Matias Virtanen
AURINKOPANEELIEN MAHDOLLISUU- DET OSANA TUOTANTOLAITOKSEN
SÄHKÖJÄRJESTELMÄÄ
Opinnäytetyö Energiatekniikka
2019
Tekijä/Tekijät Tutkinto Aika
Matias Virtanen Insinööri (AMK) Toukokuu 2019
Opinnäytetyön nimi
Aurinkopaneelien mahdollisuudet osana tuotantolaitoksen sähköjärjestelmää
31 sivua 0 liitesivua
Toimeksiantaja Europress Group Oy Ohjaaja
Vesa Kankkunen Tiivistelmä
Työn tavoitteena oli suunnitella paras mahdollinen aurinkosähköratkaisu tilaajan Europress Group Oy tarpeisiin. Aurinkosähköllä haluttiin tuottaa mahdollisimman paljon energiaa lai- toksen omaan käyttöön, kuitenkin niin ettei ylijäämää syntyisi. Laitoksessa suurin osa säh- könkulutuksesta muodostuu konekäytöistä ja valaistuksesta. Lämmitys tapahtuu kaukoläm- möllä, joten sillä ei ole sähkönkulutukseen suurtakaan vaikutusta.
Suunnittelu aloitettiin kartoittamalla eri paneelityyppien ominaisuuksia, jonka jälkeen tarkas- teltiin asennuspaikan vaatimuksia sekä järjestelmäkokonaisuuden asennusmahdollisuutta.
Teknisten ratkaisumahdollisuuksien ollessa tiedossa saatiin laskettua optimaalisin koko jär- jestelmälle ja päästiin miettimään investoinnin kannattavuutta. Lähteinä käytettiin erinäisiä jo olemassa olevien järjestelmien tuotantotietoja. Näitä tietoja verrattiin karttaohjelmaan pe- rustuvan laskurin ohessa ja saatiin mahdollisimman tarkka lopputulos. Paikallisen sähkö- verkkoyhtiön kanssa mietittiin myös erilaisia ratkaisuja lähinnä sähkön verkkoon myyntiä koskien. Myös sähkön varastointimahdollisuuksia tutkittiin, mutta ne eivät osoittautuneet kannattaviksi.
Työssä päästiin tavoitteisiin, jotka asetettiin. Työstä käy ilmi selkeästi kaksi eri järjestelmä- kokonaisuusvaihtoehtoa hyvine ja huonoine ominaisuuksineen. Myös ympäristövaikutukset otettiin huomioon lopputulosta mietittäessä. Lukijan on näin ollen helppoa saada käsitys siitä, että minkälainen järjestelmä olisi kussakin tapauksessa viisain vaihtoehto. Tilaajan osaksi jää työn jälkeen harkinta siitä että halutaanko järjestelmä toteuttaa.
Asiasanat
aurinkopaneeli, sähköjärjestelmä, sähkön myynti
Author (authors) Degree Time
Matias Virtanen Bachelor of Engineer-
ing
May 2019 Thesis title
Utilization of solar panels as a part of production facility electri- cal system
31 pages
0 pages of appendices Commissioned by
Europress Group Oy Supervisor
Vesa Kankkunen Abstract
The aim of this thesis was to create the best solar electric solution for Europress Group Oy.
Production of energy via solar panels was intended to design in a way that there will be no surplus energy, and the whole photovoltaic energy is used in the factory itself. Most of the energy consumption in the factory is caused by machines and lightning. Heating is provi- ded by district heating so it would not affect the energy consumption.
Planning was started by discovering features of different solar panels giving opportunity to establish how the panels are going to be mounted. After finishing that part of the project it was possible to calculate the optimal size of the system and do some feasibility studies. As sources, some already in action photovoltaic power plants were used, that gave good data about energy production in this area as well. This data was compared with data provided by PVGIS- Photovoltaic geographical information system. Solutions were discussed with a local electric grid company, as the most important subject concerned was selling of surplus energy. Energy storage systems, batteries etc. were also examined, but they appeared to be very non-profitable solutions.
Set targets were achieved. There are two clearly presented options for solar panel system with their ups and downs. Also, the environmental effect was considered. It is really easy for the reader to decide the type of the system as the wisest choice. Whether the system will be installed, is left for consideration to the commissioner.
