Johdanto
Eristetyssä talossa akustolla varustettu aurinkosähköjärjestelmä kattaa kulutuksen hyvin keväästä syksyyn, mutta se joutuu vaikeuksiin juuri silloin, kun sitä tarvitaan eniten: talvella, kun auringonsäteily vähenee ja lämmön sekä sähkön tarve kasvaa.
Tämän kuilun kattamiseen on periaatteessa kaksi tapaa: akkukapasiteetin lisääminen tai lisäenergialähteen käyttöönotto. Oikea valinta riippuu rakennuksen ominaisuuksista, kulutuksesta ja käyttötavasta, mutta on tärkeää ymmärtää, että ongelma johtuu rakenteellisesta kausivaihtelusta eikä pelkästään liian pienestä aurinkosähköjärjestelmästä.
Miksi ongelma on rakenteellinen, ei mitoituksesta johtuva
Vuoristossa tai eristetyssä tunturimajassa talvinen auringonsäteily on vähäisempää lyhyempien päivien, auringon matalamman korkeuskulman, usein varjoisten rinteiden ja lumen vuoksi, joka voi peittää paneelit useiksi päiviksi. Juuri tämä on ajanjakso, jolloin energiantarve saavuttaa huippunsa: tilojen lämmityksen, lämpimän käyttöveden tuotannon sekä, asutun rakennuksen tapauksessa, myös valaistuksen ja sähkölaitteiden kulutus kasvaa.
Toisin sanoen aurinkosähkön tuotannon minimi osuu yhteen kulutuksen maksimin kanssa. Tästä syystä ongelmaa ei ratkaista pelkästään lisäämällä muutama paneeli: talven tarpeen kokonaan kattamaan mitoitettu järjestelmä olisi usein liian suuri ja alikäytetty muuna vuodenaikana.
Ratkaisut, todellisine kustannuksineen ja rajoituksineen
Akkuvaraston ylimitoittaminen. Sähkövarasto toimii erittäin hyvin yhden tai useamman pilvisen päivän yli pääsemiseksi, mutta siitä tulee nopeasti kallis, kun yritetään kompensoida viikkoja tai kuukausia, joina auringonsäteily on vähäistä. Pitkien talvijaksojen kattamiseen tarvittaisiin hyvin suurikapasiteettisia akkuja, mikä tekee investoinnista harvoin perusteltavissa suurimmassa osassa off-grid-sovelluksia. Lisäksi akkuvarasto ei suoraan ratkaise talven tärkeintä energiantarvetta: lämpöä.
Varageneraattori (diesel- tai bensiinikäyttöinen). Tämä on yleinen ratkaisu sähköverkosta eristetyissä järjestelmissä. Se tarjoaa luotettavuutta ja pienet alkuinvestoinnit, mutta siihen liittyy joitakin konkreettisia rajoituksia: melu voi olla sopimatonta yöaikaiseen käyttöön tai tunturimajassa tai mökissä tavoiteltuun rauhaan; se on myös hyvin kuormittava järjestelmä pakokaasupäästöjen kannalta. Lisäksi moottorin tuottama lämpö menee yleensä hukkaan ympäristöön sen sijaan, että sitä käytettäisiin lämmitykseen tai lämpimään käyttöveteen.
Lähde, joka tuottaa sähköä ja lämpöä yhdessä. Tämä on vähemmän tunnettu ratkaisu, mutta monissa tapauksissa se vastaa parhaiten todellista ongelmaa. Eristetyssä rakennuksessa talven lämmöntarve on lähes aina suurempi kuin sähköntarve. Tästä syystä voi olla järkevää käyttää teknologiaa, joka tuottaa molempia energiamuotoja samanaikaisesti hyödyntäen yhtä polttoainetta ja yhtä laitteistoa.
