Paikallisten energiayhteisöjen elinkaariarviointi Pohjois-Karjalassa

Tässä artikkelissa kuvataan tutkimusta, joka keskittyi suunnitteilla olevien energiayhteisöjen elinkaariarviointiin Pohjois-Karjalan maaseudulla. Korkeiden energian hintojen ja uusien säännösten vuoksi aurinkosähkön tuotanto ja energiayhteisön liiketoimintamallit voivat nousta tulevaisuudessa tärkeään rooliin erityisesti harvaan asutuilla alueilla. Tutkimuksen tavoitteena oli ymmärtää aurinkosähköön perustuvien paikallisten energiayhteisöjen elinkaaren hiilijalanjälkeä. Tutkimuksessa selvitettiin, miten paikalliset energiayhteisöt edistävät hiilijalanjäljen vähentämistä verrattuna perinteisiin aurinkosähköjärjestelmien tuottaman sähkön ja verkkosähkön keskimääräiseen hiilijalanjälkeen.

Tämän soveltavan tutkimuksen metodologisessa osassa simuloidaan aurinkosähköjärjestelmiä ja energiayhteisön toimintaa kahdessa taloyhtiössä, jotka harkitsevat parhaillaan energiayhteisöjen perustamista. Lämmitysjärjestelminä niissä ovat biomassaan perustuva kaukolämpö ja suora sähkö. Energiayhteisöjen sähkövirrat perustuvat voimayhtiöiltä saatuihin tuntikohtaisiin kulutustietoihin, ja niiden aurinkosähkötuotantoa simuloidaan PV*Sol-sovelluksella.

Energiayhteisöjen elinkaariarvioinnit laadittiin SimaPro-ohjelmistolla soveltamalla Eco Invent 3.8:n käytettävissä olevia energiainfrastruktuuriprosesseja ja hyödyntämällä PV*Solilla luotuja energiavirtasimulaatioita. Yhdistämällä nämä kaksi työkalua voitiin tutkia, miten suunniteltu energiayhteisön liiketoimintamalli sekä yhteiset hyödyt ja omavaraisuuden lisääminen vaikuttavat kulutetun sähkön hiilijalanjälkeen.

Tulokset sisältävät aurinkosähköenergiayhteisöjen energiavirta- ja elinkaarivaikutussimulaatiot eli aurinkosähkövoimaloiden koon, energiavirrat ja kulutetun sähkön CO_2e-päästöt. Päätelmät tiivistävät keskeisiä huomioita liittyen energiayhteisöjen hiilijalanjäljen dynamiikkaan, kuten infrastruktuuriprosessien (akkuvarastot, sähköajoneuvot) lisävaikutuksiin ja vältettyihin vaikutuksiin, joita saavutetaan keskimääräisen verkkosähkön ja fossiilisten polttoaineiden korvaamisella yksityisautoissa.

Johdanto

Energiamurros kohti uusiutuvaa energiaa ja digitalisoituneempia tuotanto- ja kulutusjärjestelmiä mahdollistaa kansalaisten ja yhteisöjen aktiivisemman roolin energiamarkkinoilla. Energiamurroksen kannalta keskeinen piirre on asiakkaiden roolin muuttuminen sähkönkäyttäjästä myös sähköntuottajaksi ja energiaresurssien tarjoajaksi. Aktiivisiin energiakansalaisiin voivat kuuluvaa yksittäiset kotitaloudet, taloyhtiöt, korttelit ja alueet, yritykset ja virtuaaliyhteisöt. Nämä aktiiviset edelläkävijät ovat lähes kriittisiä resursseja energiamarkkinoiden kehittämisessä. Perustamalla energiayhteisöjä ne näyttävät tietä energiamurroksessa.