Keywords
solar panel, electrical system, selling of electricity
SISÄLLYS
1 JOHDANTO ... 6
2 AURINKOPANEELEISTA YLEISESTI ... 7
2.1 Paneelien toimintaperiaate ... 7
2.2 Aurinkopaneelit Suomessa ja säteilyteho ... 8
3 KOHTEEN TIEDOT ... 9
3.1 Kattopinta ... 9
3.2 Sähkönkulutus ... 10
4 JÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU ... 12
4.1 Paneelityypit ja niiden valinta ... 12
4.2 Järjestelmän muut komponentit ... 13
4.3 Järjestelmän koko ... 13
4.4 Järjestelmän tuotto ... 14
4.4.1 PVGIS-laskuri ... 16
4.4.2 Suuntaus ... 17
4.5 Asemointi katolle ... 19
5 KUSTANNUKSET JA TAKAISINMAKSUAIKA ... 20
5.1 Investointituki... 21
5.2 Järjestelmän tuottama rahallinen hyöty... 21
5.2.1 100 kWp:n järjestelmä ... 22
5.2.2 350 kWp:n järjestelmä ... 23
5.3 Arvo yritykselle ... 26
6 YHTEENVETO ... 28
LÄHTEET ... 29
Lyhenteitä kW = kilowatti
kWp = kilowatt peak, eli huipputeho kWh = kilowattitunti
kWh/d = kilowattituntia päivässä kWh/m = kilowattituntia kuukaudessa kWh/a = kilowattituntia vuodessa
1 JOHDANTO
Opinnäytetyön tavoitteena on selvittää paras mahdollinen aurinkosähkörat- kaisu tilaajan Europress Group Oy:n tarpeisiin. Europress on Pohjois-Euroo- pan johtava jätepuristimien ja -paalaimien valmistaja, jonka liikevaihto oli vuonna 2017 29 miljoonaa euroa. (Europress 2018.)
Kiinteistö, johon järjestelmä suunnitellaan, sijaitsee Keravalla nelostien var- rella. Kiinteistössä sijaitsee konsernin hallinto, tuotekehitys ja valmistus sekä Suomen alueen myynti- ja huolto-organisaatiot.
Selvityksessä keskitytään aurinkopaneelien liittämiseen jo olemassa olevaan sähköjärjestelmään, sekä sen tuomaan mahdolliseen säästöpotentiaaliin.
Koska kyseessä on yritys, kaikki tässä työssä esitetyt hinnat ovat alv 0 % - muodossa. Järjestelmän mitoituksessa pyritään siihen, että se tuottaa sähköä pelkästään laitoksen tarpeisiin, eikä sitä myytäisi takaisin verkkoon. Laitok- sessa sähköä kuluu pääasiallisesti koneiden käyttämiseen, sekä valaistuk- seen ja toimistotiloihin.
2 AURINKOPANEELEISTA YLEISESTI 2.1 Paneelien toimintaperiaate
Aurinkopaneelit tuottavat niihin kohdistuneesta auringon tai muun valonläh- teen aiheuttamasta säteilystä sähköenergiaa. Tämä tapahtuu paneelien si- sällä olevien kennojen puolijohderakenteen ansiosta. Säteilyssä olevat fotonit aiheuttavat elektroniaukkoja puolijohdemateriaaliin. Näin ollen seosaineessa olevat positiiviset varaukset kerääntyvät kennon P-tyypin kerrokseen ja nega- tiiviset varaukset N-tyypin kerrokseen. (Perälä 2017.)
Kuva 1. Aurinkopaneelin toimintaperiaate (Aurinkosähköä 2016)
Kennot valmistetaan piistä, jonka P-tyypin kerros seostetaan boorilla. Aurin- koon suunnatusta pinnasta hyvin ohut kerros seostetaan fosforilla, jolloin tämä pinta muuttuu N-tyyppiseksi. N ja P kerrosten väliin muodostuu puolijohderaja- pinta, joka erottaa varukset toisistaan, eikä päästä varausta kulkemaan vää- rään suuntaan. (Perälä 2017.)
2.2 Aurinkopaneelit Suomessa ja säteilyteho
Auringon säteilytehoa ajatellen ei Suomi ole kaikkein otollisimmalla paikalla.
Etelä-Suomessa maahan saapuva auringon säteilyteho on n. 1100 kWh/m2 vuodessa, kun taas Euroopan eteläosissa vastaava luku on yli 2000 kWh/m2 (EU 2012).
Kuva 2. Auringon säteilymäärä Euroopassa (EU 2012)
Suomen leveyspiireillä erikoisominaisuutena on se, että kesäisin päivän pituus on Etelä-Eurooppaa suurempi, jolloin päivän aikana voidaan sähköä tuottaa aamusta iltaan. Tämä tosin on mahdollista vain keskikesällä.
3 KOHTEEN TIEDOT 3.1 Kattopinta
Katon käytettävissä oleva pinta-ala on noin 6250 m2, jossa leveys 50m ja pi- tuus 125m.
Kuva 3. Europress group Oy ilmakuva (Google Maps 2019)
Yllä oleva kuva on asemoitu pohjois-etelä-suunnassa, ja siitä voi huomata, että rakennus on vain muutaman asteen sivussa etelästä. Tämä on hyvä asia aurinkopaneelien kannalta, sillä kaikista optimaalisin suunta on suoraan ete- lään päin.
Kattomateriaali on yleisestikin vastaavanlaisissa kohteissa käytetty bitumi, jonka alla 18 mm vesikattovaneri, puhallusvuorivilla 340mm ja 320mm ontelo- laatta. Katolla on myös iv-koneita sekä maalaamon maalihöyryjen poistotie.
