Käynnissä oleva energiamurros vaatii kaikilta sähköjärjestelmän osilta lisää joustavuutta. Energian kysynnän ja tuotannon vaihdellessa tulevaisuudessa yhä enemmän energian varastoinnin merkitys jatkuvasti kasvaa oli sitten kysymys sähköstä tai lämmöstä. Akkujen yleistyessä myös niiden rooli lyhytaikaisessa varastoinnissa kasvaa. Tässä jutussa käydään läpi perusasiat akkujen käytöstä sähkön pientuotannon yhteydessä.
Tässä jutussa käsitellään akkujärjestelmiä, jotka toimivat sähkön pientuotannon (aurinko, tuuli, bio jne.) yhteydessä ja ne ovat sähköverkkoon kytkettyjä järjestelmiä. Käsiteltävät aiheet ovat: mistä komponenteista järjestelmä koostuu, mihin käyttötarkoituksiin akkujärjestelmä sopii parhaiten ja akkujärjestelmien yleisyys ja tulevaisuus. Akkujärjestelmän taloudellisesta kannattavuudesta tulee oma juttunsa, joten tässä jutussa aihetta käsitellään ainoastaan pintapuolisesti.
Mitä komponentteja tarvitaan, kun akkujärjestelmä otetaan käyttöön?
Haastattelin Aurinkoinsinöörit Oy:n Thomas Lindneriä ja pyysin häntä kuvaamaan järjestelmän eri komponentit. Aurinkoinsinöörit Oy mm. tuo maahan Tesvolt:n akkujärjestelmiä. ”Akkujärjestelmä voidaan hankkia samassa yhteydessä kuin sähkön pientuotantolaitos tai olemassa olevaa pientuotantolaitosta voidaan täydentää akkujärjestelmällä myöhemmin. Sekä pientuotantolaitos että akku tarvitsevat omat invertterit muuttamaan tasavirran (DC) vaihtovirraksi (AC) ja päinvastoin.
Komponentti, joka laittaa kokonaisuuden toimimaan on akun käyttöä ohjaava laite ohjelmistoineen. Tämä komponentti ohjaa miten ja milloin akkua on järkevää ladata: ainoastaan pientuotannosta tulevalla sähköllä/ei koskaan verkosta tulevalla sähköllä/verkosta tulevalla sähköllä, kun se on halpaa. Lisäksi akun ollessa täynnä, pientuotannon sähköä ohjataan kulutukseen ja sen jälkeen ylijäämä verkkoon. Toinen päätoiminto on ohjata akkuun ladatun sähkön käyttöä, esim. kesäyöinä puretaan akkuja omaan kulutukseen. Kolmas tärkeä toiminto on huolehtia ja maksimoida akkujen elinikä, esim. ettei niitä pureta aivan tyhjäksi, että latausaste säilyy valmistajan määrittämissä raja-arvoissa ja että myös lataussyklien määrä pysyy valmistajan määrittämissä raja-arvoissa . Näissä järjestelmissä akut ovat litium-pohjaisia, eivät lyijyakkuja.”
Alla olevassa kuvassa tarvittavat järjestelmän komponentit ja niiden väliset kytkennät karkealla tasolla.
Lainsäädännön suhteen sähkömittarin taakse kytketty akkujärjestelmä tulkitaan olevan ”voimalaitoksen osa”, joten sääntely on sama kuin pelkän pientuotantolaitteiston tapauksessa. Yhteenveto erityyppisistä säännöistä löytyy artikkelista Sähkön pientuotannon myyttejä murrettuna.
Tässä vaiheessa on hyvä mainita, että pelkkä akkujärjestelmä ei mahdollista kulutuskohteelle saarekekäyttöä. Eli jos haluaa varmistaa sähkön saannin sähkökatkon aikana, on hankittava lisäksi säädöksien mukainen saarekekäytön mahdollistava kytkin ja saarekekäyttöä ohjaava laitteisto. Tämä laitteisto irroittaa kulutuskohteen turvallisesti sähköverkosta sähkökatkon tapahtuessa, antaa akkujärjestelmän ohjauslaitteelle käskyn toimia ja lopuksi kytkee kulutuskohteen takaisin sähköverkkoon sähkökatkon jälkeen. Saarekekäytöstä on syytä tarkentaa, että se pelkästään ei takaa täysin jatkuvaa sähkön saanti, koska kytkennät tapahtuvat muutaman sekunnin viiveellä. Kun vaatimus on katkeamaton sähkön saanti – sairaalat, tietokonekeskukset, niin UPS-laitteisto hoitaa sen vaatimuksen.
