Kesäpäivän seisauspäivänä torstaina 20. kesäkuuta 2024 päivä on pisimmillään. Seisauspäivänä Helsingissä päivän pituus on 18 tuntia 57 minuuttia ja Oulussakin 22 tuntia 4 minuuttia. Pohjoisimmassa Suomessa Aurinko ei laske lainkaan.
Akullisilla aurinkosähköjärjestelmillä voidaan turvata kiinteistöjen kriittisten järjestelmien toimintaa, parantaa omavaraisuutta ja toimia joustavasti sähkömarkkinoilla
Kiinteistöjen ja niiden kriittisten osajärjestelmien sähköomavaraisuutta ja toimintavarmuutta sähkökatkotilanteiden varalle on mahdollista parantaa hyödyntämällä paikallista aurinkoenergiaa ja ottamalla käyttöön akullisia millisekunneissa saarekekäyttöön siirtyviä ja automaattisesti takaisin verkkoon tahdistuvia häiriöttömän sähkönsyötön mahdollistavia aurinkosähköhybridejä. Haasteena ovat kuitenkin edelleen akustojen kustannukset, tarvittavien järjestelmien häviöt ja osin tuntemattomat elinkaaren ympäristövaikutukset. Hybridi-invertterilaitteistojen hinnat ovat noin 2–3 kertaisia tavanomaisiin verkkoinverttereihin verrattuna ja lisäksi tarvitaan sopivan kokoinen ja arvokas akkujärjestelmä.
Aurinkosähköjärjestelmäinvestointien kannattavuus parantui paljon vuonna 2022 poikkeuksellisesti kohonneiden sähkön markkinahintojen vuoksi. Vuonna 2023 tuotot jäivät jo pienemmiksi ja tänä vuonna tilanne on muuttunut paljon: aurinkosähkö näyttää jo painavan aurinkoisten viikonloppupäivien tuntihintojakin alaspäin ja negatiivisten tuntihintojen tilanteita on koettu aiempaa enemmän. Ylijäämäenergian verkkoon myynnistä ja alijäämän hankinnasta voi nykyäänkin saada tuottoja läpi vuoden erityisesti, jos järjestelmässä on sopivan kokoinen energiavarasto ja ohjauskyky.
Ohjattu ja mahdollisuuksien mukaan optimoitu verkkovuorovaikutus (verkosta otto ja anto) parantaa akullisten omatuotantoinvestointien kannattavuutta ja voi pienentää kuluttaja-tuottajan nettosähkölaskua koko kesäkauden tai mitoituksista riippuen jopa 8 kk:n ajan Suomenkin olosuhteissa, varsinkin – jos helmikuisten hankien heijastukset osataan hyödyntää.
Akullinen aurinkosähköhybridijärjestelmä voidaan mitoittaa hyvin erilaisia käyttötapauksia varten: esimerkiksi siten, että aurinkoenergian osuus halutun pituisella esim. 5–8 kk mitoitusjaksolla vastaisi jopa 100 % kulutusta järjestelmähyötysuhde (noin 0,8) huomioon ottaen. Tällöin aurinkoisten jaksojen ylijäämäsähkö eli mittakaavaltaan noin kolmasosa omatuotannosta myydään verkkoon korkeimman sähkönhinnan tunteina. Vastaavasti verkosta hankitaan täydennysenergiaa noin kolmasosa kulutuksesta satunnaisten vajeiden täyttämiseen tai yölatauksiin tilanteissa, jolloin se voidaan hankkia päiväsähköä edullisemmin kuitenkin akuston kulumis- ja käyttökustannukset huomioon ottaen.
Muutaman vuoden kokeilut ”omakotitalomittakaavassa” viittaavat siihen, että viime vuosina vallinneissa sähkömarkkinaolosuhteissa järjestelmä on mahdollista virittää toimimaan kesäkaudella sekä ”energia- että europositiivisesti” eli sähköenergialaskun etumerkki vaihtui aurinkosähköntuottajan eduksi. Järjestelmien integraatiossa, ohjausten parantamisessa sekä ennusteita hyödyntävässä ja ennustevirheitä automaattisesti korjaavassa dynaamisessa ohjauksessa vieläkin kehittämistä, mutta hybridien suorituskyvyn odotetaan parantuvan nopeasti ohjelmistokehityksen seurauksena.
