Bright future for PV solar power - this article outlines why PV-engine hybrids are the optimal solution for the variations in solar irradiance.

Aurinkoenergian kirkas tulevaisuus

Auringon säteilyvoimakkuuden vaihtelut, jotka aiheuttavat yllättäviä huippuja ja laskuja aurinkoenergian tuotannossa, ovat haaste runkoverkoille ja operaattoreille. Wärtsilä tarjoaa tähän haasteeseen runkoverkkoon sopivia Smart Power Generation -ratkaisuja. Aloittaessaan nyt aurinkoenergialiiketoiminnan Wärtsilä voi tarjota kokonaisvaltaisen ratkaisun sekä saarikäyttöön että runkoverkon ulkopuolisiin kohteisiin. Tässä artikkelissa kerrotaan, miksi aurinkoenergiaa ja polttomoottoreita käyttävät hybridivoimalat ovat optimaalinen ratkaisu aurinkoenergian haasteisiin.


Vaikka aurinkoenergian käyttö kasvaa jo eksponentiaalisesti, analyytikot sanovat, että suurin buumi on vasta edessä. Bloomberg New Energy Finance -tutkimusorganisaation mukaan suurten aurinkoenergiajärjestelmien asennuskanta kasvaa noin 100 gigawatista 450 gigawattiin vuosien 2015 ja 2025 välillä. Suurimman osan kasvusta ennustetaan tulevan kehittyviltä markkinoilta Afrikasta, Lähi-idästä, Latinalaisesta Amerikasta ja Aasiasta.

Wärtsilä on toimittanut noin 60 gigawatin edestä voimalaitoksia 176 maahan. Lisäksi yritys on hyvin edustettuna eräillä maailman alueilla, joilla on todettu olevan paras potentiaali aurinkoenergian tuotannolle, mukaan lukien Afrikka, Lähi-itä, Latinalainen Amerikka ja Kaakkois-Aasia. Tämän segmentin ainoana todellisena globaalina toimijana Wärtsilä erikoistuu laitosmittakaavan projekteihin, joihin sisältyy suunnittelu, hankinta ja rakennustyöt (Engineering, Procurement and Construction, EPC) kokonaisuudessaan.

Wärtsilä alkaa nyt hyödyntää aurinkoenergiamarkkinoilla tietotaitoa, joka on hankittu rakentamalla satoja polttomoottoripohjaisia voimalaitoksia yli 100 maahan. Se keskittyy edelleen asiakkaisiin, joilla on suuren mittakaavan aurinkoenergiavaatimuksia, mukaan luettuna laitokset, itsenäiset sähköntuottajat ja teollisuusasiakkaat. Wärtsilän portfolioon sisältyvät itsenäiset aurinkoenergiaratkaisut, aurinkoenergian ja polttomoottorit yhdistävät hybridiratkaisut ja jälkiasennetut hybridiratkaisut. Pääasiallinen kohdemarkkina ovat yli 10 megawatin aurinkovoimalat.

Sen lisäksi, että Wärtsilä toimittaa täydellisen suunnittelun, hankinnan ja rakennustyöt aurinkovoimaloille ja aurinkoenergian ja polttomoottorit yhdistäville hybridivoimaloille, se pystyy myös antamaan tukea projektin kehittämisessä ja rahoituksen järjestämisessä. Wärtsilä Development and Financial Services (WDFS) on maailmanlaajuinen tiimi, jolla on laaja kokemus itsenäisten sähköntuottajien projektien kehittämisestä ja yhteistyöstä. Palvelu sisältää nyt myös itsenäisetä aurinkovoimat, aurinkoenergian ja polttomoottorit yhdistävät hybridivoimalat ja jälkiasennetut hybridivoimalat. WDFS voi ottaa kehittämisriskin ja tarjota monia kehitys- ja rahoituspalveluita.

Kuinka selvitä vaihteluista?

Aurinkoenergian edut, kuten polttoainesäästöt ja saasteiden väheneminen, puhuvat puolestaan, mutta teknologian suurin ongelma on sen epävakaa kapasiteetti, jonka aiheuttaa säteilyn puuttuminen yöllä tai pilvisinä päivinä. Paras keino tasapainottaa näitä vaihteluita on sijoittaa aurinkoenergian ja polttomoottorit yhdistävään hybriditekniikkaan itsenäisen aurinkovoimalan sijaan.