Mihin tarpeeseen akkujärjestelmä sopii parhaiten?
Akkujen paras käyttötarkoitus/-kohde vaihtelee käyttäjäryhmän mukaan. Maatila – esimerkiksi maitotila – haluaa turvata sähkön saannin. Yritys voi hallita tehopiikkejä, joita syntyy esim. tuotantolaitteiston käynnistyksen yhteydessä. Pientalo taas hyödyntää akkuja oman tuotannon kulutuksen maksimointiin ja talviaikaan hyödyntää spot-hintojen päivän sisäisiä eroja (ladata halvalla sähköllä ja purkaa kalliin sähkön aikaan). Asunto-osakeyhtiössä akulla voidaan hoitaa vaikka sähköautojen lataus (linkki Tesvoltin ratkaisuun).
Kaiken tyyppisten pientuotantolaitteistojen yhteydessä on tärkeää mitoittaa sähköntuotanto oman kulutuksen mukaan. Akkujärjestelmän kanssa käytetään samaa periaatetta, mutta mitoituksessa suunnitellaan tehon lisäksi akun kapasiteetti. Kun kerralla hankitaan sekä akku- että pientuotantolaitteisto, saadaan myös pientuotantolaitteiston mitoitukseen lisätietoja. Akkujärjestelmien toimittajilla on ohjelmistoja, joilla löydetään juuri tilanteeseen ja käyttötarpeeseen parhaiten soveltuva järjestelmän kokoonpano.
Akkujärjestelmien yleisyys ja yleistyminen
Kiinnostus akkujärjestelmiin on viime aikoina kasvanut merkittävästi. Taustalta löytyy lisääntynyt tieto akkujen hyödyistä ja monista uusista käyttökohteista sekä vilkas – välillä liiankin vilkas – keskustelu sähkön ja sähkönsiirron hintojen noususta. Toisaalta keskusteluissa ei oteta huomioon akkujen tarvitsemien raaka-aineiden riittävyyttä tai akkujen kapasitettia suhteutettuna käyttökohteen kapasiteetin tarpeeseen, josta löytyy mainio esimerkki kirjoituksessa How much storage does the ”Energiewende” need?. Uusien akkuteknologioiden teknistä kehitystä tapahtuu paljon, mutta on muistettava että matka ja aika keksinnöstä sen laajaan kaupalliseen käyttöön on pitkä ja kivinen.
Nykyään akkuja on jo käytössä varsin laajasti erilaisissa varavoimajärjestelmissä. Näissä tapauksissa tavoite on estää sähkökatkon aiheuttama laitteiston – esimerkiksi sairaalan laitteistot, tietokonekeskukset, tietoliikennetukiasemat – hallitsematon sammuminen, jotta laitteisto voidaan hallitusti sammuttaa ja/tai antaa sähköntuotannon varajärjestelmälle aikaa käynnistyä. Nämä ovat olleet lyijyakkuihin pohjautuvia akkujärjestelmiä, jotka eivät ominaisuuksien puolesta sovellu nykyisiin käyttökohteisiin.
Käynnissä oleva energiamurros vaatii kaikilta sähköjärjestelmän osilta lisää joustavuutta. Energian kysynnän ja tuotannon vaihdellessa tulevaisuudessa yhä enemmän energian varastoinnin merkitys jatkuvasti kasvaa oli sitten kysymys sähköstä tai lämmöstä. Akkujen yleistyessä myös niiden rooli lyhytaikaisessa varastoinnissa kasvaa, mutta lähtökohtaisesti tulee kuitenkin muistaa, että akut eivät ole nykyisin suurimittaisen – eikä pitkäaikaisen – energiavarastoinnin muoto eivätkä ne pysty taloudellisesti kilpailemaan esimerkiksi vesi- ja pumppuvoimaloiden kanssa.
