %. Energian hinnan muutos eroaa hieman inflaatiosta, ollen samalla aikavälillä 4,4 % [9]. Tätä eroa kutsutaan energian hinnan eskalaatioksi, eli inflaatiosta riippumattomaksi energian hinnan nousuksi. Taulukko 1. Kuluttajasähkön hinnan ja inflaation kehitys vuosina 2004-2014 [8, 9]. Vastaavasti samalla aikavälillä aurinkosähkövoimalan arvonlisäveroton kokonaiskustannus Saksassa (Pn < 10 kwp) on laskenut 68 % (Kuva 3). Aurinkosähköjärjestelmien kannattavuus myös Suomessa on saavuttanut jo tietyissä tapauksissa niin kutsutun verkkopariteetin, eli aurinkosähkön oma tuotanto on vähintään yhtä edullista kuin verkosta ostettu sähkö. Mikäli energian hinnan nousu ja aurinkosähköjärjestelmien hinnan lasku jatkuvat, saavutetaan verkkopariteetti Suomessa keskimäärin vuonna 2016 ja aurinkosähkön tuotannosta tulee laajamittaisesti kannattavaa [11].

7 Kuva 3. Aurinkosähkövoimalan arvonlisäveroton kokonaiskustannus Saksassa [10]. Aurinkoenergiajärjestelmän suuntaus Suomessa hajasäteilyn osuus kokonaissäteilystä on merkittävä. Etelä- Suomessa yli puolet vuoden säteilystä on hajasäteilyä. Aurinkopaneelien tuotannon kannalta ei ole merkitystä, onko paneelille tuleva säteily suoraa vai hajasäteilyä. Kuva 4 osoittaa aurinkoenergian saannon painottuneen hieman etelä- länsi sektorille, eli negatiiviseen atsimuuttikulmaan. Aurinkoenergiajärjestelmän suuntaus kannattaa toteuttaa tälle sektorille, mikäli varjostustekijät sekä rakennuksen energiankulutuksen ja tuotannon yhteensovittaminen tämän sallivat. Kuva 4. Aurinkopaneelin suuntauksen ja kallistuskulman vaikutus tuotantoon eteläisessä Suomessa [10].

8 Tampereen seudun aurinkoenergiapotentiaaliselvitys Projektikuvaus Sun Energia Oy on erikoistunut olemassa olevien rakenteiden aurinkoenergiapotentiaalin kartoittamiseen. Sun Energian menetelmä perustuu pinnanmuotojen ja suuntien, paikallisten aurinkosäteilyolosuhteiden ja varjostavien elementtien mallintamiseen ja niiden perusteella laskettuun kattopintojen aurinkosäteilyn vastaanoton laskemiseen. Tampereen kaupungille sekä Kangasalan ja Lempäälän kunnille tuotetussa, laserkeilausaineiston mallinnukseen perustuvassa, aurinkoenergiapotentiaalin selvittävässä projektissa selvitettiin aurinkoenergian rakennus- ja kuntakohtaiset aurinkoenergian tuotantopotentiaalit käsittäen kaikki alueella olevat kattopinnat. Sun Energia Oy:n aurinkoenergian tuotantopotentiaalin selvittävässä menetelmässä käytettiin parhaita saatavilla olevia aineistoja: Maanmittauslaitoksen laserkeilausaineistoja, Ilmatieteenlaitoksen säädata- aineistoa sekä kaupunkien ja kuntien rakennus- ja kiinteistörekisterin aineistoja. Menetelmällä tuotettiin rakennus- ja kuntatasoiset aurinkoenergia- analyysit. Menetelmä huomioi suoran säteilyn lisäksi diffuusin ja siroavan säteilyn, pilvisyyden, ilmankosteuden, ympäristön varjostukset (puut, kasvillisuus, muut rakennukset) sekä katon omien rakenteiden varjostukset ja kattojen kaltevuudet. Aineisto tuotettiin jokaisesta kuntien alueiden rakennuksesta. Kuntien alueiden kokonaispotentiaali saatiin laskemalla rakennuskohtainen aineisto yhteen. Sun Energia Oy tuotti projektissa kaksi aurinkoenergiakarttaa: liukuvärikartan kattopinnoille tulevasta säteilystä sekä soveltuvuuskartan, jossa osoitetaan aurinkoenergian tuotantoon soveltuvat kattopintojen osat. Aurinkoenergiakartta kuvaa rakennuskohtaisesti aurinkoenergian määrän sekä aurinkoenergiajärjestelmien kannattavimmat sijoituspaikat lähtödatan tarkkuuden määräämissä rajoissa. Laskennan metodologia Laserkeilausaineisto Laserkeilausaineisto on maanpintaa ja maanpinnalla olevia kohteita kuvaava kolmiulotteinen pistemäinen aineisto. Jokaisella pisteellä on x, y ja z - koordinaattitieto. Laserkeilausaineisto on Maanmittauslaitoksen tarkin korkeustietoaineisto. Laserkeilausaineiston pistetiheys on vähintään 0.5 pistettä neliömetrillä (pisteiden etäisyys toisistaan noin 1.4 metriä). Laserkeilausaineiston korkeustarkkuuden keskivirhe on enintään 15 senttimetriä ja tasotarkkuuden keskivirhe enintään 60 senttimetriä yksiselitteisillä kohteilla. Laserkeilauslennot suoritetaan noin 2000 metrin korkeudesta (Kuva 5). Käytettävä keilauslennon avauskulma on +/- 20 astetta ja laserpulssin jalanjälki (footprint) maastossa on noin 50 cm.

