Kirjoittaja: Iko Järberg
Tässä blogissa käsitellään teollisen mittaluokan aurinkovoimalaitoksia
Kannattavuuden perusta: Verkkoliityntä, maaperä ja auringon säteily
Jokaisen aurinkovoimahankkeen pitäisi alkaa samasta kysymyksestä: onko tämä teknisesti toteutettavissa taloudellisesti kannattavalla tavalla? Tämä ei ratkea yhdellä taulukkolaskelmalla, vaan edellyttää laaja-alaista esiselvitystä.
Toteutettavuuden kannalta merkittäviä ovat mahdolliset verkkoliityntäpisteet ja niihin pääsyn edellytykset. Verkkoliityntä saisi mielellään olla voimala-alueella tai enintään muutaman kilometrin päässä. Verkon jännitetasot – olipa kyseessä 21 kV, 33 kV, 110 kV tai 400 kV – vaikuttavat paitsi kustannuksiin myös järjestelmän kokonaissuunnitteluun. Tämän lisäksi tarkastellaan, voidaanko yhteys toteuttaa kaapelilla vai ilmajohtona. Optimaalinen verkkoliityntätapa voi olla miljoonia toisia halvempi.
Verkkoliitynnän lisäksi rakennettavuus muodostaa hankkeen perustan, kirjaimellisesti. Maaperä määrittää, miten aurinkopaneelien telineet voidaan perustaa. Voidaanko käyttää paalutusta ja kuinka syvälle paalut täytyy laittaa vai onko edessä kelluva perustusratkaisu. Rakentamisen näkökulmasta merkityksellistä on myös olemassa oleva infrastruktuuri kuten kulkuyhteydet ja tiestö, joiden hyödyntäminen vähentää kustannuksia. Esisuunnittelussa on tärkeää tehdä paikan päällä havaintoja, kairauksia ja maaperätutkimuksia, jotka auttavat tunnistamaan mahdolliset riskit ja lisäkustannukset hyvissä ajoin. Turvesuot, entiset kaatopaikat, muut pehmeät maaperäkerrokset tai paljon maanrakennustöitä vaativat kohteet voivat rajoittaa rakentamista tai nostaa sen kustannuksia merkittävästi. Aurinkovoimalat sijoittuvat laajoille alueille ja sen rakentamisella on usein vaikutuksia vesistöihin, jolloin vesienhallinnan suunnitteluun tulee panostaa aikaisessa vaiheessa.
Potentiaalisten maa-alueiden löydyttyä on syytä tarkistaa aurinkoenergiaa tuottavan säteilyn määrä. Suomessa vuosittainen kokonaissäteily vaihtelee noin 1000–1200 kWh/m² välillä ja tavallisesti se on rannikolla korkeampi, johtuen vähemmästä pilvisyydestä. Suomessa auringon säteily mahdollistaa noin 900–1000 kWh/kWp tuotannon, kun järjestelmä on optimoitu oikein. Säteilydataa kerätään useista lähteistä, kuten NASA:n tai Meteonormin avoimista tietokannoista, mutta myös kohdekohtaisempaa dataa on saatavilla. Kun aurinkovoimalasta on tehty ensimmäinen layout, voidaan laatia tuotantoennuste, jossa huomioidaan myös varjostukset, sähköiset häviöt sekä järjestelmän muut häviöt. Aurinkovoimalan tuotanto saadaan tämän perusteella käännettyä euroiksi, joiden perusteella pystytään alustavasti arvioimaan hankkeen kannattavuutta ja jatkaa tarkempaan suunnitteluun.
"Jokaisen aurinkovoimahankkeen pitäisi alkaa samasta kysymyksestä: onko tämä teknisesti toteutettavissa taloudellisesti kannattavalla tavalla? Tämä ei ratkea yhdellä taulukkolaskelmalla, vaan edellyttää laaja-alaista esiselvitystä."
Palapelin palaset
Toimivan aurinkovoimalaitoksen suunnittelu on järjestelmällistä optimointia, jossa jokainen osa-alue vaikuttaa kokonaisuuden tehokkuuteen ja luotettavuuteen. Palapelin palasia ovat komponentit, kuten aurinkopaneelit, invertterit ja muuntamot.
Paneelien valinta alkaa niiden sähköisistä ja mekaanisista ominaisuuksista. Yleisesti käytössä ovat nykyisin kaksipuoliset ”bifacial”-paneelit, joiden tehot ovat 550–650 wattipiikkiä paneelia kohden. Paneelien tekniset ominaisuudet vaikuttavat tuotantoennusteisiin ja mitoitukseen. On myös hyvä huomioida, että samasta teholuokasta saisi löytyä useita toimittajavaihtoehtoja, jotta saatavuus ei tule ongelmaksi.
