Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Prof. Jero Ahola: Aurinkoenergian suora hyödyntäminen Suomessa

3,501 views

Published on

Luentomateriaalit energiatehokkuuden professori Jero Aholan "Aurinkoenergian suora hyödyntäminen Suomessa" -puheenvuorosta. Luento järjestettiin Kuopion Aurinkoenergiailtana 3.9.2014

Published in: Government & Nonprofit
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Prof. Jero Ahola: Aurinkoenergian suora hyödyntäminen Suomessa

  1. 1. Aurinkoenergian suora hyödyntäminen Suomessa Jero Ahola, LUT Energia, 3.9.2014
  2. 2. Esitelmän sisältö 1. Johdanto 2. Aurinkolämpö ja aurinkosähkö 3. Aurinkosähkö Suomessa 4. Aurinkosähkövoimalan suunnittelu ja kannattavuus 5. Aurinkosähkövoimalan asennus ja käyttöönotto 6. Aurinkosähkövoimalan toiminnan seuranta 7. Yhteenveto
  3. 3. I. Johdanto
  4. 4. Maailman primäärienergian lähteet 1850-2011 Primäärienergian paraneva laatu Puusta hiileen ~ 80 vuotta Hiilestä öljyyn ~ 30 vuotta Lähde: GEA Summary 2011, saatavissa http://www.iiasa.ac.at/Research/ENE/GEA/index.html. (6.8.2012) Öljystä hiileen vaiko uusiutuviin? 4.9.2014 4
  5. 5. Energiatehokkuutta (käytetty energia/saatu palvelu) parantamalla voidaan muuttaa toimintapistettä E Sekä energian laatu että määrä ovat tärkeitä EROEI out in E Aurinko ja tuuli – Teknologian kehitys lisää saatavaa nettoenergiaa – Kilpailukyky paranee suhteessa fossiilisiin energialähteisiin 4.9.2014 5
  6. 6. Hyödynnettävissä olevat energialähteet maapallolla ”Auringosta saapuu maapallolle 14.5 sekunnissa yhtä paljon energiaa kuin ihmiskunta Lähde: Richard Perez & Marc Perez, ”A Fundamental Look at Energy Reserves for the Planet” käyttää vuorokaudessa” - Ramez Naam, Scientific American
  7. 7. Aurinkopaneelien hinnan kehitys
  8. 8. Aurinkosähköjärjestelmän valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika Lähde: Fraunhofer-ISE, Photovoltaics report, December, 2012. * Tarkasteltavassa järjestelmässä monikidepiipaneelit ** Globaalisti parhailla alueilla säteilysumma on n. 2500 kWh/m2
  9. 9. 2. Aurinkolämpö- ja aurinkosähkö
  10. 10. Auringon säteilyenergian hyödyntämisen päämenetelmät 1. Aurinkosähkö (PV – PhotoVoltaics) 2. Keskittävä aurinkovoima (CSP, Concentrated Solar Power Plants) 3. Aurinkolämpö
  11. 11. Aurinkolämpökeräinten päätyypit – tasokeräin ja tyhjiöputkikeräin Kuva. Tasokeräimen toimintaperiaate Kuva. Tyhjiöputkikeräimen toimintaperiaate
  12. 12. Aurinkolämpökeräinten hyötysuhteet Esimerkki 2: Kun ulkolämpötila on 0මC ja keräimessä kiertävän veden lämpötila on 60 මC Esimerkki 1: Kun ulkolämpötila on 0මC ja keräimessä kiertävän veden lämpötila on 30 මC
  13. 13. Kiteiseen piihin pohjautuva aurinkosähkökenno ja sen toimintaperiaate Kuva. Valosähköisen ilmiön toiminta piikennossa Kuvat: wikipedia Suntech:n esittelyvideo aurinkopaneelin valmistuksesta: http://www.youtube.com/watch?v=fZ1SC-vUe_I Kuva. Yksikiteinen valmis piikenno
  14. 14. Aurinkosähkökennojen hyötysuhteen kehitys
  15. 15. Yleisen jakeluverkon rinnalla toimivan aurinkovoimalan rakenne Source: http://www.geservices.com.au/GridConnectedSystems.aspx, accessed 24.4.2014