Katto kallistuu muutaman asteen molemmille pitkille sivuille sadeveden pois- ton takia. Kallistuksen ollessa näin pieni, voidaan aurinkopaneelien asenta- mista ajatellen kohdetta verrata tasakattoasennukseen. Paneelien asennusko- konaisuuden suunnittelussa on otettava huomioon katon kantavuus. Lumi- kuorma on mitoitettu 1,6 varmuuskertoimella ja tämän alueen lumikuorma on noin 275 kg/m2, jolloin paneeleille jäävä painorajoitus on 165 kg/m2.
3.2 Sähkönkulutus
Kuva 4. Kohteen vuotuinen sähkönkulutus (Keravan Energia 2019)
Yllä olevassa kuvassa on esitetty kiinteistön sähköenergiankulutus viimeisen 12 kk:n ajalta. Rakennus on liitetty kaukolämpöverkkoon, joten sähköenergi- ankulutukseen ei sisälly lainkaan lämmitystä. Suurimpina energiankuluttajina ovat valaistus ja moottorikäytöt, sekä suurehko määrä tietokoneita ja muuta tekniikkaa. Kulutus vaihtelee kuukausitasolla 120–200 MWh välillä. Aurinkopa- neelien lisäämistä järjestelmään mietittäessä tärkeimmiksi ajankohdiksi muo- dostuvat kesäkuukaudet, jolloin aurinkoenergiaa on eniten saatavilla.
Päivittäistä kulutusta tarkastellessa huomataan, että kulutus ei seuraa suo- raan perinteistä 8–16 työaikaa, vaan kulutuspiikkejä tulee myös yöaikaan, jol- loin aurinkosähköä ei ole saatavilla.
Kuva 5. Päivän sisäinen sähkönkulutus (Keravan Energia 2019)
Viikkotasolla kulutus seuraa normaalia arkirytmiä, eli arkipäivinä kulutus on suurempaa kuin viikonloppuna. Viikonloppuna tehontarve tippuu n.100 kW:n tuntumaan.
Kuva 6. Viikoittainen sähkönkulutus (Keravan Energia 2019)
Päivittäiset kulutuksen muutokset tulee ottaa huomioon paneelien huippute- hoa määritettäessä. Keskimääräinen sähkönhinta kesällä 2018 on tässä koh- teessa ollut 6,8 snt/kWh. Hintaan sisältyy siirtohinta, sähkönhinta, perus- maksu, pätötehomaksu, sähkövero, loistehomaksut ja perusmaksu. Hinta on ollut samaa luokkaa läpi vuoden.
4 JÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU 4.1 Paneelityypit ja niiden valinta
Paneeleita on tällä hetkellä tämän tyyppisiin kohteisiin saatavissa yksi ja moni- kiteisinä. Suurimmat erot tulevat paneelien hinnassa ja toimivuudessa. Yksiki- teinen (monokide) on hieman kalliimpi, mutta hyötysuhteeltaan parempi vaih- toehto. Yksikiteisen paneelin hyötysuhde on n. 16–24 %, kun taas monikitei- sen 14–18 %. Yksikiteinen paneeli kestää myös paremmin korkeita lämpötiloja menettämättä tuotantotehoaan. Koska kyseessä on suuri järjestelmä, moniki- depaneeli on houkutteleva vaihtoehto kertainvestoinnin arvoa ajatellen. Pa- neelien elinkaaren aikana sekä moni- että yksikidepaneelit ovat suurin piirtein samanhintaisia ottaen huomioon tuotetun sähköenergian arvo. (Käpylehto 2017.)
Kuva 7. Aurinkopaneelityypit (VILMA)
4.2 Järjestelmän muut komponentit
Jotta paneelit voidaan kytkeä laitoksen verkkoon, tarvitaan paneelien ja sähkökeskuksen väliin invertteri sekä turvakytkin. Invertterin tehtävänä on muuntaa paneelien tuottama tasavirta vaihtovirraksi (50 Hz). Paneelien muo- dostama jännite vaihtelee aurinkoisuuden mukaan, jolloin invertterin tehtävänä on tasata jännite 230v:iin.
Turvakytkimellä paneelit voidaan kytkeä irti muusta sähköjärjestelmästä.
Tämä on tärkeää huoltotöitä ajatellen, sillä vaikka sähkökeskuksen katkaisija käännettäisiin 0-asentoon, ei se tekisi järjestelmää jännitteettömäksi paneelien tuottaman virran takia.
Kuva 8. Aurinkopaneelijärjestelmän liittäminen verkkoon (Motiva 2015)
Invertterit, johdotukset ja asennustarvikkeet muodostavat noin puolet järjestel- män kokonaiskustannuksesta. (Naps Solar Systems 2017)
4.3 Järjestelmän koko
Kesäisin laitoksen tarvitsema teho on n.350 kW arkipäivisin, ja viikonloppuisin n.100 kW. Näin ollen oikean kokoinen järjestelmä löytyy näiden kahden luvun välimaastosta. Katon kantavuuden ja tilan puolesta katolle voitaisiin asentaa 700 kW:n suuruinen järjestelmä, joten fyysisiä rajoittavia tekijöitä ei ole.