Invertterit ovat keskeisessä roolissa, sillä ne muuntavat paneelien tuottaman tasasähkön verkkoon sopivaksi vaihtosähköksi. Suomessa suositaan string-inverttereitä niiden skaalautuvuuden, huollettavuuden ja luotettavuuden vuoksi. Tämä on pitkälti seurausta siitä, että ensimmäiset hankkeet on tehty string-inverttereillä ja niistä on kertynyt jo kokemusta. Suurissa hankkeissa voidaan hyödyntää myös suurempi tehoisia keskusinverttereitä, jotka sijoitetaan keskeisille paikoille. Invertterin valintaan vaikuttavat muun muassa sen teho, maksimijännitteet ja -virrat sekä DC-lähtöjen ja MPPT-kanavien määrä. Erityisen tärkeää on se, että invertterit täyttävät ajantasaiset voimalaitosten järjestelmätekniset vaatimukset (VJV) ja niistä on aikanaan saatavissa sähköiset PSSE- ja PSCAD-mallit verkkovaatimusten tarkastelua varten. Koko laitosta ohjaavan puistosäätäjän (PPC) tulee myös täyttää vastaavat vaatimukset.
Keskusinvertterit ovat kokonaisvaltaisia komponentteja, joissa on invertterin lisäksi tarvittavat muuntajat ja kojeistot. String-invertterien lisäksi aurinkovoimalassa tarvitaan muuntamoita, joissa invertterin tuottama pienjännite nostetaan keskijännitteeksi. Muuntamoissa huomioitavaa on invertterilähtöjen määrä, muuntajan koko ja keskijännitekojeiston mitoitus sekä kokonaisuuden soveltuvuus Suomen olosuhteisiin ja vaatimuksiin.
Suunnitteluvaiheessa varmistetaan näiden komponenttien määrät ja optimaalinen sijoittelu sekä riittävät ajoväylät esimerkiksi pelastuslaitosta varten, ja että kuivatusratkaisut on otettu huomioon.
Järjestelmäksi sähköverkon tai maa-alan ehdoilla
Aurinkovoimalan sähköinen suunnittelu on iteratiivinen prosessi, jossa rajoittavana tekijänä on usein joko verkkoliityntä tai käytettävissä oleva maa-ala. Järjestelmäsuunnittelussa määritetään käytettävät komponentit ja niiden määrät.
Verkkoliityntäsopimuksessa on sovittu maksimitehosta, joka voidaan syöttää verkkoon. Tämän perusteella pyritään päättämään määrät tarvittaville muuntamoille, inverttereille, paneeliketjuille (string) ja niiden pituuksille, telineiden konfiguraatioille ja edelleen paneeleille. Tällä järjestelmällä pyritään verkkoliitynnän maksimaaliseen hyödyntämiseen.
Mikäli verkkoliityntä ei rajoita, vastaan tulee aurinkovoimalalle käytettävissä oleva maa-ala. Tällöin järjestelmää aletaan hahmottamaan kääntäen aloittaen telineiden minimi rivivälillä ja maksimi paneelimäärällä. Siitä jatketaan paneeliketjuihin, inverttereihin ja edelleen muuntamoihin. Tällä järjestelmällä pyritään saamaan maa-alueesta mahdollisimman paljon ja kustannustehokkaasti aurinkoenergiaa.
Järjestelmäsuunnittelu ei ole aivan suoraviivaista matematiikkaa, sillä lisäksi tulee huomioida muun muassa DC/AC-ratio ja loistehokapasiteetti. DC/AC-ratiolla tarkoitetaan paneelitehon (DC) ja invertteritehon (AC) välistä suhdetta. Tyypillinen arvo sille on 1,2–1,5, eli on kannattavaa ylimitoittaa paneelitehoa, jolloin järjestelmä tuottaa paremmin keskimääräisissä olosuhteissa. Loistehokapasiteetille on vaatimuksensa Voimalaitosten Järjestelmäteknisissä vaatimuksessa ja se pyritään yleensä täyttämään inverttereiden pätötehoa rajoittamalla, karkeasti arvioiden 85% tasolle. Joskus voi olla kannattavaa tuottaa loistehoa muulla tavoin, kuten sähköasemalle asennettavalla kondensaattorille. Aurinkovoimalaitosten loistehokapasiteetista on kerrottu paremmin aiemmassa blogikirjoituksessa.
