Kuten kuvasta 12 käy ilmi, kyseisen teollisuuskohteen kuukausikohtainen energiankulu-tus on hyvin tasaista, eikä nähtävissä ole samankaltaista kesäkuukausien laskua, kuin esimerkiksi aiemmin tarkastelluissa kuluttajaprofiileissa. Kuvaajassa ei ole siis havaitta-vissa aurinkosähköjärjestelmän kesäajan vaikutusta. Kuvan 12 kohteessa sähkönkulu-tus on pääasiassa sidoksissa tuotantoprosessin käyttämien laitteiden energiankulutuk-seen, joka taas on sidoksissa prosessituotteen valmistettavaan volyymiin. Tässä tapauk-sessa sähkönkulutus on siis suurinta kevät- ja kesäaikaan. Teollisuus- ja maatalouskoh-teiden aurinkosähköjärjestelmien tuottama energia käytetään käytännössä kokonaan ku-lutuskohteessa, pois lukien erilaisten huoltoseisokkien tai kausiluontoisten tuotantotau-kojen aikana, jolloin kulutus on normaalia pienempää. Tämän takia energiavarastojen hyödyt ovat kyseisissä kohteissa pienemmät, kuin esimerkiksi kuluttajakohteissa, joissa aurinkoenergian ylituotantoa syntyy väistämättä.
4.2 Vaatimukset aurinkosähköjärjestelmälle
Yksi aurinkosähköjärjestelmien suurimmista hyödyistä muihin vaihtoehtoisiin energian-tuotantomuotoihin verrattuna on eri järjestelmäkokojen käytännössä rajaton vaihtoehto-valikoima. Aurinkosähköjärjestelmien kokoluokat ovat joustavia käyttötarkoituksesta riip-puen, ja järjestelmäkoot vaihtelevat aina yksittäisiä paneeleita käsittävistä off-grid järjes-telmistä suuriin jopa kymmeniä tuhansia paneeleita sisältäviin aurinkovoimaloihin asti.
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
Sähkönkulutus (kWh)
Jotta akkujärjestelmää voidaan käyttää teknillisessä ja taloudellisessa mielessä optimaa-lisesti aurinkosähköjärjestelmän yhteydessä, täytyy aurinkosähköjärjestelmän täyttää tietyt vaatimukset toteutustapansa ja komponenttivalintojensa suhteen. Lisäksi tässä kappaleessa tarkastellaan energiavaraston asettamia vaatimuksia itse akkujärjestelmän konkreettisen sijainnin kannalta.
Verkkoon kytketyissä on-grid aurinkosähköakustoissa itse aurinkopaneeleille ei juuri-kaan ole asetettu vaatimuksia. Tämä johtuu siitä, että järjestelmätopologiasta riippuen energiavaraston ja aurinkopaneeleiden välillä on aina joukko erilaisia komponentteja.