  16. 16. Yksivaiheisen jakeluverkon rinnalla toimivan aurinkosähkövoimalan sähkökaavio Source: http: www.pvshop.eu, accessed 24.4.2014
  17. 17. 3. Aurinkosähkö Suomessa
  18. 18. Lappeenranta vastaa Frankfurtia aurinkosähkön tuotantopotentiaaliltaan 7 6 5 4 3 2 1 0 kWh/m2/d Kuukausi Frankfurt, Saksa Lappeenranta, Suomi
  19. 19. Miten merkittävä määrä aurinkosähköä näkyisi Suomen voimajärjestelmässä heinäkuussa
  20. 20. Miten aurinkosähkötuotanto Saksassa näkyy sähkömarkkinoilla Lähde: www.sahkolamppu.com
  21. 21. Suomen sähköenergian tarpeen täyttämiseen vaadittavien aurinkosähköpaneelien pinta-ala 28 km x 28 km Suomessa vuotuisesti kulutetun sähköenergian tuottamiseen tarvittavien aurinkopaneelien pinta-ala Sähköenergian vuosikulutus Suomessa (TWh) 85 Tarvittava asennettu kapasiteeti (GWp) 106 Tarvittava maapinta-ala (km2) 744 Pinta-alan tuottavan neliön sivu (km) 27.3
  22. 22. Auringon säteilyenergian hyödyntämisen tehokkuus sähkön tuotannossa 1 ha, aurinkosähkövoimala Prisman katolla 330 ha, 10 m3/ha/a kasvava metsä Suora auringon säteilyenergian muuntaminen aurinkokennoilla sähköksi on 100-400 kertaa tehokkaampaa kuin konversio metsäbiomassan kautta voimalaitos-prosessissa Aurinkosähkövoimalassa (PV) valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika on n. 0.5-2 a ja laitoksen käyttöikä on n. 25-30 a
  23. 23. Sähköenergian nettotuotanto ja -kulutus Suomessa vuonna 2013 Kuva Kesäkuu, 2013. Kuva Kuukausijakauma. Lähde: Fingrid, (www.fingrid.fi) • Vuosikulutus 81,4 TWh • Vuosituotanto 66,0 TWh (81 %) • Kulutushuippu 14 GW • Suomi on ostosähkön varassa • Viikkorytmin näkyminen 9000000 8000000 7000000 6000000 5000000 4000000 3000000 2000000 1000000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Teho (MW) Oma tuotanto Osto 0 -1000000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Energia (MWh/kk) Kuukausi Osto Myynti Tuotanto omaan käyttöön
  24. 24. Asennettu aurinkosähkökapasiteetti Euroopassa 2012 Suomi: 0.2 Wp/asukas Lähde: European Photovoltaik Industry Association (www.epia.org) Tanska: 70 Wp/asukas
  25. 25. Case Tanska - Aurinkosähkökapasiteettia asennetaan nopeasti PV-kapasiteetti Tanskassa (2013 loppu) 97 Wp/asukas, vrt. Suomi 0.2-03 Wp/asukas 600 500 400 300 200 100 0 Addition (MWp) Installed capacity (MWp) 20002001200220032004200520062007200820092010201120122013 MWp Year N = 89000 kpl Pn,avg = 6.1 kWp Nettomittaus poistui, syöttötariffi suunnitteilla, 15.5 €snt/kWh, 10a 1000 kWh/m2/a Vastaa Etelä-Suomen tasoa Poliittinen päätös: nettomittaus Pn < 6kWp
  26. 26. Ratkaistuja ja ratkaisemattomia aurinkosähkön yleistymisen hidasteista Suomessa Aurinkosähkövoimalan verkkoon liittäminen standardeilla, edullisilla ja turvallisilla laitteilla ilmoitusmenettelyn avulla RATKAISTU: ”Energiateollisuus ry:n sähköverkon asiakkuustoimikunnan 4.2.2013 tekemän linjauksen mukaisesti. Energiateollisuus ry suosittelee, että luvussa 3 esitetyt suojausasettelut täyttävien laitosten lisäksi jakeluverkkoon hyväksytään myös teknisiltä ominaisuuksiltaan Saksan mikrotuotantonormin VDE-AR-N-4105 täyttävät laitteet” Mikrotuotetulle ylijäämäsähkölle ostaja RATKAISTU: Jo noin 20 Sähkökauppaa harjoittavaa yhtiötä on lupautunut ostamaan pientuottajilta sähköenergiaa. Kuluttaja-tuottajan sähköenergian tuntimittaus Yhtenäiset aurinkoenergiaa suosivat rakennustapaohjeet kaikkiin kuntiin Kotitalouksille investointituki aurinkosähköinvestointeihin