Huipputehoa määritettäessä on suurimpana yksittäisenä tekijänä rakennuksen haluttu energiatase. Jos pyritään ratkaisuun, jossa energiaa jää myytäväksi asti, voidaan valita lähes 400 kW:n järjestelmä. Mutta nykyisillä säädöksillä se ei ole kovinkaan kannattavaa, sillä sähköstä saa myytäessä vain sähkön spotti-hinnan ja tästä vähennetään vielä sähköyhtiön marginaali n.0,2–
0,3snt/kWh. Tämän takia pyritään minimoimaan ylijäämäsähkön määrä ja tuottamaan pelkästään omiin tarpeisiin. 100 kW:n järjestelmässä saavutetaan tilanne, jossa kaikki tuotettu energia menee varmasti pelkästään omaan käyt- töön.
Aurinkopaneelikokonaisuuksien hinta seuraa melko lineaarisesti huipputehon määrää, joten tässä asiassa ei kauheasti voita tai häviä otti sitten ison tai pie- nen järjestelmän. Ainoastaan ääripäissä ja varsinkin pienessä järjestelmässä voi hinta nousta hyvinkin paljon tuotantotehoon nähden, sillä aurinkopaneelit tarvitsevat sähköverkkoon liitettäessä invertterit ja muita muutoksia sähköjär- jestelmään. Kun invertteri on olemassa ja muutokset tehty, voidaan paneelien määrää kasvattaa helposti, ja tiettyyn pisteeseen tultaessa myös lisäinvertte- rien asennus on helppoa. Tämä mahdollistaa taas suuremman paneelimäärän asennuksen.
4.4 Järjestelmän tuotto
Paneelien asennuskulma on 15° kattoon nähden ja 10° länteen päin etelästä (käytännössä suoraan etelään päin). Järjestelmän tuotoksi 100 kWp:n järjes- telmällä saatiin seuraavanlaisia arvoja.
Taulukko 1. Kuukausi- ja päiväkohtainen tuotto 100 kWp
Vuoden kokonaistuotoksi saatiin 79 MWh. (Taulukko 1)
Koska järjestelmän tuotto on lähes suoraan verrannollinen sen kokoon, on sitä helppo skaalata isommaksi tai pienemmäksi. 100 kWp on kuitenkin minimi- koko, sillä siinä tapauksessa kaikki tuotettu sähkö menee omaan käyttöön.
350 kWp:n järjestelmän tapauksessa tuotantoluvut näyttävät seuraavilta.
Taulukko 2. Kuukausi- ja päiväkohtainen tuotto 350 kWp:n järjestelmällä
Näin isolla järjestelmällä päästään jo 277 MWh vuosituottoihin. (Taulukko 2)
Tuottoa ja säteilymäärää on arvioitu kohdassa 4.3.1 esitellyllä laskurilla, sekä samoilla leveysasteilla Suomessa jo olemassa olevien aurinkosähkölaitosten tuotantotiedoilla.
4.4.1 PVGIS-laskuri
Järjestelmän tuottoa on arvioitu EU:n komission teettämällä Photovoltaic Geo- graphical Information System -järjestelmällä, johon voidaan syöttää paneelien tiedot, sekä paikka, jossa paneelit sijaitsevat.
Kuva 9. PVGIS-laskurin näkymä (EU 2019)
Laskuri perustuu paikkatiedon kautta saatuun auringon sijaintitietoon, jonka avulla voidaan laskea keskimääräinen kuukausikohtainen säteilymäärä tietylle alueelle. Myös paneelien suuntaus (pohjois-etelä) ja kulma maahan nähden saadaan optimoitua tuotettavaa energiaa ajatellen.
Järjestelmän maksimiteho, jonka laskuriin voi syöttää, on 20 kW. Tämän takia laskuriin järjestelmätehoksi syötettiin 3,5 kW, jota skaalattiin suuremmaksi.
Kuva 10. PVGIS-laskurin asetukset
Laskuri ottaa myös huomioon ilmamassan aiheuttamat heijastukset sekä hä- viöt kunkin alueen tietojen mukaisesti. Myös järjestelmässä olevat invertterit, kaapelit ja muut laitteet aiheuttavat häviöitä, jotka on tässä tapauksessa arvi- oitu 10 %:n suuruisiksi.
4.4.2 Suuntaus
Paneelien suuntaus on suuresti paneelien tuottoon vaikuttava tekijä. Suomen leveysasteilla optimaalisin suunta on suoran etelään ja paneeli n.40° kul- massa maahan nähden. Suuntausta ei voida kuitenkaan suunnitella pelkäs- tään edellä mainittujen arvojen perusteella vaan pitää ottaa huomioon muita- kin tekijöitä.
Isoissa järjestelmissä muodostuu ongelmaksi paneelien toisilleen aiheuttama varjostus. Tätä ongelmaa ei ole, jos asennuspaikalla on hyvin tilaa. Mutta koska asennus tapahtuu katolle ja tila on hyvinkin rajattu, on tämä asia otet- tava huomioon.