Aurinkosähköjärjestelmä ei kuitenkaan saa olla liian pieni tai myöskään liian suuri. Tek-nisessä mielessä aurinkosähköjärjestelmän koolle raja-arvot asettavat joko järjestelmän vaihtosuuntaaja tai step-down DC/DC -muunnin. Vaihtosuuntaaja asettaa aurinkosähkö-järjestelmän sarjaan kytketyille paneeleille, eli niin sanotulle stringille, minimi ja maksimi vaatimukset aurinkopaneeleilta tulevan jännitteen suhteen. Esimerkiksi invertterivalmis-taja Froniuksen Symo Hybrid 3.0-3-S vaihtosuuntaaja asettaa paneeleilta tulevaksi mi-nimijännitteen arvoksi 200 V, ja sen maksimiarvoksi 1000 V [27]. Käytännössä tämä jän-nitteen maksimiarvo muodostuu sarjaan kytkettyjen aurinkosähköpaneeleiden tyhjä-käyntijännitteestä Uoc (engl. Open circuit voltage) eli siis jännitteestä, joka saadaan kun jännitelähteeseen ei ole kytkettynä kuormaa. Mitoituksessa käytettävä tyhjäkäyntijännit-teen arvo määritetään sen optimiolosuhteiden mukaan, eli käytännössä kun aurinkopa-neelin kennolämpötila on alhainen [33]. Aurinkopaaurinkopa-neelin tuottaman jännitteen suurin mahdollinen arvo saadaan määritettyä kaavan 13 mukaisesti:
𝑈𝑜𝑐_𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝑂𝐶_𝑆𝑇𝐶+ 𝑈𝑂𝐶_𝑆𝑇𝐶(𝑇𝑐𝑒𝑙𝑙_𝑚𝑖𝑛− 𝑇𝑆𝑇𝐶)𝑇𝐶𝑈𝑂𝐶
100 , (13)
jossa 𝑈𝑂𝐶_𝑆𝑇𝐶 tarkoittaa paneelin tyhjäkäyntijännitettä standardoiduissa testiolosuhteissa (engl. Standard Test Conditions), 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑙_𝑚𝑖𝑛 tarkoittaa kennon minimilämpötilaa, 𝑇𝑆𝑇𝐶 ken-non lämpötilaa standardoiduissa testiolosuhteissa ja TCUOC tarkoittaa tässä yhteydessä jännitteen lämpötilakerrointa (engl. Temperature Coefficient), jonka yksikkö on %/°C.
Lämpötilakerroin ilmaisee kuinka paljon yhden asteen lämpötilan nousu vähentää pa-neelin tuottamaa jännitettä prosentteina. Tasa- ja vaihtosuuntaajien asettamien vaati-musten lisäksi, aurinkosähköjärjestelmän tulisi olla nimellisteholtaan riittävän iso kohteen kulutukseen nähden, jotta energiaa päästäisiin akkuun myös varaamaan, ja tätä kautta akun tuomat hyödyt realisoituisivat. [34, 35]
Akkujärjestelmän konkreettisen sijoituspaikan tulee myös täyttää tietyt vaatimukset, jotta järjestelmä saadaan toimimaan mahdollisimman optimaalisesti ja ennen kaikkea turval-lisesti. Kun energiavaraston toimintaympäristöä valitaan ja tarkastellaan, tulee ottaa
huo-mioon itse akun lisäksi muiden järjestelmän komponenttien, kuten esimerkiksi hallinjärjestelmän toiminta. Varsinainen litium-ion -kenno on eristetty ympäristöstä, minkä ta-kia yleisimpien ympäristön aiheuttamien haittatekijöiden kuten kosteuden, merisuolojen, pienhiukkasten ja ilmanpaineen aiheuttamat ongelmat eivät normaalitilanteessa vaikuta itse kennoon. Kuitenkin edellä mainittujen tekijöiden vaikutukset järjestelmän muihin komponentteihin kuten sensoreihin ja hallintajärjestelmään tulee ottaa huomioon. Säh-kökemiallisen akun toiminnan kannalta merkittävin ympäristövaikutus on ympäristön lämpötila. Toimintaympäristön lämpötilalla voi olla suuri merkitys energiavaraston turval-lisuuden, eliniän ja hyötysuhteen