Itsenäinen aurinkovoimala on yksinkertainen, kestävä tekninen ratkaisu, joka vaatii vain vähän huoltoa ja jonka avulla voimalan operaattorit voivat tuottaa sähköä ilman polttoainekustannuksia. Itsenäinen aurinkovoimala on hyvä vaihtoehto, jos voimala syöttää sähköä paikalliseen verkkoon tai runkoverkkoon, joka on riittävän suuri tai jossa käytetään joustavaa voimantuotantoa, jotta selvitään aurinkovoimalan tuotannon vaihteluista. Suurin osa sähkövoimaloista kuitenkin vaatii tasaisen sähkövirran ja tässä tapauksessa itsenäinen aurinkovoimala ei ole ihanteellinen. Tämä johtuu siitä, että aurinkovoimalat tuottavat energiaa vain päivällä, kun aurinko paistaa. Jos varavoimantuotantoa tai varastointiratkaisua ei ole, yötuotanto on nolla.

Luotettava ratkaisu

Aurinkoenergian ja polttomoottorit yhdistävä hybridivoimala koostuu aurinkovoimalasta ja Wärtsilä Smart Power Generation -voimalasta, jossa on useita polttomoottoreita, jotka toimivat millä tahansa kaasu- tai nestepolttoaineella biopolttoaineet mukaan luettuina. Aurinkoenergian ja polttomoottorit yhdistävien hybridivoimaloiden tärkeimpiä etuja on se, että ne ovat yhtä luotettavia kuin tavallinen lämpövoimala, mikä tekee niistä mielenkiintoisen ratkaisun pienille runkoverkoille ja -saarikäyttöön tai runkoverkon ulkopuolisiin kohteisiin.

Hybridivoimalan polttomoottori- ja aurinkoenergiayksiköt on synkronoitu niin, että aurinkoenergiamoduuleilla on prioriteetti, mutta polttomoottorit tukevat niitä. Aina kun on riittävästi aurinkosäteilyä niin, että aurinkoenergiamoduulit voivat tuottaa sähköä, moottorit ajetaan alas tai pysäytetään. Kun pilvet peittävät auringon tai aurinko on laskenut, ne käynnistetään jälleen. Tämän tuloksena polttoainetta ei kulu niinä MW-tunteina, jolloin sähkö tuotetaan aurinkovoimalasta, mutta moottorit ovat aina käytettävissä tärkeän perustason tuottamiseksi.

Uusi rakennus vai jälkiasennus?

Wärtsilän aurinkoenergian ja polttomoottorit yhdistävät hybridivoimalat voidaan toteuttaa uudisrakennuksina, joissa sekä polttomoottorivoimala että aurinkovoimala ovat uusia, tai jälkiasennuksina, jolloin aurinkovoimala lisätään olemassa olevaan polttomoottorivoimalaan.

Sekä jälkiasennusten että uudisrakennusten soveltuvuus riippuu samasta taloudellisesta logiikasta: vaikka lisäksi rakennettavan aurinkovoimalan käyttöomaisuusinvestoinnit (Capex) ovat suuremmat, ne voidaan korvata pienentyneillä toimintamenoilla (Opex), kun polttoaineenkulutus pienenee.

Hybridivoimalasta tulee taloudellisesti kannattava, kun aurinkovoimalan avulla säästetty polttoaineen arvo elinkaaren aikana ylittää aurinkovoimalan kokonaisinvestoinnin. Jos polttoainekustannukset ovat yli tämän kannattavuusrajan, aurinkoenergiaa ja polttomoottoreita käyttävä hybridivoimala on soveltuvampi kuin vertailuun käytetty lämpövoimala yksistään. Lisäksi hybridivoimalat mahdollistavat synergioiden hyödyntämisen jaetusta Opexista ja Capexista hyödyntämällä samaa liitäntäkohtaa, sähkönjakelukeskusta, voimansiirtojohtoja ja henkilöstöä.