  27. 27. Ferraris-mittausperiaatteen käyttäminen on järkevää sekä verkkoyhtiön että kuluttaja-tuottajan kannalta Hyöty kuluttaja-tuottajalle esin.: sähkön myynti 40 €/MWh, itse tuotetun sähkön käyttö 150 €/MWh KIINTEISTÖN KULUTUS KIINTEISTÖN AURINKOSÄHKÖTUOTANTO 3-vaiheinvertteri 1-vaih. Kuorma Hetkellinen teho (kW) Hetkellinen teho (kW) SÄHKÖENERGIAMITTARIN ENERGIAREKISTERIEN SISÄLLÖN MUUTOS (näytteistystaajuus 1 Hz) Ferraris-mittausperiaate Staattinen mittausperiaate Osto E+ (kWs) Myynti E- (kWs) Osto E+ (kWs) Myynti E- (kWs) L1 1 3 2 0 L2 1 0 0 0 0 1 L3 1 0 0 1 Energia yhteensä 3 3 0 0 2 2 (kWs) Kannustaa käyttämään yksivaiheisia aurinkoinvertterejä ja keskittämään kiinteistön kuormat tähän samaan vaiheeseen Ei rankaise 3-vaiheinvertterin käytöstä, kiinteistön kuormien ryhmittelemisestä yhteen vaiheeseen ei hyötyä
  28. 28. Esimerkki 8 kWp järjestelmä omakotitalossa – Netottavan tuntimittauksen merkitys 7 6 5 4 3 2 1 0 Nykyinen staattinen mittaustapa Oikaistu netottava tuntimittaus Kulutus (kWh) Syöttö (kWh) 1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 Energia [kWh] Aika [h] 7 6 5 4 3 2 1 0 Oikaistu kulutus (kWh) Oikaistu syöttö (kWh) 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 19 Energia [kWh] Aika [h] Kulutus = 102 kWh, Syöttö = 175 kWh Kulutus = 78 kWh, Syöttö = 151 kWh Tässä tapauksessa oman kulutuksen osuus kasvaa noin 20 %
  29. 29. Aurinkopaneeliasennukset kuntien rakennusjärjestyksissä, tilanne kevät 2013 Vapautettu Ilmoitusmenettely Toimepidelupa Ei mainintaa 600 500 400 300 200 100 0 Asukasluku (tuhatta) Lappeenranta Helsinki Vantaa Lahti Kouvola Mikkeli Hamina Kotka Imatra Espoo Kasvava kustannus sekä kuntalaiselle että lupia käsittelevälle viranomaiselle Mikä on saavutettava hyöty?? Tavoitetila kaikkien kuntien osalta
  30. 30. Pientalokokoluokan aurinkosähköjärjestelmän kustannusrakenne Aurinkosähköjärjestelmän kustannusrakenne: 5 kWp hinta: 1.6 €/Wp (alv 0%), 2€/Wp (alv. 24%) Paneelit 38 % Invertteri 13 % Telineet 7 % Työ 20 % Kaapelit ja liittimet 1 % Muut tarvikkeet 2 % Arvonlisävero 19 % Paneelit Invertteri Telineet Kaapelit ja liittimet Muut tarvikkeet Työ Arvonlisävero ALV:n suuruisen osan poistaminen henkilöverotuksessa mahdolliseksi? (toteutustapa mikä hyvänsä) Asennusmäärä (kpl/a) 10000 50000 100000 Asennettu kapasiteetti (MWp/a) 50 250 500 Suora työllistäminen, asennus (henkilöä) 300 1500 3000 Liikevaihto (M€) 100 500 1000 ”Menetetty” ALV tuotanto-tukena: 16 €/MWh ALV-kantoja EU:ssa 2014: Suomi 24 % Luxemburg 15 % Saksa 19 % Alankomaat 19 % Kotimaisuusaste: investointi 25-90% tuotettu energia: 100 %