Biomassaan perustuva mikroyhteistuotanto muuttaa pellettiä, puuta tai haketta sähköksi ja lämmöksi ja toimii myös ilman sähköverkkoa. Vuoristoisessa tai eristetyssä ympäristössä tämä lähestymistapa tarjoaa kaksi merkittävää etua. Toisaalta polttoaine voidaan hankkia paikallisesti tai tuottaa lähialueen biomassasta, mikä vähentää riippuvuutta kaukaa kuljetetuista fossiilisista polttoaineista. Toisaalta tuotettu lämpö ei mene hukkaan, vaan sitä käytetään lämmitykseen ja lämpimään käyttöveteen, jotka muodostavat yleensä suurimman osan talven energiankulutuksesta.
On kuitenkin syytä korostaa, ettei yhtä yleispätevää ratkaisua ole olemassa. Jos tunturimajaa käytetään vain muutamana viikonloppuna vuodessa, kulutuksen ollessa vähäistä ja ilman käytännön biomassan hallintaa, varageneraattori voi olla yksinkertaisin ja edullisin valinta. Mikroyhteistuotanto sen sijaan osoittaa potentiaalinsa jatkuvasti, myös kausiluonteisesti, käytetyissä rakennuksissa, joissa lämmöntarve on merkittävä. Tällaisissa olosuhteissa sähkön ja lämmön samanaikaisen tuotannon etu muuttuu konkreettiseksi.
Havainnollistava esimerkki: talvella asuttu mökki
Realistisen suuruusluokan antamiseksi tarkastellaan hyvin eristettyä vuoristomökkiä, jossa asutaan jatkuvasti talven aikana. Kylmänä päivänä lämmityksen ja lämpimän käyttöveden lämmöntarve voi olla noin 70 kWh vuorokaudessa, kun taas valaistuksen, jääkaapin, vesipumpun ja pienten kodinkoneiden sähkönkulutus voi olla noin 8 kWh vuorokaudessa.
Esimerkkinä tarkastellaan BioGS-1.0-mikroyhteistuotantolaitoksen käyttöä. Järjestelmä pystyy tuottamaan jopa noin 24 kWh sähköä ja 140 kWh lämpöä vuorokaudessa, jolloin sähkön ja lämmön suhde on noin 1:6. Lämmöntarpeen 70 kWh/vrk kattamiseen riittää noin 12 tunnin käyttö. Samana aikana järjestelmä tuottaa noin 12 kWh sähköä, mikä ylittää rakennuksen tarvitseman 8 kWh/vrk: noin 4 kWh ylijäämä voidaan varastoida akkuihin tai muuttaa lisälämmöksi. Pelletin vuorokausitarve on noin 26 kg/vrk, mikä vastaa hieman yli 780 kg/kk kylmimpänä ajanjaksona.
Esitetyt arvot ovat vain suuntaa-antavia ja riippuvat tekijöistä, kuten paikallisesta ilmastosta, rakennuksen eristyksestä, rakennuksen käyttötavasta ja laitteiston käyttöolosuhteista.
Energiavarastot
Puskurisäiliö 700-800 l mahdollistaa generaattorin käyntiaikana tuotetun lämmön jakamisen koko vuorokaudelle. Tämä vähentää käynnistys- ja sammutuskertojen määrää ja parantaa järjestelmän toiminnallista vakautta. Lue lisää aiheesta omistetusta artikkelista: Puskurisäiliö: mikä se on ja miksi sitä kannattaa käyttää.
Tällaisessa kokoonpanossa akun ei tarvitse kattaa koko vuorokauden energiantarvetta, kuten pelkästään aurinkosähköön perustuvassa järjestelmässä. Sen tulee sen sijaan syöttää ensisijaisesti kulutusta niinä tunteina, jolloin mikroyhteistuotantolaitos ei ole käynnissä. Kun keskimääräinen kulutus on noin 8-10 kWh jaettuna 24 tunnille, 8 kWh hyötykapasiteetin akku edustaa yleensä järkevää kompromissia autonomian ja kustannusten välillä. Mitoitus on luonnollisesti tarkistettava myös hetkellisten tehohuippujen, ei pelkästään vuorokautisen energiankulutuksen, perusteella.
