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

1. Aurinkoenergian suora hyödyntäminen Suomessa
Jero Ahola, LUT Energia, 3.9.2014

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. I. Johdanto

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. 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. 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. Aurinkopaneelien hinnan kehitys

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. 2. Aurinkolämpö- ja aurinkosähkö

10. Auringon säteilyenergian hyödyntämisen
päämenetelmät
1. Aurinkosähkö
(PV – PhotoVoltaics)
2. Keskittävä
aurinkovoima
(CSP, Concentrated
Solar Power Plants)
3. Aurinkolämpö

11. Aurinkolämpökeräinten päätyypit – tasokeräin ja
tyhjiöputkikeräin
Kuva. Tasokeräimen toimintaperiaate Kuva. Tyhjiöputkikeräimen toimintaperiaate

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. 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. Aurinkosähkökennojen hyötysuhteen kehitys

15. Yleisen jakeluverkon rinnalla toimivan
aurinkovoimalan rakenne
Source: http://www.geservices.com.au/GridConnectedSystems.aspx,
accessed 24.4.2014

16. Yksivaiheisen jakeluverkon rinnalla toimivan
aurinkosähkövoimalan sähkökaavio
Source: http: www.pvshop.eu, accessed 24.4.2014

17. 3. Aurinkosähkö Suomessa

18. Lappeenranta vastaa Frankfurtia aurinkosähkön
tuotantopotentiaaliltaan
7
6
5
4
3
2
1
0
kWh/m2/d
Kuukausi
Frankfurt, Saksa
Lappeenranta, Suomi

19. Miten merkittävä määrä aurinkosähköä näkyisi
Suomen voimajärjestelmässä heinäkuussa

20. Miten aurinkosähkötuotanto Saksassa näkyy
sähkömarkkinoilla
Lähde: www.sahkolamppu.com

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. 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. 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. Asennettu aurinkosähkökapasiteetti Euroopassa 2012
Suomi:
0.2 Wp/asukas
Lähde: European
Photovoltaik Industry
Association
(www.epia.org)
Tanska:
70 Wp/asukas

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 4. Aurinkosähkökovoimalan
kannattavuus ja suunnittelu

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. 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. 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. Vapaasti käytettävä työkalu aurinkosähköjärjestelmän
tuotantopotentiaalin alustavaan arviointiin
”PV Potential Estimation Utility”, saatavissa: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

37. Homer – vapaasti käytettävä hybridienergiajärjestelmien
simulointityökalu (www.homerenergy.com)

38. SMA:n suunnittelu- ja mitoitustyökalu

39. Paneelien kiinnitystarvikkeiden tarpeen laskenta
Kiinnitystarvikkeiden määrän laskenta, lisäksi saatavilla rakenneanalyysi

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. Mikrotuotantolaitteiston yleistietolomake

42. 5. Aurinkosähkövoimalan asennus
ja käyttöönotto

43. Mekaniikka-asennukset pitää tehdä oikein
Järjestelmä suunnitellaan kestämään 30 a: 1) Oikeat kiinnikkeet kattotyypille,
2) riittävästi kiinnikkeitä, 3) Oikea kiinnikkeen asennustapa

44. Oikea kattokiinnike oikein asennettuna
Paneelikentän lumikuorma (puristus) ja tuulikuorma kohdistuu kiinnikkeisiin, ruuvien ja
pulttien pitää olla vähintään kuumasinkittyjä

45. Asennuskiskojen kiinnitys kattokiinnikkeisiin
1) Tiilet takaisin paikoilleen, 2) Kiskojen pulttaus kiinnikkeisiin, 3) Kiskojen jatkaminen
jatkokappaleilla

46. Kiinnityskiskot odottamassa paneelien asennusta
1) Kuvan asentajalta puuttuvat turvavaljaat, kypärä ja turvakengät
2) Paneelien nostaminen katolle onnistuu kätevästi esimerkiksi henkilönostimella

47. Tarvittavia liittimiä ja kiinnitystarvikkeita

48. Kattoasennusten viimeistely
1) Kiinnityskiskojen maadoitus molemmista päistä (6 mm2 KEVI)
2) Putket kaapeloinnille (läpiviennit harjalta käyttöullakolle)

49. Paneelit kytketään sarjaan paneeliliittimien avulla
(MC4, Tyco, Amphenol, etc)

50. Invertteri ja DC-kaapeli

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. Valmis asennus - Pn = 8 kWp

53. Myyntisopimus ylijäämäsähköstä energiayhtiön kanssa

54. 6. Aurinkosähkövoimalan
toiminnan seuranta

55. Osa invertterivalmistajista tarjoaa pilvivalvomoja

56. Lappeenrannan Energian asiakasportaali

57. 7. Kuvia Lappeenrannan seudulle
toteutetuista aurinkosähkövoimaloista

58. LUT 108 kWp voimala Lappeenrannassa

59. 5 kWp voimala Lemillä

60. 3 kWp voimala Kuusankoskella

61. 4.1 kWp voimala Taipalsaarella

62. 5.2 kWp voimala Lappeenrannassa

63. 7.5 kWp voimala Lappeenrannassa

64. 11.5 kWp voimala Lappeenrannassa
Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi

65. Voimala Lemillä
Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi

66. Voimala Virolahdella
Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi

67. Voimala Taipalsaarella
Kuva: Vesa-Matti Puro, http://aurinkovirta.fi

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”