Suuret akut sähköjärjestelmän osana
Suurien akkujen (MWh-kokoluokka) käytöstä on Suomessa kokemuksia mm. Helenillä, Fortumilla ja Siemensillä. Näiden akkujen käyttökohteet ovat mm. sähköjärjestelmän taajuussäätö, johon akut soveltuvat erittäin nopean reaktiokyvyn ansiosta paljon paremmin kuin nykyiset teknologiat. Tämän kokoluokan akkujen rooli sähköjärjestelmän toiminnan varmistamisessa (kanta- ja siirtoverkkotasolla) on kasvamassa ja tarjoaa vaihtoehtoja nykyisin käytetyille teknologioille.
Tämän kokoluokan ja käyttötarkoituksen akkujen käyttöä helpotti ja taloudellista kannattavuutta paransi vuoden 2019 alusta tulleet veromuutokset: sähkövarasto osana sähköjärjestelmää (vuoden 2019 alusta) ja veroton sähkövarasto (huhtikuun 2019 alusta).
Hintatasosta voi antaa suuntaa antavat arviot (elokuu 2019, Thomas Linder) akkujärjestelmien avaimet käteen toimituksista:
- Sähköjärjestelmän osana toimivat isot MWh-kokoluokan järjestelmät: 600 000 €/MWh (tai 600 €/kWh). Suomessa yrityksille on lisäksi tarjolla TEM:n energiatuki tällaisiin investointeihin, joka parantaa kannattavuutta merkittävästi.
Pienemmät akut ovat nykyään varsin harvinaisia asuintaloista, yrityksissä ja maatiloilla
Pienempien akkujen (kWH-kokoluokka) osalta tunnetuin ja tällä hetkellä varmaan yleisin uusi käyttökohde on hybridi- ja sähköautojen energialähteenä. Sähkön pientuotannon tukena akkuja löytyy vielä erittäin vähän, samoin kokonaan sähköverkosta irrotettuja käyttökohteita ei löydy montaa. Sähkön hintavaihteluiden kustannusten vähentämisessä akuilla on rooli, jos hintavaihtelut kasvavat merkittävästi yhden päivän sisällä. Jos keskustelun kohteena oleva sähkönsiirron tehopohjainen maksu tulee käyttöön, pientalojen osalta tehopiikkien poisto tulee olemaan kiinnostava käyttökohde.
Akkujärjestelmien hinnat ovat nykyään vielä korkeat, sähkön hinta alhainen ja sähkön hintavaihtelut pienehköjä, jolloin taloudellisen kannattavuuden saaminen halutulle tasolle on haastavaa. Tämä pitää erityisesti paikkansa, kun tavoitteena on pientuotannon maksimaalinen käyttö omaan kulutukseen. Tilanne on parantumassa, sillä akkujärjestelmien hinnat kaikissa kokoluokissa ovat laskeneet ja jatkavat laskua.
Hintatasosta voi antaa suuntaa antavat arviot (elokuu 2019, Thomas Linder) akkujärjestelmien avaimet käteen toimituksista:
- Koti- ja maatalouskokoluokan järjestelmät: 1 000 €/kWh.
- Yrityskokoluokan järjestelmät: 700 €/kWh.
Sääntelyn hidasteet, puutteet ja esteet
Sähkön pientuotannon ja sähkön varastoinnin yleistymisessä on yksi valuvika sääntelyssä: ns. tunnin sisäisen netotuksen puuttuminen (muokattu 8.6.2020 Vihdoinkin: tunnin sisäinen netotus toteutuu ja asunto-osakeyhtiöt pääsevät nauttimaan aurinkosähkön hedelmistä). Yksinkertaisesti esitettynä se tarkoittaa sitä, ettei sähkölaskun ostetun sähkön määrään lasketa kaavalla ”tunnin aikana kulutettu sähkö miinus itse tuotettu määrä” (perusteellisempi kuvaus asiasta), vaan merkittävä osa omasta tuotannosta tulkitaan ”ylijäämän myynniksi”. Tämä tulkinta heikentää pientuotannon taloudellista kannattavuutta, koska tässä tilanteessa joutuu myymään ylijäämän halvalla (n. 4 snt/kWh) sen sijaan että ylijäämäsähkö korvaa kallista ostosähköä (n. 15 snt/kWh). Tämä sama ongelma pätee myös akkujen yhteydessä, kun akkua puretaan kulutukseen.