Paneelien tuulipinta-ala on myös huomion arvoinen asia. Kiinteällä asennuk- sella, jossa paneelit päästään kiinnittämään esim. pulttaamalla maahan, tai kattorakenteeseen ei ole ongelmia. Mutta koska kyseessä on bitumikatto, joka
ei ole suunniteltu ylöspäin kohdistuvia voimia varten on paneelit ”ankkuroi- tava” lisäpainoin. Tällöin päästään tilanteeseen, jossa paneelien kulman kas- vaessa myös tuulen siihen kohdistamat voimat suurenevat. Ja mitä suurempi tämä voima on, sitä enemmän tarvitaan lisäpainoja. Painoa taas ei mielellään kovinkaan paljon lisättäisi, sillä katon pitää kestää sen lisäksi normaali lumi- kuorma. (Järvinen 2019.)
Taulukko 3. Tuotantomäärät vuosittain. Ed: energia päivittäin, Em: Energia kuukausittain, Hd ja Hm: säteilymäärät neliön alueelle kuukausittain. (EU 2019)
Yllä olevassa kuvassa (Taulukko 3) on esitetty paneelien tuotto 3,5kWp järjes- telmällä kuukausittain. Vasemmanpuoleisessa paneelit ovat 15° kulmassa, ja oikeanpuoleisessa kulma on 41°.
Paneelien horisontaalisen kulman vaikutus niiden tuottoon välillä 15–41°, on n.10%. Paras mahdollinen asennuskulma olisi siis 41 astetta, mutta tässä ta- pauksessa sitä ei ole järkevää käyttää.
4.5 Asemointi katolle
Oheinen kuva on Naps solar systemsin näkemys asennuksesta. Kuva on to- teutettu HelioScope -ohjelmalla, jolla voidaan satelliittikuvien perusteella suun- nitella aurinkosähköjärjestelmiä.
Kuvaan on lisätty punainen ympyrä indikoimaan aluetta, jolle kohdistuu eniten maalaamosta tulevaa pölyä. Tuolle alueelle ei siis ole järkevää paneeleita si- joittaa.
Kuva 11. Paneelien asemointi katolle (Naps Solar systems 2019)
5 KUSTANNUKSET JA TAKAISINMAKSUAIKA
Järjestelmän kokonaiskustannukset muodostuvat paneeleista, telineistä ja li- säpainosta, inverttereistä, johdotuksista ja kaikista edellä mainittujen asennus- töistä. Naps solar systemsin ilmoittama hinta tämänkokoiselle järjestelmälle on n. 780 €/kWp, ja tämä hinta koskee monikiteisiä paneeleita (Naps Solar
sytems 2018).
Järjestelmään tehtävä sijoitus on kertaluontoinen, sillä asentamisen jälkeen se toimii itsestään eikä vaadi juurikaan ylläpitoa. Ainoat kustannukset, joita jäl- keenpäin voi tulla, ovat paneelien mahdolliset puhdistukset (lika, lumi yms.).
Myös paneelien mahdollinen vaihtaminen niiden käyttöiän päättyessä, joka on yli 20v, voi tulla aiheelliseksi, mutta järjestelmä pyritään suunnittelemaan niin, että se maksaa itsensä takaisin jo paljon ennen tuota 20 vuoden rajapyykkiä.
Aurinkopaneelien tekninen ikä ylittää helposti 30 vuotta. Huonosti asennet- tuina tai hoidettuina ne eivät kuitenkaan välttämättä saavuta tätä ikää. Varsi- naista huoltoa paneelit eivät edellytä, mutta ne on pidettävä puhtaina ja tiu- kasti asennusjärjestelmään kiinnitettyinä. Paneelien lasit eivät saa olla asen- nuksissa jännittyneessä tilassa. Kaapelien kontaktit on tarkistettava aika ajoin.
Aurinkosähköjärjestelmiin kuuluvat invertterit ja monitorointilaitteet ovat pit- käikäisiä, mutta kuitenkin normaalia elektroniikkaa. Niiden vaihtoväli on 10–15 vuotta. (Naps Solar sytems 2018.)
Seuraavissa kohdissa on esiteltynä kahden eri järjestelmän, 100 kWp:n ja 350 kWp:n, hinnat ja takaisinmaksuaika. Sekä aurinkosähköinvestointiin liittyviä asioita, kuten takaisinmaksu aika ja fundamentaalinen arvo yritykselle.
5.1 Investointituki
Yli 10 000 € maksaville yritysten tekemille uusiutuvan energian investoinneille on saatavilla investointitukea. Aurinkosähköhankkeille myönnettävä tuki on 1.5.2019 alkaen 20 % (aikaisemmin 25 %). Energiatuen keskeisenä tavoit- teena on edistää uusien, ja innovatiivisten ratkaisujen kehittämistä energiajär- jestelmän muuttamiseksi vähähiiliseksi pitkällä aikavälillä. Näin ollen takaisin- maksuaika lasketaan investointituen kanssa, sillä on erittäin todennäköistä, että Europress Group Oy saa tämän tuen. Tuen saamiseksi on esitettävä tarkka suunnitelma investointihankkeesta. (Business Finland 2019.)