9 Kuva 5. Havainnekuva laserkeilauksen toteutuksesta [12]. Taulukossa 3 on esitetty projektissa käytetyn laserkeilausaineiston perustiedot. Jokaisesta laserpulssista on tallennettuna vähintään seuraavat tiedot: pisteen luokka, lentojonon numero, lähtöpulssin aikaleima, X-, Y- ja Z- koordinaatti, intensiteettiarvo sekä pulssin numero (esimerkiksi 3/3, viimeinen paluupulssi). Automaattisessa maanpintaluokittelussa aineistosta etsitään maanpintaa edustavat laserpulssien osumat [13]. Taulukko 3. Aurinkoenergia- analyysissä käytetyn laserkeilausaineiston perustiedot kunnittain [13]. Maanmittauslaitoksen laserkeilausaineistoa käytettiin koko alueen pistepilvimuotoisena lähtödatana. Varsinainen aurinkoenergia- analyysi edellytti pistepilven muuttamista korkeintaan 1 m 2 hilaksi, jonka jälkeen se jaettiin kahteen luokkaan: rakennuksiksi ja rakennusten varjostuksiksi, kuten kasvillisuudeksi. Aurinkoenergia- analyysissä käytetty laserkeilausaineisto on tuotettu alueellisesti vuosina 2008-2012 (Taulukko 3). Aurinkoenergiakartoissa näkyy siten varmasti vain ennen vuotta 2008 rakennetut rakennukset. Laserkeilausaineiston tuottamisen jälkeen rakennetut rakennukset näkyvät tuotetuissa kartoissa rakennuspolygoneina, jotka sisältävät vain maanpinnan ja kasvillisuuden. Puuttuvat rakennukset tunnistaa kartasta vain ympäröivää rakennuskantaa merkittävästi huonommasta aurinkoenergiapotentiaalista. Huonompi potentiaali johtuu ympäröivän maaston, rakennusten ja kasvilllisuuden aiheuttamista merkittävistä varjostumista.

10 Korkeusmalli Laserkeilausaineistosta luotiin koko tarkastelualueen kattava korkeusmalli, joka sisälsi rakennusten lisäksi kaikki ympäristötekijät; kuten kasvillisuuden, tiet ja vesistöt (Kuvat 6 ja 7). Korkeusmallia käytettiin varsinaisessa aurinkoenergia- analyysissä kohdealueen mallina. Kuva 6. Laserpistepilvestä luotu ympäristön 3- ulotteinen korkeusmalli. Kuva 7. Laserpistepilvestä luotu ympäristön 2- ulotteinen korkeusmalli.

