ESE: aurinkosähköjärjestelmän mitoitus

10.2.2017

Optimoitu

aurinkosähkömitoitus

Perustuen tuntikohtaisiin kulutus- ja

tuotantotuntikäyriin sekä spot-hintaan

10.2.2017

Yleistä esityksestäEsityksen tarkoituksena ei ole esittää aurinkosähköinvestoinnin absoluuttiselle kannattavuudelle yhtä lukuarvoa, vaan tuntikäyrien yhteen sopimisen ja kannattavuuden välinen riippuvuus.

Laskentaongelma on monen muuttujan ongelma, esimerkiksi sähkön spot-hinta vaihtuu tunneittain. Lisäksi ratkaisun pohjalle on jouduttu antamaan myös useita pitkän ajan arvioita, kuten sähkönhinnan kehitys. Näistä syistä ihmisen intuitiiviset arviot pettävät ja kunnolliseen suunnitteluun tarvitaan diplomityössä kehitetyn kaltainen simulointityökalu.

Miika Korhosen (2016) diplomityössä on käytetty laitehintatietoja vuodelta 2015 ja keväältä 2016, tämä esitys perustuu pääasiassa Korhosen (2016) dataan. Kilpailu on aiheuttanut sen, että hinnat ovat laskeneet kautta linjan myös vuonna 2016 ja tämä parantaa absoluuttisia kannattavuuksia esitetystä, riippuvuuden ollessa kuitenkin esityksessä olevan kaltainen.

Lisäksi esityksessä ja diplomityössä käytetty sähkönhinnan nousuprosentti on hyvin maltillinen, nopeampi nousu parantaa kannattavuutta. Käytettyä arvoa nopeampi sähkön-kokonaishinnan nousu on jopa todennäköistä, koska ainakin verot ja siirtohinnat nousenevat arvioitua nopeammin –myös tämä parantaa ns. absoluuttista kannattavuutta, riippuvuuden säilyessä samankaltaisena.

Absoluuttisten kannattavuuksien sijaan havainnot keskittyvät siis omakäyttöasteen ja muiden muuttujien vaikutukseen kannattavuuteen nähden.

10.2.2017

Taustatietoa mitoituksestaYleisesti aurinkosähkön tuotannon sanotaan olevan kannattavaa vain,

kun kaikki tuotettu aurinkosähkö käytetään ostosähkön korvaamiseen

eli käytännössä pyritään mahdollisimman lähelle 100 %

omakäyttöastetta.

Tässä esityksessä käytetään termiä pohjakuormamitoitus

mitoitukselle, jossa käytössä on suurin mahdollinen järjestelmä

jolla saavutetaan vielä noin 100 % omakäyttöaste. Se ei ole sama

kuin Motivan pohjakuormamitoitus (Miika Korhonen, 2016), joka

johtaisi vielä paljon pienempiin mitoituksiin (kts. kuva alla).

Kuva diplomityöstä (Korhonen, 2016)

10.2.2017

Laskenta-arvotMuuttuja Arvo Huomioita

Paneelin hiipuma 0,5 % per vuosi

Sähkönhinta Vaihtelee kuluttajittain Siirtohinnat otettu ESE-Verkosta*. Kokonaishinta sisältää käyttäjäkohtaiset verot, siirrot ja energiamaksun.

Järjestelmähinnat Useita Kerätty toimittajilta ja keskiarvoistettu.

Sähkönhinnan nousu 1 % per vuosi

Kunnossapito 0,3 -0,5 % investoinnista per vuosi

OKT-kohteissa pienempi omana työnä ja isoissa korkeampi.

Suuntaus Etelään 20 asteen kulmassa.

Ei optimi kulma, vaan arvioitu keskimääräinen asennuskulma, niin kattokaltevuuksien kuin tasakattojen suhteen.

Pitoaika 30 vuotta Invertterit uusitaan kerran pitoajalla, sisältyy kunnossapitoon.

Tuet 0-40 % Yrityksille 25 %, maatila 40 % ja kotitalouksille kotitalousvähennys.