Yksi energiayhteisön liiketoimintamallien kategoria keskittyy energian jakamiseen, esimerkiksi ylijäämäenergian jakamiseen yhteisön jäsenten kesken (Reis, Gonçalves, Lopes &; Antunes 2021). Tämä jakaminen voidaan tehdä kiinteistöjen sisällä ja myös niiden välillä (TEM 2018): 

• Kiinteistön sisäinen energiayhteisö: yhteisö, jossa energian tuotanto, kulutus ja muut energiaan liittyvät resurssit sijaitsevat saman kiinteistön alueella. Kiinteistön sisäinen energiayhteisö on tyypillisesti taloyhtiö, kuten asunto- tai rivitalo tai liikekiinteistö, jossa samassa kiinteistössä toimii useita yrityksiä.
• Kiinteistörajat ylittävä energiayhteisö: energian tuotanto ja kulutus sijaitsevat eri kiinteistöissä tai kiinteistöryhmissä, mutta lähellä toisiaan. Energiayhteisössä kiinteistöt liitetään sähköverkkoon yhden liittymispisteen kautta.
• Hajautettu energiayhteisö: maantieteellisesti hajautettu malli, jossa yhteisön jäsenet voivat sijaita missä tahansa (tällä hetkellä Suomessa). Sähkön tuotanto- ja varastointi voidaan sijoittaa sopivimpiin paikkoihin ja hankkia jäsenten yhteishankinnoilla.

Tässä tutkimuksessa tarkastellut energiayhteisömallit ovat kiinteistön sisäisiä energiayhteisöjä. Tätä energiayhteisön kehittämisen ensimmäistä vaihetta tarkastellaan ympäristön elinkaarivaikutusten näkökulmasta, erityisesti ilmastovaikutusten näkökulmasta, ilmaistuna kulutetun energian hiilidioksidiekvivalenttina (kg CO_2e/kWh). Tutkimuksen tavoitteena on 1) osoittaa energiayhteisön simuloinnin ja elinkaariarvioinnin metodologiset vaiheet ja 2) tuottaa tietoa energiayhteisön ilmastovaikutuksista.

Tapaustutkimuksen energiayhteisöt

Suomen nykyisen lainsäädännön mukaan vakiintuneiden energiayhteisöjen tulee sijaita samassa kiinteistössä tai niihin rinnastettavassa kiinteistöryhmässä ja ne tulee liittää jakeluverkkoon samasta liittymästä (TEM 2023). Energiayhteisöön kuuluu tyypillisesti vähintään yksi tuotantoyksikkö ja useampi kuin yksi kuluttava jäsen. Tuotettu, ja joskus varastoitu, energia jaetaan jäsenten kesken. Kiinteistöjen yleiskäyttö on etusijalla, minkä jälkeen tuotanto jaetaan jäsenten kesken (asuntotasolla). Mikäli ylijäämiä syntyy, yhteisö tai sen jäsen voi myydä energiaa verkkoon tai varastoida sen esimerkiksi energiayhteisön sähkövarastoon tai ohjata sähköä muuhun haluttuun kulutuskohteeseen, kuten lämminvesivaraajaan.

Tässä tapaustutkimuksessa selvitettiin kahta Joensuussa sijaitsevaa asunto-osakeyhtiötä mahdollisina sijoituspaikkoina energiayhteisöille. Molemmat yhtiöt ovat ilmaisseet vahvaa kiinnostusta energiayhteisön perustamiseen, ja toinen yhtiöistä on jo tehnyt päätöksen yhteisön perustamisesta.

Vanamokadun yhteisö sijaitsee Joensuussa ja taloyhtiöön kuuluu yhdeksän taloa, joissa oli vuonna 2020 43 asuntoa ja 91 asukasta. Taloyhtiön yhteinen sähkönkulutus sisältää sähkösaunan, pesuhuoneen, kuivaushuoneen, teknisen tilan (pumput, säätimet jne.), 39 ajoneuvon lämmityspistokkeen ja pihavalojen kulutukset. Rakennukset lämpiävät kaukolämmöllä, joka tuotetaan pääosin hakkeella.

Selvaag-tyyppiset talot on rakennettu vuosina 1957 ja 1958, ja niillä on rakennushistoriallista arvoa. Asukkaat ovat sitoutuneet kestävän energian käyttöön. Vanamokatu oli ensimmäinen taloyhtiö, joka teki sopimuksen Fortumin 100 % uusiutuvasta kaukolämpöpalvelusta Joensuussa. Taloyhtiössä käytetään myös lämmityksen optimointijärjestelmää, joka perustuu huoneistotason mittaukseen ja tekoälypohjaisiin säätimiin (hyödyntäen lämpötilan ja kosteuden mittausta ja säätilaa). 