5.2 Järjestelmän tuottama rahallinen hyöty
Rahallinen hyöty muodostuu pääosin sähkön hinnasta, jota ei tarvitse sähkö- yhtiöltä ostaa oman tuotannon takia. Sekä ylijäämäsähkön myynnistä takaisin verkkoon. Sähkön tuottaminen vain omiin tarpeisiin on paljon kannattavam- paa, kuin sen myyminen takaisin verkkoon. On kuitenkin otettava huomioon, että mikäli järjestelmän koon vuoksi sähköä jää myytäväksi asti, jää myös os- tettavan sähkön osuus pienemmäksi. Tämä johtuu järjestelmän suuren kapa- siteetin luomasta mahdollisuudesta vastata myös kulutuspiikkeihin. Joka ta- pauksessa muodostuu tilanne, jossa sähköä on pakko ostaa jossain välissä aurinkopaneelien epätasaisen tuotannon takia. Aurinkoisena päivänä tehdasta olisi mahdollisuus pyörittää pelkästään aurinkosähköllä, mutta jos päivä on pil- vinen ei paneelien tuottama teho riitä alkuunkaan.
Kuva 12. Aurinkopaneelien tuottokäyrä (Steady Sun 2017)
Aurinkokennojen tuottama teho on siis pääosin epätasaista johtuen pilvistä ja muista varjostuksista. Tämä olisi korjattavissa akustoilla, tai muilla energian varastointijärjestelmillä, mutta nykyisillä akkujen hinnoilla ei se olisi missään mielessä kannattavaa. Tilanne olisi toinen, jos kyseessä olisi kohde, joka ei ole kytkettynä sähköverkkoon. Tällöin järjestelmä vaatisi akuston toimiakseen.
(Kanerva 2019.)
Seuraavissa kohdissa esitettyjä arvoja on verrattu Keravan energian aurinko- voimalan tuotantotietoihin. Voimala sijaitsee muutaman sadan metrin päässä Europressin tiloista, joten ne käyvät vertailuun erinomaisesti. Voimalassa on yhteensä 774 paneelia. Niiden keskimääräinen vuodessa tuotettu energia on 920 kWh asennettua paneelikilowattia kohden. Seuraavissa laskelmissa vas- taava luku on 790 kWh/kWp, mutta siihen on huomioitu myös järjestelmässä syntyvät siirtohäviöt. Joka tapauksessa verrokkikohteen kanssa päästiin hyvin samansuuruisiin tuloksiin. (Keravan Energia 2019.)
5.2.1 100 kWp:n järjestelmä
Ensimmäisenä otamme tarkasteluun 100 kW:n huipputehon omaavan järjes- telmän. Kuten aikaisemmissa osioissa käy ilmi, on 100 kW se tehoraja jolloin kaikki tuotettu sähköenergia pystytään käyttämään hyödyksi omassa toimin- nassa vuorokauden-, tai vuodenajasta riippumatta.
Taulukko 4. Kuukausi- ja päiväkohtainen tuotto 100 kWp
100 kWp:n järjestelmän tuottama energia vuositasolla olisi 79 MWh. (Taulukko 4.) Rahallinen hyöty muodostuu tässä tapauksessa kokonaan sen sähkön määrästä, jota ei tarvitse verkosta ostaa. Vuositasolla se tarkoittaisi 5430€
säästöä.
Tämän kokoisen järjestelmän hinnaksi tulisi n.78 000 €. Joten näin ollen takai- sinmaksuaika olisi seuraavanlainen:
Takaisinmaksu 14,3 vuotta tuella 11,4 vuotta
Kun investoinnille saadaan 20 %:n tuki, tippuu takaisinmaksuaika lähes kol- mella vuodella.
5.2.2 350 kWp:n järjestelmä
350 kW:n huipputehon omaavassa järjestelmässä laskenta onkin hieman mo- nimutkaisempaa, sillä sähkön tuotto ylittää paikoitellen omat tarpeet. Alla ole- vassa kuvassa näkyy sähköntuoton kokonaismäärä. Siinä ei kuitenkaan ole eroteltuna hetkiä joina sähköä on ollut myytäväksi asti.
Taulukko 5. Päivä- ja kuukausikohtainen tuotto 350 kWp
Kokonaistuotto vuositasolla olisi 277 MWh. (Taulukko 5). Rahallisesti ostosäh- könä tämä tarkoittaisi 19 000€ vuodessa.
Myytävän sähkön osuutta on määritelty sähkönkulutuksen viikkokuvaajasta kesältä 2018. Alla oleva kuvaaja on heinäkuulta 23-29.pvä. Kaikki kesäajan kuvaajat ovat hyvin samantyyppisiä, sillä kulutusjakauma muodostuu saman- laisista asioista samoina vuodenaikoina. Esimerkiksi talvisaikaan valaistus ja lämmitys vievät enemmän energiaa, jolloin jakauma muuttuu. Tämä siitäkin huolimatta, että rakennuksessa käytetään kaukolämpöä.
Kuva 13. Kiinteistön viikoittainen sähkönkulutus (Keravan Energia 2019)
Arkipäivinä tehontarve yltää lähes 350 kW:iin, ja optimiolosuhteissa 350 kWp järjestelmä pystyy tuottamaan kaiken tämän tarvittavan tehon. Viikonloppuna (kuvaajan oikea laita) tehontarve sen sijaan liikkuu 100 kW:n tuntumassa, jol- loin ylijäävää tehoa on 250 kW.
