Verkkoon kytketyn aurinkovoimalan tuotto-optimoitu tuotantoprofiili eri sähkönhintaskenaarioilla

Abstract

Aurinkosähkövoimalan suunnittelussa on perinteisesti pyritty maksimoimaan voimalan energian tuotanto vuositasolla. Kun aurinkovoimala tuottaa sähköä myytäväksi verkkoon ja rahallinen tuotto määräytyy sähkön tuntikohtaisen spot-hinnan mukaan, maksimoitu vuosienergia ei välttämättä anna parasta taloudellista tuottoa. Aurinkosähkön tuotanto-osuuden kasvaminen laskee aurinkosähkön tuotannon aikaista sähkönhintaa. Ilmiötä kutsutaan aurinkosähkön kannibalisoitumiseksi (eng. solar cannibalization). Tässä työssä selvitetään, minkälaisella tuotantoprofiililla saadaan paras vuosituotto spot-hinnalla ja kuinka paljon sisäistä korkoa (eng. internal rate of return, IRR) voi parantaa tuotantoprofiilin optimoinnilla.

Kiinteällä paneelitelineellä aurinkovoimalan suuntaus- ja kallistuskulma vaikuttavat voimalan tuotantoprofiiliin eli tuotannon jakautumiseen ajallisesti. Työssä huomioidaan tuotantoprofiilin optimoinnissa myös tuotannon ohjaus eli mahdollisuus, että voimalan tuotanto voidaan ajaa alas negatiivisina hintatunteina. Aurinkovoimalan vuosituotto saadaan laskemalla yhteen vuoden ajalta tunneittain tuotannon ja sähkönhinnan tulo. Aurinkovoimalan tuotantoa simuloidaan tässä työssä käyttäen PVsyst-simulointiohjelmistoa. Sähkönhintana käytetään Nord Poolin Elspotin Suomen aluehintaa eli spot-hintaa vuosilta 2019–2023. Maksimoitu vuosituotto ratkaistaan ajamalla simulaatioita useilla voimalan suuntaus- ja kallistuskulmilla kunnes löydetään vuosituotoista suurin.

Työssä havaittiin, että spot-hinnoitellulle tuotannolle saa paremman vuosituoton suuntaamalla paneelit etelän sijasta eteläkaakkoon ja kallistamalla energiaoptimoitua tuotantoprofiilia jyrkempään kulmaan. Optimaaliset kulmat erkaantuvat energiaoptimoiduista kulmista aurinkosähkömarkkinoiden kannibalisoituessa. Samalla optimoinnista saatava hyöty kasvaa. Tuotto-optimointi paransi vuosituottoa 0,3 % – 1,3 % vuosina 2019–2023. Tuotto-optimointi parantaa kannattavuutta, mutta optimoinnin hyödyn täysimääräinen saavuttaminen voi olla teknisesti haastavaa.

Tulevaisuuden sähkönhintakehitystä arvioidaan työssä muokkaamalla vuoden 2023 sähkönhintaprofiilia. Tuotto-optimoitu tuotantoprofiili ratkaistaan ennusteskenaarioiden hintoja käyttämällä kuten se ratkaistiin toteutuneilla sähkönhinnoilla. Aurinkosähkömarkkinoiden kannibalisoituminen laskee aurinkovoimalan tuottoa ja lisää tuotantoprofiilin optimoinnista saatavaa hyötyä. Sähkön hintavolatiliteetin kasvu nostaa aurinkovoimalan tuottoa. Kun volatiliteetti kasvaa ja sähkömarkkinoiden hintajousto on heikkoa, aurinkosähköprofiili heikkenee ja optimoinnista saatava hyöty kasvaa. Kun volatiliteetti kasvaa ja hintajousto on voimakasta, aurinkosähköprofiili paranee ja optimoinnista saatava hyöty pienenee.

Solar power plant’s electricity generation is traditionally optimized to maximize its energy yield. If solar power is sold at day-ahead electricity markets where the electricity price is determined by the hour, maximizing energy yield might not correspond with the highest economic return. Increasing solar power share in the electricity generation decreases electricity prices during solar power generation. This phenomenon is called solar cannibalization. This thesis investigates what kind of electricity generation profile gives the highest revenue and how much internal rate of return can be increased via generation profile optimization at spot markets.

The azimuth and tilt angle of the fixed tilt solar power plant determine the distribution of generation as a function of time known as the generation profile. Power regulation is also considered in this thesis, that is, the production of a solar power plant can be ramped down when the electricity price is negative. Solar power plant’s revenue is calculated as a sum of the products of generation and price every hour over one year. In this thesis solar power generation is simulated with PVsyst simulation program. The electricity price is the Finnish area price of Nord Pools Elspot from the years 2019–2023. Optimal revenue is solved by simulating several azimuth and tilt angles till the greatest revenue is found.

The thesis shows that solar power plant operating at spot markets receives greater revenue by facing its panels south-southeast instead of south and utilizing a steeper tilt angle than an energy optimized angle would be. The revenue optimized angles are further away from energy optimized angles when the solar cannibalization is more remarkable. Additionally, the profit which can be obtained through optimization is increased. The profit from revenue optimization was on average 0.3 % – 1.3 % during the years 2019–2023. Revenue optimizing increases profitability but reclaiming the profits fully can be technically difficult to reach.

Future electricity price development is estimated in this thesis by modifying the electricity price profile of the year 2023. The revenue optimized generation profile in the future price scenarios is solved as with the realized prices. Solar cannibalization decreases the revenue of solar power and increases obtainable benefits from revenue optimization. The increment of electricity price volatility increases the revenue of solar power. When volatility increases and the elasticity of demand and production is low, value factor decreases and the obtainable benefit from revenue optimization increases. When volatility increases and the elasticity of demand and production is high, value factor increases and obtainable benefit from revenue optimization decreases.