* ESE-Verkon siirtohinnat eivät ole Suomen tasolla korkeita, vaan keskihintaisia. Alueelliset erot voivat olla merkittäviä.

10.2.2017

Omakotitalo (OKT), suora

sähkölämmitys

Esimerkkitapaus

10.2.2017

OKT, lähtötietoja• Vuosikulutus noin 33 MWh

• Nordpool spot –hinnat vuodelta 2013.

• Muuten diplomityön laskenta-arvot (Miika Korhonen, 2016)

Kulutuskäyrä sinisellä ja 5,2 kW aurinkotuotto (joulu, tammi ja helmi merkitty nollatuotoksi)

©Petri Pelli

10.2.2017

OKT tulokset 1/2

• Omakäyttöaste on huomattavasti

alle 100 % parhaiten kannattavissa

kokoluokissa! Ns.

pohjakuormamitoituksella, nyt 1,3

kW järjestelmällä, kannattavuus

paljon huonompi kuin

simulointiohjelman avulla

saatavalla optimilla = 5,2 kW.

• Paras kannattavuus noin 5,2 kW

järjestelmällä, jolloin

omakäyttöaste vain noin 79,5 %.

©Petri Pelli

©Petri Pelli

10.2.2017

OKT tulokset 2/2

Laitosteho (kW)

IRR (%) Omakustannehintasnt/kWh

Omakäyttöaste (%/tuotannosta)

1,3 0,1 13,14 99,5

2,0 1,3 10,90 96,8

3,0 2,0 9,50 92,9

4,0 2,3 8,79 85,8

5,0 2,4 8,35 80,5

5,2 2,4 (3,35*)

8,29 79,5

5,4 2,3 8,22 78,5

7,0 2,2 7,84 71,2

10,0 1,8 7,22 59,9

NS. pohjakuorma

-mitoitus

Max. kannattavuus

Huom. Jopa 59,9 % omakäyttöasteella saavutetaan paljon parempi kannattavuus kuin 99,5 % omakäyttöasteella, joka kannattamaton!*5,2 kW IRR=3,35 %, jos sähkönkokonaishinta nousee 2 % vuodessa.

10.2.2017

Investointiehdotus• Paras tuotto 5,2 kW järjestelmällä ja 79,5 % omakäyttöasteella,

kannattavuus kohtuullinen, jos olettaa sähkönhinnan nousevan nopeammin.

• Mutta voisi investoida jopa 7 kW järjestelmän, koska:

– kannattavuus ei merkittävästi laske.

– kulutusta (kts. kuva alla) voidaan oletettavasti ohjata lisää keskipäivälle, joustavaa kulutusta tullee lisää (sähköautot, robotti-imurit, robottiruohonleikkurit), kohteeseen saatetaan hankkia ilmalämpöpumppu viilennykseen ja akkujen hinnat laskevat niin nopeasti, että laitoksen elinkaarella akutus tulee kannattavaksi. Nyt kannattaa ottaa hyötyä sähkön omakustannehinnan laskusta, ero 5,2-7 kW välillä 0,45 snt/kWh.

Kesäkuun kulutuksen tuntikeskiarvot ja 7 kW järjestelmän tuottokeskiarvot.

©Petri Pelli

10.2.2017

Omakotitalo (OKT), osittain

varaava sähkölämmitys

Esimerkkitapaus

10.2.2017

OKT, lähtötietoja• Vuosikulutus noin 20 MWh




©Petri Pelli

10.2.2017

OKT tulokset 1/2


alle 100 % parhaiten

kannattavissa kokoluokissa!

Pohjakuormamitoituksella, nyt

0,5 kW, kannattavuus paljon

huonompi kuin

simulointiohjelman tuloksilla.




©Petri Pelli

©Petri Pelli

10.2.2017

OKT tulokset 2/2Laitosteho

(kW)IRR (%) Omakustannehinta

snt/kWhOmakäyttöaste

(%/tuotannosta)

0,5 Neg. 23,55 99,2

1,0 Neg. 15,20 95,4

2,0 0,66 11,00 86,3

3,0 1,20 9,59 78,6

4,0 1,39 8,87 72,7

5,0 1,45 8,43 68,0

6,0 1,46 8,13 64,3

7,0 1,43 7,92 61,1

10,0 1,23 7,51 53,4

15,0 0,78 7,16 43,9

NS. pohjakuorma

-mitoitus

Max. kannattavuus

Huom. Jopa 43,9 % omakäyttöasteella saavutetaan paljon parempi kannattavuus kuin 99,2 % omakäyttöasteella, joka kannattamaton!