kannalta. Akkujärjestelmälle on sen valmistajan puo-lesta asetettu turvallisen toiminnan rajat myös ulkoisen lämpötilan osalta, joiden sisällä pysymistä akun hallintajärjestelmä seuraa. Jos akku sijaitsee tilassa jonka lämpötila on jo valmiiksi korkea, kuten esimerkiksi teknisessä tilassa lämpöpumppujen tai lämminve-sivaraajan yhteydessä, näkyy se automaattisesti akun korkeampana operointilämpöti-lana. Jos akun lämpötila nousee oman toimintansa ja ympäristön korkean lämpötilan yhteisvaikutuksesta liian korkealle, alkaa akun hallintajärjestelmä rajoittamaan akun toi-mintaa. Tämä voi näkyä joko akun purkamis- tai varaamisvirran katkaisemisena, tai akun viilennysjärjestelmän käynnistämisenä. Viilennysjärjestelmän käyttö heikentää akun ko-konaishyötysuhdetta, sillä tarvittava energia viilennykseen otetaan suoraan akusta. Li-säksi lämpötilarajojen ylittäminen näkyy suoraan akun syklisen kestoisuuden ja termisen stabiilisuuden heikkenemisenä. [36]
Akun fyysisen sijoituspaikan tulisi siis olla mahdollisimman hyvin ympäristöltä eristetty tila kosteuden, merisuolojen, pienhiukkasten ja ilmanpaineen aiheuttamien vaikutusten minimoimiseksi. Tilan tulisi myös olla mahdollisimman hyvin eristetty ulkoisilta lämpötilaa nostavilta tekijöiltä kuten suoralta auringonpaisteelta, sekä akun ympäristön lämpötilaan vaikuttavilta laitteilta. Litiumakun optimaalisen toiminnan lämpötila vaihtelee hieman val-mistajasta riippuen, mutta tyypillisesti optimaalisin toimintalämpötila on 15 ja 35 celsius-asteen välillä [37]. Usein akun sijoituspaikan valintaa rajoittavat myös aurinkosähköjär-jestelmän muut komponentit, erityisesti vaihtosuuntaaja. Tehohäviöiden minimointia aja-tellen aurinkosähköakuston eri komponenttien tulisi sijaita mahdollisimman lähellä toisi-aan, jolloin johtovedot saataisiin niin lyhyeksi kuin vain mahdollista. [36]
4.3 Olemassa olevat kaupalliset vaihtoehdot Suomessa
Tässä diplomityössä keskitytään on-grid aurinkosähköakkuratkaisuihin, minkä takia tar-kasteluun otettiin vain tähän tarkoitukseen soveltuvia litiumakkujärjestelmiä. Tarkaste-lussa ei siis ole off-grid käyttöön tarkoitettuja akkuja, joiden valikoima ja saatavuus Suo-messa työn kirjoitushetkellä on huomattavasti laajempi. Tarkasteluun on otettu kolme
Suomessa saatavilla olevaa litiumteknologiaan perustuvaa aurinkosähköakkuvaihtoeh-toa, sekä esittelyssä on lyhyesti myös niin sanottu virtuaaliakku. Taulukkoon 4 on koot-tuna kolmen tarkasteluhetkellä Suomessa saatavilla olevan on-grid aurinkosähköakun tärkeimmät ominaisuudet.
Taulukko 4. Suomessa saatavilla olevien on-grid litiumakkujen ominaisuuksia [38, 39, 40, 41].
Tuotenimi MyReserve Sonnen Eco LG Chem Resu
Valmistaja Solarwatt GmbH Sonnen GmbH LG Chem
Valmistusmaa Saksa Saksa Etelä-Korea
Katodimateriaali LFP LFP NMC
Kotelointi Särmiö Särmiö Särmiö
Liitäntätopologia DC liitäntä AC liitäntä AC liitäntä
BMS Integroitu Integroitu Integroitu
Energiakapasiteetti 2,4-12,0 kWh 5,0-20,0 kWh 3,3-13,1 kWh
