Energia-alan tulevaisuuden näkymät ja teknologiat

Energia-alan tulevaisuuden
näkymät ja teknologiat
Antti Kosonen
30.9.2015
Esityksen sisältö
1.
2.
3.
4.
5.
Johdanto
Kehitysnäkymät
Tilanne Suomessa
Energiasektori Suomessa vuonna 2050
Päästötön energiajärjestelmä?
Johdanto
Päästötön energian tuotanto ja käyttö?
Lähde: Birgitta Resvik,
Fortum
Maailman primäärienergian lähteet 1850−2011
Primäärienergian paraneva laatu
Puusta hiileen
~ 80 vuotta
Hiilestä öljyyn
~ 30 vuotta
Öljystä hiileen vaiko
uusiutuviin?
Lähde: GEA Summary 2011, http://www.iiasa.ac.at/Research/ENE/GEA/index.html.
Sekä energian laatu että määrä ovat tärkeitä
Aurinko ja tuuli – Teknologian kehitys lisää
saatavaa nettoenergiaa – Kilpailukyky
paranee suhteessa fossiilisiin
energialähteisiin
Energiatehokkuutta
(käytetty energia/saatu
palvelu) parantamalla
voidaan muuttaa
toimintapistettä
EROEI 
Eout
Ein
Hyödynnettävissä olevat energialähteet
maapallolla
”Auringosta saapuu
maapallolle 14.5
sekunnissa yhtä
paljon energiaa
kuin ihmiskunta
käyttää
vuorokaudessa”
- Ramez Naam,
Scientific American
Lähde: Richard Perez & Marc Perez, “A Fundamental Look at Energy Reserves for the Planet”
Kehitysnäkymät
Uusi asennettu ja poistettu kapasiteetti
Euroopassa vuonna 2014
Source: EWEA, Wind in Power 2014 European Statistics, 2015.
Tuulisähkön kehitys maailmalla
Kehitys, 2014
1. Kiina, +23,4 GW
2. Saksa, +5,3 GW
3. USA, +4,9 GW
x. Suomi, 0,18 GW
Kapasiteetti, 2014
1. Kiina, 114,7 GW
2. USA, 67,9 GW
3. Saksa, 39,2 GW
x. Suomi, 0,6 GW
Source: EWEA, Wind in Power 2014 European Statistics, 2015.
Aurinkosähkön kehitys maailmalla
Kehitys, 2014
1. Kiina, +10,6 GW
2. Japani, +9,7 GW
3. USA, +6,2 GW
x. Suomi, 0,01 GW
Kapasiteetti, 2014
1. Saksa, 38,2 GW
2. Kiina, 28,1 GW
3. Japani, 23,3 GW
x. Suomi, 0,02 GW
Kattavuus, 2014
1. Italia, 7,9 %
2. Kreikka, 7,6 %
3. Saksa, 7,0 %
x. Suomi, 0,02 %
Snapshot of Global PV Markets 2014, IEA-PVPS 2015.
Tilastot
• 20 maassa yli 1 GW aurinkosähköä
• 19 maassa aurinkosähköllä tuotetaan
sähköstä yli 1 %
Aurinkopaneelien hinnan kehitys
Kapasiteetin
tuplaantuminen on
laskenut moduulien
hintaa aina 20 %
Source: IEA Technology roadmap solar photovoltaic energy 2014.
CO2 -vapaasta aurinko- ja tuulisähköstä tulee pian edullisin
sähköntuotantomuoto
2020
2030
Source: C. Breyer et al., North-East Asian Super Grid: Renewable Energy Mix and Economics, WCPEC-6, Kyoto, Nov. 2014.
Ajoittainen energian tuotanto tarvitsee erilaisia
energiavarastoja ja joustavia linkkejä muiden
energiasektoreiden välillä
Lähde: C. Breyer et al., North-East Asian Super Grid: Renewable Energy Mix and Economics, WCPEC-6, Kyoto, Nov. 2014.
Tilanne Suomessa
Sähkön nettotuotanto ja -kulutus Suomessa
vuonna 2013
9000000
Energia (MWh/kk)
8000000
7000000
• Vuosikulutus 81,4 TWh
• Vuosituotanto 66,0 TWh (81 %)
• Kulutushuippu 14 GW
• Suomi on ostosähkön varassa
• Viikkorytmin näkyminen
6000000
5000000
4000000
3000000
2000000
1000000
0
-1000000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Kuukausi
Osto
Myynti
Lähde: Fingrid,
(www.fingrid.fi)
Tuotanto omaan käyttöön
Kuva Kuukausijakauma.
10000
9000
Teho (MW)
8000
7000
6000
5000
Oma tuotanto
4000
Osto
3000
2000
1000
0
Kuva Kesäkuu, 2013.
Energian loppukäyttö muissa kuin
asuinrakennuksissa
kWh/m2/a
Specific energy consumption
350
300
250
200
150
100
50
0
End-use energy mix
DH&CHP
6%
Solid fuels
1%
Oil
15 %
RES
1%
Electricity
48 %
Gas
29 %
Total
Electricity
Lähde: Europe’s buildings under microscope – Country by country review of the
energy performance of the buildings,
Buildings Performance Institute Europe (BPIE), 2011.
• Rakennukset kuluttavat noin 40 % kaikesta energiasta EU:ssa
• Keskimääräinen ominaisenergiankulutus muissa kuin asuinrakennuksissa on 280
kWh/m2/a, joka on 40 % suurempi kuin asuinrakennuksissa
• Viimeisen 20 vuoden aikana sähkönkulutus on noussut 74%
Aurinkosähkön tuotantokapasiteetti/asukas
2 Wp/asukas
Suomessa
Suurimmat aurinkosähkövoimalat:
• Maailman: 550 MW
• Saksan: 166 MW
• Suomen: 420 kW
Lähde: EPIA Global Market
Outlook for Photovoltaics
2014–2018.
Auringon säteily Euroopassa
• Valmistukseen käytetyn energian takaisinmaksuaika Suomessa
alle 3 vuotta
• Globaalisti parhailla
alueilla säteilysumma
on n. 2500 kWh/m2
Lähde: European Union,
Joint Research Centre,
(http://re.jrc.ec.europa.e
u/pvgis/cmaps/eur.htm)
Ajallinen vertailu aurinkosähkön tuotantoon
vaikuttavista tekijöistä
25.0
Air temperature (°C)
