Taustaa
Uusiutuva energia -kurssin osana oli tehdä esitys ja raportti jostain uusiutuvasta energianlähteestä. Samaan aikaan oli meneillään aurinkovoimalan suunnittelu omakotitaloomme. Tästä innoittuneena päätin tehdä myös kurssin projektin pienen aurinkovoimalan suunnittelusta.
Kiinteistöllämme on yli satavuotias hirsirakenteinen omakotitalo sekä vanha ulkorakennus. Asuinrakennuksen pinta-ala on noin 320 m², jonka lämmityksenä on maalämpö. Ulkorakennus kattaa autotallin sekä kuntosalin, joiden pinta-ala on noin 130 m² ja näiden lämmitysmuotona on kaksi ilmalämpöpumppua. Sähkön kulutus vuodessa on noin 26000 kWh.
Omakotitaloon tehdään tulevina vuosina energiaremontteja, kuten tuulensuojalevyjen asennus ulkoverhousremontin yhteydessä. Aurinkovoimaloiden hinnat alkavat olla nykyään houkuttelevalla tasolla, joten suunnitelmissa on myös aurinkopaneelien asennus. Lisäksi vähäpäästöinen sähköntuotanto ja aurinkovoiman tuoma energiatehokkuus rakennuksissa lisää mielenkiintoa uutta energiantuotantomuotoa kohtaan.
Rakennusten katot ovat huonoihin ilmansuuntiin sekä puut ovat lähellä minkä takia kattoasennus ei ole kannattavaa. Tontilla on tyhjillään pelto, missä on mahdollista valita ilmansuunta itä-etelä-länsi suunnalta. Maa-asennustelineen rakentaminen on myös mahdollista itse, mikä alentaa asennuskustannuksia merkittävästi.
Mitoitus ja kannattavuus
Suunnitelmissa on teholtaan 16–17 kWp järjestelmä, jonka vuosituotto on arviolta noin 15 000 kWh. Tämä tuotanto vastaa noin 60 % vuosittaisesta sähkön kulutuksesta.
Suurin hyöty aurinkovoimaloista saadaan, jos tuotetaan sähköä vain omaan käyttöön (kuvio 1). Omaan käyttöön tuotetulla sähköllä vältetään verot, siirtokulut sekä sähköenergian maksut. Ylijäämäsähköstä saadaan vain sähköenergian hinta, joka yleensä määräytyy sähköpörssin mukaan. Osa sähköyhtiöstä ottaa lisäksi välityspalkkion ylijäämäsähkön myynnistä. Omaan käyttöön tuleva sähkö on verovapaata. Myyntiin menevästä sähköstä saatava tuotto on veronalaista ansiotuloa. Veroja käytännössä ei joudu maksamaan, koska alkuinvestointi on iso ja sähkön myynnistä tulevat tuotot pieniä. Lisäksi aurinkovoimalan huoltoon liittyvät kulut voidaan vähentää verotuksessa (Motiva, n.d; vero, n.d).
Aurinkovoimaloiden hinnasta iso osa koostuu kiinteistä kuluista kuten kaapeleista, invertteristä, kytkimistä, rahdista, luvasta ja asennuskuluista. Aurinkopaneelien hinnat ovat laskeneet merkittävästi viime vuosien aikana (kuvio 2). Tämän takia paneeleita lisäämällä ja nostamalla invertterin tehoa saadaan suhteellisesti halvempi järjestelmä tehoon nähden. Invertterien hinnat nousevat vain vähän tehon kasvaessa (Tiainen, n.d). Tästä syystä päädyimme suunnitelmissa mahdollisimman tehokkaaseen järjestelmään, joka sopii 3X25A pääsulakkeisiin.
Tila ei myöskään ole ongelma pellolla. Iso järjestelmä tuottaa talvella paremmin kuin pieni järjestelmä, joten saamme hyötyä myös enemmän silloin, kun sähkön kulutus on korkeimmillaan. Suunnitelmissa on lisäksi sekä sähköauton hankinta että maaviilennyksen asennus. Molemmat hankinnat tulevat lisäämään sähkön kulutusta entisestään, maaviilennys erityisesti kesällä.
Tällä hetkellä erikseen asennettavat akustot ovat melko kalliita, mutta järjestelmään tulee hybridi-invertteri, johon voi myöhemmin kytkeä akuston helposti. Tällöin saadaan hyödynnettyä isompi osuus itse tuotetusta sähköstä. Myös erilaiset automaatioratkaisut, kuten käyttöveden lämmitys tuotantoaikana lisäävät omaan käyttöön tulevaa energian määrää. Ylijäämäsähkön osuus kasvaa isoissa järjestelmissä, mutta tulevaisuuden suunnitelmat tulevat tasaamaan tätä osuutta.