DOD 100 % 90 % 90 % Kestoikä >15 vuotta >20 vuotta >10 vuotta Tuotetakuu 10 vuotta (väh. 80
Kotelointiluokka IP54 IP30 IP55
Saksalaisen Solarwatt GmbH:n MyReserve -litiumakku on topologialtaan aurinkosähkö-järjestelmän DC puolelle asennettava energiavarasto, jossa katodimateriaalina käyte-tään litiumrautafosfaattia LiFePO4. DC puolen liitännän ansiosta akkujärjestelmä on yh-teensopiva minkä tahansa invertterimallin kanssa, ja se voidaan myös helposti liittää jäl-kikäteen osaksi aurinkosähköjärjestelmää. Rakenteeltaan akku on modulaarinen, jossa yksi keskusyksikkö ohjaa liitettyjen litiumakkuelementtien toimintaa. Yhteen keskusyk-sikköön voidaan liittää maksimissaan viisi energiakapasiteetiltaan 2,4 kWh:n litiumak-kuelementtiä. Tämä tarkoittaa että Solarwatt -akkujen kokonaisenergiakapasiteetti vaih-telee portaittaisesti 2,4 kWh:n ja 12,0 kWh:n välillä, 2,4 kWh:n suuruisin askelin. Myös akusta purettavissa oleva teho vaihtelee elementtien lukumäärän mukaan 0,8 kW:n as-keleilla, mikä tarkoittaa että viiden elementin järjestelmästä voidaan kerralla ottaa mak-simissaan 4,0 kW edestä tehoa. Myös akkujärjestelmän jännitealue, eli aurinkopanee-leilta tulevan jännitteen minimi- ja maksimiarvot ovat sidottuna akkuelementtien luku-määrään. MyReserve -akkujen DOD on 100%, mikä tarkoittaa että energiavarasto voi-daan purkaa kokonaisuudessaan, jolloin kaikki siihen varattu energia on käytettävissä, jos akkujärjestelmän hyötysuhdetta ei huomioida. Valmistajan esittämä järjestelmän ko-konaishyötysuhde on 90 %:ia, kun akkua operoidaan säädettyjen raja-arvojen sisällä jännitteen, virran ja lämpötilan suhteen. Lämpötilalle valmistaja on asettanut raja-arvoksi 0-45 °C. Akkujärjestelmän kotelointiluokitus on IP54, joka tarkoittaa että laite on pölytiivis ja roiskuvalta vedeltä suojattu, eli akku voidaan sijoittaa pölyisiin tiloihin tai tarvittaessa jopa ulkotiloihin [42]. Suomen olosuhteissa ulkoasennusta rajoittaa kuitenkin sallitut läm-pötilarajat. Akun odotettu elinikä on vähintään viisitoista vuotta, ja sille on valmistajan antama 10 vuoden takuu. Takuuehtojen mukaan akulla tulee 10 vuoden kuluttua ostosta olla vielä vähintään 80 %:ia akun SOH:sta eli akun terveydentilasta jäljellä. [26, 38]
Toisen saksalaisen akkuvalmistajan Sonnen GmbH:n Sonnen Eco -litiumakku hyödyn-tää myös katodimateriaalinaan LFP -tekniikkaa, mutta erona Solarwatin MyReserveen on AC puolen liitäntätopologia. AC liitännän takia Sonnen Eco vaatii akun kanssa yh-teensopivan invertterin, kuten esimerkiksi Fronius Symo Hybridin. Rakenteeltaan Son-nen Eco on myös modulaariSon-nen, yksittäisten litiumakkuelementtien energiakapasiteetin ollessa 2,5 kWh ja akkujen nimellisten kokojen vaihdellessa 5,0 kWh:n ja 20 kWh:n vä-lillä. Myös Sonnenin tapauksessa akusta purettavissa oleva teho on sidoksissa element-tien lukumäärään ja tehot vaihtelevat 3,0 kW:n ja 8,0 kW:n välillä. Esimerkiksi Sonnen Eco 10 -mallin nimellinen energiakapasiteetti on 10,0 kWh ja sitä voidaan purkaa mak-simissaan 8,0 kW:n teholla. Sonnen -akkujen maksimiteho on noin kaksinkertainen So-larwatin akkuihin nähden, joka selittyy Sonnenin maksimi purkamis- ja varaamisvirran