20.0
Barcelona
Frankfurt
Lappeenranta
• Lappeenranta vastaa Frankfurtia
aurinkosähkön tuotantopotentiaaliltaan
• Suomessa viileämmät olosuhteet
• Kuukausijakauma erilainen
• Päivät pitkiä kesäaikaan
• Maailman parhailla alueilla tuotanto noin
kaksinkertainen Suomeen verrattuna
15.0
10.0
5.0
0.0
-5.0
-10.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
21:36
Barcelona
Frankfurt
Lappeenranta
19:12
Day length (hh:mm)
Daily solar radiation (kWh/m2/d)
7.0
16:48
14:24
12:00
9:36
7:12
4:48
1.0
2:24
0.0
0:00
Barcelona
Frankfurt
Lappeenranta
Suomen sähköenergian tarpeen täyttämiseen
vaadittavien aurinkosähköpaneelien pinta-ala
28 km x 28 km
Suomessa vuotuisesti kulutetun
sähköenergian tuottamiseen
tarvittavien aurinkopaneelien
pinta-ala
Sähköenergian
vuosikulutus
Suomessa (TWh)
Tarvittava asennettu
kapasiteetti (GWp)
Tarvittava maapintaala (km2)
Pinta-alan tuottavan
neliön sivu (km)
85
106
744
27.3
Auringon säteilyenergian hyödyntämisen
tehokkuus sähkön tuotannossa
1 ha, aurinkosähkövoimala
Prisman katolla
330 ha,
10 m3/ha/a
kasvava metsä
Suora auringon
säteilyenergian
muuntaminen
aurinkokennoilla sähköksi
on 200–400 kertaa
tehokkaampaa kuin
konversio metsäbiomassan
kautta voimalaitosprosessissa
Aurinkosähkövoimalan (PV)
valmistukseen käytetyn
energian takaisinmaksuaika
on < 3 a, laitoksen käyttöikä
on n. 25–30 a
Suomen suurimmat aurinkosähkövoimalat
 Suomen suurimmat verkkoon kytketyt aurinkovoimalat
1.
2.
3.
4.
Oulu, sanomalehti Kaleva, 420 kWp
Helsinki, Suvilahti, 340 kWp
Salo, Astrum Keskus, 322 kWp
Lappeenranta, LUT, 208,6 kWp
Kuva LUT.
Kuva Suvilahti. Kuva Helen Oy.
Kuva Astrum keskus. Kuva Soleras.
Kuva Kalevan painotalo. Kuva Oulun Energia.
20.0
20.0
18.0
18.0
16.0
16.0
Energy price (c/kWh)
Energy price (c/kWh)
Aurinkosähkön tuotannon kannattavuus
Suomessa*
14.0
12.0
10.0
8.0
14.0
4.0
1.3 eur/W
4.0
2.0
1 eur/W
2.0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Nominal interest rate (%)
Kuva. Sisäinen korko, kun itse tuotettu aurinkosähköenergia
korvaa aina ostosähköä. Järjestelmän vuotuinen
kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista.
20
6.5%
8.0
1.5 eur/W
0
8.5%
10.0
6.0
0.0
10.5%
12.0
4.5%
6.0
2.5%
0%
0.0
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
System price (eur/W)
Kuva. Aurinkosähköenergian tuotantokustannus eri investointikustannuksilla ja korkotasoilla. Laitteiston vuotuinen kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista. Elinikä 30 vuotta.
*Simuloitu voimala: Sijainti Lappeenranta, paneelit suunnattu etelään, kulma 15◦, inflaatio 1,5 %,
laskenta-aika 30 vuotta, kunnossapitokustannus 1,5 %/a
Aurinkosähkön tulevaisuus Suomessa?
2000 MWp ~ 2,2 % Suomen sähköenergian vuosikulutuksesta
Kuva 2000 MWp aurinkosähköä Suomen ostosähkössä, kesäkuu 2013.
Kuva 2000 MWp aurinkosähköä Suomen kokonaiskulutuksessa, kesäkuu 2013.
Tuulisähkön tuotantokapasiteetti
Source: EWEA, Wind in Power 2014 European Statistics, 2015.
Energiasektori Suomessa vuonna 2050
Visio Suomen hiilidioksidivapaasta
energiajärjestelmästä
•
•
Tarkastelussa mukana sähkö, lämmitys ja liikenne, jotka linkittyvät toisiinsa
9 erilaista energiaskenaariota, joiden mallinnus tuntitasolla
•
•
Tuuli ja aurinko suuressa roolissa
Mukana
• Power-to-Gas (PtG)
• Power-to-Liquid (PtL)
• Energiavarastointiteknologiat
•
•
100 % uusiutuviin perustuva energiajärjestelmä
Hiilidioksidivapaa energiajärjestelmä
Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Skenaariot (1/2)
•
•
•
Vuosi 2012
Vuosi 2020
2050 perus (Max. 145 TWhth biomassaa)
•
•
•
•
100 % uusiutuviin perustuva
Vähän ydinvoimaa (1,6 GWe)
Keskimäärin ydinvoimaa (2,8 GWe)
Uutta ydinvoimaa (4 GWe)
•
2050 vähän biomassaa (Max. 113 TWhth biomassaa)
•
• 100 % uusiutuviin perustuva
• Vähän ydinvoimaa (1,6 GWe)
• Keskimäärin ydinvoimaa (2,8 GWe)
• Uutta ydinvoimaa (4 GWe)
2050, Business as usual
• Tavoitteena
päästötön
energiasektori
• Energiariippumaton
Suomi
Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Skenaariot (2/2)
Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Primäärienergia
Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Sähkön tuotanto
Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Sähkön kulutus
Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Vuosittaiset kustannukset
Lähde: M. Child and C. Breyer et al., Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system, 2015.
Päästötön energiajärjestelmä?
/ KEY FIGURES