Playgreen Finlandin toimitusjohtaja Jouni Penttinen “Olemme toimittaneet useita kymmeniä älykkäitä energiavarastoratkaisuita. Ne ovat jakautuneet karkeasti ottaen näin: haja-asutusalueille energiavarastoksia ja varavoimaksi sähkölaitteille ja taajama-alueille pientuotannon varastointiin ja omavaraisuuden parantamiseen“. Jouni jatkaa “Tunnin sisäisen netotuksen yhä puuttuessa, akkujen hankintaa suosittelen ainoastaan niiden verkkoyhtiöiden alueille, joissa on vaiheiden välinen netotus käytössä. Tällöin energiavarasto voidaan tehdä 1- vaiheisena. Akkujärjestelmän etuna on myös se että aurinkosähköjärjestelmän voi mitoittaa isommaksi jolloin sen €/W kustannus on edullisempi.”
Lisäksi yksi hidaste löytyy alan tuoreudesta. Tässä artikkelissa käsitellyn kokoluokan akkujen maahantuojat eivät ole vielä järjestäytyneet tuottajayhteisöön, joten tuottajavastuun (”akkujen maahantuojien ja valmistajien velvollisuuteen hoitaa tuotteidensa jätehuolto, kun ne poistuvat käytöstä”) edellyttämien vastuiden ja tehtävien hoito on jokaisen maahantuovan yrityksen itse hoidettava. Sähköautojen ajovoima-akuille tuottajayhteisö on juuri perustettu, joten odotettavissa on että myös tämä kokoluokan litiumioniakuille syntyy vastaava tuottajayhteisö. Lisäksi vielä puuttuva litiumioniakkujen kierrätys tullaan toteuttamaan lähitulevaisuudessa, jolloin riski raaka-aineiden loppumisesta pienenee.
Lue lisäksi Akut ja hajautettu pientuotanto – taloudellinen kannattavuus.
Kirjoittaja
Tapio Tuomi
Suomen Lähienergialiitto ry
tapio(at)lahienergia.org
Lähteet ja lisätietoja
Haastattelut: Thomas Lindner (Aurinkoinsinöörit Oy), Jouni Penttinen (Playgreen Finland Oy)
Lisätietoja akkujen verokäsittelystä: Sähkön varastointi saa oman, tunnustetun roolinsa energiaverotuksessa
Lisätietoja akkujen käytöstä Suomessa: Akkujen merkitys kasvaa: milloin, miten ja millä edellytyksillä? – suomalaisten toimijoiden näkemyksiä vuoden 2018 alussa
Tilaisuuden 11.12.2018 ”Miten toimia akku-asian kanssa juuri nyt” esitysaineistot: Sähkövarastojen käytön kasvu ja käyttökohteiden monipuolistuminen helpottuu lakimuutoksen avulla
Koskela, Juha & Rautiainen, Antti & Järventausta, Pertti, 2019: ”Using electrical energy storage in residential buildings – Sizing of battery and photovoltaic panels based on electricity cost optimization,” Applied Energy, Elsevier, vol. 239(C), pages 1175-1189.
EL-TRAN -hankkeen policy brief: ”Sähkön varastointi edistää aurinkosähkön pientuotantoa”
Diplomityö Siilin, Kristiina (2019): ”Asiakkaiden sähkövarastojen joustomahdollisuudet energiayhtiölle ja jouston asiakasarvolupaukset”
Energiateollisuus ry:n ohje: Tekninen liite 1 ohjeeseen sähköntuotantolaitoksen liittäminen jakeluverkkoon – nimellisteholtaan enintään 100 kva laitoksen liittäminen