Lue lisää aurinkovoimalaitosten loistehokapasiteetista:
"Lopulta palapelin palasten yhteensopivuus tarkistetaan verkostolaskelmilla, joilla varmistetaan järjestelmän vaatimusten mukaisuus ja toimivuus."
Verkkoliitynnän vaatimuksia
Aurinkovoimalaitos liitetään verkkoon yleensä omalla sähköasemalla, pienemmät laitokset voidaan liittää myös liityntäjohdolla olemassa olevalle asemalle tai muuntamolle. Verkkoliitynnän suunnittelussa huomioita vaatimuksia ovat muun muassa yleiset liityntäehdot (YLE2021), voimalaitosten järjestelmätekniset vaatimukset (VJV2024), hätätilaa ja käytönpalautusta koskeva verkkosääntö (NC ER) ja paikallisen verkkoyhtiön vaatimukset, kuin myös puiston omistajan omat tarpeet. Näiden johdosta liitynnässä pitää tarpeen mukaan huomioida muun muassa päämuuntajan tekniset ominaisuudet, napasynkronoitu 110kV katkaisija, puistosäätäjä, 24h akusto ja häiriötallennus sekä oma huone tietoliikennelaitteille. Lisäksi kannattaa huomioida mahdolliset laajennukset, kuten sähkövaraston lisääminen, vähintään tilavarauksina.
Toimiva ja kannattava järjestelmä
Aurinkovoimalaitos on päälle päin hyvinkin yksinkertainen laitos, joka ei sisällä mitään liikkuvia osia, jos ei elektrodien liikettä eli sähköä lasketa. Aurinkovoimalaitoksen suunnitteleminen vaatii ymmärrystä rakennettavuuden lisäksi sähköteknisistä vaatimuksista, jotka usein ovatkin kompastuskiviä muutoin hyvältä vaikuttavassa hankkeessa. Kun järjestelmä on toimivaksi suunniteltu niin vältytään yllätyksiltä myöhäisemmissä vaiheissa.
Alan etujärjestön mukaan elämme aurinkovoiman aamunkoittoa. Se kuvastaa hyvin sitä, että hankkeita kehitetään sadoittain ja ensimmäisiä isoja investointeja tehdään, mutta paljon on vielä tulossa. Lopulta kannattavimmat hankkeet toteutuvat, siksi kannattaakin panostaa alusta alkaen sellaisen järjestelmän suunnitteluun.
UKK - Useiten Kysytyt kysymykset
Suunnittelu alkaa aina toteutettavuuden arvioinnista: onko hanke teknisesti ja taloudellisesti järkevä? Tärkeimpiä lähtökohtia ovat verkkoliityntä, maaperän soveltuvuus ja alueen säteilyolosuhteet.
Verkkoliityntä vaikuttaa suoraan kustannuksiin ja tekniseen toteutukseen. Liityntäpisteen sijainti, jännitetaso ja toteutustapa (kaapeli vai ilmajohto) voivat muuttaa hankkeen kustannuksia miljoonilla euroilla.
Keskeisiä komponentteja ovat aurinkopaneelit, invertterit ja muuntamot. Niiden valinta vaikuttaa tuotantotehoon, huollettavuuteen ja järjestelmän luotettavuuteen. Suomessa suositaan usein string-inverttereitä.
Sähköinen suunnittelu on iteratiivinen prosessi, jossa huomioidaan verkkoliitynnän rajoitteet tai maa-alan koko. Tavoitteena on optimoida järjestelmä niin, että se tuottaa mahdollisimman paljon energiaa kustannustehokkaasti ja täyttää kaikki tekniset vaatimukset.
Kuinka voimme auttaa?
Despro toimii aurinkovoimahankkeissa luotettavana kumppanina koko projektielinkaaren ajan. Meille on kertynyt jo laajalti kokemusta hankekehitysvaiheessa yli 5000 MW hankkeesta ja rakennusvaiheesta yli 300 MW hankkeesta – Tarjoamme kaikki tarvittavat palvelut toimivan ja kannattavan järjestelmän suunnitteluun!
KIRJOITTAJA
Iko Järnberg toimii Desprolla kehitysjohtajana uusiutuvan energian parissa. Hänellä on yli kymmenen vuoden kokemus tuuli-, aurinko- ja akkuhankkeista – takana yli 50 suunnitteluprojektia ja pääurakointivastuu kymmenessä tuulivoimalaitoksessa.