Myöhemmin paneelien lisääminen järjestelmään voi olla haasteellista, koska paneelien tekniikka muuttuu ja tehokkuudet ovat erilaiset uusilla ja vanhoilla paneeleilla. Esimerkiksi asennuksesta ja rahdista kertyy myös uudestaan kuluja. On kannattavampaa suunnitella järjestelmästä tarpeeksi suuri heti, eikä lisätä paneeleita kulutuksen kasvaessa.
Takaisinmaksuaika
Aurinkovoiman suurin ajuri kotitalouksissa on sen kannattavuus, mutta ihmisiä myös kiinnostaa omavaraisuus ja ilmastoystävällisen sähkön tuottaminen. Takaisinmaksuaikaan vaikuttaa järjestelmän hinta, sähkön hinta tulevaisuudessa, käyttöaste tuotannosta ja mahdolliset poliittiset päätökset koskien sähköä. Mahdollinen ulkopuolinen rahoitus vaikuttaa myös hankintahintaan.
Järjestelmän hinta
Paneelien hintojen laskiessa järjestelmien takaisinmaksuajat ovat lyhentyneet, vaikka järjestelmien muiden komponenttien hinnoissa ei ole tapahtunut juurikaan muutosta. Samalla kun paneelien hinta on laskenut, myös niiden tekniikka on kehittynyt ja niistä on tullut tehokkaampia, mikä parantaa hinta/hyöty suhdetta.
Sähkön hinta
Sähkön hinta oli kesällä (2023 huhtikuu-syyskuu) 5,7 snt/kWh (sis. alv) ja talvella (2023 lokakuu-2024 maaliskuu) 8,8 (sis. alv). Tämä kuvastaa vuosittaista sähkön hinnan kehitystä melko hyvin, joten aurinkovoimaloista saatava hyöty osuu sähkön hinnan osalta halvimpaan vuodenaikaan (Kuvio 3). Aurinkovoimalat alkavat tuottamaan sähköä jo melko hyvin helmi-maaliskuun aikana, joten tuotannosta pääsee hyötymään myös sähkön hinnan kalliina ajanjaksona.
Tähän asti sähkön päiväkohtainen hinta on yleensä ollut korkeimmillaan aamulla ja päivällä, kun teollisuus on käynnissä ja kulutus korkeimmillaan. Aurinkovoiman lisääntyessä Suomessa on myös alkanut näkyä merkkejä siitä, että puolen päivän aikaan sähkön hinta laskee, kun aurinkovoimalat tuottavat parhaiten (Parviala, A., n.d.). Tämä voi osaltaan hidastaa järjestelmän takaisinmaksuaikaa. Sähköauton akku tai erillinen akusto kotona auttavat tasaamaan myös keskipäivän hintojen laskua.
Suomessa sähkön hinta seuraa edelleen pääosin tuulivoiman tuotantoa. Korkeapaineen aikana yleensä tuulee vähän ja taivas on kirkas, jolloin aurinkovoimalat tuottavat hyvin.
Tulevaisuudessa teollisen kokoluokan energiavarastot ja vedyn tuotanto tasoittavat sääriippuvaisen tuotannon aiheuttamaa sähkön hinnan vaihtelua, jos tämänhetkiset suunnitelmat toteutuvat Suomessa.
Sähkön hintaa on vaikea ennustaa, kuten viime vuosista tiedetään. Geopoliittiset tapahtumat tai ongelmat sähköntuotannossa saattavat yllättäen nostaa sähkön hintaa.
Omia laskelmia
Takaisinmaksuaikaa laskettaessa hyvä työkalu on Aalto yliopiston tekemä kannattavuuslaskuri (Auvinen, Rummukainen, 2020), jota Suomen ympäristökeskus SYKE on myöhemmin muokannut. Laskurin avulla pystyy tarkastelemaan eri hintaisten ja tehoisten järjestelmien takaisinmaksuaikaa. Laskuriin pystyy lisäämään itse omat siirtohinnat ja energiamaksut, joten laskurista näkee tarkan arvion kuinka paljon voimala säästää vuosittain.
Laskelmissa käytettiin järjestelmää, joka koostuu 38 kpl 435 Wp n-tyypin paneeleista, hybridi-invertteristä, kaapeleista (200 m), kytkimestä, kiinnikkeistä ja energiamittarista. Järjestelmän kokonaisteho on 16,53 kWp. Vuoden tuotantoennuste on 15 007 kWh (Kuvio 4). Hintaa koko järjestelmälle tulee noin 8 500 e, kun lasketaan mukaan myös maateline ja sähköasentajan työn osuus.