10.2.2017

Investointiehdotus

• Paras tuotto 6 kW järjestelmällä ja 64,3 % omakäyttöasteella, kannattavuus vielä kuitenkin pieni.

• Voisi kuitenkin investoida jopa 10 kW järjestelmän, koska


– vaikka kulutus (kts. kuva alla) on jo ohjattu varaajan osalta keskipäivälle jonkinlaisella tarkkuudella, joustavaa kulutusta tullee kuitenkin lisää (sähköautot, robotti-imurit, robottiruohonleikkurit..), kohteeseen saatetaan hankkia ilmalämpöpumppu viilennykseen ja akkujen hinnat laskevat niin nopeasti, että laitoksen elinkaarella akutus tulee kannattavaksi. Nyt kannattaa ottaa hyötyä sähkön omakustannehinnan laskusta, ero 6-10 kW välillä lähes 1 snt/kWh.

Heinäkuun kulutuksen tuntikeskiarvot ja 6 kW järjestelmän tuottokeskiarvot.

©Petri Pelli

10.2.2017

Omakotitalo (OKT),

kaukolämmitys

Esimerkkitapaus

10.2.2017

OKT, lähtötietoja• Vuosikulutus noin 8,5 MWh




10.2.2017

OKT tulokset 1/2


alle 100 % parhaiten

kannattavissa kokoluokissa!

Pohjakuormamitoituksella

kannattavuus paljon huonompi

kuin simulointiohjelman

tuloksilla.




10.2.2017

OKT tulokset 2/2

Laitosteho (kW)



1,0 -0,88 15,06 97,8

1,3 -0,13 13,14 94,2

2,0 0,55 10,90 82,8

3,0 0,61 9,50 67,9

3,6 0,50 9,03 61,1

5,0 0,14 8,35 49,1

7,0 -0,33 7,84 38,2

NS. pohjakuorma

-mitoitus

Max. kannattavuus

10.2.2017

Investointiehdotus• Paras tuotto 3,0 kW järjestelmällä ja 67,9 % omakäyttöasteella.

• Voisi investoida 3,6 kW järjestelmän, koska


– kulutusta on haastava ohjata lisää keskipäivälle mutta joustavaa

kulutusta tullee lisää (sähköautot, robotti-imurit,

robottiruohonleikkurit), kohteeseen saatetaan hankkia

ilmalämpöpumppu viilennykseen ja akkujen hinnat laskevat niin

nopeasti, että laitoksen elinkaarella akutus tulee kannattavaksi.

Kesäkuun kulutuksen tuntikeskiarvot ja 3,6 kW järjestelmän tuottokeskiarvot.

10.2.2017

Maatila

Esimerkkitapaus

10.2.2017

Maatila, lähtötietoja• Vuosikulutus noin 130 MWh


• Paneelit etelään.


Kulutuskäyrä sinisellä ja 24 kW aurinkotuotto (joulu, tammi ja helmi merkitty nollatuotoksi)

©Petri Pelli

10.2.2017

Maatila tulokset 1/3

• Omakäyttöaste laskee

huomattavasti nopeammin kuin

sisäinen korko!

• Paras kannattavuus 24 kW


omakäyttöaste 97 % mutta 32

kW järjestelmälle 90 %

omakäyttöasteella kannattavuus

hyvin lähelle samaa.

©Petri Pelli

©Petri Pelli

10.2.2017


Maatilalla erikoisuutena se, että 40 % tuella on periaatteessa kannattavaa investoida kuinka suuri järjestelmä tahansa! Tilanne johtuu siitä, että vuoden 2013 spot-keskihinta on korkeampi kuin diskontaamattomatomatuotantokustannukset tulevilta vuosilta!