11 Sky View Factor Sky View Factor - tekijällä selvitetään kunkin rakennuksen katolla sijaitsevan pikselin varjostus- ja auringonsäteilytiedot. Tätä varten kullekin pikselille luodaan niin kutsuttu kalansilmämalli, jossa analysoidaan, kuinka suuren osan puolipallon muotoisesta taivaankannesta kukin pikseli näkee (Kuva 8). Käänteisesti tämä tarkoittaa tietoa siitä, mitä osaa taivaankannesta kukin pikseli ei näe, eli mitkä projektiopinnat taivaalta ovat pikselille varjostettuja. Varjostuksen voivat aiheuttaa kasvillisuus, ympäröivät rakennukset tai katon omat rakenteet. Kaikki varjostustekijät on huomioitu toteutetussa aurinkoenergia- analyysissä. Sky View Factorin laskentatekniikka on hyvin monimutkaista ja se sisältää suurimmaksi osaksi kompleksisia matemaattisia kaavoja [14]. Säädata- aineisto Kuva 8. Sky View Factor mallissa analysoidaan taivaankannen näkyvyys kullekin kattopinnan pikselille [15]. Suomi on jaettu neljään lämpötilavyöhykkeeseen kuvan 9 mukaisesti. Kahdelle eteläisimmälle vyöhykkeelle käytetään samaa Vantaan havaintoaineistoon perustuvaa energialaskennan testivuotta, sillä erot näiden kahden alueen keskilämpötiloissa ovat pieniä ja suurempi osa rakennuskannasta sijaitsee vyöhykkeen I alueella.

12 Kuva 9. Sääaineiston testivuosien aluejako [16] Eri ilmansuuntiin oleville pystysuorille pinnoille tulevan auringon kokonaissäteilyenergian arvot energialaskennan testivuotena on esitetty Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D3 liitteessä [17]. Liitteen arvoja laskettaessa suoran säteilyn arvot auringon pienillä korkeuskulmilla (alle 5 astetta) leikkautuvat kokonaan pois, joten liitteessä esitetyt auringon kokonaissäteilyenergiat eri ilmansuuntiin katsoville pystypinnoille poikkeavat tässä esitetyistä tuloksista, joissa kyseinen suoran säteilyn osuus on huomioitu. Aurinkoenergia- analyysi Sun Energia Oy:n aurinkoenergian tuotantopotentiaalin selvittävässä menetelmässä käytettiin parhaita saatavilla olevia aineistoja: Maanmittauslaitoksen laserkeilausaineistoja, Ilmatieteenlaitoksen säädata- aineistoa sekä kaupunkien ja kuntien rakennus- ja kiinteistörekisterin aineistoja. Menetelmällä tuotettiin rakennus- ja kuntatasoiset aurinkoenergia- analyysit. Menetelmä huomioi suoran säteilyn lisäksi diffuusin ja siroavan säteilyn, pilvisyyden, ilmankosteuden, ympäristön varjostukset (puut, kasvillisuus, muut rakennukset) sekä katon omien rakenteiden varjostukset ja kattojen kaltevuudet. Aineisto tuotettiin jokaisesta kuntien alueiden rakennuksesta. Kuntien kokonaispotentiaali saatiin laskemalla rakennuskohtainen aineisto yhteen. Sun Energia Oy:n tuottama aurinkoenergiakartta sisältää liukuvärikartan kattopinnoille tulevasta säteilystä sekä soveltuvuuskartan, jossa osoitetaan aurinkoenergian tuotantoon soveltuvat kattopintojen osat. Aurinkoenergiakartta kuvaa