arvolla, joka on niinikään kaksinkertainen Solarwattiin verrattuna. Sonnen Econ jännite-alue on huomattavasti Solarwattia pienempi, mikä taas johtuu siitä, että invertteri muut-taa aurinkosähköpaneeleilta tulevan jännitteen akulle sopivaksi. Sonnen Eco -akkujen DOD on valmistajan mukaan 90 %:ia, mikä tarkoittaa että Sonnen Eco 10 -mallin todel-lisuudessa käytettävissä oleva energiakapasiteetti on 9,0 kWh. AC topologian takia Son-nenin kokonaishyötysuhde on hieman heikompi Solarwattiin verrattuna, ja sen arvoksi valmistaja ilmoittaa 86 %:ia. IP30 kotelointiluokituksensa takia Sonnen Eco ei sovellu käytettäväksi kosteissa tiloissa [42], ja sen operointilämpötilan tulee olla 5 ja 45 celsius-asteen välillä. Valmistaja ilmoittaa akun käyttöiäksi vähintään 20 vuotta, ja myöntää sille 10 vuoden tai 10 000 syklin takuun. Esimerkiksi Solarwatt ei antanut omalle tuotteelleen rajoitusta akun syklisen keston suhteen. [39, 40]
Etelä-Korealaisen LG Chemin Resu on Sonnen Econ tapaan AC topologialiitännän omaava litiumakku, mutta eroaa muista vaihtoehdoista katodimateriaalinsa valinnan suhteen. LG käyttää akuissaan litiumrautafosfaatin sijasta nikkeliä, mangaania ja kobolt-tia sisältävää NMC -litiumakkuteknologiaa. Myös muista akkuratkaisuista poiketen, LG:n Resu akku ei ole modulaarinen, vaan sen litiumakut ovat rakenteeltaan kiinteitä kokonai-suuksia. Akkujen nimelliset energiakapasiteetit vaihtelevat mallista riippuen 3,1 kWh:n ja 13,3 kWh:n välillä. Sonnen Econ tapaan Resu -akkujen DOD on 90 %:ia, mutta LG il-moittaa akkujensa kokonaishyötysuhteeksi 95 %:ia. Tässä on kuitenkin huomioitava, että valmistajan mukaan tämä hyötysuhde saavutetaan vain tietyissä hyvin edullisissa olosuhteissa [43], eikä hyötysuhdetta ole ilmoitettu normaalien käyttöolosuhteiden osalta. NMC -litiumakkuteknologia mahdollistaa akun käyttämisen vaihtelevimmissa olo-suhteissa kahteen muuhun akkuvaihtoehtoon verrattuna. Resu -akun operoinnin sallitut lämpötilarajat ovat -10 ja 45 celsiusasteen välillä ja akku on kotelointiluokaltaan IP55, mikä tarkoittaa että akku on pölytiivis ja suojattu vesisuihkulta [42]. Resu -akku voidaan siis Solarwatin MyReserven tapaan sijoittaa pölyisiin tiloihin tai tarvittaessa myös jopa ulkotiloihin. Valmistajan mukaan Resu -akun käyttöikä on vähintään 10 vuotta, ja valmis-taja myöntää sille myös takuun 10 vuoteen asti. Erona kuitenkin esimerkiksi Solarwattiin on se, että Resun SOH -arvon tulee olla 10 vuoden kuluttua enää vähintään 60 %:ia, kun taas vastaava arvo oli MyReserven kohdalla 80 %:ia. [39, 41]
Diplomityössä tähän mennessä kuvattujen perinteisten energianvarastointimenetelmien lisäksi Suomessa on aurinkosähkön varastoinnin yhteyteen kehittynyt palvelu, josta velua tarjoavat yritykset käyttävät nimitystä verkkoakku tai virtuaaliakku. Kuitenkaan pal-velun nimestä huolimatta, kyseessä ei ole varsinaisesti energiavarasto, vaan pikemmin-kin sopimus kuluttajan aurinkosähköjärjestelmän ylituotannon ohjauksesta. Eräs virtuaa-liakku -palvelun tarjoajista on Helen Oy, joka kuvaa virtuaavirtuaa-liakkua tilinä, jonne