Spot-keskihinta 2013 oli 4,36 snt/kWh ja diskonttaamaton omatuotantokustannus esimerkiksi 150 kW järjestelmälle 3,04 snt/kWh!

Diskonttaamalla saatu LCOE=4,47 snt/kWh

©Petri Pelli

10.2.2017


Laitosteho (kW)



16 9,3 4,95 99,9

20 9,46 4,84 99,2

24 9,51 4,77 97,2

32 9,27 4,69 90,3

40 8,88 4,63 82,6

50 8,35 4,59 73,4

60 7,88 4,57 65,7

*

NS. pohjakuorma

-mitoitus

Max. kannattavuus

* Kannattavuus ei romahda, vaikka omakäyttöaste laskee

10.2.2017

Investointiehdotus

Paras tuotto saavutetaan 24 kW järjestelmällä mutta jopa

40 kW järjestelmä voi olla viisas investointi, koska kulutusta

pystytään ohjaamaan lisää keskipäivälle, joustavaa

kulutusta (akkulaitteet) tullee lisää ja elinkaarella akutus

tulee kannattavaksi.


10.2.2017

Ruokakauppa

Esimerkkitapaus

10.2.2017

Ruokakauppa, lähtötietoja• Vuosikulutus noin 500 MWh



Kulutuskäyrä ja 100 kW aurinkotuotto (joulu, tammi ja helmi merkitty nollatuotoksi)

©Petri Pelli

10.2.2017

Ruokakauppa tulokset ½

• Omakäyttöaste laskee

nopeammin kuin sisäinen

korko.

• Paras kannattavuus noin 80

kW järjestelmällä, jolloin

omakäyttöaste 99,8 %.©Petri Pelli

©Petri Pelli

10.2.2017

Ruokakauppa tulokset 2/2

Laitosteho (kW)



60 8,07 5,51 100,0

70 8,11 5,48 99,9

80 8,14 5,46 99,8

100 8,10 5,44 98,7

120 7,89 5,42 95,5

150 7,42 5,39 88,6

180 6,92 5,37 81,5

220 6,32 5,34 73,1

NS. pohjakuorma

-mitoitus

Max. kannattavuus

10.2.2017

InvestointiehdotusParas tuotto 80 kW järjestelmällä mutta suositettaisiin isompaa järjestelmää, koska:

– Sähkön omakustannehinta laskee isommalla.

– Optimoimalla käyttöä, saadaan isommankin järjestelmän tuottama aurinkosähkö käytettyä kohteessa.• Alla olevassa kuvassa nykyinen heinäkuun kulutuksen keskituntiprofiili ja 150 kW

tuottoprofiili. Automaatiolla on varmasti ohjattavissa kulutusta keskipäivälle, esimerkiksi lasketaan pakastimien lämpötiloja hieman alemmaksi ja annetaan jonain toisena hetkenä pakastimen palata normaalilämpötilaan (-20 C). Omakäyttöaste 150 kW tuotolla ja nykyisellä tuntijakaumalla vain 88,6 %, vaikka tuntikeskiarvoista voisi päätellä muuta => optimoitavissa automaatiolla => kannattavuus paranee.


©Petri Pelli

10.2.2017

Havainnot ja johtopäätökset

10.2.2017

Keskeiset havainnot

• Ns. pohjakuormamitoitus ohjaa hyvin pienten laitosten valintaan.

– Kannattavuus ei yleensä ole tällaisella järjestelmällä paras ainakaan pienkohteille. Vain isoille kohteille ja tasaisella sähkönkulutuksella pohjakuormamitoitus on parhaiten kannattava.

• Pienillä laitoksilla on korkea yksikkökustannushinta, alussa hinnan lasku on hyvin jyrkkää. Tämä selittää edellisen kohdan pääasiassa.

– Näin myös tuotetun aurinkosähkön omakustannehinta tippuu järjestelmäkoon kasvaessa eli yksikköhinnan tippuessa.

• Tiettyyn rajaan asti itse käytetyn aurinkosähkön määrä kasvaa, vaikka omakäyttöaste laskeekin.

