TEKNOLOGIAT PIENKIINTEISTÖJEN ENERGIANTUO-

Vastaanottaja Poveria biomassasta hanke / Pikes Oy Asiakirjatyyppi Raportti Päivämäärä 29.11.2017 POVERIA BIOMASSASTA -HANKE KOHTI ENERGIAOMAVARAISUUTTA UUSIMMAT TEKNOLOGIAT PIENKIINTEISTÖJEN ENERGIANTUO- TANNOSSA

POVERIA BIOMASSASTA -HANKE KOHTI ENERGIAOMAVARAISUUTTA UUSIMMAT TEKNOLOGIAT PIENKIINTEISTÖJEN ENERGIANTUOTANNOSSA Päivämäärä 29/11/2017 Laatija Tarkastajat Kreetta Manninen, Niklas Söderholm, Ossi Kaihua Santeri Sirén, Mika Kovanen Ramboll PL 25 Säterinkatu 6 02601 ESPOO P +358 20 755 611 F +358 20 755 6201 www.ramboll.fi

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa SISÄLTÖ 1. JOHDANTO 1 2. PIENKIINTEISTÖJEN UUSIMMAT ENERGIANTUOTANTOTEKNOLOGIAT 1 2.1 CHP -järjestelmä 1 2.2 Aurinkoenergiajärjestelmät 7 2.3 Pientuulivoimajärjestelmät 8 2.4 Hybridijärjestelmät 9 2.5 Epäkonventionaaliset ratkaisut 11 3. PIENKIINTEISTÖN ENERGIAOMAVARAISUUS 12 3.1 Pellettipohjaisen Nano - CHP järjestelmän simulointi 12 3.2 Simuloinnissa käytetyn omakotitalon kuvaus 12 3.3 Simuloinnissa käytetyn Stirling moottorin malli 15 3.4 Nano - CHP laitteelle tehdyt simuloinnit omakotitalossa 17 4. SIMULOINNIN TULOKSET 18 4.1 Nano - CHP laitteen toiminnan kuvaus vuoden aikana 18 4.2 Nano - CHP laitteen teknistaloudellinen kannattavuus ilman aurinkopaneeleja 19 4.3 Nano - CHP laitteen teknistaloudellinen kannattavuus aurinkopaneeleilla 21 4.4 Nano - CHP laitteen kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä 25 4.5 Nano - CHP laitteen taloudellinen kannattavuus 28 4.6 Takaisinmaksuaikavertailu olemassa olevalle rakennukselle 28 5. YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET 31

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 1 / 11 1. JOHDANTO Tässä raportissa esitetyn selvitystyön tavoitteena oli kartoittaa pienkiinteistöihin soveltuvia yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotannon energiantuotantoteknologioita. Pääpaino on teknologioilla, jotka mahdollistavat Suomen oloissa polttoaineenjakelussa käytetyn infrastruktuurin osalta suuren sähkön tuotannon uusiutuviin energiaratkaisuihin pohjautuen. Selvitys on osa Poveria biomassasta -hankkeen muita julkaisuja. Selvityksen ensimmäisessä osassa, luvussa 2, on esitetty potentiaaliset CHP -teknologiat, markkinoilla olevat pientalosovellukset sekä teknologioiden vahvuudet ja heikkoudet. Selvityksen toisessa osassa, luvuissa 3 ja 4, on tarkasteltu pientaloon soveltuvan Nano CHP laitteen teknistaloudellista kannattavuutta simulointien avulla. 2. PIENKIINTEISTÖJEN UUSIMMAT ENERGIANTUOTANTO- TEKNOLOGIAT Uusiutuviin energialähteisiin pohjautuvat pientuotantoteknologiat, jotka ovat yleistettävissä Suomen olosuhteisiin pienkiinteistöissä käytettäväksi: lämpöpumput, esimerkkinä maalämpöpumppu lämpökattilat aurinkolämpö eli aurinkotasokeräimet ja tyhjiöputkikeräimet aurinkosähkö eli aurinkokennot pienimuotoinen vesivoima pienimuotoinen tuulivoima CHP -teknologia Edellä mainitut teknologiat ovat jo monelle tuttuja ja osa niistä omakotitaloissa viime vuosina yleistyneitä. Uutta energiantuotantoteknologiaa pienkiinteistöjen kannalta on tarjolla CHP -teknologiassa. Tämän lisäksi teknologiakokonaisuudet sähkön- ja lämmöntuotannossa sekä niiden älykkäämpi ohjaus tuovat uusia mahdollisuuksia pienkiinteistön energianhallintaan. Akkuteknologia ja sähköautot yleistyvät, jolloin sähkön varastointi osana energiantuotantoa tarjoaa lisää joustavuutta energianhallintaan. Tehokkaimmat ratkaisut löytyvät usein hybridiratkaisuista. Tässä raportissa kuvataan teknologiat, jotka tarjoavat uusia mahdollisuuksia tällä hetkellä tai jotka mahdollisesti ovat kehittymässä potentiaalisiksi ratkaisuiksi tulevaisuudessa. Uuden teknologian mahdollisuuksiin vaikuttaa moni tekijä yleisen kiinnostuksen lisäksi, kuten energiapolitiikka ja kaupalliset ratkaisumallit. 2.1 CHP -järjestelmä Sähkön ja lämmön yhtäaikaista tuotantoa samasta energialähteestä kutsutaan termillä Combined Heat and Power, eli CHP. Yleisesti energiakeskustelussa sähkön ja lämmön yhteistuotannosta eli CHP -voimalaitoksesta puhuttaessa viitataan suureen voimalaitokseen, jolla energiayhtiöt tuottavat kaukolämpöä ja sähköä alueellisesti useiden kuluttajien käyttöön. Suuren mittaluokan voimalaitosten lisäksi CHP -tekniikkaa on käytössä huomattavasti pienemmässä koossa laitteistona, joka on kompakti ja helposti käytettävä.

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 2 / 11 Kuva 1. Mikro - CHP yksiköllä voidaan tuottaa pientalossa sähköä noin 10-25 % ja lämpöä yli 70 % palamisessa syntyvästä energiasta. Usein CHP järjestelmät ovat maakaasukäyttöisiä ja vaativat maakaasuliitännän. Kuva: www.enefield.eu Pienet CHP -laitokset soveltuvat esimerkiksi omakotitaloissa, sairaaloissa, suurissa marketeissa ja urheilukeskuksissa käytettäviksi silloin kun lämmöntarve on yhtäaikainen sähköntarpeen kanssa. Lämpö voidaan hyödyntää suoraan tai esimerkiksi varastoida käyttövesivaraajaan. Sähkö voidaan myös käyttää suoraan tai varastoida sähköakkuun. CHP -teknologiat ja markkinatilanne CHP -laitokset jaetaan sähkötehon tuotannon mukaisesti eri luokkiin: mikro CHP, pien CHP ja suuren kokoluokan CHP -laitokset. Sähköntuotannon teho on yleensä ilmoitettu nimellistehona, joka tarkoittaa suurinta saatavissa olevaa tehoa standardiolosuhteissa. Suuret voimalaitokset ovat megaluokan teholuokissa ja pienet laitokset kilowattien teholuokissa. Pienkiinteistöihin soveltuvat laitteistot ovat kokoluokkaa mikro CHP tai vielä pienempiä nano CHP laitoksia. Eri laitoksien sähköntuotannon nimellistehon rajoina pidetään yleensä seuraavia: Suuren kokoluokan CHP: yli 10 MW Pien CHP: alle 10 MW, yleensä 1 2 MW Mikro CHP: alle 50 kw, yleensä alle 10 kw Nano CHP: alle 1 2 kw Esimerkiksi pienen kokoluokan yhteistuotantolaitokselle Motivan määritelmä /1/ sähköntuotannon tehoksi on 1 2 MW ja Oulun rakennusvalvonnan ohjekortin /2/ mukaan sähköteho on 10 kw 1 MW. Jako sähkötehon mukaan ei aina ole selkeä ja yleisessä keskustelussa etenkin mikro tuotanto voi tarkoittaa useampaakin kokoluokkaa. CHP -teknologialla energialähteestä, kuten öljystä tai puupelleteistä, tuotetaan samassa prosessissa sekä sähköä että lämpöä. Teknologia perustuu usein liikkuvaan koneeseen, joka tuottaa polttoaineen