13 rakennuskohtaisesti aurinkoenergian määrän sekä aurinkoenergiajärjestelmien kannattavimmat sijoituspaikat lähtödatan tarkkuuden määräämissä rajoissa. Menetelmän luotettavuus Aurinkoenergia- analyysi toteutettiin pahimman skenaarion menetelmällä, joka tuottaa kullekin kattopinnan pikselille vähimmäissäteilyarvon. Mikäli jollekin kattopinnan pinta- alayksikölle osuu useampi kuin 1 laserpiste, on analyysiin valittu näistä pisteistä pienimmän arvon saanut. Menetelmällä pystytään eliminoimaan mm. kattopinnan yläpuolelle sijoittuvat kasvillisuuspisteet, kuten kattojen ylle lankeavat puustot ja oksistot. Tuotetulle aineistolle tehtiin kattavat aurinkoenergian luotettavuus- ja soveltuvuustarkastelut. Aurinkoenergia- analyysin laatu on suoraan verrannollinen laserpistepilven tiheyteen ja laatuun. Aurinkoenergia- analyysissä käytetty laserkeilausaineisto oli laadultaan pääsääntöisesti hyvä tai tyydyttävä. Rakennuspolygonien sisälle osui kuitenkin paikoitellen niin vähän laserkeilauspisteitä, että rakennusten mallinnuksen, Sky View Factorin laskemisen ja aurinkoenergia- analyysin tuottamisen laatu heikkeni. Käytetyn laserkeilausaineiston pistepilven tiheys on 0,43-0,86 pistettä/m 2. Vertailuksi mainittakoon, että esimerkiksi Vantaan kaupungin tuottaman laserpistepilven tiheys on 4 pistettä/m 2, Espoon kaupungin vastaavan 10 pistettä/m 2 ja Helsingin kaupungin 20 pistettä/m 2 [18]. Luotettavuusluku Tarkastelussa jokaiselle rakennukselle laskettiin luotettavuusluku. Luotettavuusluku kertoo, montako laserkeilauspistettä kunkin rakennuksen kattopinnalle osuu ja kuinka raskaasti kattopintaa on jouduttu mallintamaan matemaattisin menetelmin, mikä tuottaa epävarmuutta aurinkoenergia- analyysiin (Kuva 9). Luotettavuusluku ilmoitetaan laserkeilauspisteiden peittoalueen ja katon konaispinta- alan suhdelukuna. Luotettavuusluku ilmaistaan siten asteikolla 0 100 %. Soveltuvuusluku Kuva 9. Luotettavuusluvun määritys. Otoskuvan rakennusten kattopinnoille osuneen laserpistepilven tiheys kattopinta- alaan suhteutettuna 18-98 %. Luotettavuusluvun lisäksi kullekin rakennukselle määritettiin soveltuvuusluku. Soveltuvuusluku kuvaa rakennuksen kattopinnan soveltuvuutta aurinkoenergian tuotantoon. Soveltuvuusluku ilmaisee aurinkoenergian tuotantoon soveltuvan kattopinta- alan katon kokonaispinta- alan suhteen. Soveltuvuusluku ilmaistaan siten asteikolla 0 100 %.

14 Kuntien alueiden aurinkoenergiapotentiaali Tuotetun aurinkoenergia- analyysin perusteella selvitettiin kunkin kunnan jokaisen rakennuksen aurinkoenergian vuosi- ja kuukausitason tuotantopotentiaali (KWh/rakennus) eriteltynä aurinkosähköksi ja lämmöksi. Aurinkoenergian tuotantopotentiaali on visualisoitu kahteen karttaan, aurinkoenergiakarttaan ja soveltuvuuskarttaan. Aurinkoenergiakartta sisältää tiedon kattopinnalle tulevan aurinkon määrästä kattopinta- alayksikköä kohden (Kuva 10). Kartta sisältää legendan, jossa kullekin kattopinnan aurinkoenergian määrää kuvaavalle värisävylle on osoitettu vuosittaisen aurinkoenergian määrä, jonka yksikkö on kwh/a. Karttaa luetaan seuraavasti: mitä kirkkaampi väri (keltainen) kattopinnalla on, sitä enemmän aurinkoenergiaa kattopinnalla voi tuottaa. Tummempi väri (punainen) puolestaan indikoi aurinkoenergian tuotannolle epäsuotuisista varjostuksista tai muista tuotantoon vaikuttavista tekijöistä. Kuva 10. Esimerkkiotos aurinkoenergiakartasta liitettynä pohjakarttaan.