Vanamokadun energiayhteisö muodostetaan hyödyntämällä sähkönsiirtoyhtiön energiamittausta. Energiayhteisössä hyödynnetään hyvityslaskentaa, missä mittaustiedon perusteella jaetaan energiayhteisön tuotanto yhteisön jäsenien kesken hyvittämällä tuotanto sähkölaskussa. Mittarit omistaa sähkönsiirtoyhtiö, ja jokaisella asiakkaalla (kotitaloudella) ja taloyhtiöllä on omat sopimuksensa.

Korppilanpuiston yhteisössä on seitsemän rivitaloasuntoa, joissa on yhteensä 31 asuntoa. Taloyhtiön yhteinen sähkönkulutus sisältää yhteiskäyttötilojen, teknisen tilan, pihavalojen ja ajoneuvojen lämmityspistokkeiden kulutuksen. Lämmitysjärjestelmänä on sähkölämmitteinen kattila ja vesikiertoinen lämmönsiirto huoneistoihin. Sähkölämmitteisen kattilan ja vanhojen siirtoputkien hukkalämmön vuoksi sähkönkulutus on vuosittain jopa 385 MWh (2017). Taloyhtiö on laatinut suunnitelman energiaremontista ja energiayhteisön perustamisesta. Korppilanpuistossa energiayhteisö perustuu yhteisön jäsenten (taloyhtiön) sisäiseen energianmittaukseen eli kyseessä on ns. takamittaroitu energiayhteisö, missä energiayhteisöllä ja taloyhtiöllä on yksi sähkö- ja siirtosopimus sähkönmyynti- ja sähkösiirtoyhtiölle. Taloyhtiö tai energiayhteisö laskuttaa yhteisön jäseniä sähköstä ja energiayhteisö koordinoi aurinkosähkötuotannon jakamista yhteisön jäsenille.

Energiavirtasimulaatioiden päävaiheet

Energiavirtasimulointeihin sisältyi 1) aurinkosähköjärjestelmien mitoitus nykyisen verkkosähkön lisäsähkönlähteeksi kahdessa taloyhtiössä ja 2) energiayhteisömallin mukaisten energiavirtojen simulointi. Simulaatiot toteutettiin PV*SOL Premium -ohjelmistolla (TheValentinSoftware2023).

Energiavirtasimulaatiot suoritettiin PV*Sol Premiumilla seuraavasti:

1. Sähkönsiirtoyhtiöltä pyydettiin sähkön tuntikohtaiset sähkönkulutustiedot, jotka sisälsivät sekä kiinteistöjen yhteiskulutuksen että asuntojen mitatun kulutuksen (CSV-tiedostot).
2. Määritettiin Järjestelmän sijainti- ja ilmastotiedot (Meteonorm) sekä lumitilanne marraskuusta huhtikuuhun.
3. Valittiin aurinkosähköjärjestelmälle energiaresurssit. Näitä olivat energian varastointi, sähköajoneuvot ja kuormanvalvonta.
4. Sähkönkulutustiedot ladattiin palvelimeen ja energiayhteisöille luotiin energiaprofiilit.
5. Energiaprofiilien perusteella määriteltiin kolme kokoluokkaa, joita simuloitiin PV Solissa.
6. Aurinkopaneeleihin valittiin järjestelmäkomponentit ja järjestelmien koot määriteltiin 3D-mallinnuksella ilmakuvaa hyödyntäen.
7. Simuloitiin sijaintiin perustuvia tekijöitä, kuten varjostuksia, paneelin suuntaa (atsimuutti ja kaltevuus), lumiolosuhteita, maan heijastusta ja paneelien ilmanvaihtoa.
8. Simuloitiin sähkön tuntituotantoa, omaa kulutusta, omavaraisuutta, hukkaa ja säteilyä (W/m₂/a).
9. Luotiin energiayhteisölle energiatase ja vuokaaviot.
10. Ylijäämät simuloitiin myytäväksi verkkoon (joko yhteisylijäämänä tai yksittäisten asuntojen ylijäämänä).