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 3 / 11 palamisen seurauksena lämpöä ja moottorin liike-energiasta sähköä. Pienistä ja valtaosin markkinoilla olevista CHP -laitoksista perinteisimpiä tekniikoita ovat polttomoottorit. Erilaisia pieniä CHP tekniikoita: Stirling -moottorit Polttomoottorit Mikroturbiinit (kaasuturbiinit) ORC moottorit Polttokennot Markkinoille on kehitetty myös pieniä Stirling ja ORC tekniikkaan perustuvia laitteistoja. Näille ominaista on niin kutsuttu välittäjäainetekniikka, jossa erillinen työaine toimii osana sähköntuotannon prosessia. Pien - CHP tekniikka voi perustua myös polttokennoteknologiaan, jonka prosessi poikkeaa perinteisestä polttoprosessista. Teknologian tila eri mikroluokan CHP teknologioilla vuoteen 2020 ja tyypillisiä teknisiä arvoja on esitetty taulukossa 1. Taulukossa esitetyt sähköntuotannon hyötysuhteet kuvaavat osuutta polttoaineen energiasisällöstä, joka voidaan laitteiden avulla muuttaa sähköksi. Kokonaishyötysuhde kuvaa puolestaan osuutta polttoaineen energiasisällöstä, joka saadaan hyödyksi lämmön ja sähkön yhteistuotannossa. Taulukko 1. Pien- CHP -teknologiat ja niiden tekninen tila. /4/ Teknologia Mikroturbiinit Stirling-moottori Polttomoottori ORC-moottorit Polttokennot (kiinteäoksidiset) Käynnistys Helppo Helppo Hieman vaikea Helppo Helppo Sähköntuoton hyötysuhde 10-20 % 20 40 % 15-30 % 10 % 30 70 % Kokonaishyötysuhde 65 95 % 50 80 % 60 80 % 65 80 % 60 80 % Lämmönlähde Polttoprosessi Polttoprosessi Polttoprosessi Polttoprosessi Elektrokemiallinen Reagointi sähkökuormituksen Hidas Nopeampi Nopeampi Nopeampi Nopeampi muutokseen Teknologian tila Kehitysaste, varhaiset markkinat Laajasti markkinoilla Ei yleistynyt / Ei tietoa Kehitysaste, varhaiset markkinat Luotettava teknologia Pien - CHP laitoksia on ollut saatavilla markkinoilla jo pidempään verrattuna mikro - ja nano kokoluokan laitoksiin. Markkinatilanne tällä hetkellä pienkiinteistöön soveltuvien ja uusiutuvaa energiaa käyttävien CHP laitteistojen osalta on heikko. Pienkiinteistön sähkötehon tarve on tyypillisesti alle 5 kw ja omakotitalossa jopa alle 1 kw, jolloin mikro CHP laitteistojen tuottama sähköteho ylittää reilusti omakotitalon tyypillisen tarpeen. Markkinoilla olevia tai olleita pienkiinteistön kokoluokkaan soveltuvia laitevalmistajia kokoluokassa on esitetty taulukossa 2. Ilmoitetut hinnat ovat laitteiston hintoja.

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 4 / 11 Taulukko 2. Alle 5 kw CHP -laitevalmistajat ja tekniset tiedot. Valmistaja ja laitteisto ÖkoFEN Pellematic Whispertech WhisperGen Teknologia Stirling Pelletti 0.6 kw ** 9 14 kw ** Polttoaineet Sähköteho Lämpöteho Kokonaishyötysuhde Valmistusmaa Markkinatilanne -- Itävalta Pilottikäytössä Stirling Pelletti 1 kw ** 8 ** -- Uusi Seelanti KWB -- Pelletti 1 * 15 * Ei tietoa * Ei tietoa -- Itävalta Ei tietoa -- Hinta 23 000 sis. 600 l varaajan 1 3 kw * 5 15 kw * Englanti Sunmachine -- Pelletti 2 3 kw * 7 11 kw * Viessmann, Stirling Maakaasu 1 kw ** 3.5 26 Vitotwin kw ** Viessmann Vitovalor Polttokenno Maa- 0.75 1 25.2 300-P kaasu kw ** kw ** * /10/ **Valmistajan ilmoittama 11/2017 85 % * Disenco -- Kaasu, puu, öljy, biopolttoaineet Ei tietoa -- 85 % * Saksa Ei tietoa -- -- Saksa Markkinoilla 17 000 90 % ** Saksa Markkinoilla -- Polttokennoteknologian kustannuksista ei ole saatavissa laitevalmistajakohtaisesti tarkkoja tietoja. SOFC teknologiaan perustuva CHP laitteistolle eräs arvio on 700 800 $/kw ja PEMFC - teknologialle 1,600 $/kw /25/. Tämä arvio ($ / tuotettu kw sähköä) ei sisällä koko laitteiston hintaa, vain pelkän polttokennokomponentin. Tekniikka vaikuttaa CHP -laitoksessa käytettävään polttoaineeseen. Hiilivetypohjaiset polttoaineet kuten maakaasu, nestekaasu ja öljy ovat yleisimpiä myös pienissä perinteisissä CHP -teknologioissa ja polttokennoissa. Alle 2 MW sähkötehoisissa CHP -laitoksissa käytössä olevia uusiutuvia polttoaineita ovat biopohjaiset polttoaineet, kuten biokaasu ja puupelletti. Laitteistot, jotka hyödyntävät poltettavaa uusiutuvaa energiaa ovat kuitenkin varsin harvinaisia mikro ja nano - kokoluokissa. Stirling -moottorissa polttoaineen poltto tapahtuu prosessin ulkopuolella ja tällöin voi käyttää hyvin erilaisia polttoaineita. Stirling - CHP Nano - CHP laitteistoissa alle 2 kw kokoluokan järjestelmät ovat valtaosin Stirling -tekniikkaa käyttäviä ja kaupalliset sovellukset ovat pääasiassa maakaasulle. Uusiutuvaa energiaa käyttäviä laitteistoja on pilottivaiheessa ja kokeilukäytössä tutkimuksessa. Suomessa on otettu testikäyttöön Karelia ammattikorkeakoulussa vuoden 2017 aikana ÖkoFEN Smart_e 0.6 järjestelmä. ÖkoFEN on kehittänyt puupellettiä polttoaineena käyttävän pienikokoisen ja kompaktin Stirling CHP laitteiston. Tämä laitteisto on suunniteltu erityisesti omakotitalokäyttöön tuottamaan sähköä, lämpöä ja lämmintä käyttövettä /3/. Laitteisto koostuu Microgenin valmistamasta Stirling -moottorista ja pellettipolttimesta, kuva 2. Periaatteena laitteistossa on perinteinen pellettilämmitin, johon voi lisätä myöhemmin Stirling -moduulin sähköntuotantoa varten.

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 5 / 11 Laitteiston Stirling -moottorilla voi tuottaa sähköä 600 W. Moottori tuottaa vaihtovirta sähköä 50 Hz taajuudella ja 230 V jännitteellä. Tämä sähkö on suoraan käytettävissä omakotitalon verkossa sähkölaitteille tai sen voi syöttää julkiseen jakeluverkkoon. Pellettiä laitteisto käyttää moottorin tarvitsemaan energiaan eli sähköntuottoon ja lisäksi erilliseen pellettipolttimeen, jolla tuotetaan lämmitykseen lisälämpö. Lämpöä laitteisto tuottaa 9 kw ja lisälämmityksellä jopa 14 kw, mikä riittää omakotitalon tarpeeseen lämmittämään käyttöveden sekä rakennuksen. Laitteistoon kuuluu sisäinen ja kiinteä vesivaraaja, jonka tilavuus on 600 litraa. Laitteiston ohjaus tapahtuu selkeästä graafisesta käyttöliittymästä, joka on käytettävissä kosketusnäytön kautta. Hintaan ei kuulu erillistä pellettisiiloa tai varastoa pelleteille. Koko ÖkoFEN laitteiston tekninen tilantarve rakennuksessa on noin 1,5 m 2. Kuva 2. ÖkoFEN Pellematic Smart_e 0.6 laitteisto. Kuvassa oikealla on Stirling -moottorin moduuli. Vasemmalla on koko laitteistokokonaisuus: alhaalla pellettipoltin, ylhäällä moottori sekä pellettipoltinta ja moottoria ympäröivä vesisäiliö. /3/