Kuukausittaisia ja vuotuisia tuotantolukuja voidaan jaotella itse käytettävän ja myytävän energian välillä. Tätä varten on laskettu vuodessa olevat arkipäivät ja viikonloput. Kaikkia viikonloppuja ei kuitenkaan voi ottaa huomioon ylijää- mäisinä sähköntuotannon osalta, sillä talvikuukausina paneelien tuotto on niin heikkoa, ettei sähköä riitä myytäväksi. Näin ollen ylijäämäpäiviksi on laskettu maalis-lokakuun aikana olevat viikonloput, ja loput vuodenpäivät on jätetty ali- jäämäisiksi.
Alijäämäpäivänä kaikki tuotettu sähköenergia menee siis laitoksen omaan käyttöön. Ylijäämäpäivänä n.70 % sähköenergiasta voidaan myydä takaisin verkkoon.
Taulukko 6. Sähkön myynti ja omakäyttöjakauma
Omaan käyttöön tuotettavan energian osuus on 86 %, vaikka energiaa myy- däänkin ylijäämäpäivinä 70 % kokonaistuotannosta.
Sähkön myynnin hintatiedot Keravan energialta. Spottihinta on keskiarvo hin- nasta niinä vuorokaudenaikoina, jolloin aurinkosähköä pystytään tuottamaan.
Taulukko 7. Myytävän sähkön osuus ja hinta
Sähkön ostosäästön, sekä myytävän sähkön aikaansaaman tuoton yhteis- hyöty on 17 626 € vuodessa. (Taulukko 7). Vertailun vuoksi saamankokoisen järjestelmän kokonaistuoton käyttäminen omiin tarpeisiin toisi 19 000 € vuotui- sen säästön. Tämä tosin ei ole mahdollista, kuten aiemmissa kohdissa käy ilmi.
350 kW:n järjestelmän investointikustannus olisi 287 000 €, ja takaisinmaksu alla olevan mukainen:
Takaisinmaksu 15,4 vuotta tuella 12,3 vuotta
Koska järjestelmän hinta nousee lineaarisesti huipputehon mukaan, ei takai- sinmaksu olisi tässäkään tapauksessa sen enempää kuin 100 kW:n järjestel- mässä, olettaen että kaikki energia käytettäisiin itse. Järjestelmän suurehkosta koosta johtuvat kiinteistön energiataseen hetkelliset ylijäämäisyydet aiheutta- vat investoinnille kuitenkin noin vuoden pidemmän takaisinmaksuajan verrat- tuna 100 kW:n järjestelmään.
5.3 Arvo yritykselle
Takaisinmaksuaika ei välttämättä ole itsessään ainoa mittari investoinnin kan- nattavuudelle. Nykypäivänä kiinnitetään alati enempi huomiota yritysten kestä- vään kehitykseen ja vihreisiin arvoihin. Yrityksen ollessa ympäristötietoinen, voivat investointien hyödyt näkyä esimerkiksi positiivisemmissa asiakkaiden asenteissa, tai uusien rahakkaiden sopimusten solmimisen muodossa. Pel- kästään investoinnin takaisinmaksuaikaa tarkastellessa on 100 kW:n järjes- telmä paljon kannattavampi vaihtoehto, mutta jos otetaan arvot ja ajatukset mukaan laskelmiin voi tilanne hyvinkin muuttua. 350 kW:n järjestelmällä Euro- press Group Oy:n Keravan tehdas nimittäin toimisi kesäkuukausina täysin au- rinkosähköllä. Olettaen toki, ettei ole pilvistä.
Taloudellista hyötyä yritys saavuttaa myös sähkönhinnan vakauden muo- dossa. Jos oletetaan aurinkosähkön täyttävän seuraavan 20 vuoden aikana kolmanneksen yrityksen energiantarpeesta, on tämän kolmanneksen sähkön- hinta kiinteä, eli laitteiston investointihinnan määrä. Näin ollen tähän osaan energiankulutuksesta eivät sähkönhinnan muutokset vaikuta. Tämä osaltaan auttaa yritystä suunnittelemaan tulevaisuuden rahavirtoja hieman tarkemmin.
Eli investointi luo taloudellista vakautta. Kokonaisuutena se on hieman sama asia kuin esimerkiksi sähköfutuurien, tai vastaavien johdannaisten ostaminen.
Jos Europress Group Oy pystyisi tuon 277 MWh vuotuisesti tuottamaan aurin- kosähköllä, vähentäisi se hiilidioksidipäästöjä 45 428 kg/a.
164 kg CO2/MWh. (Tilastokeskus 2018). Paneelien valmistuksen Co2 päästöt järjestelmä hyvittää omalla tuotannollaan 2-3 vuodessa. (Naps 2017).