• Kannattavuus, mittarina sisäinen korkokanta, laskee hitaammin kuin itse tuotetun aurinkosähkön omakäyttöaste. Tämän vuoksi mitoitus ei ole niin kriittinen omakäyttöasteen suhteen kuin on annettu ymmärtää. Huomattavasti alle 100 % omakäyttöasteilla ollaan hyvin lähellä samaa kannattavuutta tai jopa paremmissa kannattavuuksissa kuin 100 % omakäyttöasteella.

10.2.2017

Keskeiset johtopäätökset

• Edellä kuvattu monen muuttujan optimointiongelma ratkeaa luotettavasti vain kohdekohtaisella simuloinnilla, ei vanhoilla nyrkkisäännöillä.

• Kaikissa tutkituissa kohteissa optimaalinen mitoitus on alle 100 % omakäyttöaste. Kannattavuuden käytännössä muuttumatta voidaan mitoittaa laitoksia jopa noin 80 % omakäyttöasteelle, riippuen kohteesta, optimin löytyessä joissain kohteissa niinkin alhaisilla kuin noin 70 % omakäyttöasteella!

– Tulevaisuuden sähkönkäytönmuutoksilla voidaan omakäyttöastetta lisätä ja näin parantaa investoinnin kannattavuutta –tähän voi varautua investoimalla heti isomman ja yksikkökustannuksiltaan halvemman järjestelmän.

• Kun laitoskoko on valittu, on kannattavuus aina sitä parempi mitä korkeampi omakäyttöaste on eli mitä enemmän verkosta ostettua sähköä korvataan. Vanhaa kulutuskäyrää vastaan mitoittaessa 100 % omakäyttömitoitus ei kuitenkaan johda optimitulokseen, vaan vaatii tarkemman mitoituksen!

10.2.2017

Selittävät tekijät

• Kuvasta nähdään se, että vaikka verkkoon syötetystä

sähköstä saadaan vain spot-hinta, on spot-hinta (toistaiseksi)

päivän sisällä korkeimmillaan juuri keskellä päivää, kun

aurinkotuotto on kovimmillaan. Tämä vaikuttaa positiivisesti

kannattavuuteen.

©Petri Pelli

10.2.2017

Selittävät tekijät

• Yksikköhinta laskee laitoskoon kasvaessa (kts. Kuva alla).

Mitä isompi järjestelmä, sitä halvempaa on itse tuotettu

aurinkosähkö.

Kuva Korhonen (2016)

10.2.2017

Selittävät tekijätUsein kannattavuus lasketaan tähän hetkeen. Sähkönhinnan kehitys on

kuitenkin oletettavasti ylöspäin. Korhosen (2016) diplomityössä käytetty

1 %/a nousua, joka johtaisi nykyiseltä noin 12 snt/kWh tasolta noin 16

snt/kWh tasolle 30 vuodessa. Paljon rankempaakin nousua voisi

käyttää, jos verrataan Saksaan, Tanskaan ja Ruotsiin, maihin joissa

sähkö ei ole kalliimpaa mutta verot ja siirrot ovat.

Kuva Korhonen (2016) Kuva Korhonen (2016)

10.2.2017

Kiitokset

Mitoitusohjelma on toteutettu yhteistyössä Lappeenrannan

teknillisen yliopiston (LUT) kanssa teetetyssä diplomityössä

(Miika Korhonen, 2016).

Kiitokset diplomityön ohjaamisesta ja tarkastamisesta

tutkijaopettaja Antti Kosonen (LUT) ja professori Esa

Vakkilainen (LUT). Kiitokset kommenteista, vinkeistä ja

ohjeista professori Jero Ahola (LUT).

10.2.2017

Lisätietoja

Alkuperäinen diplomityö http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016120730417 Miika Korhonen (2016)

Lisätietoja: [email protected]

YKSILÖLLISET TUNTIKÄYRÄKOHTAISET MITOITUKSET ETELÄ-SAVON ENERGIA OY: [email protected]

Esityksen © Petri Pelli, ESE

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016120730417

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Engineering

ESE: aurinkosähköjärjestelmän mitoitus