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 6 / 11 Stirling - CHP laitteiston vahvuudet ja heikkoudet: Vahvuudet Polttoaine palaa moottorin ulkopuolella, josta seuraa moottorin helppokäyttöisyys ja huoltoväli on pidempi kuin muilla moottoreilla Moottori reagoi nopeasti, jolloin sähköntarpeen muuttuessa päästään nopeasti huipputehoon Markkinoille kehitteillä olevat laitteistot kompakteja Heikkoudet Biopolttoaineen kanssa laitteistolla voi olla puhtausongelmia, kun lämmönsiirtopinnat likaantuvat ja seuraa toiminnan ongelmia Moottorin hinta on korkeampi kuin perinteisillä polttomoottoreilla pienien valmistuserien vuoksi Ei ole vielä saavuttanut laajasti markkinoita, joten laitteiston saaminen Suomeen epävarmaa Polttokenno - CHP Polttokennot toimivat kuin patterit, joita ei tarvitse ladata ja jotka käyttävät polttoainetta tuottamaan sähköä. Polttokennoja on jo markkinoilla saatavilla erilaisiin käyttötarpeisiin. Niitä käytetään esimerkiksi autojen teholähteinä ja kiinteistöjen perusvoimantuotannossa. Polttokennoilla voidaan tuottaa CHP -järjestelmässä sähköä ja lämpöä. Maailmalla johtavat polttokennomaat ovat Japani, Yhdysvallat ja Etelä-Korea. Polttokennot tuottavat sähköä pienillä päästöillä tehokkaasti 33 35 % hyötysuhteella, ja prosessista syntyy sivutuotteina lämpöä ja vettä /5/. Käytössä polttoaineina on maakaasua, biokaasua, metanolia, dieseliä tai vetyä. Tuotantomuodon periaatteena on vedyn tuottaminen polttoaineesta. Polttokennot jaetaan matalan lämpötilan (proton exchange membrane, PEMFC) ja korkean lämpötilan (solid oxide fuel cell, SOFC) teknologioihin. Suomalainen yritys Convion Oy on kehittänyt kaupalliseen käyttöön soveltuvan sähköteholtaan 58 kw kiinteäoksidisen SOFC -polttokennon, jonka kokoluokka soveltuu lähinnä kerrostalojen, suurten kiinteistöjen ja teollisuuslaitosten sähkön ja lämmönlähteeksi. Polttokennojen markkinoiden nähdään kasvavan tulevaisuudessa ja 2020 luvun aikana voi markkinoille tulla lisää pienkiinteistöihin soveltuvia polttokennoja. Polttokennojen hinta on vielä korkea, mutta pieniä soveltuvia polttokennoteknologioita on otettu käyttöön muun muassa Japanissa jo yli 150 000 omakotitalossa. Polttokennojen hinnat laskevat komponenttivalmistuksen kasvaessa, mutta tällä hetkellä hinta omakotitalossa on vielä moninkertainen muihin energialähteisiin verrattuna. /6/ Polttokennojen vahvuudet ja heikkoudet /5/ : Vahvuudet Äänetön ja lähes päästötön sähköntuotantoprosessi Halvat käyttökustannukset Korkea sähköntuotantohyötysuhde Tulevaisuusnäkymät lupaavia Heikkoudet Korkea hinta Ratkaisut vielä kehitysvaiheessa pienkiinteistön kokoluokassa

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 7 / 11 Kuva 3. Viessmanin valmistamien Mikro CHP yksiköiden lämmöntuotossa on eroja, kun järjestelmä perustuu polttokennoon tai Stirling -moottoriin. Stirling -yksiköllä lämmöntuottoa saadaan enemmän, sillä sähköntuoton hyötysuhde on huonompi ja lämpötilataso korkeampi. Polttokenno voi olla parempi ratkaisu uudessa rakennuksessa, jossa lämmöntarve on pienempi. /11/ 2.2 Aurinkoenergiajärjestelmät Aurinkoenergiajärjestelmät voidaan jakaa energiamuodon mukaan lämpö- ja sähköjärjestelmiin. Nimensä mukaisesti aurinkolämpöjärjestelmä kerää aurinkoenergiaa lämpöenergiaksi, jota voidaan hyödyntää tilojen ja käyttöveden lämmityksessä. Aurinkosähköjärjestelmät taas muuttavat auringonsäteilyn energian sähköenergiaksi. Markkinoilla on myös hybridijärjestelmiä näistä kahdesta tekniikasta, mihin on yhdistetty lämmön- ja sähkön tuotanto. Tässä raportissa keskitytään sähköjärjestelmiin, joten tarkempi tarkastelu toteutetaan aurinkosähköjärjestelmille. Aurinkolämpö Aurinkolämpötekniikat jaetaan perinteisesti taso- ja tyhjiöputkikeräimiin. Periaate näissä tekniikoissa on sama, erot muodostuvat saavutettavissa lämpötiloissa ja tehoissa. Merkittävää eroa toiminnassa ja hintaluokassa ei kuitenkaan ole. Pienissä kohteissa (4-20 keräinneliötä) aurinkolämmön tuotantohinnaksi ilman korkoja ja tukia on arvioitu 46 114 /MWh sisältäen arvolisäveron /26/. Aurinkosähkö Aurinkosähköjärjestelmät perustuvat sähköntuotantoon auringon säteilystä. Tuotanto voidaan mitoittaa joko sille tasolle, että kaikki tuotanto saadaan kulutettua välittömästi kiinteistössä, tai järjestelmään voidaan lisätä mahdollisuus varastoida sähköä esimerkiksi akkuun tai myydä ylijäämäsähkö verkkoon. Aurinkosähköjärjestelmille on ominaista suuret investointikustannukset, aurinkopaneelien osuus kustannuksista on 35-40 %. /27/ Järjestelmä vaatii paneelien lisäksi invertterin ja optiona akuston, minkä lisäksi investointikustannuksia kasvattavat asennustyöt. Ylläpitokustannukset ovat aurinkosähköjärjestelmällä hyvin pienet. /7/

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 8 / 11 Aurinkosähköjärjestelmien hinnat ovat laskeneet voimakkaasti viime vuosikymmeninä. Asennetun järjestelmän hinta Euroopassa on viime vuosina alittanut 2000 /kwp tason. Investoinnin takaisinmaksuaika vaihtelee huomattavasti kohteesta riippuen, mutta on yleensä 10-25 vuotta. /31, 32/ Aurinkoenergian luonteen vuoksi tuotanto ja takaisinmaksuaika riippuvat asennuspaikasta, mikä käy ilmi kuvan 4 karttaan liitetystä energian takaisinmaksuajasta. Energian takaisinmaksuajalla tarkoitetaan aikaa, joka järjestelmältä kuluu tuottaa energiamäärä, joka sen valmistamiseen on kulunut. /28/ Kuva 4. Aurinkosähköjärjestelmän energian takaisinmaksuaika sijainnin mukaan (Irradiation (säteilymäärä), EPBT (energian takaisinmaksuaika)) /26/ Aurinkosähköjärjestelmän vahvuudet ja heikkoudet: Vahvuudet Pienet käyttökustannukset Uusiutuva energiamuoto Ei liikkuvia osia, mikä pienentää huoltotarvetta Hinnat laskeneet taloudellisesti kannattavalle tasolle Pientaloasennus yksinkertaista Heikkoudet Suuret investointikustannukset Sääriippuvainen tuotanto Talvella suuren kysynnän aikaan tuotanto hyvin pientä Vaatii rinnakkaisen energialähteen 2.3 Pientuulivoimajärjestelmät Pientaloissa voidaan hyödyntää myös tuulivoimatuotantoa. Tuulivoimaa voidaan hyödyntää erityisesti alueilla, joissa tuuliolosuhteet ovat suotuisat ja voimalan rakentamiselle on edellytykset alueen rajoitukset huomioon ottaen. Voimaloiden rakentamista rajoittaa aurinkovoimaloita vahvemmin niiden aiheuttamat ympäristöhaitat, kuten ääni- ja ulkonäköhaitat. Pientuulivoimalat voidaan jakaa turbiinin

