Solar Electricity Utilization in Finland : An Hourly Comparison of Photovoltaic System Output Data and Simulated Building Electricity Load Profiles

Abstract

The goal of this thesis was to emphasize the importance of comparing photovoltaic (PV) elec-tricity production and building electricity load profiles on an hourly basis in order to assess the feasibility of grid-connected PV systems in Finland. The thesis also examined PV system sizing methods through the use of life-cycle cost (LCC) analysis. The main reason for conducting this study was the perceived lack of knowledge of the PV electricity utilization potential in Finland.

In the theoretical part of the study, solar electricity is reviewed as a science and the utilization potential in Finland is assessed. The main factors of PV system feasibility calculation are further discussed and LCC analysis parameters are determined.

The solar PV electricity production data of 2014 was gathered from the MetroSol laboratory. The electricity load profiles of two building types were simulated using dynamic energy calculation software and improved user profiles from a study conducted by FINVAC. Hourly and monthly comparisons of the profiles were carried out and an internal rate of return (IRR) optimization tool was developed for feasibility calculation.

The study results confirm that PV electricity and building electricity load profiles should be compared on an hourly basis in order to achieve sufficient simulation accuracy. The IRR optimization tool was proven to be useful, as long as the calculation parameters were carefully determined. In some cases, the optimal sizing of a grid-connected PV system in Finland seems to allow a portion of PV electricity to be fed into the grid. However, the benefits of increasing the amount of replaced purchased electricity has to outweigh the negative effects of selling generated PV electricity into the grid.

Tämän insinöörityön tavoitteena on painottaa aurinkosähköjärjestelmän tuottoprofiilin ja rakennuksen käyttöprofiilin tuntikohtaisen yhteensopivuuden tarkastelun tärkeyttä sen kannattavuuden määrittelyssä sekä tarkastella aurinkosähköjärjestelmien mitoitustapoja elinkaarilaskennan avulla. Syy tutkimukselle oli Suomessa koettu epätietoisuus aurinkosähköjärjestelmien tämänhetkisestä kannattavuuden potentiaalista.

Insinöörityö alkaa kirjallisuusselvityksellä, jossa kuvataan aurinkosähköä ilmiönä sekä sen hyödyntämisen edellytyksiä Suomessa. Lisäksi työssä on selvitetty aurinkosähköjärjestelmän kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä määritelty niiden lähtötiedot elinkaarilaskentaa varten. Aurinkosähkön tuntikohtaiset tuottotiedot kerättiin MetroSol-aurinkoenergialaboratoriosta vuodelta 2014. Kahden eri rakennustyypin sähkönkulutusprofiilia simuloitiin dynaamisella energialaskentasovelluksella FINVAC:in tarkennettuja käyttöprofiileja hyödyntäen. Tämän jälkeen tehtiin sekä tuntikohtaiset että kuukausikohtaiset tarkastelut, joiden pohjalta pohdittiin niiden tarkkuutta. Kannattavuuslaskennan avuksi kehitettiin mitoituksen optimointityökalua sisäisen korkokannan menetelmällä.

Tutkimustuloksista päätellen aurinkosähkön kannattavuuslaskelmia pitäisi ehdottomasti suorittaa tuntikohtaisella tasolla, sillä kuukausikohtaisen tarkastelun tulokset olivat hyvinkin epätarkkoja. Lisäksi todettiin, että investointikustannusten määrittely oli tärkeässä roolissa kannattavuuslaskelmissa. Sisäisen korkokannan optimointityökalua todettiin kelpoiseksi työkaluksi, kunhan lähtötiedot olivat riittävän tarkat. Kohteen profiilien yhteensopivuudesta riippuen optimoitu aurinkosähkönjärjestelmän mitoitus saattoi sallia pienen määrän ylijäämäsähköä, kunhan korvatun ostosähkön hyöty oli suhteessa suurempi.