Uusiutuvan energian käyttö pientalossa : kannattavuus- ja omavaraisuustarkastelu

Abstract

Tässä työssä tutkittiin pientalon sähkö- ja lämpöenergian tuottamista uusiutuvalla energialla. Tarkoitus oli selvittää, missä määrin itse tuotetulla uusiutuvalla energialla voidaan kattaa pientalon energiatarve. Lämpöenergian osalta tutkittiin maalämmön, aurinkolämmön ja puukattilajärjestelmän käyttöä. Sähköntuotannossa tutkitut vaihtoehdot olivat aurinkosähkö ja puukattilapohjainen Stirling-järjestelmä. Tutkimusta varten kuvitteelliselle uudisrakennuskohteelle laskettiin arvio energiantarpeesta. Kunkin energiantuotantomuodon taloudellista kannattavuutta verrattiin vaihtoehtoon, jossa koko energiantarve katettiin verkkosähköllä. Lisäksi tutkittiin sähköauton akun hyödyntämistä energiavarastona ja sähköauton käytön vaikutusta aurinkosähkön taloudelliseen kannattavuuteen.

Kannattavuuslaskelmien perusteella kaikki tutkitut energiantuotantomuodot ovat oikein mitoitettuina taloudellisesti kannattavia käytettäessä 30 vuoden tarkastelujaksoa. Energiaomavaraisuutta ei yhdelläkään järjestelmällä kuitenkaan saavuteta. Etenkin sähköntuotannossa ongelmana on tuotannon epätasaisuus. Aurinkosähkön tuotanto painottuu kesään ja Stirling-järjestelmän talveen. Stirling-järjestelmän sähköenergian tuotto riippuu kohteen lämmitysenergian tarpeesta, ja tutkitussa järjestelmässä sähkön tuotanto oli pientä suhteessa lämpöenergian tuotantoon. Aurinkosähkön tuotanto vaihtelee vuoden ja vuorokauden ajasta riippuen. Sähkön tuotannon vaihtelua voidaan tasata akustolla. Perinteisen erillisen akuston korvaaminen sähköauton akulla on kuitenkin ongelmallista, koska auto on usein ajossa päivällä, kun aurinkosähköä on eniten saatavilla. Myöskään valmiita edullisia kaksisuuntaisia latausjärjestelmiä ei markkinoilla ole vielä tarjolla, joten sähköauton akun käyttäminen varavoimana tai kohteen sähkönkulutuksen tasaamiseen on hankalaa. Sähköauto lisää kuitenkin kohteen sähkönkulutusta, mikä tekee myös suuremman aurinkosähköjärjestelmän hankkimisesta kannattavaa.

Lähimmäksi pientalon energiaomavaraisuutta lämmön osalta päästään puuenergialla. Sähköntuotannossa energiaomavaraisuuteen tarvitaan vielä uusia ratkaisuja. Lämmön ja sähkön yhteistuotannon mikrotason järjestelmillä voidaan omavaraisuusastetta lisätä, mutta sillä tuskin saavutetaan täydellistä omavaraisuutta. Aurinkosähkö on hyvä ratkaisu, vaikka sen parempi hyödyntäminen edellyttää energiavarastojen kehittymistä.

In this thesis production of electricity and heat from renewable energy sources was studied in a single-family house. The aim was to determine the extent of which self-produced renewable energy can cover the energy demand of a small detached house. The studied heating systems include geothermal and solar energy and a wood boiler system. The alternatives to the power generation were photovoltaic and wood boiler based Stirling generator. For the study an estimation of the energy demand of a fictitious new detached house was calculated. The economic viability of each form of energy production was compared to the alternative where the whole energy consumption was covered by electricity from the power grid. In addition, the use of an electric car battery as an energy storage and the impact of the use of an electric car on the economic viability of photovoltaic was studied.

Based on the calculations all the energy production forms studied are economically viable when using a 30-year review period. However, energy self-sufficiency is not achieved by any of the systems. Main issue in power generation is the irregularity of production. Solar power is mainly available in summer and the Stirling system is mainly used in winter. The power yield of the Stirling system depends on the heat consumption of the house and in the examined Stirling system the electricity production was small in relation to the heat energy production. The production of solar power varies depending on the time of day and year. Fluctuation in electricity production can be evened out by a battery. Replacing a traditional separate battery with an electric car battery is, however, problematic as during the highest solar power production in daytime the car is often in use. Besides, affordable, bidirectional charging systems are not yet available on the market. Therefore, it is difficult to use the electric car battery as backup power or for levelling the electricity consumption of the house. However, the electric car increases the total electric energy consumption, which makes the acquisition of a larger photovoltaic system profitable.

The best heating solution for pursuing energy self-sufficiency in a single-family house is wood energy. Regarding power generation, new solutions are still needed for energy self-sufficiency. Micro-scale CHP systems can increase the energy self-sufficiency ratio, but total self-sufficiency will hardly be achieved. Photovoltaics are a good solution, although better utilization requires further development of energy storages.