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 9 / 11 akselin suunnan mukaisesti horisontaalisiin ja vertikaalisiin malleihin. Horisontaalinen akseli on suuren kokoluokan voimaloissa yleisempi, mutta pienissä voimaloissa erot tasoittuvat hieman. Taulukko 3 esittelee kolmen esimerkkimallin ominaisuuksia ja hintatiedot. Taulukko 3. Esimerkkejä pientuulivoimaloiden ominaisuuksista /29/. Malli Skystream 3.7 Aventa AV-7 Envento ENV-M Tyyppi Horisontaalinen Horisontaalinen aktiivisella Vertikaalinen lapasäädöllä Roottorin halkaisija (m) 3,7 12,9 3,0 Nimellisteho (kw) 2,4 6,5 3,0 Tuulennopeus nimellisteholla 10 6 14 (m/s) Investointikustannukset (sis. asennuksen) 12 000 93 000 19 500 Pientuulivoimalan vahvuudet ja heikkoudet: Vahvuudet Pienet käyttökustannukset Uusiutuva energiamuoto Tuottaa kaikkina vuodenaikoina Heikkoudet Suuret investointikustannukset Sääriippuvainen tuotanto Vaatimukset ympäristölle Vaatii rinnakkaisen energialähteen 2.4 Hybridijärjestelmät Paikallisesti rakennuksen sähkön- ja lämmön tarve voidaan tuottaa useaan eri teknologiaan perustuvalla kokonaisuudella ja tällöin puhutaan hybridijärjestelmistä. Olemassa olevaa tekniikkaa yhdistelemällä on mahdollista lisätä omavaraisuutta ja uusiutuvan energian käyttöä energiantuotannossa. Käytössä olevan pääenergiamuotojen, kuten öljy, sähkö tai kaukolämpö, rinnalle voidaan lisätä ympäristöystävällisiä tuotantomuotoja. Hybridijärjestelmä voi muodostua esimerkiksi yhdistelemällä seuraavia uusiutuvaan energiaan perustuvia teknologioita Oma sähköntuotto: aurinkopaneelit, pientuulivoima, CHP -laitos Oma lämmöntuotto: pellettikattila, maalämpö, CHP -laitos Sähkön varastointi sähköakkuun Hybridiratkaisuja Suomen oloihin on tutkittu muun muassa VTT:n johtamassa CLEEN Oy:n DESY hankkeessa, jossa tehostettiin rakennusten sähkön- ja lämmöntuotantoa ekologisesti, tukimuksen kohteena oli kustannustehokkaat energiainvestoinnit. /9/ Tutkimuksessa saatiin tietoa etenkin aurinkosähkön ja -lämmitysratkaisujen toteuttamisesta hybridijärjestelmällä. Akullisen aurinkösähköjärjestelmän hyödyntämistä pienkiinteistössä on selvitetty monipuolisesti Poveria biomassasta hankkeen aiemmassa tutkimuksessa /7/, johon viitaten taulukossa 3 on selvityksessä esitettyjä akkutietoja. Huonekaluliike IKEA on tulossa sähköakkumarkkinoille tarjoamalla oman akun, joka toteutetaan yhteistyössä aurinkoenergialaitteita valmistavan Solarcentury yrityksen kanssa /8/. Akun hinta- ja kapasiteettitiedoista ei ole vielä tarkkaa tietoa tarjolla.

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 10 / 11 Aurinkoenergiajärjestelmistä ja perinteisistä lämmöntuottojärjestelmistä ei tämän raportin yhteydessä esitetä tarkempaa tietoa. Aurinkosähköjärjestelmistä voi lukea lisää esimerkiksi edellä mainitusta Poveria biomassasta hankkeen aurinkosähköselvityksestä. Taulukko 4. Omakotitalon järjestelmään soveltuvien sähköakkujen laitevalmistajia /7/. Fronius 4.5 Fronius 7.5 Tesla Powerwall 2 Käytettävissä oleva 3,6 kwh 6 kwh 13,5 kwh kapasiteetti Materiaalitakuu 5 vuotta 5 vuotta 10 vuotta Kapasiteettitakuu 68 % kapasiteetista jäljellä 15 vuoden jälkeen 68 % kapasiteetista jäljellä 15 vuoden 80 % kapasiteetista jäljellä 10 vuoden jälkeen * jälkeen Valmistajan arvioima 20 vuotta 20 vuotta Ei tietoa käyttöikä Hinta sis. Asennus (alv 24 %) 5 390 8 220 7 090 ** *Takuutiedot koskevat useimpia Euroopan maita, Suomen maakohtaisia takuutietoja ei löytynyt. **Perustuu valmistajan sivulta löytyvään hinta-arvioon (24.11.2017) Mikäli järjestelmän osaksi halutaan liittää sähköakku tasamaan tuotannon ja kulutuksen vaihtelua, tulee järjestelmässä käyttää hybridi-invertteriä ohjaamaan sähkön syöttöä kuvan 5 mukaisesti. Hybridi-invertterin tehtävänä on ohjata sähköä aurinkopaneeleilta tai CHP laitokselta akkuun tai akusta suoraan kulutukseen tai julkiseen sähköverkkoon. Hybridiratkaisussa sähköntuotannossa on huomioitava lisäksi järjestelmässä tuotetun sähkön tasa- ja vaihtovirtaisuus. Hybridi-invertterillä muutetaan aurinkopaneeleista ja akusta syötettävä tasavirta kiinteistölaitteiden sekä sähköverkon vaatimaksi vaihtovirraksi. Kuva 5. Kuva havainnollistaa omakotitalossa vaadittavia komponentteja hybridijärjestelmässä. Vaihtovirta (AC) ja tasavirta (DC) muutetaan hybridi-invertterissä kiinteistölaitteiden käyttöön. Invertteriin yhdistetään oma piensähköntuotanto sekä sähköakku. /12/ Älykkäiden teknologioiden tulevaisuusnäkymiä Älykkäällä ohjauksella voidaan hallita rakennuksen sähköenergian kustannuksia esimerkiksi lataamalla sähköakkua halvan sähkönhinnan mukaan ja käyttämällä akkua silloin kun sähkön hinta on kalliimpaa. Lämmitysjärjestelmän hallinnalla tavoitellaan säästöjä lämmityskustannuksissa ja samalla lämmitysjärjestelmän tehontarve voi pienentyä. Kotiautomaatioon liitetyt järjestelmät voivat mahdollistaa tulevaisuudessa niiden ohjauksen esimerkiksi kantaverkkoyhtiö Fingridin häiriöreser-