15 Tampereen kaupunki Kokonaispotentiaali Tampereen kaupungin alueelta analysoitiin 48152 rakennusta yhteenlasketulta kattopinta- alaltaan 10408151 m 2. Kokonaissäteilymäärä näille kattopinnoille oli 7573,80 GWh. Kaikkea kattopinta- alaa ei voida teknisin tai taloudellisin syin hyödyntää aurinkoenergian tuotannossa. Tampereen kaupungin alueen kaikkien rakennusten kattopintojen aurinkoenergian jakauma osoittaa, että kattopintojen aurinkoenergiajakauma on painottunut oikealle; yleisimmän aurinkoenergiamäärän neliötä kohden ollessa välillä 900-950 kwh/m 2 /a (Kuva 11). Jakauman perusteella kattopinta- alat jaettiin aurinkoenergian tuottavuutensa perusteella kolmeen luokkaan: hyvä; aurinkosäteily >900 kwh/m 2 /a tyydyttävä; aurinkosäteily 750-900 kwh/m 2 /a välttävä; aurinkosäteily <750kWh/m 2 /a Kuva 11. Tampereen rakennusten aurinkoenergian jakauma kattopinta- alan funktiona. Kuvassa 12 on luokiteltu kaikkien Tampereen kaupungin alueella sijaitsevien rakennusten kattopinnat hyvin, tyydyttävästi ja huonosti aurinkoenergian tuotantoon soveltuviksi. Aurinkosähkön tuotannon hyötysuhteeksi on oletettu 15 % ja aurinkolämmön hyötysuhteeksi 40%. Hyötysuhteilla auringonsäteilyjakaumasta on laskettu aurinkosähkön ja lämmön kokonaistuotantopotentiaali ja teknistaloudellisesti tuotettavissa oleva potentiaali.

16 Kuva 12. Tampereen kaupungin alueen kattopintojen auringonsäteilyn vuotuinen kokonaissumma ja aurinkoenergian vuotuinen tuotantopotentiaali. Tampereen kaupungin alueen kattopinnoille lankeava vuotuinen aurinkosäteilymäärä on 7574 GWh. Tampereen kaupungin alueen kattopintojen aurinkosähkön tuotannon vuotuinen kokonaispotentiaali on 1136 GWh ja aurinkolämmön tuotannon vuotuinen kokonaispotentiaali on 3029,5 GWh. Teknistaloudellisesti toteutettavissa oleva potentiaali Hyvin aurinkoenergian tuotantoon soveltuvaa kattopinta- alaa koko Tampereen kattopinta- alasta on 4665169 m 2, eli 44,82 % kokonaispinta- alasta (Kuva 12). Tällä katto- osuudella voitaisiin tuottaa 58,03 % kaikesta kattopintojen aurinkoenergiapotentiaalista. Hyvän alueen aurinkosähkön vuotuinen tuotantopotentiaali on 659 GWh, joka vastaa 76,8 % kaikesta Tampereen Sähkölaitoksen tuottamasta vuotuisesta sähköenergiasta [19]. Hyvän alueen aurinkolämmön vuotuinen tuotantopotentiaali on 3029 GWh, joka vastaa 147 % Tampereen Sähkölaitoksen vuotuisesta kaukolämmön tuotannosta [19].

17 Kangasalan kunta Kokonaispotentiaali Kangasalan kunnan alueelta analysoitiin 29979 rakennusta yhteenlasketulta kattopinta- alaltaan 3584474 m 2. Kokonaissäteilymäärä näille kattopinnoille oli 2244,53 GWh. Kaikkea kattopinta- alaa ei kuitenkaan kannata teknisin tai taloudellisin syin hyödyntää aurinkoenergian tuotannossa. Kangasalan kunnan alueen kaikkien rakennusten kattopintojen aurinkoenergian jakauma osoittaa, että kattopintojen energiajakauma on lievästi painottunut oikealle; yleisimmän aurinkoenergiamäärän neliötä kohden ollessa 900-950 kwh/m 2 /a (Kuva 13). Jakauman perusteella kattopinta- alat jaettiin aurinkoenergian tuottavuutensa perusteella kolmeen luokkaan: hyvä; aurinkosäteily >900 kwh/m 2 /a tyydyttävä; aurinkosäteily 750-900 kwh/m 2 /a välttävä; aurinkosäteily <750kWh/m 2 /a Kuva 13. Aurinkoenergian jakauma Kangasalan kunnan rakennusten kattopinta- alan funktiona. Kuvassa 14 on luokiteltu kaikkien Kangasalan kunnan alueella sijaitsevien rakennusten kattopinnat hyvin, tyydyttävästi ja huonosti aurinkoenergian tuotantoon soveltuviksi. Aurinkosähkön tuotannon hyötysuhteeksi on arvioitu 15 % ja aurinkolämmön hyötysuhteeksi 40%. Hyötysuhteilla auringonsäteilyjakaumasta on laskettu aurinkosähkön ja lämmön kokonaistuotantopotentiaali ja teknistaloudellisesti tuotettavissa oleva potentiaali.