6 YHTEENVETO
Työn tavoitteena oli suunnitella paras mahdollinen aurinkosähköratkaisu tilaa- jan Europress Group Oy tarpeisiin. Suunnittelu aloitettiin kartoittamalla eri pa- neelityyppien ominaisuuksia, jonka jälkeen tarkasteltiin asennuspaikan vaati- muksia ja järjestelmäkokonaisuuden asennusmahdollisuutta. Teknisten ratkai- sumahdollisuuksien ollessa tiedossa, voitiin laskea optimaalisin koko järjestel- mälle, ja päästiin miettimään investoinnin kannattavuutta.
Työssä selkeästi parhaimmiksi vaihtoehdoiksi nousivat kaksi eri järjestelmäko- koa 100 ja 350 kWp. Se, kumpi näistä on parempi, riippuu tilaajasta. Ja siitä minkälaisille asioille annetaan painoarvoa.
Omasta mielestäni työssä päästiin tavoitteeseen, vaikka joitakin tietoja joudut- tiin skaalaamaan ja lopputulos voi vaihdella hieman todellisuudesta esim. vuo- tuisen tuoton osalta. Sähköntuotannon luonteen ollessa aurinkosähköllä sää- olosuhteiden takia hieman epävakaata, on mielestäni kohtuullista, ettei työltä voida velvoittaa todella tarkkaa laskelmaa. Sen sijaan on päästävä siedettä- vän vaihteluvälin sisään lopputuloksen osalta.
Lähteet
Ahjoenergia. 2019. Aurinkopaneelin toiminta. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://www.ahjoenergia.fi/index.php/periaatteet/aurinkopaneelien-toiminta [viitattu 23.3.2019].
Aurinkosähköä. 2016. Aurinkopaneeleista. WWW-dokumentti. Saatavissa:
https://www.aurinkosahko.net/category/10/aurinkosahko [viitattu 20.3.2019].
Business Finland. 2019. Energiatuki. WWW-dokumentti. Saatavissa:
https://www.businessfinland.fi/suomalaisille-asiakkaille/palvelut/rahoitus/pk-ja- midcap-yritys/energiatuki/ [viitattu 23.2.2019].
Euroopan Unioni. 2012. Auringon säteilymäärä Euroopassa. WWW-doku- mentti. Saatavissa: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_download/map_in- dex_c.html#
[viitattu 23.3.2019].
Euroopan Unioni. 2012. PVGIS-laskuri. WWW-dokumentti. Saatavissa:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php [viitattu 23.3.2019].
Google maps. 2019. Kuva Huhtimontie. WWW-dokumentti.
https://www.google.com/maps/place/Huhtimontie,+04200+Ke-
rava/@60.4305172,25.1265252,209m/data=!3m1!1e3!4m5!3m4!1s0x4692000 beafa02c5:0x3cd6468a4b8f9be9!8m2!3d60.4281645!4d25.1276297
[viitattu 23.2.2019].
Järvinen, J. 2019. Solartukku Oy. Keuruu. Puhelinkeskustelu 21.2.2019
Kanerva, T. 2019. Celltech Oy Myyntipäällikkö. Espoo. Sähköpostikeskustelu 22.3.2019
Kenttä, H. 2019. Keravan energian tekninen asiantuntija. Kerava. Puhelinkes- kustelu 13.4.2019.
Kiiski, H. 2019. Luuwe Oy toimitusjohtaja. Tuusula. Puhelinkeskustelu 12.2.2019, 23.4.2019.
Koivumäki, J. 2015. Varastohallin rungon mitoitus. Opinnäytetyö, AMK. Seinä- joen ammattikorkeakoulu, rakennustekniikka.
https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/91675/Koivumaki_Joo- nas.pdf?sequence=1 [viitattu 23.3.2019].
Käpylehto, J. 2017. Aurinkopaneelien hyötysuhteesta. Pdf-dokumentti. Saata- vissa: http://ilmastoinfo.fi/aurinkosahkoakotiin/wordpress/wp-con-
tent/uploads/2017/01/Aurinkos%C3%A4hk%C3%B6%C3%A4kotiin- K%C3%A4pylehto-2017.pdf [viitattu 15.3.2019].
Motiva. 2015. Aurinkosähköjärjestelmän liittäminen verkkoon.
https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkosahko/jarjestel- man_valinta/tarvittava_laitteisto/verkkoon_liitetty_aurinkosahkojarjestelma [viitattu 15.2.2019].
Motiva. 2016. Co2 päästökertoimet. WWW-dokumentti. Päivitetty 26.4.2018.
Saatavissa: https://www.motiva.fi/ratkaisut/energiankaytto_suomessa/co2-las- kentaohje_energiankulutuksen_hiilidioksidipaastojen_laskentaan/co2-paastok- ertoimet [viitattu 23.3.2019].
Naps Solar Sytems. 2019. Inverttereiden osuus. WWW-dokumentti. Saata- vissa: https://napssolar.com/fi/aurinkosahko/usein-kysytyt-kysymykset [viitattu 7.3.2019].
Perälä, R. 2017. Aurinkosähköä. Helsinki. Alfamer.
SteadySun. 2017. Solar energy intraday statistics. WWW-dokumentti. Saa- tavissa: https://steady-sun.com/forecast/2017-04-solar-pv-plant-with-storage- in-an-insular-grid/ [viitattu 24.3.2019].