Smart Power Generation täydentää aurinkoenergiaa

Wärtsilän Smart Power Generation -järjestelmä soveltuu ihanteellisesti tuottamaan sähkön peruskuorman aurinkoenergian ja polttomoottorit yhdistävässä hybridivoimalassa, koska tällaisessa järjestelmässä on oltava moottorit, jotka ovat valmiit käynnistymään välittömästi. Toisin kuin kaasuturbiineihin ja/tai höyryturbiineihin perustuvat voimalat, jotka eivät ole kovin joustavia, Wärtsilän Smart Power Generation -voimalan moottorit ovat joustavia ja ne voi käynnistää sekä ajaa ylös ja alas nopeasti ja ne seuraavat kuormaa. Tämä on tärkeää, koska auringon säteily ja tuuli voivat lisääntyä hyvin nopeasti ja vähentyä yllättäen, minkä vuoksi on tärkeää voida tasapainottaa tämä mahdollisimman lyhyessä ajassa.

Jotta polttomoottorivoimala voi tasapainottaa aurinkovoimalan tuottaman sähkön välittömästi ja tarkasti, voimaloiden välille tarvitaan liitäntäjärjestelmä. Pienissä järjestelmissä tai saarikäytössä moottoriautomaatiojärjestelmä säädetään toimimaan samanaikaisessa tilassa niin, että se ajetaan ylös ja alas, jotta taajuus pysyy vakaana, kun auringon säteilyn määrä vaihtelee. Automaatiojärjestelmä voidaan myös säätää ylläpitämään hybridivoimalan MW-tuotosta säätelemällä moottorin tehoa, kun auringon säteilyn määrä vaihtelee. Loistehon tuotantoa varten aurinkovoimalan loisteho voidaan pitää vakaana vaihtosuuntaajan ohjauksessa, kun taas moottorit tasapainottavat koko voimalan loistehon.

Aurinkovoimalan tekniset haasteet

Jordanian pääkaupungissa Ammanissa sijaitseva AES Jordan -energiayhtiö on hyödyntänyt Wärtsilän kykyä toimittaa suuria aurinkovoimaloita. Vuonna 2014 Wärtsilä toimitti AES Jordanille Smart Power Generation -voimalan, joka koostuu 16 Wärtsilän 50DF-moottorista, ja viime vuoden huhtikuussa yritykset allekirjoittivat aiesopimuksen aurinkovoimalan rakentamisesta. Wärtsilän EPC-kokonaisuus sisältää 52 MW aurinkoenergiamoduuleja, jotka kattavat 81 hehtaarin alueen, sekä vaihtosuuntaajia, kytkinlaitteiston, ohjausjärjestelmiä ja jännitteenkorotusmuuntajia.

Aurinkovoimalat vaativat yleensä melko paljon tilaa, vähintään yhden hehtaarin megawattia kohti. Tämän vuoksi tämän kokoluokan EPC-projektin eniten työvoimaa vaativa vaihe on maa- ja vesirakennus.

Toinen EPC-projektin keskeinen tekijä ovat sähkötyöt, jotka vaaditaan paneeleiden liittämiseksi kaapelointiin, vaihtosuuntaajiin ja muuntajiin.

Wärtsilän aurinkovoimala koostuu aurinkopaneeleista, sähkökaapeloinnista, vaihtosuuntaajista, kytkinlaitteistosta, hallintajärjestelmistä ja muuntajista. Wärtsilä ei valmista paneeleita, vaan ne hankintaan globaaleilta Tier 1 -aurinkopaneelivalmistajilta. Aurinkopaneelit asennetaan rakenteeseen, jota pitävät ylhäällä maahan juntatut tolpat. Mm. tuuliolosuhteet ja maaperän ominaisuudet vaikuttavat järjestelmän suunnitteluun . Paneelit liitetään sarjana, jotta jännite kasvaa oikealle tasolle vaihtosuuntaajalle. Sarjana olevat paneelit asennetaan riviin ja paneeliketjut liitetään lähtevään tasavirtakaapeliin. Jos yksittäistä ketjua on valvottava, muutaman rivin ketjut liitetään haaroitusrasioihin, joista tasavirta poistetaan. Wärtsilän aurinkovoimalat koostuvat modulaarisesta kokoonpanosta optimaalisesti sijoitettuja rivejä, joissa paneelit liitetään keskitettyihin vaihtosuuntaajiin. Optimaalinen kaapeloinnin sijoittelu ja jännitetasot ovat tärkeimpiä parametreja aurinkovoimalan suunnittelussa.