18 Kuva 14. Kangasalan kunnan alueen kattopintojen auringonsäteilyn vuotuinen kokonaissumma ja aurinkoenergian vuotuinen tuotantopotentiaali. Kangasalan kunnan alueen kattopinnoille lankeava vuotuinen aurinkosäteilymäärä on 2244 GWh. Kangasalan kunnan alueen kattopintojen aurinkosähkön tuotannon vuotuinen kokonaispotentiaali on 337 GWh ja aurinkolämmön tuotannon vuotuinen kokonaispotentiaali on 898 GWh. Teknistaloudellisesti toteutettavissa oleva potentiaali Hyvin aurinkoenergian tuotantoon soveltuvaa kattopinta- alaa koko Kangasalan kunnan kattopinta- alasta on 1011264 m 2, eli 28,21 % kokonaispinta- alasta (Kuva 14). Tällä katto- osuudella voitaisiin tuottaa 42,27 % kaikesta kattopintojen aurinkoenergiapotentiaalista. Hyvän alueen aurinkosähkön vuotuinen tuotantopotentiaali on 142 GWh, joka vastaa 54,0 % kaikesta Kangasalan kunnan alueella kulutetusta vuotuisesta sähköenergiasta [20]. Hyvän alueen aurinkolämmön vuotuinen tuotantopotentiaali on 380 GWh, joka on määrältään 32 kertaa suurempi kuin koko kunnan rakennuskannan vuotuinen lämpöenergian tarve [21].

19 Lempäälän kunta Kokonaispotentiaali Lempäälän kunnan alueelta analysoitiin 15724 rakennusta yhteenlasketulta kattopinta- alaltaan 2209451 m 2. Kokonaissäteilymäärä näille kattopinnoille oli 1548,70 GWh. Kaikkea kattopinta- alaa ei kuitenkaan kannata teknisin tai taloudellisin syin hyödyntää aurinkoenergian tuotannossa. Lempäälän kunnan alueen kaikkien rakennusten kattopintojen aurinkoenergian jakauma osoittaa, että kattopintojen energiajakauma on painottunut oikealle; yleisimmän aurinkoenergiamäärän neliötä kohden ollessa 950-1000 kwh/m 2 /a (Kuva 15). Jakauman perusteella kattopinta- alat jaettiin aurinkoenergian tuottavuutensa perusteella kolmeen luokkaan: hyvä; aurinkosäteily >900 kwh/m 2 /a tyydyttävä; aurinkosäteily 750-900 kwh/m 2 /a välttävä; aurinkosäteily <750kWh/m 2 /a Kuva 15. Aurinkoenergian jakauma Lempäälän rakennusten kattopinta- alan funktiona. Kuvassa 16 on luokiteltu kaikkien Lempäälän kunnan alueella sijaitsevien rakennusten kattopinnat hyvin, tyydyttävästi ja huonosti aurinkoenergian tuotantoon soveltuviksi. Aurinkosähkön tuotannon hyötysuhteeksi on arvioitu 15 % ja aurinkolämmön hyötysuhteeksi 40%. Hyötysuhteilla auringonsäteilyjakaumasta on laskettu aurinkosähkön ja lämmön kokonaistuotantopotentiaali ja teknistaloudellisesti tuotettavissa oleva potentiaali.

20 Kuva 16. Lempäälän kunnan alueen kattopintojen auringonsäteilyn vuotuinen kokonaissumma ja aurinkoenergian vuotuinen tuotantopotentiaali. Lempäälän kunnan alueen kattopinnoille lankeava vuotuinen aurinkosäteilymäärä on 2244 GWh. Lempäälän kunnan alueen kattopintojen aurinkosähkön tuotannon vuotuinen kokonaispotentiaali on 337 GWh ja aurinkolämmön tuotannon vuotuinen kokonaispotentiaali on 898 GWh. Teknistaloudellisesti toteutettavissa oleva potentiaali Hyvin aurinkoenergian tuotantoon soveltuvaa kattopinta- alaa koko Lempäälän kunnan kattopinta- alasta on 881251 m 2, eli 39,89 % kokonaispinta- alasta (Kuva 16). Tällä katto- osuudella voitaisiin tuottaa 53,59 % kaikesta kattopintojen aurinkoenergiapotentiaalista. Hyvän alueen aurinkosähkön vuotuinen tuotantopotentiaali on 125 GWh, joka vastaa 70,2 % kaikesta Lempäälän kunnan alueella kulutetusta vuotuisesta sähköenergiasta [21]. Hyvän alueen aurinkolämmön vuotuinen tuotantopotentiaali on 322 GWh, joka on määrältään noin 6- kertainen Lempäälän Lämmön vuonna 2012 myymään kaukolämmön määrään verrattuna [22].