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 11 / 11 viin. Suomessa Jäspi lämminvesivaraajasta on kehitetty uusi tuote, Älyvaraaja, joka tuotteen kuvauksen mukaan perinteisistä varaajista poiketen saa tietoa sähkömarkkinoista ja pystyy ottamaan huomioon tuotanto ja kysyntävaihtelut lämmitysaikataulussa /13/. Älyvaraaja on laitevalmistajan ilmoituksen mukaan tulossa markkinoille Suomessa vuoden 2017 aikana. Energiayhtiöt tarjoavat kysyntäjoustoa niille soveltuviin laitteisiin, jolloin osa energiankäytöstä painottuu esimerkiksi tiettyihin vuorokaudenaikoihin automatiikan avulla. Esimerkiksi Jyväskylän Energia on pilotoinut sähkön ja lämmön kulutuksen ohjaamista Äijälänrannalla sijaitsevan omakotitalon kotiautomaatiolla /14/. Kotiautomaatio voi neuvoa asukkaalle, milloin on kannattavaa sähkön pörssihinnan mukaan esimerkiksi pestä pyykkiä ja saunoa. Suomessa on markkinoilla kiinteistöille järjestelmiä, jotka lupaavat mahdollistaa kuluttajien sähkökuormien liittämiseen mukaan kysyntäjoustoja reservimarkkinoille lämmityksen tai esimerkiksi vain pelkän lämminvesivaraajan osalta. OptiWatti tarjoaa pienkiinteistöille älykästä järjestelmää, jolla voi optimoida lämmitystä rakennuksessa ja liittää kodin laitteistoja kysyntäjoustoon /15/. Älykkään ohjaukseen piiriin voi tulevaisuudessa liittyä sähköautot, joiden sähköakut toimivat mobiileina sähkövarastoina. Tällä hetkellä sähköautojen akkujen hyödyntäminen on harvinaista, mutta autovalmistajat ja latausjärjestelmän tarjoajat ovat kiinnostuneita kehittämään uusia ratkaisuja, kuten esimerkkinä autovalmistaja Nissan. Nissan LEAF litium-ioni akkua voisi hyödyntää valmistajan tietojen mukaan omakotitalon sähkövarastona: sähköakkua voisi purkaa tarvittaessa kodin laitteiden käyttöön. /16/ 2.5 Epäkonventionaaliset ratkaisut Aiemmin esiteltyjen vaihtoehtojen lisäksi markkinoille on nousemassa epäkonventionaalisia energiantuotantoratkaisuja. Näissä tekniikoissa on toistaiseksi ominaisuuksia, joiden vuoksi ne eivät ole yleistyneet, vaikka perustuvat toimivaan tekniseen periaatteeseen. Heikon saatavuuden ja haastavan soveltuvuuden vuoksi tässä kappaleessa esitetään muutama tekniikka, mutta tarkkaa arviointia niihin ei toteuteta. Lämpöä datasta Datakeskusten määrän kasvaessa niiden hukkalämmön hyödyntäminen on herättänyt kiinnostusta esimerkiksi startup - maailmassa. Esimerkiksi Project Exergy kehittää kiinteistöihin tuotavia serverilaitteita, joiden tuottamaa hukkalämpöä voidaan hyödyntää kiinteistön lämmityksessä. /30/ Datakeskusten vaatimukset toimintavarmuudelle ja turvallisuudelle rajoittavat kuitenkin tekniikan käyttöönottoa ja hukkalämpö kerätään sen vuoksi keskitetyistä datakeskuksista. Biokaasulaitos Pientalojen biojätteestä voidaan tuottaa paikallisesti biokaasua luonnolliseen hajoamiseen pohjautuvan tekniikan avulla. Kaasua voidaan hyödyntää kiinteistössä normaalisti eri tarpeisiin, kuten ruoanlaitossa ja lämmityksessä. Kaasulaitos vaatii kuitenkin tilaa, kaasusäiliön ja kaasuverkoston. Lisäksi normaali omakotitalon biojätteen määrä on suhteellisen pieni, eikä se siksi riitä rakennuksen lämmitykseen itsenäisesti.

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 12 / 11 3. PIENKIINTEISTÖN ENERGIAOMAVARAISUUS 3.1 Pellettipohjaisen Nano - CHP järjestelmän simulointi Pellettipohjaisen Nano - CHP järjestelmän kustannustehokkuutta ja energiaomavaraisuutta kartoitettiin omakotitalolle tehtyjen vuosisimulointien pohjalta. Tavoitteena oli selvittää mikä on markkinoilta saatavan pellettipohjaisen CHP -järjestelmän kannattavuus perinteiseen pellettikattilaan ja muihin yleisiin energiamuotoihin verrattua. Kannattavuustarkasteluun otettiin lisäksi mukaan aurinkopaneeleja hyödyntävät hybridijärjestelmät, tavoitteena parantaa järjestelmän omavaraisuutta. Energian omavaraisuudella tarkoitetaan tässä yhteydessä, että kiinteistö ostaa mahdollisimman vähän sähköä valtakunnallisesta sähköverkosta. Tarkastelujen kohteeksi valittu Nano - CHP laite on Itävaltalaisen ÖkoFENin valmistama Pellematic Smart_e, jonka tuottama sähköteho on 600 W /3/. Suurin laitteen tuottama lämpöteho rakennuksen vesikiertoiseen lämmitysverkostoon on pellettipolttimen avulla noin 14 kw, mikä riittää tyypilliseen 1960 1970 luvulla rakennettuun omakotitaloon. Tuotettu sähköteho ylittää puolestaan selvästi peruskuorman tyypillisessä pientalossa. Rakennuksen energiatehokkuudesta ja sähkölaitteista riippuen tarvittava jatkuva sähköteho on 250 350 W. CHP -laitteen simuloinneissa lähtökohta oli pientaloon soveltuva sähköjärjestelmä, johon voidaan liittää sähköakut ja invertterit. Simuloidut järjestelmävaihtoehdot olivat: Referenssijärjestelmä: Pellettikattilallinen järjestelmä ilman omaa sähkön tuotantoa Referenssijärjestelmä: Pellettikattilallinen järjestelmä aurinkopaneeleilla ja sähköakuilla Nano CHP järjestelmä ilman sähköakkuja ja aurinkopaneeleja Nano CHP järjestelmä sähköakuilla ilman aurinkopaneeleja Nano CHP järjestelmä sähköakuilla ja aurinkopaneeleilla (hybridijärjestelmä) CHP -laitteen teknistaloudellista kannattavuutta on tarkasteltu simulointitulosten yhteydessä luvussa 4. 3.2 Simuloinnissa käytetyn omakotitalon kuvaus Simulointien perustaksi valittiin tyypillinen 1960 1970 luvun omakotitalo, jossa lämmitetty nettopinta-ala ilman autotallia on 150 m². Autotallin kanssa kokonaispinta-ala on noin 180 m². Rakennus vastaa eristävyydeltään ja taloteknisiltä ratkaisuiltaan normaalia rakennusvuoden aikaista tasoa. Ilmanvaihto on hoidettu rakennuksessa poistoilmapuhaltimilla ja korvausilma otetaan sisään ulkoseinällä olevien korvausilmaventtiilien kautta. Rakennuksen lämmityksestä vastaa vesikiertoiset radiaattorit, jotka sijaitsevat tilakohtaisesti pääosin ikkunoiden alapuolella. Simuloinnissa käytetty omakotitalon malli on esitetty kuvassa 6 ja rakennusta kuvaavat lähtötiedot taulukossa 5.

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 13 / 11 Kuva 6. Simuloinneissa käytetty omakotitalo ja siinä olevat tilat. Lämmityksen asetusarvo oli 21 C oleskelutiloissa, 22 C kylpyhuoneessa ja 16 C autotallissa. Taulukko 5. Olemassa olevan omakotitalon simuloinnissa käytetyt rakennus- ja talotekniset lähtötiedot. Lähtötieto Lukuarvo Lähtötieto Lukuarvo Ulkoseinien U-arvo 0,44 W/(m²K) Ilmanvuoto, n-50 luku * 2 3,9 1/h Vesikaton U-arvo 0,35 W/(m²K) Ilmanvaihtokerroin 0,5 1/h Lattian U-arvo Viivamaiset lisäkonduktanssit 0,20 W/(m²K) D5-2012 mukaisesti /18/ Vesiradiaattorien mitoitus Meno: 60 C / Paluu: 40 C Ikkunoiden U-arvo 1,9 W/(m²K) Vesivaraajan tilavuus 600 dm³ Ikkunoiden g-arvo * 1 0,68 Aurinkopaneelijärjestelmän hyötysuhde 14 % * 1 ) Ikkunoiden sisäpuolella sälekaihtimet * 2 ) Keskimääräinen ilmanvuotoluku puurunkoiselle pientalolle tutkimusten perusteella /19/ Simuloinnit suoritettiin vertailtavuuden vuoksi myös nykymääräysten mukaisilla eristävyysarvoilla ja taloteknisillä ratkaisuilla /17/. Rakenteiden ja ikkunoiden U-arvot ovat tässä rakennuksen versiossa rakentamismääräyskokoelmassa listattujen vertailuarvojen mukaiset ja ilmanvuotoa kuvaava n50- luku on 1,0 1/h. Rakennuksen ilmanvaihtokone on varustettu lämmöntalteenotolla, jonka poistoilman lämmöntalteenoton vuosihyötysuhde on 70 %. Nykymääräysten mukaisessa rakennuksessa ilmavirtojen suhde tulo/poisto on 0,95, eli rakennus on lievästi alipaineinen. Rakennuksessa käytetyn lämpimän käyttöveden määrä laskettiin 5 henkiselle perheelle olettamalla, että lämpimän käyttöveden ominaiskulutus on 50 dm³/hlö/vrk RakMK D3-2012 mukaisesti /17/.