Wärtsilä pystyy toimittamaan kahden tyyppisiä aurinkopaneelijärjestelmiä. Ensimmäinen, joka on yleisin, on kiinteästi kallistettu asennusjärjestelmä, mikä tarkoittaa aurinkopaneeleita, jotka on asennettu kiinteään asentoon aurinkoon nähden. Toinen vaihtoehto on yksiakselinen aurinkoseurantaratkaisu, jossa aurinkopaneelit asennetaan akselille, joka muuttaa kaltevuuskulmaansa päivän aikana. Näin taataan, että paneelit ovat aina optimaalisessa kulmassa aurinkoon nähden.

Pääseurantajärjestelmä on yksiakselinen seuranta, jossa paneelit seuraavat aurinkoa idästä länteen päivän aikana. Seurantajärjestelmä voi parantaa paneeleiden energiatehokkuutta 15–20 prosenttia tai jopa enemmän tietyissä tapauksissa. Huonona puolena on, että tilantarve kasvaa yli 50 prosenttia asennettua MWdc:tä kohti.

Aurinkoenergiahybridin soveltuvuustutkimus

Wärtsilän jonkin aikaa sitten tekemässä soveltuvuustutkimuksessa arvioitiin taloudellisia perusteluita jälkiasentaa olemassa olevaan polttomoottorivoimalaan aurinkovoimala aurinkoenergiaa ja polttomoottoreita käyttävän hybridivoimalan luomiseksi.

Tutkimuksessa tutkittiin 25 vuoden jaksolla teoreettista Filippiineillä sijaitsevaa 70 MW:n polttomoottorivoimalaa, joka toimii kevyellä polttoöljyllä ja johon jälkiasennetaan 20 MW:n aurinkovoimala. Tutkimuksessa käytettiin kevyen polttoöljyn historiallista viiden vuoden keskimääräistä hintaa polttoainesäästöjen laskemiseen ja siten aurinkovoimalaan tehdyn sijoituksen takaisinmaksuajan laskemiseen. Projektin diskontatun takaisinmaksuajan todettiin vaihtelevan noin kuudesta yhdeksään vuoteen aurinkovoimalalle oletetusta kapasiteettitekijästä (säteilytasot) riippuen. Säteilymäärän korkein taso tuotti lyhyimmän takaisinmaksuajan, kun taas alhaisemman säteilymäärän seurauksena oli alhaisempi aurinkoenergiatuotanto ja siten pidempi investoinnin tuotto.

Soveltuvuustutkimus osoittaa, että jälkiasennettu aurinkovoimala on taloudellisesti toteuttamiskelpoinen sijoitus, joka maksaa hyvin itsensä takaisin käyttöaikanaan – vaikkakin takaisinmaksuaika riippuu polttoaineen kustannuksista tulevaisuudessa. Kevyellä polttoöljyllä tai dieselillä toimivien voimaloiden tapauksessa takaisinmaksuaika on lyhyempi polttoaineen korkeamman arvon vuoksi verrattuna esimerkiksi raskaaseen polttoöljyyn.

On kolme tärkeää tekijää, jotka määräävät aurinkoenergiaa ja polttomoottoreita käyttävien hybridivoimaloiden kannattavuuden. Capex: alhaisempi Capex parantaa kannattavuutta; energiatuotto:  kannattavuutta parantaa korkeampi tuotto; ja lopuksi polttoaineen hinta: polttoaineen korkeampi hinta lisää polttoainesäästöjen arvoa ja siten nopeuttaa tuottoa sijoitetulle pääomalle.

Nykyiset markkinatrendit suosivat aurinkovoimaloita ja aurinkoenergiaa ja polttomoottoreita käyttäviä hybridivoimaloita. Kun aurinkovoimaloiden pääomakustannukset laskevat edelleen samalla, kun tehokkuudet ja tuotot paranevat, takaisinmaksuajat lyhenevät, mikä tekee aurinkovoimaloista ja aurinkoenergiaa ja polttomoottoreita käyttävistä hybridivoimaloista yhä käyttökelpoisempia.

Tällä hetkellä aurinkopaneeleiden osuus aurinkovoimalan EPC-kokonaiskustannuksista on noin 50 prosenttia, kun vain muutama vuosi sitten se oli jopa kaksi kolmasosaa. Kun aurinkopaneeleiden hinta laskee edelleen samalla, kun niiden tehokkuus vähitellen paranee, aurinkovoimaloista ja aurinkoenergiaa ja polttomoottoreita käyttävistä hybridivoimaloista tulee tulevina vuosina yhä kilpailukykyisempiä.
© 2018 Wärtsilä