Takaisinmaksua laskettaessa lähtökohtana oli se, että sähköntuotannosta noin 40 % käytetään omassa kotitaloudessa. Tässä tilanteessa suunniteltu järjestelmä tulisi maksamaan itsensä takaisin reilussa kuudessa vuodessa. Mahdollinen invertterin vaihto tuo takaisinmaksuaikaan yhden vuoden lisää. Talvella ja alkukeväästä saatava tuotanto saadaan lähes kokonaan omaan käyttöön. Kesän aikana kulutus painottuu päiväsaikaan, jolloin myös tuotanto on parhaimmillaan.
Arviossa käytettiin siirron ja energian yhteishintana 0,15 e/kWh, jossa energian osuus on 0,068 e ja loput siirtokuluja sekä veroja. Ylijäämäsähköstä saatava korvaus on noin 0,03 e. Kuukausimaksut otettiin laskelmien hinnoista pois, koska ne täytyy maksaa joka tapauksessa. Ensimmäisenä vuotena säästöä tulee noin 1200 e, josta myytävästä sähköstä saatava osuus on noin 300 e. Järjestelmästä saatava hyöty 30 vuoden aikana on noin 45 000 e, mikäli järjestelmän vuosittainen sähköntuotannon vähenemä on 0,4 % ja sähkön hinta nousee vuositasolla noin 2 %. Laskelmat ovat varovaisia ja arvio on, että ainakin siirtohintojen osalta nousu toteutuu.
Huoltokulut ovat järjestelmässä vähäiset. Tarvittavia huoltoja ovat yleensä vain invertterin vaihto noin 10–20 vuoden päästä. Tosin invertterien tekniikka on viime vuosina kehittynyt ja takuu niillä on tällä hetkellä 10 vuotta. Paneelien tekninen takuu on 25 vuotta ja tuottotakuu 87 % alkuperäisestä tehosta on 30 vuotta.
Laskelmiin liittyy epävarmuustekijöitä, kuten vuotuiset sääolosuhteet, sähkön hintakehitys, siirtohintojen muutokset, verotuksen muutokset ja järjestelmän mahdollinen rikkoutuminen. Kaikki edellä mainitut asiat voivat vaikuttaa takaisinmaksuaikaan merkittävästi.
Lupamenettely
Lupamenettelyissä on eroja paikkakuntakohtaisesti. Luvan saamiseen vaikuttaa sijainti kunnan alueella, asennustapa, järjestelmän teho ja vaikutukset lähiympäristön maisemaan. Yleensä lupa saadaan helpommin, jos asennus tehdään katolle. Tällöin vaikutukset ympäristöön jäävät pieniksi. Mikäli kiinteistö sijaitsee kaava-alueella, lupamenettely voi olla monivaiheisempi prosessi. Järjestelmän teho voi vaikuttaa luvan saamiseen, mutta tehorajat yleensä ylittyvät vain maatiloilla. Taajaman ulkopuolella lupamenettely on yleensä toimenpideilmoitus tai toimenpidelupa.
Kiinteistömme sijaitsee taajaman ulkopuolella. Tässä tapauksessa tarvitaan toimenpideilmoitus, koska asennus tapahtuu maa-asennustelineeseen. Lupaa ei olisi tarvittu ollenkaan, mikäli paneelit asennettaisiin katolle. Luvan saaminen oli helppoa. Lupahakemukseen vaadittiin vain piirros, mistä käy ilmi paneeleiden sijainti tontilla sekä tiedot järjestelmän tehosta ja pinta-alasta. Naapurikuulemista ei tarvinnut tehdä, koska teline sijaitsee yli viiden metrin päässä tontin rajasta. (Kangas-Kuittinen, 2024).
Kunnallisen lupamenettelyn lisäksi on selvitettävä paikallisen pelastusviranomaisen vaatimukset aurinkovoimaloita asennettaessa. Myös paikalliselle sähkönsiirtoyhtiölle tehdään ilmoitus tulevasta järjestelmästä, jotta voidaan varmistaa alueen sähköverkon siirtoyhteyden kapasiteetti.
Etelä-Pohjanmaan pelastusviranomaisen vaatimukset koskevat pääasiassa katolle asennettavia rakenteita. Jokaiseen aurinkovoimalakohteeseen täytyy laatia kohdekortti. Kohdekortista tulee käydä ilmi se, että kiinteistössä on aurinkovoimala sekä aurinkovoimalan virtakytkimen sijainti. Pelastajien pääsy tarpeeksi lähelle järjestelmää täytyy varmistaa (Etelä-Pohjanmaan pelastuslaitos, n.d.).
Paikalliselta sähkönsiirtoyhtiöltä täytyy kysyä lupa yli 10 kW järjestelmästä. Asennuksen jälkeen täytyy ilmoittaa tarkat tiedot järjestelmästä ennen verkkoon kytkentää (Caruna, n.d.).