Aurinkoisen puolivuotiskesäkauden ulkopuolella aurinkoenergiaa saadaan yleensä vain osa tarvittavasta kulutuksesta. Silti talvellakin ohjattavalla hybridijärjestelmällä yhdessä suurimpien sähkökuormien (yleensä lämmitysjärjestelmän) ohjauksen – kulutusjouston kanssa – sähköenergian verkosta ottoa on mahdollista siirtää edullisimmille tunneille pois yleensä 2–4 h mittaisilta korkeiden sähkönhintojen jaksoilta arkiaamuilta klo 7–11 ja iltaisin 17–21 tai jopa yölatausjaksolle 00–06, jolloin kuormia syötetään taas suoraan verkosta. Myös hetkellisiä tehopiikkejä on mahdollista leikata, mikäli niiden ajoittumista pystytään ennakoimaan. Suuremmissa yli 100 kWh/h kuluttavissa toimistorakennuksissakin kulutustasoon nähden alimitoitetullakin hybridijärjestelmällä voitaisiin pienentää ja tasoittaa työpäivän aikaista sähkötehoa ja mahdollistaa kulutuksen siirtoja edullisemmille tunneille. Näin aurinkosähköhybridi akustoineen voi tuottaa säästöjä ympäri vuoden erilaisilla ohjausmoodeilla ja lisätä sähkönkäyttöpaikan joustavuutta sähköenergian käytön suhteen samalla parantaen omavaraisuusastetta ja kriittisten järjestelmien toimintakykyä.
Tavanomaisilla maksimikulutukseen suhteutetuilla verkkoinvertteriratkaisuilla ja vähäisellä verkkoonsyötöllä aurinkosähkön osuus jää yleensä 10–20 % tasoille vuosikulutuksesta toki kulutuksen profiilista riippuen. Niiden etuna on edullisempi hinta ja akuttomuus, jolloin akkuteollisuuden ympäristöhaitat eivät myöskään ole rasitteena.
Energiaviraston mukaan aurinkosähkön pientuotannon kapasiteetti ylitti 900 megawattia Suomessa vuonna 2023. Vuoden 2023 lopussa sähköverkkoon oli liitettynä aurinkosähkön pientuotantokapasiteettia yhteensä noin 936 megawattia eli kapasiteetti oli kasvanut lähes 50 prosenttia eli noin 300 megawattia vuoteen 2022 verrattuna (noin 635 MW). Aurinkosähkötuotannon kasvu onkin kiihtynyt viime vuosina (edeltävät vuosimuutokset olivat 240 MW/a ja 150 MW/a) ja kehityksen odotetaan jatkuvan komponenttihintojen painuessa alaspäin, palveluiden ja järjestelmien parantuessa ja toisaalta myös kokemusten karttuessa ja mm. Repower-EU:n aurinkosähköstrategian toimeenpanon myötävaikutuksella. Aurinkosähköjärjestelmät yleistyessään vähentävät merkittävästi yö-päivä säädön tarvetta ja yleistyessään jopa pohjoiseurooppalaisen sähköjärjestelmän tasolla. Hybridien yleistyminen voi kuitenkin nostaa aurinkosähkön osuuden vielä aivan uudelle tasolleen.
Vuositasolla ohjattavat akulliset aurinkosähköhybridit mahdollistavat aurinkosähkön osuuden nostamisen kiinteistöissä yli 50 % tasoille kulutetusta energiasta – tosin riippuen aurinkopaneelien käytännön asennusmahdollisuuksista ja kohteen lämmitysratkaisuista lämmityskaudella. Jos kiinteistön päälämmitysjärjestelmä ei perustu sähköön, voitaisiin tarkasti mitoitetulla akullisella aurinkosähköhybridillä saavuttaa vuotuinen jopa yli 70 % aurinkosähköosuus. Kuitenkin akkuinvestointeja edullisemmat energiansäästö- ja kuormien ohjaus- ja ajalliset siirtotoimet kannattaa yleensä toteuttaa ensin ja vasta loppuosa kulutuksesta kattaa ohjattavalla akustolla ja aurinkosähköllä.