Invertteri
Generaattori tuottaa suhteellisen maltillista jatkuvaa sähkötehoa, noin 1 kW. Kotitalouskäytölle tyypilliset hetkelliset tehohuiput, kuten pumpun käynnistyminen tai useamman laitteen samanaikainen käynnistyminen, voivat kuitenkin vaatia paljon suurempaa tehoa. Tästä syystä invertteri on mitoitettava käytön vaatiman huipputehon, ei mikroyhteistuotantolaitoksen nimellistehon, mukaan. Tämän kokoluokan mökille 6 kW:n hybridi-invertteri edustaa yleensä sopivaa ratkaisua.
Vuoden kulku: aurinkosähkö ja mikroyhteistuotanto täydentävät toisiaan
Mikroyhteistuotannon tavoitteena ei ole korvata aurinkosähköä, vaan kompensoida sen kausiluonteinen rajoitus. Kauniina vuodenaikana aurinkosähkö pysyy yleensä pääasiallisena sähkönlähteenä runsaan auringonsäteilyn ansiosta. Tänä aikana lämmöntarve rajoittuu lähes yksinomaan lämpimän käyttöveden tuotantoon, joten mikroyhteistuotantolaitos toimii vain muutaman tunnin ja tuottaa siten vähän sähköä.
Talvella tapahtuu päinvastoin: lämmöntarve kasvaa huomattavasti ja mikroyhteistuotantolaitos toimii useampia tunteja vuorokaudessa. Sähkön tuotanto kasvaa siis automaattisesti juuri niinä kuukausina, jolloin aurinkosähkön osuus vähenee. Nämä kaksi teknologiaa osoittavat siten luonnollista täydentävyyttä: toinen seuraa auringon saatavuutta, toinen lämmöntarvetta.
Mitä asentaminen eristetyssä ympäristössä edellyttää
Akkujen ja lämpövaraston oikean mitoituksen lisäksi mikroyhteistuotantolaitos edellyttää muutamien logististen näkökohtien huolellista arviointia:
- riittävä tila biomassan varastointiin;
- esteetön kulku polttoaineen säännöllistä täydennystä varten;
- esteetön kulku säännöllistä huoltoa varten;
- biohiilen tyhjennyksen hallinta, joka tehdään ohjeellisesti noin 60 tunnin käyttövälein;
- polttoaineen kohteeseen kuljetustavan arviointi.
Monissa korkealla sijaitsevissa asennuksissa juuri polttoaineen logistiikka on hankkeen tärkein tekijä, joskus jopa tärkeämpi kuin itse teknologia.
Yhteenveto
Eristetylle talolle ei ole olemassa yhtä kaikille sopivaa ratkaisua. Akustolla varustettu aurinkosähköjärjestelmä pysyy usein yksinkertaisimpana ja tehokkaimpana valintana suurimman osan vuodesta, mutta se kohtaa merkittäviä rajoituksia talvella, erityisesti vuoristossa, kun aurinkosähkön tuotanto vähenee samalla kun energiankulutus saavuttaa huippunsa.
Kun lämmöntarve on suuri ja rakennusta käytetään jokseenkin jatkuvasti, biomassaan perustuva mikroyhteistuotanto voi olla erityisen kiinnostava täydennys, koska sen avulla voidaan tuottaa samanaikaisesti sähköä ja lämpöä yhdellä ainoalla energialähteellä. Näin voidaan vähentää riippuvuutta suurista akustoista, rajoittaa varageneraattoreiden käyttöä ja parantaa energiaomavaraisuutta vuoden niinä ajanjaksoina, jotka ovat aurinkosähkölle kriittisimpiä.
Lopullisessa valinnassa tulisi aina ottaa huomioon paitsi alkuinvestointi myös polttoaineen saatavuus, logistiikkakustannukset, huoltotarpeet ja rakennuksen vaatima palvelun jatkuvuuden taso. Näiden tekijöiden kokonaisvaltainen arviointi auttaa löytämään omaan tilanteeseen parhaiten sopivan ratkaisun ja toteuttamaan todella luotettavan energiajärjestelmän ympäri vuoden.
Lisätietoja käytännön näkökohdista ja sovelluksista löydät myös osiosta Usein kysytyt kysymykset BioGS-1.0:sta.