5 years 2014-2019

14 M€

3 Finnish research partners

15 industrial partners

3 NGOs

5 international partners
Contact:
Pasi VAINIKKA, +358 40 5825987
Principal scientist VTT, Adjunct professor LUT
www.neocarbonenergy.fi
facebook.com/neocarbonenergy
twitter: @neocarbonenergy
/ A COMPLETELY
NEW RENEWABLE
ENERGY SYSTEM
WHERE ENERGY IS
EMISSION-FREE,
COST-EFFECTIVE
AND INDEPENDENT.
WHY?
 2050: zero emission energy system
has to be in place if global warming is limited
to +2°C.
 2030: only emission free technologies
can be taken in use.
 2015: solar and wind become the least
cost options in large part of the World.
Sähkön ja lämmöntuotantosektorin
päästöttömyys on välttämätön, mutta ei riittävä
CO2 emissions
distribution
Transportation
13.5%
Electricity &
heat 24.6%
Industry +
others 26%
Biomass is not a
sustainable
energy source in
large part of the
World.
77%
(CO2)
Land use change 18%
Agriculture & Waste 17%
/ SOLUTION
SOLAR AND WIND
IMPACTS:
A WORLD ELECTRIFIED
BY SOLAR AND WIND
 Design of a feasible renewable energy
system with variable electricity production
and energy storages.
 Industry: new technologies for large-scale
energy storage, transportation, heating,
cooling and chemical industry.
NEOCARBONISATION
 Business: a new industrial cluster serving
the new energy world’s needs. Business
cases through pilots.
 Politics: new legislative frameworks.
Changes in geopolitical power relations.
 Consumers: production distributed to
‘prosumers’. Democratisation of energy.
STORAGE
 Energy transformation: the current form of
energy business die. Energy companies
need to re-invent themselves.
Energian varastointijärjestelmät – Kapasiteetti vs. aika
Source: ETOGAS smart energy conversion, “Power to Gas: Smart energy conversion and storage”, Q2/2013.
Energiajärjestelmä uusiutuvan sähkön ja polttoaineen
tuotantoon
Closed loop
circulation through
atmosphere
Source: DNV KEMA Energy & Sustainability, Final Report: “Systems Analyses Power to Gas, Deliverable 1: Technology Rev.”, 2013.
A WORLD
ELECTRIFIED
BY SOLAR
AND WIND
Neo-Carbon Energy: Future energy system
Matkalla kohti puhtaampaa ja aurinkoisempaa tulevaisuutta