kuluttaja-asiakkaan aurinkosähköjärjestelmän ylituotanto tallentuu, ja josta kuluttaja saa tuotta-mansa ylimääräisen energian takaisin omaan käyttöönsä, kun tarvetta energian ostami-selle verkosta jälleen ilmenee [44]. Sen sijaan, että kuluttajan tuottamasta ylituotannosta korvattaisiin vain Nord poolin spot-hintaan sidonnainen korvaus energian määrästä, hyö-tyy kuluttaja virtuaaliakulla myös sähkön siirrosta ja sähköverosta aiheutuvien kustan-nusten verran. Käytännössä siis virtuaaliakku -konsepti on sähkösopimus, jossa kulutta-jan tuottama ylituotanto hyvitetään kuluttakulutta-jan lopullisesta sähkölaskusta, jolloin kaikki au-rinkosähköjärjestelmän tuottama energia saadaan hyötykäyttöön tavalla tai toisella. [44, 45]
Investointikustannusten sijaan, virtuaali- ja verkkoakkujen käytöstä tehdään määräaikai-nen sopimus, josta maksetaan kiinteää kuukausi- tai vuosimaksua. Esimerkiksi palvelua tarjoava Freebo Oy tarjoaa verkkoakkua omille asiakkailleen 9,90 euron kiinteään kuu-kausihintaan, jota edeltää ilmainen 24 kuukauden määräaikainen sopimuskausi [45].
Vastaavaa palvelua tarjoava KSS energia Oy taas ilmoittaa palvelun hinnan alkavan 5,99 eurosta kuukaudessa [46]. Kuitenkin esimerkiksi tässä sopimuksessa virtuaaliakkua voi-daan hyödyntää kuukaudessa maksimissaan 250 kWh:n verran, jonne varastoidusta energiasta hyvitetään 13,64 senttiä tuotettua kilowattituntia kohden. Kapasiteetin ylittä-västä energiasta hyvitetään taas 4,464 senttiä kilowattituntia kohden. Näiden lisäksi pal-velu edellyttää asiakkaalta voimassa olevaa sähkönmyyntisopimusta KSS energian kanssa [47]. Mainittujen arvonlisäverollisten hintojen avulla voidaan määrittää kyseisen virtuaaliakkupaketin kuukausittainen hyöty kaavan 14 mukaisesti. Laskennassa on ole-tuksena, että virtuaaliakun käytössä oleva maksimikapasiteetti saadaan täytettyä ja ti-lannetta verrataan ylituotannon myyntiin ilman virtuaaliakkua, jolle käytetään hintaa 4,64 senttiä kilowattituntia kohden.
𝐻𝑦ö𝑡𝑦
𝑘𝑘 = 250 𝑘𝑊ℎ (13,64 𝑠𝑛𝑡
𝑘𝑊ℎ− 4,464 𝑠𝑛𝑡
𝑘𝑊ℎ) − 599,0𝑠𝑛𝑡
𝑘𝑘 (14)
Kaavan 14 perusteella voidaan määritellä tarkastelussa olevan virtuaaliakun hyödyksi 16,95 euroa kuukaudessa, verratessa tilanteeseen jossa virtuaaliakkua ei hyödynnetä ylituotannon osalta. Kuitenkin on huomattava, että laskennassa oletettiin virtuaaliakun kuukausikohtaisen maksimikapasiteetin täyttyvän. Todellisuudessa maksimikapasiteet-tia ei saavuteta kuin mahdollisesti vain osana vuoden kuukausista. Koska virtuaaliakku-sopimus on tässä tapauksessa määräaikainen ja kestoltaan 12 kuukautta, joudutaan palvelun kuukausimaksu maksamaan myös niiden kuukausien osalta, kun
virtuaaliak-kuun ei kerry ylituotantoa laisinkaan tai hyvin vähän [47]. Kuvassa 13 on esitettynä aiem-min tarkastelussa olleen pirkanmaalaisen omakotitalokohteen aurinkosähköjärjestelmän ylituotanto kuukausitasolla.