21 Johtopäätökset Aurinkoenergian tuotantopotentiaali Tampereen kaupungissa sekä Kangasalan ja Lempäälän kunnissa on merkittävä. Auringon energiaa on mahdollista hyödyntää huomattavasti nykyistä enemmän sekä lämmön että sähkön tuotannossa. Energian inflaatiosta riippumaton hinnan nousu sekä maailman aurinkosähkömarkkinoiden voimakas kasvu alentavat aurinkosähkön tuotantokustannuksia myös Suomessa. Tuotantokustannusten alentuminen tekee aurinkosähkön tuotannosta lähivuosina hyvin kilpailukykyisen verkkosähkön kanssa. Aurinkosähkö tai lämpö ei yksinään ratkaise kunnan tai valtion energiatasetta, mutta ne voivat silti kattaa merkittävän osan alueen tai rakennuksen energiantarpeesta. Tarkastelualueen kattopintojen säteilyjakauma ei täysin noudattele Suomessa käyttöön vakiintunutta ympäristöministeriön laskentaohjeistusta vaakapinnalle tulevan säteilyn keskimääräisestä 980 kwh/m 2 /a arvosta. Koko tarkastelualueen 16 202 076 m 2 kattopinnoille tulevan säteilyn painotettu keskiarvo on 928 kwh/m 2 /a. Saatua arvoa pienentävät toteutetussa aurinkoenergia- analyysissä huomioidut varjostustekijät, kattojen suuntaukset ja kallistuskulmat. Aurinkoenergian tuotantopotentiaali kattopinnoilla korreloi jonkin verran kunnan koon mukaan. Tampereen kaupungin alueen rakennusten kattopinta- alasta liki 45 % on aurinkoenergian tuotantoon suotuisaa; Kangasalan ja Lempäälän osuuksien ollessa vastaavasti 28 % ja 40 %. Erot selittynevät pienempien kuntien pientalojen suhteellisen osuuden suuremmalla määrällä. Pientalot saattavat sijaita kerrostaloja, liiketiloja ja toimistoja useammin puiden katvealueilla.