Päästöt
Aurinkovoima on uusiutuva energianlähde. Aurinkopaneelit eivät tuota päästöjä käytön aikana, mutta päästöjä syntyy valmistamisesta ja kierrätyksestä. Lisäksi päästöjä kertyy myös kuljetuksesta, asennustarvikkeista, kaapeleista ja muista komponenteista.
Aurinkopaneelien valmistuksesta aiheutuvat päästöt ovat isoin päästöjen lähde koko järjestelmässä. Tarkkoja valmistuksen hiilidioksidiekvivalentti päästöjä eivät kaikki valmistajat ilmoita, mutta arvioita koko elinkaari (noin 25–30 v) huomioiden päästöt ovat 20 g – 50 g CO₂e/kWh väliltä (Korhonen, 2018; Hakala, 2021).
Sähköntuotannosta aiheutuvia päästöjä on vaikea vertailla aurinkopaneelien ja verkosta ostettavan sähkön välillä, koska sähköntuottajat ilmoittavat uusiutuvan energian kohdalta päästöiksi 0 g CO₂e/kWh. Vuonna 2022 (uusin tieto) Suomen sähköntuotannon päästöt olivat 66 g CO₂e/kWh. Fingridin ilmoittama luku on todellisuudessa korkeampi, jos otetaan huomioon uusiutuvien energianlähteiden kokonaispäästöt (Fingrid, n.d).
Vertailtavan aurinkovoimalan tuotto on arviolta 15007 kWh/vuodessa. Koko tuotanto otetaan huomioon laskuissa, sillä ylimääräinen tuotanto menee verkkoon käytettäväksi ja laskee Suomen sähköverkon päästöjä. Jos tuotannossa ei oteta huomioon valmistuksesta aiheutuvia päästöjä, olisi voimalalla päästöjä alentava vaikutus noin 990 kg CO₂e/kWh. Päästöt putoavat noin 460 kg CO₂e/kWh, jos otetaan huomioon aurinkopaneelien valmistuksesta aiheutuvat päästöt 35 g CO₂e/kWh (Motiva, n.d.; Turkuenergia, n.d.).
Maateline rakennetaan pääosin puusta. Teline tulee sitä kautta olemaan pienimuotoinen hiilinielu, joka kompensoi vähän paneeleiden valmistuksen päästöjä. Teline asennetaan maahan ruuvipaaluilla ja paneelit alumiinikiskoilla, jotka pystytään ottamaan uusiokäyttöön tai kierrättämään.
Elinkaari ja kierrätys
Joidenkin valmistajien tuottotakuu kattaa 30 vuotta, jolloin paneelien teho pitäisi olla vähintään noin 87 % alkuperäisestä. Nämä ovat kuitenkin vain hyviä arvioita sillä nykyään myynnissä olevia paneeleita ei ole vielä valmistettu näin pitkään. Todennäköisesti aurinkopaneeleiden tekniikka kehittyy tulevaisuudessa 30 tuotantovuoden aikana niin paljon, että on kustannustehokkaampaa vaihtaa vanhat paneelit uusiin.
Tuotantoaikana paneelit ovat käytännössä huoltovapaita. Suomen ilmastossa vesisade hoitaa pääasiassa paneeleiden puhdistuksen. Lumien pudottamisella voidaan saada pientä hyötyä, mutta hyöty on niin pieni, että paneeleiden vaurioitumisen riski voi olla merkittävämpi. Kiinnikkeet ovat suunniteltu kestämään yhtä kauan kuin paneelit. Tietyin väliajoin on kuitenkin hyvä tarkistaa kiinnikkeiden pitävyys. Aurinkovoimalan elinkaaren aikana invertterin vaihto on todennäköistä ainakin kerran. Myös tämä tulee ottaa huomioon elinkaarisuunnittelussa.
Aurinkopaneeleita ei vielä ole merkittäviä määriä elinkaaren lopussa, ja tämän takia myös kierrätys on alkutekijöissä. Tällä hetkellä paneeleiden määrä lisääntyy ja kierrätyksen tarve kasvaa. Kierrätyslaitoksia on rakennettu esimerkiksi Ranskaan, missä pystytään kierrättämään piipohjaisten paneeleiden raaka-aineista jopa 95 % (Tiainen, V., Rantaruoko, n.d.). Käytettyjä paneeleita voidaan myydä eteenpäin sellaiseen käyttöön, missä paneeleiden hyötysuhteella ei ole niin isoa merkitystä.
Aurinkovoimalan rakenteiden osalta elinkaari ja kierrätys on riippuvainen käytetyistä materiaaleista. Rakenteet ovat yleensä puuta tai alumiinia. Nämä ovat helposti kierrätettävissä ja voidaan ottaa myös uusiokäyttöön.
