Aurinkoenergia ja lämmön kausivarastoinnin mahdollisuudet, Janne Hirvonen
Taustaa Rakennusten energiantarve on 40% EU:n kulutuksesta Energiatehokkuudella merkittävä vaikutus Rakennusten energiatehokkuusdirektiivi (EPBD 2010) Uusien rakennuksien tulee olla lähes nollaenergiarakennuksia (nzeb) vuoteen 2021 mennessä Lähes nollaenergiarakennuksella on erittäin korkea energiatehokkuus. Tarvittava energia olisi hyvin laajalti katettava uusiutuvista lähteistä peräisin olevalla energialla. Aurinkoenergian hyöty? 2
Kuukausittainen auringonsäteily 250 Auringon säteily (kwh/m 2 ) 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi Espanja (40 º), 1830 kwh/m² 3
Kuukausittainen auringonsäteily 250 Auringon säteily (kwh/m 2 ) 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi Saksa (49 ºN), 1200 kwh/m² Espanja (40 º), 1830 kwh/m² 4
Kuukausittainen auringonsäteily 250 Auringon säteily (kwh/m 2 ) 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi Suomi (63 ºN), 1090 kwh/m² Saksa (49 ºN), 1200 kwh/m² Espanja (40 º), 1830 kwh/m² 5
Säteilyn tuntijakauma eri kuukausina 6
Kuukausittainen lämmöntarve ja aurinkopotentiaali Lämmön tarve (kwh/m 2 ) 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Auringonsäteily (kwh/m 2 ) Lämmin käyttövesi Passiivitalo Standarditalo Aurinkoenergia 35 kwh/m2 25 kwh/m2 50 kwh/m2 7
8 Lämmön kausivarastointi
Pohjavesilämpövarasto, ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) 9
Allaslämpövarasto, PTES (Pit Thermal Energy Storage) Aurinkokaukolämpölaitos, Vojens, Tanska 200 000 m 3 vesivarasto, 70 000 m 2 aurinkolämpökeräimiä Lisäksi sähkö- ja kaasuboilereita à 45% aurinko-osuus 10
Porakaivolämpövarasto, BTES (Borehole Thermal Energy Storage) 11
Drake Landing Solar Community 52 taloa Kanadassa, 98% tilojen lämmityksestä aurinkoenergialla 12
Keravan aurinkokylä Maahan upotettu lämpövarasto 1500 m 3 vesisäiliö 11000 m 3 ympäröivää kiveä 2 kehää porakaivoja Käytössä 1983 1985 Tankki alimitoitettu Korvattiin kaukolämmöllä KL-yhtiö ei sallinut aurinkokeräinten säilyttämistä 13
Energiavarastojen hinnat Energiavaraston hinta ( /kwh) 600 500 400 300 200 100 0 140-560 /kwh (ΔT = 40 ºC) 5-100 /kwh (ΔT = 20 ºC) 0,4 2,7 /kwh Sähköakku Vesitankki Porakaivovarasto Hintaskaala 14
Uuden aurinkokylän energiajärjestelmä Aurinkokeräimet Lämpöpumppu Välivarastot Kausivarasto Lämpöverkko 15
Kausivaraston lämpötila ja lämpöpumpun tehokkuus 16
Simulaatiopohjainen monitavoiteoptimointi 17
Optimaaliset tulokset Kaikki tulokset Optimaaliset ratkaisut LCC ( /25a) 6 000 000 5 500 000 5 000 000 4 500 000 4 000 000 3 500 000 3 000 000 2 500 000 2 000 000 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Primäärienergian kulutus (kwh/m2/a) nzeb-vaatimus: 120-200 kwh/m2/a 18
Aurinkokylän kustannukset 19
Lämmityksen sähkönkulutus 20
Erilaisia järjestelmämalleja 21
Aurinkolämpö, keskitetty varasto 22
Aurinkosähkö, keskitetty varasto 23
Aurinkosähkö, hajautettu varasto 24
Päästövaikutukset Mitä energiaa aurinkoenergia korvaa? 25
Päästöarvojen kuukausivaihtelu Suomessa Päästökerroin (g-co2/kwh) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Kesällä yleensä puhtaampaa sähköä Aurinkoenergian päästövähennykset pienemmät Kausivarastointi säästää talvella 2012 2015 Bioenergia oletettu päästöttömäksi! 26
Päästövertailu aurinkokylälle (2015) Päästöt (kg-co2) Päästöt (kg-co 2 ) Säästöt päästöissä (%) 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi Kausivarasto Päivävarasto Ei aurinkosähköä Säästö vs. aurinkosähköä (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi Kausivarasto Päivävarasto 27
Johtopäätökset Aurinkoenergiaa on helppo varastoida lämmöksi Lämpövaraston hinta on murto-osa sähkövaraston hinnasta Yhteisötason ratkaisut pienentävät järjestelmien yksikköhintaa ja mahdollistavat kausivarastoinnin Lämmön kausivarastoinnin avulla 90% vuotuisesta lämmityksestä voidaan tuottaa aurinkoenergialla jopa Suomessa Kulutuksen minimointi on tärkeää, koska aurinkokeräimet ovat järjestelmän suurin kustannuserä Suurempi koko parantaa varaston hyötysuhdetta Kausivarastoilla aurinkoenergian päästövähennyspotentiaali voidaan hyödyntää vuoden korkeapäästöisimpänä aikana 28