Aurinkosähköakuston teknillinen ja taloudellinen optimointi

Abstract

Kotitalouden aurinkosähköjärjestelmän yhteydessä toimiva sähkökemiallinen energiavarasto on tehokas keino kohteen energiankulutuksen ja -tuotannon eriaikaisuuksien tasapainotta-miseksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan aurinkosähkön ja sähkökemiallisen energiavaraston yhteistoimintaa, sekä esitetään perusteet aurinkosähköakuston toiminnan optimoimiseksi. Työn tavoitteena on selvittää aurinkosähköakuston toimintaperiaatteet ja suomalaisilla markkinoilla olevat teknologiavaihtoehdot, sekä esittää järjestelmäkokonaisuuden optimaaliset mitoitusperi-aatteet loppukäyttäjän motiiveihin perustuen. Diplomityön alkuosion kirjallisuustutkimuksessa perehdytään sähkökemiallisen energiavaras-ton toimintaperiaatteeseen ja vertaillaan eri teknologiavaihtoehtojen tärkeimpiä ominaisuuksia. Työssä keskitytään erityisesti laajalti käytössä olevien eri litiumakkuteknologioiden ominaisuuk-sien vertailuun. Kirjallisuustutkimusosa käsittelee myös aurinkosähköakuston eri komponenttien tehtäviä ja toimintaperiaatteita, sekä energiavaraston asettamia vaatimuksia rajapinnassaan toimiville kokonaisuuksille, kuten aurinkopaneeleille, sähköverkolle ja kulutusprofiileille. Työn kir-jallisuusosion tarkoituksena on kuvata sähkökemiallisen energiavaraston toimintaa osana koh-teen aurinkosähköjärjestelmää suomalaisissa olosuhteissa. Diplomityön tutkimusosion tarkoituksena on selvittää aurinkosähköakuston loppukäyttäjälleen luomat aineelliset ja aineettomat hyödyt, sekä antaa perusteet optimaalisen energiavarastova-linnan määrittämiseksi. Aurinkosähköakuston käyttäjälleen tuomat hyödyt muodostuvat omava-raisuuden kasvattamisesta ja uusiutuvan energian käytön lisäämisestä, sekä energiavaraston käytön muodostamista taloudellisista hyödyistä. Omavaraisuuden kasvattaminen perustuu au-rinkosähköakuston keskeiseen toimintaperiaatteeseen, jossa aurinkosähköjärjestelmän tuotta-ma ylituotanto varastoidaan kohteen energiavarastoon verkkoon myymisen sijasta, ja varastoitu energia käytetään kohteen energiankulutuksen kattamiseksi myöhempänä ajankohtana. Tähän perustuvat myös aurinkosähköakuston luomat taloudelliset hyödyt, jotka syntyvät myydyn yli-tuotannon ja ostosähkön erotuksesta. Järjestelmäkoon optimaalinen mitoittaminen perustuu kohteessa muodostuvan ylituotannon ja kohteen energiakulutuksen suhteeseen loppukäyttäjän motiivit huomioiden. Diplomityön tutkimusosiossa tarkastellaan myös aurinkosähköjärjestelmän yhteydessä toimivan sähkökemiallisen energiavaraston toimintaa kahden konkreettisen esi-merkkikohteen avulla. Kerätyn mittausdatan perusteella aurinkosähköakuston toimintaa voidaan tarkastella vuorokausi-, kuukausi- ja vuositasolla.

The cooperation between a household solar power system and an electrochemical energy storage is an efficient way to balance the differences between the supply and demand of the household energy system. In the master’s thesis the said cooperation is inspected together with the basic principle of an electrochemical energy storage system. The goal of this thesis is to examine the operation of an electrochemical energy storage, present the current technology variations in the Finnish market and to propose a way to optimize the electrochemical energy storage system to meet the end users’ criteria. In the literature review part of the thesis the basic principle of an electrochemical energy storage system is presented together with a comparison between different energy storage technologies. The main focus of the thesis is on Li-ion batteries and their main properties be-tween the most common li-ion technologies. The literature review part of the thesis also covers the main energy storage components and their basic operation principles, and the limitations the energy storage system sets for solar panels, energy grid and the customer energy profile. The goal of the literature review is to describe the cooperation between solar power system and electrochemical energy storage in Finnish circumstances. The goal of the research part of the master’s thesis is to find out the different benefits the electrochemical energy storage system offers for the end user, and to present the basic princi-ple for techno-economic optimization of a solar energy storage. The benefits for the end user are formed by the increased self-use of the locally produced energy, the increased share of re-newable energy usage and the economic benefits from using the energy storage. The increase in the self-use of the energy is explained by the main operation principle of a solar energy stor-age, where instead of selling the surplus solar energy, the energy is stored inside the energy storage element and used later on locally. The economic benefit follows the same phenomena, where the benefit is the price difference between the sold surplus energy and the energy pur-chased from the grid. The techno-economic optimization of a solar energy storage is based on the relationship between the surplus solar energy and the energy demand of the targeted loca-tion, taking in the account the end users’ criteria. The research section of the master’s thesis also includes an example case of two different solar power systems with a solar energy storage included. From the measurement data of the two example cases, the basic principle of the co-operation between a solar power system and an electrochemical energy storage can be exam-ined. The examination is executed in a timespan of a day, a month and a year.