Sähkötehon tarve, kw Lämmitystehon tarve, kw Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 14 / 11 Lämpimän käyttöveden profiili määritettiin simulointimalliin kuvassa 7 esitetyn mittauksiin perustuvan profiilin mukaan. Profiilissa kuvataan miten lämpimän käyttöveden valmistukseen tarvittava lämmitysteho vaihtelee tyypillisen viikon aikana. Lämmitystehon keskimääräinen taso profiilissa vastaa RakMK D3-2012 ominaiskulutusta lämpimän käyttöveden lämpötilaerolla 50 C. Lämmitystehon piikit profiilissa ajoittuvat erityisesti arkipäivinä aamuun ja iltaan, jolloin esimerkiksi suihkua käytetään. 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 24 48 72 96 120 144 168 Viikon tunnit, h Lämpimän käyttöveden lämmitystehon tarve, kw Kuva 7. Simuloinnissa käytetty lämpimän käyttöveden kulutusprofiili 5 henkiselle perheelle. Profiilin viikoittainen muoto on mittauksiin perustuva, mutta profiilin tasoa on muokattu henkilömäärään perustuen. Kokonaisvedenkulutus viikossa on 1750 dm³ (50 dm³/hlö/vrk). Rakennuksen vuoden aikainen sähkötehontarve määritettiin simulointimalliin mittauksiin perustuvan profiilin mukaisesti. Kuvassa 8 esitetty profiili on mitattu Helsingin seudulla sijaitsevasta omakotitalosta, jonka pinta-ala on noin 120 m². Sähkötehon pohjakuorma profiilissa on noin 0,34 kw ja se koostuu LVI-teknisistä laitteista (pumput ja puhaltimet) sekä vakiotehoisista käyttäjälaitteista (esim. jääkaapit ja pakastimet). 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760 Vuoden tunnit, h Sähkötehon tarve, kw Kuva 8. Simuloinnissa käytetty mittauksiin perustuva sähkötehon kulutusprofiili. Profiilissa sähkötehon tarve on pienempi heinä- ja elokuussa, jolloin oletetaan että ihmiset ovat osittain lomalla. Vuosisimuloinnit suoritettiin dynaamisella laskentatyökalulla, IDA-ICE ohjelman 4.8 versiolla /20/. Käytetty säädata kuvaa testivuoden sääolosuhteita Kuopiossa, mutta yleistäen säädataa voidaan käyttää Itä-Suomen sääolosuhteiden kuvaamiseksi. Ulkoilman lämpötila ja auringon säteilytehot

Lämpöteho, kw Lämpöteho, kw Ulkoilman lämpötila, C Säteilyn intensiteetti, W/m² Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 15 / 11 (W/m²) maan pinnalle on esitetty kuvassa 9 Kuopion säädatan mukaisesti. Tilalämmityksen tehontarpeet olemassa olevalle ja nykymääräyksiä vastaavalle omakotitalolle on puolestaan esitetty kuvassa 10. Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 9. Kuopion säädatan mukaiset säätiedot. Ulkoilman lämpötila vuoden aikana on esitetty vasemmalla ja auringon suora säteily maan pinnalle oikealla. Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 10. Tilalämmityksen tehontarve olemassa olevalle omakotitalolle on esitetty vasemmalla ja nykymääräyksiä vastaavalle omakotitalolle oikealla. Ilmanvaihdon jälkilämmityspatterin tarvitsema lämpöteho sisältyy tilalämmityksen tehontarpeeseen nykymääräysten mukaisessa rakennuksessa. 3.3 Simuloinnissa käytetyn Stirling moottorin malli Omakotitalon lämmön- ja sähkön lähteenä toimi simuloinnissa Nano - CHP luokan Stirling -moottori, jonka toimintaa simuloitiin IEA (International Energy Agency) Annex 42 teknisten määritysten mukaisesti /21/. Annex 42 on vuodelta 2008 ja se käsittelee pientaloihin soveltuvia mikro - CHP laiteitta: polttokennoja, polttomoottoreita ja Stirling -moottoreita. Simulointeihin valittua Stirling -moottoria mallinnettiin IDA-ICE ohjelman mikro - CHP laitemallilla, joka pohjautuu yksinkertaistettuna Annex 42 dokumentointiin. Yksinkertaistetun laitemallin dynaamista käyttäytymistä täydennettiin lisäksi alkuperäisen Annex 42 määritelmien mukaisesti laitteen käynnistymisaikaisen toiminnan osalta. Simuloinneissa käytetyn Stirling -moottorin (ÖkoFEN Pellematic Smart_e) ja sähköakkujärjestelmän tekniset tiedot määritettiin simulointimalliin taulukon 6 mukaisesti. Taulukko 6. Nano - CHP järjestelmän tekniset tiedot.

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 16 / 11 Stirling moottori: ÖkoFen Pellematic Smart_e Suoritusarvo Sähköteho jatkuvuustilassa 0,6 kw (230 V AC) Sähkötuoton hyötysuhde 26 % Kokonaishyötysuhde 102 % (kondensoiva savukaasu) Stirling moottorin lämmönsiirtimen lämpöteho 1,8 kw Kokonaislämpöteho pellettipolttimen avulla 14,0 kw Pellettipolttimen vuosihyötysuhde 85 % Sähköakku: Tesla Powerwall 2 /22/ Suoritusarvo Akuston kapasiteetti 13,5 kwh Sähkön luovutusteho Enintään 5 kw Akun hyötysuhde AC->DC: 89 % Sähköjärjestelmän kokonaishyötysuhde laskennassa 85 % Akun sähköenergian purkaussyvyys laskennassa 90 % Taulukon 6 lähtötietojen mukaisesti simuloinnissa oletettiin, että Stirling -moottori toimii valmistajan ilmoittamalla kokonaishyötysuhteella 102 % /3/ pelletin alemman lämpöarvon (noin 17,5 MJ/kg /23/) mukaan laskettuna. Suoritusarvojen olettamus on, että savukaasut jäähdytetään alle kastepistelämpötilan Stirling moottorin toimiessa jatkuvuustilassa. Jaksottaisessa toimintamoodissa, jota esiintyy erityisesti lämmityskauden ulkopuolella, oletetaan että laite kuluttaa noin 30 % enemmän polttoainetta moottorin lämmitysvaiheen aikana. Lämmitysvaiheen aikana moottorin sisäinen lämpötila nousee kohti vakaata toimintalämpötilaa, jossa moottori toimii jatkuvuustilassa. Annex 42 määritysten mukaisesti oletettiin, että Stirling -moottori toimii vain on - off pohjaisesti nimellisteholla. Sähköä ja lämpöä tuotetaan kuitenkin myös moottorin lämmitysvaiheen aikana huonommalla hyötysuhteella. Jaksottaisen toimintamoodin takia Stirling -moottoria ohjattiin simulointimallissa lämmityskauden ulkopuolella vesivaraajan lämpötilan mukaan: lämpötila vesivaraajassa enintään 86 C ja vähintään noin 61 C. Lämmityskauden ulkopuolella toimintajaksojen pituudet määräytyvät tällöin lämmöntarpeen ja vesivaraajan tilavuuden perusteella. Lämmityskauden aikana Stirling -moottorin lämmönsiirrin ja pellettipoltin ylläpitävät puolestaan vesivaraajassa peruslämpötilaa 60 C, mikä riittää lämpimän käyttöveden tuottoon.

Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 17 / 11 3.4 Nano - CHP laitteelle tehdyt simuloinnit omakotitalossa Nano - CHP laitteelle tehtyjen teknistaloudellisten tarkastelujen tavoite oli verrata pellettipohjaisen CHP -laitteen kannattavuutta referenssijärjestelmään: lämpökattilaan pohjautuva järjestelmä ilman omaa sähkön tuotantoa lämpökattilaan pohjautuva järjestelmä aurinkopaneeleilla ja sähköakulla Pellettipolttimen vuosihyötysuhde pidettiin simuloinneissa vakiona (85 %) sekä Nano - CHP laitteessa että referenssijärjestelmissä vertailtavuuden vuoksi. Teknistaloudellisten tarkastelujen avulla määritettiin järjestelmien omavaraisuusaste, eli sähköverkosta ostettavan sähkön määrä (kwh/vuosi) sekä vuosittaiset käyttökustannukset, kun CHP järjestelmää verrataan pellettiä käyttävään lämpökattilaan. Käyttökustannuksiin sisällytettiin vain sähköverkosta ostettava sähköenergia (sähkön hinta /kwh) sekä ostettavan pelletin määrä (pelletin hinta /kg). Teknistaloudellisen tarkastelun tulokset on esitetty luvussa 4.3. Luvussa 4.4 on kuvattu miten järjestelmätason parametrit kuten CHP -laitteen sähkön tuoton hyötysuhde ja vesivaraajan tilavuus vaikuttavat omavaraisuusasteeseen ja vuosikustannuksiin. Luvussa 4.3 määritettyjen vuosittaisten käyttökustannusten perusteella laskettiin kumuloituneet säästöt CHP -pohjaiselle järjestelmälle sen oletetun elinkaaren avulla referenssijärjestelmään verrattuna. Referenssijärjestelmien lämmönlähteenä oli pelletti-, öljy- ja sähkökattila. Taloudellisen kannattavuustarkastelun tulokset on esitetty luvussa 4.5. Energian hinnat teknistaloudellisiin tarkasteluihin määritettiin seuraavasti /24/: Verkosta ostettava sähkö: Pelletin hinta: Öljyn hinta: Verkosta ostettava sähkö: 0,150 /kwh 0,240 /kg 0,100 /kwh 0,125 /kwh (sähkölämmitteinen rakennus)

Sähköteho, W Veden lämpötila, C Sähköteho, W Veden lämpötila, C Lämpöteho, W Lämpöteho, kw Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 18 / 11 4. SIMULOINNIN TULOKSET 4.1 Nano - CHP laitteen toiminnan kuvaus vuoden aikana Simulointimallin lähtötietoja ja Nano - CHP laitteen toimintaa on havainnollistettu kuvissa 11 13 sekä koko vuoden ajalta että jaksottaisten toimintasyklien aikana. Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 11. Vesikiertoiseen lämmitysjärjestelmään syötetty lämmitysteho (W) vuoden aikana on esitetty vasemmalla ja lämpimän käyttöveden lämmitystehon tarve (kw) oikealla. Käyttöveden profiilissa on oletettu, että rakennuksen asukkaat ovat osittain poissa kesäkuukausien aikana. Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 12. Esimerkkikuva tuotetusta sähkötehosta (W) vuoden aikana on esitetty vasemmalla ja lämpötila vesivaraajassa oikealla ( C). Aika, h Aika, h Kuva 13. Esimerkkikuva tuotetusta sähkötehosta (W) kesällä on esitetty vasemmalla ja lämpötila ( C) vesivaraajassa oikealla.

Käyttökustannus, /vuosi Verkosta ostettava sähköenergia, kwh/vuosi Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 19 / 11 4.2 Nano - CHP laitteen teknistaloudellinen kannattavuus ilman aurinkopaneeleja Nano - CHP laitteen vuotuisia käyttökustannuksia, sisältäen verkosta ostettavan sähköenergian ja ostettavan pelletin, on havainnollistettu kuvassa 14 sähköakkujen kapasiteetista riippuen (0 15000 Wh). Tulokset taulukon 6 mukaisella Tesla Powerwall 2 akustolla on ympyröity kuvaan. Kuvassa on myös havainnollistettu sähköverkosta ostettavan sähköenergian määrää, mikä kuvaa järjestelmän omavaraisuutta. Referenssijärjestelmä on pellettikattila ja koko sähköenergia ostetaan sähköverkosta. Sähköakun tehollinen kapasiteetti vaihteli simuloinnissa 10 % - 100 % akun nimelliskapasiteetista. Toisin sanoen, akkua ei purettu täysin tyhjäksi lataus- ja purkusyklien aikana. Kuviin on merkitty nuolet havainnollistamaan tulosten tulkitsemista: Valitaan akuston kapasiteetti (Wh) luetaan tulos käyrän kohdalta (käyttökustannus / verkosta ostettava sähköenergia). 2150 5000 2100 4500 2050 4000 2000 3500 1950 3000 1900 2500 1850 2000 1800 1500 1750 1000 1700 500 1650 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 Akkujen kapasiteetti, Wh 0 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 Akkujen kapasiteetti, Wh CHP: käyttökustannus, sähkö + pelletti Referenssijärjestelmä: käyttökustannus, sähkö + pelletti CHP: verkosta ostettava sähkönenergia Referenssijärjestelmä: verkosta ostettava sähköenergia Kuva 14. Nano - CHP järjestelmän vuosittaiset käyttökustannukset on esitetty vasemmalla ja sähköverkosta ostettava sähköenergia oikealla. Tuloksista nähdään, että akuston kapasiteetin lisääminen yli 5000 Wh ei merkittävästi pienennä järjestelmän vuosikustannuksia eikä paranna omavaraisuutta. Akuston vuoden aikaista varaustasoa ja hyödyntämättömän sähkön määrää on havainnollistettu kuvissa 15 ja 16 kahdella akkukoolla 5000 Wh ja 13500 Wh. Akun varaustaso on esitetty %:na maksimitasosta ja hyödyntämätön sähkö Watteina tuntitasoisesta datasta johtuen. Hyödyntämätön sähköenergia rakennuksessa (kwh/vuosi) on ilmoitettu kuvatekstissä kummassakin esimerkkitapauksessa.

Sähköteho, W Varaustaso, % Sähköteho, W Varaustaso, % Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 20 / 11 Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 15. Vasemmalla on esitetty sähkötehon tarve, tuotettu sähköteho, verkosta ostettava sähköteho ja hyödyntämätön sähköteho rakennuksessa, kun akun kapasiteetti on 13500 Wh (Tesla Powerwall 2 akusto). Akun varaustaso 0 % - 100 % on esitetty oikealla. Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 16. Vasemmalla on esitetty sähkötehon tarve, tuotettu sähköteho, verkosta ostettava sähköteho ja hyödyntämätön sähköteho rakennuksessa, kun akun kapasiteetti on 5000 Wh. Akun varaustaso 0 % - 100 % on esitetty oikealla. Kuvissa 15 ja 16 esitetyistä akun varaustasoista nähdään, että pienempi akku kapasiteetilla 5000 Wh on tehokkaammin käytössä vuoden aikana kuin 13500 Wh akku. Simulointien perusteella pellettipohjainen Nano - CHP laite säästää vuosikustannuksissa noin 140 vuodessa pellettiä käyttävään referenssijärjestelmään verrattuna ilman sähköakkuja ja Tesla Powerwall 2 akustolla (kapasiteetti 13500 Wh) noin 265. Maltillisemmalla akuston kapasiteetilla 5000 Wh vuosittainen säästö on puolestaan noin 250. Kuvassa 16 esitetyn Nano CHP järjestelmän toimintaa on havainnollistettu tarkemmin kuvassa 17 yhden esimerkkipäivän aikana toukokuussa. Kuvassa on esitetty sähkötehon jakaumien lisäksi miten akkua ladataan ja puretaan päivän aikana.

Sähköteho, W Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 21 / 11 CHP toiminnassa Aika, h (vuorokaudessa/vuodessa) Kuva 17. Sähkötehon jakaumat ja akun hyödyntäminen päivän aikana. Kuvassa on esitetty oranssin värisellä nuolella ajanjakso, jolloin Nano CHP laite on toiminnassa. 4.3 Nano - CHP laitteen teknistaloudellinen kannattavuus aurinkopaneeleilla Nano - CHP laitteen vuosikustannuksia (ostettava sähköenergia ja pelletti) ja sähköverkosta ostettavan sähkön määrää on havainnollistettu kuvassa 18 erilaisilla aurinkopaneelien pinta-aloilla, 0 m² - 30 m² (0 4200 Wp), akuston kapasiteetista riippuen (0 10000 Wh). Referenssijärjestelmä on pellettikattila ja koko sähköenergia ostetaan sähköverkosta. Vertailussa CHP -laitetta käytetään koko vuoden ajan lämmöntarpeen mukaan ohjattuna. Kuvan 19 mukaisissa tuloksissa CHP -laitetta käytetään puolestaan vain 15.9 15.5 välisenä aikana. Pellettipoltin hoitaa lämmitystarpeen 15.5 15.9 välisenä aikana. Referenssijärjestelmälle (pellettikattila) on esitetty vastaavat tulokset kuvassa 20 samoilla aurinkopaneelien pinta-aloilla ja akuston kapasiteeteilla. Kuviin on merkitty nuolet havainnollistamaan tulosten tulkitsemista: Valitaan akuston kapasiteetti (Wh) luetaan tulos käyrän kohdalta (käyttökustannus / verkosta ostettava sähköenergia).