Lämpöpumppu tai puulämmitteisissä omakotitaloissa voitaisiin akullisilla aurinkosähköhybrideillä saavuttaa 100 % hiilineutraalisuustavoite yhdessä tuulivoimaan perustuvan sähkön hankinta- ja myyntisopimuksen kanssa. Tuulivoima tuottaakin varsin hyvin marras-tammikuussa, jolloin aurinkosähkön saanto on olematonta. Sadepäivinäkin aurinkopaneelien tuotto riittäisi kriittisimpiin kodin tietoliikennetarpeisiin.
Aurinkosähköhybridin akusto nopeine invertterin relejärjestelmineen mahdollistaa myös häiriintymättömän sähkönsyötön eli haluttu kriittisen sähköjärjestelmän osa saadaan toimimaan häiriöttä myös yllättävien sekä suunniteltujen sähköntoimitusten keskeytysten aikana ja järjestelmä palautuu turvallisesti verkkoon sähkökatkon jälkeen. Esimerkiksi digitalisoituneilla maatiloilla olisi hyvät mahdollisuudet rakentaa suuria maa-asenteisia kevättalven hankien heijastukset hyödyntäviä aurinkopaneelijärjestelmiä ja niillä on myös tarpeita häiriöttömälle sähkönsyötölle, mikäli tukijärjestelmä mahdollistaisi myös akullisten aurinkosähköhybridien rahoituksen muiden maatilojen varavoimajärjestelmien tapaan. Myös huoltoasemilla, tietoliikenneverkoissa ja päivittäistavarakaupoissa uudelle häiriintymättömään sähkönsyöttöön kykenevällä hybriditeknologialle energiavarastoineen voisi olla tarvetta. Aurinkosähköhybridien laajempi käyttöönotto olisi yksi keino lisätä maamme energiaomavaraisuutta ja huoltovarmuutta. Toisaalta olisi pidettävä huolta tarvittavien ICT-järjestelmien turvallisuudesta ja käytettävyydestä energiajärjestelmän erittäin pitkän eliniän ajan.
Kalliiden akustojen elinikä ja niihin liittyvät ympäristö- ja turvallisuuskysymykset vaikuttavat kuitenkin paljon hybridijärjestelmäinvestoinnin mielekkyyteen. Käyttökokemukset VTT:n pilot-kohteesta viittaavat siihen, että sykliseen käyttöön sopivien nikkelittömien ja koboltittomien litiumrautafosfaattiakkujen (LiFePO4) elinikä on varsin pitkä, mutta silti akusta puretun kWh:n hinta jäänee eliniän ajalta 6–9 snt/kWh tasolle eikä valmistusketjun elinkaarista päästöistä ole yleensä saatavilla tuotemerkkikohtaista tarkkaa ja läpinäkyvää tietoa.
VTT onkin Jyväskylän koekentällään ottamassa käyttöön vaihtoehtoista tanskalaista virtausakkuteknologiaa, jossa pilot-järjestelmän energiakapasiteetti riippuu nestesäiliöiden tilavuudesta ja mahdollistaa siten kapasiteetiltaan hyvin skaalautuvien ja suurienkin järjestelmien rakentamisen. Tämä yhdessä lupaavan lataus-purkusyklien keston (elinikä jopa 20 000 sykliä) ja vaikuttavien aineiden kierrätettävyyden kanssa saattaa mahdollistaa nykyistä edullisempien ja suurempien jopa ylivuorokautiseen käyttöön sopivien kiinteistö- ja teollisuusakustojen rakentamisen ja lataamisen aurinkosähköllä jo lähitulevaisuudessa, siellä missä tilaa on. Laitteistoa käyttöönotetaan ja integroidaan tarvittaviin ICT-järjestelmiin tänä kesänä osana BitKein-projektin rahoitusta. Käyttökokemuksia ja dataa toivotaan saatavan tutkijoille analysoitavaksi syksystä alkaen.
Mikko Hongisto
Kirjoittaja on sähkövoimatekniikan DI ja toimii erikoistutkijana VTT:llä Smart Grids -tutkimustiimissä, Älykäs energia ja rakennettu ympäristö tutkimusalueella.
Viitattu Energiaviraston tiedote (17.6.2024) kokonaisuudessaan:
https://energiavirasto.fi/-/aurinkosahkon-tuotantokapasiteetti-nousi-1000-megawattiin