22 Lähteet [1] Motiva - Energiatehokkuussopimukset; verkkosivu [viitattu 20.11.2014]: http://www.energiatehokkuussopimukset.fi/fi/sopimusalat/kunta- ala/kunta- alan_energiatehokkuussopimus/sopimukseen_liittyneet_kunnat_ja_kuntayhtymat/ [2] IPCC Fifth Assessment Report (WGI AR5); The WGI AR5 Summary for Policymakers; 2013; verkkodokumentti [viitattu 27.11.2014]: http://www.climatechange2013.org/images/report/wg1ar5_spm_final.pdf [3] SOLPROS AY 2001. Aurinkoenergia Suomen olosuhteissa ja sen potentiaali ilmastomuutoksen torjunnassa. Helsinki 2001; verkkojulkaisu [viitattu 25.11.2014]: http://www.kolumbus.fi/solpros/reports/3rdeport_final.pdf [4] Huld T., Müller R., Gambardella A., 2012. A new solar radiation database for estimating PV performance in Europe and Africa. Solar Energy, 86, 1803-1815; verkkojulkaisu [viitattu 25.11.2014]: http://www.researchgate.net/publication/256854790_a_new_solar_radiation_database_for_estimating_pv_performance_in_e urope_and_africa [5] Motiva Aurinkoenergia; verkkosivu [viitattu 20.11.2014]: http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia [6] Motiva Photovoltaic Energy - Electricity from the Sun EPIA; verkkodokumentti [viitattu 21.11.2014]: http://www.motiva.fi/files/9179/photovoltaic_energy_electricity_from_the_sun_epia.pdf [7] International Renewable Energy Agency, June 2012, Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series, Volume 1: Power Sector, Issue 4/5, Solar Photovoltaics; verkkodokumentti [viitattu 23.11.2014]: http://www.irena.org/documentdownloads/publications/re_technologies_cost_analysis- SOLAR_PV.pdf [8] Tilastokeskus; Taulukko: Sähkön hinta kuluttajatyypeittäin, snt/kwh (Hinnat sisältävät sähköenergian, siirtomaksun ja verot); verkkosivu [viitattu 25.11.2014]: http://193.166.171.75/database/statfin/ene/ehi/ehi_fi.asp [9] Tilastokeskus; Kuluttajahintaindeksi; 2014; Liitetaulukko 3. Kuluttajahintaindeksin vuosimuutokset, prosenttia; verkkosivu [viitattu 25.11.2014]: http://www.stat.fi/til/khi/2014/10/khi_2014_10_2014-11- 14_tau_003_fi.html [10] Aalto- yliopiston kauppakorkeakoulun energiainnovaatiotutkimus; FinSolar hankeen avausseminaarin esitys 13.11.2014; professori Jero Ahola; LUT [11] Gerlach A. and Breyer Ch., 2012. Global Grid- Parity Dynamics on a National and Regional Level, 27th EU PVSEC; verkkodokumentti [saatavilla 25.11.2014]: https://www.q- cells.com/uploads/tx_abdownloads/files/11_global_overview_on_grid- PARITY_Paper_02.pdf [12] LIDAR America; verkkosivu [viitattu 16.11.2014]: http://lidar- america.com/?p=1 [13] Maanmittauslaitos, Metatiedot; Tietotuotemäärittely: Korkeus. verkkosivu [viitattu 15.11.2014]: http://www.paikkatietohakemisto.fi/catalogue/ui/metadata.html?uuid=0e55977c- 00c9-4c46-9c87- dee6b27d2d5c&lang=fi [14] Tieverkon valokuvaus ja valokuvien hyödyntäminen; Tiehallinnon selvityksiä 41/2006; Tiehallinto; Helsinki 2007; ISBN 951-803- 776-0 [15] Ecotect Community Wiki - archive site for autodesk ecotect analysis educational resources, notes and tutorials; verkkosivu [viitattu 23.11.2014]: http://wiki.naturalfrequency.com/wiki/daylight_factor_points [16] Ilmatieteenlaitos; säähavainnot; verkkosivu [viitattu 23.11.2014]: http://ilmatieteenlaitos.fi/avoin- data- avattavat- aineistot [17] Suomen rakentamismääräyskokoelma; Osa D: LVI ja energiatalous; verkkodokumentti [viitattu 23.11.2014]: http://www.edilex.fi/rakentamismaaraykset [18] FM- International Oy; Syyskuu 2013; Referenssiprojektit Suomessa; verkkosivu [viitattu 23.11.2014]: http://www.finnmap.com/wp- content/uploads/2013/09/fm_references_finland_9_2013.pdf [19] Tampereen Sähkölaitos; Verkkosivu [viitattu 22.3.2016]: https://www.tampereensahkolaitos.fi/yritysjaymparisto/energiantuotanto/sivut/default.aspx#.vver0xklsjr

23 [20] Energiateollisuus, Kunnittainen sähkönkäyttö 2007-2014; verkkosivu [viitattu 23.3..2016]: http://energia.fi/tilastot- ja- julkaisut/sahkotilastot/sahkonkulutus/sahkon- kaytto- kunnittain [21] Kangasalan kunta, Energiatehokkuustyön raportti; verkkodokumentti [viitattu 23.3..2016]: http://kangasala- fi- bin.aldone.fi/@bin/c402848a33fa56acb732b38b0c60d5ac/1458648706/application/pdf/1632169/energiatehokkuusty%c3 %B6n%20raportti,%2007112011.pdf [22] Lempäälän- Vesilahden Sanomat; verkkosivu Sääksjärven biolämpölaitos vihittiin käyttöön [viitattu 21.3.2016]: http://lvs.fi/2013/11/20/saaksjarven- biolampolaitos- vihittiin- kayttoon/