Käyttökustannus, /vuosi Verkosta ostettava sähköenergia, kwh/vuosi Käyttökustannus, /vuosi Verkosta ostettava sähköenergia, kwh/vuosi Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 22 / 11 2200 2200 Referenssi: Pellettikattila ja PV: 0 m² 2000 CHP ja PV: 0 m² 2100 CHP ja PV: 0 m² 1800 CHP ja PV: 5m² CHP ja PV: 5m² 1600 2000 1400 CHP ja PV: 10m² CHP ja PV: 10m² 1200 1900 CHP ja PV: 15m² 1000 CHP ja PV: 15m² 1800 CHP ja PV: 20m² 800 CHP ja PV: 20m² 600 1700 CHP ja PV: 25m² 400 CHP ja PV: 25m² CHP ja PV: 30m² 200 CHP ja PV: 30m² 1600 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Akkujen kapasiteetti, Wh Akkujen kapasiteetti, Wh Kuva 18. CHP -järjestelmän vuotuiset käyttökustannukset on esitetty vasemmalla ja verkosta ostettava sähköenergia oikealla akkujen varauskyvyn mukaan. CHP -laite on käytössä koko vuoden ajan. Aurinkopaneelien pinta-alat ovat 0 m² - 30 m² (0 4200 Wp). 2200 2200 Referenssi: Pellettikattila ja PV: 0 m² 2000 CHP ja PV: 0 m² 2100 CHP ja PV: 0 m² 1800 CHP ja PV: 5m² 1600 2000 CHP ja PV: 5m² 1400 CHP ja PV: 10m² CHP ja PV: 10m² 1200 1900 CHP ja PV: 15m² 1000 CHP ja PV: 15m² 1800 800 CHP ja PV: 20m² CHP ja PV: 20m² 600 1700 CHP ja PV: 25m² 400 CHP ja PV: 25m² 200 CHP ja PV: 30m² 1600 0 2000 4000 6000 8000 10000 Akkujen kapasiteetti, Wh CHP ja PV: 30m² 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Akkujen kapasiteetti, Wh Kuva 19. CHP -järjestelmän vuotuiset käyttökustannukset on esitetty vasemmalla ja verkosta ostettava sähköenergia oikealla akkujen varauskyvyn mukaan. CHP -laite on käytössä vain 15.9 15.5 välisenä aikana. Aurinkopaneelien pinta-alat ovat 0 m² - 30 m² (0 4200 Wp).

Sähköteho, W Sähköteho, W Käyttökustannus, /vuosi Verkosta ostettava sähköenergia, kwh/vuosi Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 23 / 11 2200 5000 2150 Pellettikattila ja PV: 0m² Pellettikattila ja PV: 0m² 2100 2050 Pellettikattila ja PV: 5m² 4500 4000 Pellettikattila ja PV: 5m² 2000 Pellettikattila ja PV: 10m² Pellettikattila ja PV: 10m² 1950 3500 1900 Pellettikattila ja PV: 15m² Pellettikattila ja PV: 15m² 1850 3000 1800 Pellettikattila ja PV: 20m² Pellettikattila ja PV: 20m² 2500 1750 1700 Pellettikattila ja PV: 25m² 2000 Pellettikattila ja PV: 25m² 1650 Pellettikattila ja PV: 30m² Pellettikattila ja PV: 30m² 1600 0 2000 4000 6000 8000 10000 1500 0 2000 4000 6000 8000 10000 Akkujen kapasiteetti, Wh Akkujen kapasiteetti, Wh Kuva 20. Referenssijärjestelmän (pellettikattila) vuotuiset käyttökustannukset on esitetty vasemmalla ja verkosta ostettava sähköenergia oikealla akkujen varauskyvyn mukaan. Aurinkopaneelien pinta-alat ovat 0 m² - 30 m² (0 4200 Wp). Kuvissa 18 20 esitettyjä vuositason tuloksia on selvennetty vuosisimuloinneista saadun tuntikohtaisen datan avulla kuvissa 21 23, kun aurinkopaneelien pinta-ala on 15 m² (2100 Wp) ja akuston kapasiteetti 5000 Wh. Kuvista käy ilmi miten sähkön tarve ja sähkön tuotanto vastaavat toisiaan tuntitasolla. Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 21. CHP -järjestelmän tuottama ja hyödyntämä sähköteho vuoden aikana aurinkopaneeleilla, kun CHP -laite on toiminnassa koko vuoden ajan. Aurinkopaneelien pinta-ala on 15 m² (2100 Wp) ja akuston kapasiteetti 5000 Wh. Hyödyntämätön sähköenergia vuoden aikana on 1933 kwh, kun tuotettu sähköenergia on 6816 kwh.

Sähköteho, W Sähköteho, W Sähköteho, W Sähköteho, W Kohti energiaomavaraisuutta uusimmat teknologiat pienkiinteistöjen energiantuotannossa 24 / 11 Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 22. CHP -järjestelmän tuottama ja hyödyntämä sähköteho vuoden aikana aurinkopaneeleilla, kun CHP -laite on toiminnassa vain 15.9 15.5 välisenä aikana. Aurinkopaneelien pinta-ala on 15 m² (2100 Wp) ja akuston kapasiteetti 5000 Wh. Hyödyntämätön sähköenergia vuoden aikana on 1142 kwh, kun tuotettu sähköenergia on 5624 kwh. Aika, kk/h Aika, kk/h Kuva 23. Referenssijärjestelmän tuottama ja hyödyntämä sähköteho vuoden aikana aurinkopaneeleilla. Aurinkopaneelien pinta-ala on 15 m² (2100 Wp) ja akuston kapasiteetti 5000 Wh. Hyödyntämätön sähköenergia vuoden aikana on 98 kwh, kun tuotettu sähköenergia on 2152 kwh. Simuloitujen tulosten perusteella Nano - CHP laitteen ja aurinkopaneelien muodostamasta hybridijärjestelmästä saadaan suurin hyöty irti, kun CHP -laitetta käytetään vain lämmityskauden aikana. Muissa tapauksissa CHP -laite tuottaa valtaosan tarvittavasta sähköenergiasta kustannustehottomasti pelletin avulla ja ilmaista aurinkopaneeleilla tuotettua sähköenergiaa ei pystytä hyödyntämään täysimääräisesti. Referenssijärjestelmän vuosittaiset käyttökustannukset ovat akullisessa aurinkopaneelijärjestelmässä pinta-alalla 25 m² (3500 Wp) karkeasti ottaen samat kuin Nano CHP:n käyttökustannukset aurinkopaneelien pinta-alalla 15 m² (2100 Wp). Tässä tapauksessa Nano CHP järjestelmä on käytössä vain lämmityskauden aikana. Koko vuoden aikana käytettynä CHP -järjestelmä on käytännössä täysin omavarainen jo pienellä aurinkopaneelien pinta-alalla, noin 5 10 m² (700 1400 Wp), sähkön kulutuksesta riippuen. Kuvassa 21 esitetyn aurinkopaneeleilla varustetun Nano CHP järjestelmän toimintaa on havainnollistettu tarkemmin kuvassa 24 yhden esimerkkipäivän aikana toukokuussa. Kuvassa on esitetty sähkötehon jakaumien lisäksi miten akkua ladataan ja puretaan päivän aikana. Aurinkopaneeleilla tuotetusta sähköstä johtuen ostettavaa sähköenergiaa ei kerry esimerkkipäivän aikana.