  31. 31. ALV:n poisto lisäisi kuluttajan aurinkosähköinvestoinnin kannattavuutta 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 Energy price for next 30 years (annual inflation rate 1.5%) ALV:n poiston vaikutus aurinkosähkön tuotantokustannukseen Kuluttajan maksama sähköenergian kokonaishinta 2013 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Energy price (snt/kWh) System price (eur/W) 10% 8% 6% 4% 2% 0% Sijaintina Lappeenranta, suunnattu etelään, kulma 15 astetta, Invertterin elinikä 15 a ja paneelien 30 a
  32. 32. 4. Aurinkosähkökovoimalan kannattavuus ja suunnittelu
  33. 33. Aurinkosähkön tuotannon kannattavuus Suomessa* 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 Kuva. Sisäinen korko, kun itse tuotettu aurinkosähköenergia korvaa aina ostosähköä. Järjestelmän vuotuinen kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 Energy price for next 30 years (annual inflation rate 1.5%) Kuva. Aurinkosähköenergian tuotantokustannus eri investointikustannuksilla ja korkotasoilla. Laitteiston vuotuinen kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista. 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Energy price (c/kWh) Nominal interest rate (%) 1.5 eur/W 1.3 eur/W 1 eur/W 0.0 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Energy price (c/kWh) System price (eur/W) 10.5% 8.5% 6.5% 4.5% 2.5% 0% *Simuloitu LUT:n voimalalle: Sijainti Lappeenranta, paneelit suunnattu etelään, kulma 15ම
  34. 34. Pientalon aurinkosähkövoimalan toteutusprosessi Asiakkaan sähkö-verkkoyhtiö Kunnan rakennus- Suunnittelu ja kilpailutus 1. Laitteiston tekniset valvonta tiedot 2. Laitteiston sijoittaminen Mikrotuotanto-laitteiston yleistietolomake Laitteiston hankinta ja asennus (urakoitsija, asiakas,tms) 1. Käyttöönotto-tarkastus (urakoitsija) 2. Sopiminen (asiakas) energiayhtiön kanssa mahdollisen ylijäämäsähkön käsittelystä Luvat ja vaatimukset Asennus ja käyttöönotto Käsittely Verkkoyhtiö ja kunnan rakennusvalvonta 1. Käyttöönottotarkastus-pöytäkirja 1.Ei mitään 2.Ilmoitus 3.Toimenpidelupahakemus 2. Sähkönmyyntisopimus 1.Laitteiston suunnittelu (sijoitus, laitoksen koko) 2.Komponenttien valinta, kiinnitys-ratkaisut, mitoitukset
  35. 35. Tuotannon simulointi ja suunnittelu • Tuotantoa voidaan simuloida ottaen huomioon paikalliset olosuhteet • Säteily, lämpötila, suuntaus, paneelikulma, teho, lumi, yms. 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 PV annual production with 1 kW system South 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 PV production (kWh/yr) PV slope (°) East West PV annual production with 1 kW system 1050 1000 950 900 850 800 750 250 200 150 100 50 PV production (kWh/yr) -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 Azimuth (° W of S) 45° 30° 15° 0 Energy (kWh/month) S15° S45° S90° Tracking Kuva Kuukausituotanto erilaisilla järjestelmillä. 0.000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 kWh/h June S15° S45° S90° Tracking Kuva Ominaistuotanto erilaisilla järjestelmillä päivän sisällä. Kuva Paneelikulman vaikutus tuotantoon. Kuva Suuntauksen vaikutus tuotantoon.
  36. 36. Vapaasti käytettävä työkalu aurinkosähköjärjestelmän tuotantopotentiaalin alustavaan arviointiin ”PV Potential Estimation Utility”, saatavissa: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php
  37. 37. Homer – vapaasti käytettävä hybridienergiajärjestelmien simulointityökalu (www.homerenergy.com)
  38. 38. SMA:n suunnittelu- ja mitoitustyökalu
  39. 39. Paneelien kiinnitystarvikkeiden tarpeen laskenta Kiinnitystarvikkeiden määrän laskenta, lisäksi saatavilla rakenneanalyysi
  40. 40. Mikrotuotannon verkkoon liittäminen – standardi SFS-EN 50438 • Tehty yksinkertaistamaan alla 50 kVA (3- vaiheiset) tai alla 16 A (1-vaiheiset) jakeluverkon rinnalla toimivien mikrotuotantolaitosten verkkoon valmistamista ja liittämistä: • Vaatimukset generaattoreille, keskeisenä suojaustoiminnallisuus, jonka perusteella kytketään verkkoon tai irti verkosta • Suojausten parametrisoinnissa kansallisia eroja, Suomessa voidaan käyttää saksalaisen VDE-AR-N-4105 normin mukaisia laitteita
  41. 41. Mikrotuotantolaitteiston yleistietolomake
  42. 42. 5. Aurinkosähkövoimalan asennus ja käyttöönotto
  43. 43. Mekaniikka-asennukset pitää tehdä oikein Järjestelmä suunnitellaan kestämään 30 a: 1) Oikeat kiinnikkeet kattotyypille, 2) riittävästi kiinnikkeitä, 3) Oikea kiinnikkeen asennustapa
  44. 44. Oikea kattokiinnike oikein asennettuna Paneelikentän lumikuorma (puristus) ja tuulikuorma kohdistuu kiinnikkeisiin, ruuvien ja pulttien pitää olla vähintään kuumasinkittyjä
  45. 45. Asennuskiskojen kiinnitys kattokiinnikkeisiin 1) Tiilet takaisin paikoilleen, 2) Kiskojen pulttaus kiinnikkeisiin, 3) Kiskojen jatkaminen jatkokappaleilla
  46. 46. Kiinnityskiskot odottamassa paneelien asennusta 1) Kuvan asentajalta puuttuvat turvavaljaat, kypärä ja turvakengät 2) Paneelien nostaminen katolle onnistuu kätevästi esimerkiksi henkilönostimella
  47. 47. Tarvittavia liittimiä ja kiinnitystarvikkeita
  48. 48. Kattoasennusten viimeistely 1) Kiinnityskiskojen maadoitus molemmista päistä (6 mm2 KEVI) 2) Putket kaapeloinnille (läpiviennit harjalta käyttöullakolle)
  49. 49. Paneelit kytketään sarjaan paneeliliittimien avulla (MC4, Tyco, Amphenol, etc)
  50. 50. Invertteri ja DC-kaapeli
  51. 51. Turvakytkin ja voimalan kytkentä sähkökeskukseen 1) Laitoksessa oltava lukittava AC-puolen erotusmahdollisuus, johon verkonhaltijalla on esteetön pääsy 2) Aurinkovoimalan syöttökaapeli suojattu johdonsuojakatkaisijoilla ja kytketty keskukseen
  52. 52. Valmis asennus - Pn = 8 kWp
  53. 53. Myyntisopimus ylijäämäsähköstä energiayhtiön kanssa
  54. 54. 6. Aurinkosähkövoimalan toiminnan seuranta
  55. 55. Osa invertterivalmistajista tarjoaa pilvivalvomoja
  56. 56. Lappeenrannan Energian asiakasportaali
  57. 57. 7. Kuvia Lappeenrannan seudulle toteutetuista aurinkosähkövoimaloista
  58. 58. LUT 108 kWp voimala Lappeenrannassa
  59. 59. 5 kWp voimala Lemillä
  60. 60. 3 kWp voimala Kuusankoskella
  61. 61. 4.1 kWp voimala Taipalsaarella
  62. 62. 5.2 kWp voimala Lappeenrannassa
  63. 63. 7.5 kWp voimala Lappeenrannassa
  64. 64. 11.5 kWp voimala Lappeenrannassa Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi
  65. 65. Voimala Lemillä Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi
  66. 66. Voimala Virolahdella Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi
  67. 67. Voimala Taipalsaarella Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi
  68. 68. Yhteenveto - Aurinkosähkö tulee myös Suomeen Seuraavat väittämät eivät pidä paikkaansa ”Aurinkosähköjärjestelmät tuottavat sähköä vain kesällä ja sähköenergiaa kuluu asunnossa vain lämmitykseen” ”Aurinkosähköjärjestelmät ovat kalliita ja vaikeita asentaa olemassa oleviin rakennuksiin” ”Aurinkosähköjärjestelmää ei voi kytkeä toimimaan sähköverkon rinnalle” ”Aurinkopaneelit eivät kestä lumikuormaa” ”Aurinkopaneelit eivät tuota yhtä paljon energiaa kuin mikä kuluu paneelien valmistukseen”

×