Energiayhteisöjen skenaariot

Energiayhteisöskenaariot laadittiin simuloimalla kolmea kokoluokkaa molemmille yhteisöille. Tässä esityksessä olemme ottaneet edistyneimmät skenaariot osoittaaksemme uusiutuvaan verkkosähköön, omaan aurinkosähkötuotantoon, sähkön varastointiin ja sähköajoneuvoihin perustuvien vähähiilisten järjestelmien potentiaalia. Kuviossa 2 on simuloitu Vanamokadun tapausesimerkkiä 33,4 kWp aurinkosähköjärjestelmällä, 95 prosentin aurinkosähkön omakäytöllä ja 20 prosentin omavaraisuudella, sekä sähköautolla (62 kWh;15 000 km/a, josta 9000 km aurinkosähköllä).

Korppilanpuiston energiayhteisöskenaario (kuvio 3) kuvaa 100 %:n uusiutuvaan sähköön perustuvaa mallia, sisältäen 100 kWp aurinkosähköjärjestelmän, 67 kWh energiavaraston ja 5 sähköautoa (62 kWh, 15 000 km/a). Verkkosähkön oletetaan olevan uusiutuvaa tuulisähköä, ja sähköllä korvataan fossiilista liikennettä (henkilöauto, EURO 5, bensiini). Tämän skenaarion tavoitteena on maksimoida omavaraisuus ja myydä ylijäämät yhteisön ulkopuolelle.

Energiayhteisöjen elinkaariarvioinnit

Energiayhteisöjen elinkaariarvioinnit perustettiin SimaPro-ohjelmistoon hyödyntämällä PV*SOL-simulaatioiden energiavirtadataa.

• Toiminnallinen yksikkö oli 1 kWh energiayhteisön kuluttamaa (tai myymää) sähköä, ilmastovaikutus arvioitiin IPCC 2021 GWP100 -metodilla.
• Analyysit tehtiin noudattaen IEA:n Task 12 mukaista menetelmää aurinkosähköjärjestelmien ja energian varastoinnin elinkaariarvioinnista (Frischknecht, Stolz, Krebs, et al. 2020, 13-22).
• EcoInvent 3.8:n infrastruktuuriprosesseja hyödynnettiin aurinkosähköakuissa (ml. invertterit), akkuvarastossa ja sen komponenteissa sekä sähköautossa ja akussa. Infrastruktuuriprosessit skaalattiin IEA:n Task 12 (emt.) mukaisesti vastaamaan kunkin skenaarion järjestelmäkokoja. Hankkeessa sovellettiin EcoInvent-prosesseja suomalaiselle verkko- ja tuulisähkölle.
• Sähköntuotantoprosessi iteroitiin osaprosesseiksi, jotka kuvaavat suoraa omaa käyttöä, akkuvaraston kautta käyttöä ja verkkoon myyntiä. Tämä iterointi alatuotteiksi tehtiin infrastruktuurin vaikutusten sisällyttämiseksi tiettyihin sähkövirtoihin.
• Infrastruktuurin ja sähköprosessien luomisen jälkeen PV*SOLilla simuloidut energiayhteisöskenaariot luotiin SimaProssa kokoonpanoina, jotka heijastavat energiayhteisöjen vuotuista toimintaa ja sähkövirtoja.

Vaikutustenarvioinnin tulokset

Ilmastovaikutusten arvioinnit (kuviot 4 ja 5) osoittavat, että uusiutuvaan verkkosähköön perustuvat energiayhteisöt voivat saavuttaa pienen hiilijalanjäljen. Vaikutukset riippuvat hyvin pitkälti siitä, mitä energiaa korvataan milloinkin.

Hiilidioksidiekvivalenttipäästö vuodessa on 3,7 t CO_2e (32 g CO_2e/kWh). Mikäli fossiilisen polttoaineen korvaaminen liikenteessä (kuvion 4 vihreä virta) huomioidaan, 0,68 t CO_2e (5,8 g CO_2e/kWh).

Vuosittainen hiiliekvivalenttipäästö on 22,7 t CO_2e (58,6 g CO_2e/kWh) Mikäli fossiilisen polttoaineen korvaaminen liikenteessä (kuvion 5 vihreä virta) huomioidaan, 17,7 t CO_2e (45,9 g CO_2e/kWh).

Päätelmät

Ilmastovaikutusten arvioinnit osoittivat, että energiayhteisöinä toimivat taloyhtiöt voivat saavuttaa vähähiilisen energiajärjestelmän. Koska yhteisöt eivät kuitenkaan olleet omavaraisia, niiden olisi perustuttava uusiutuvaan verkkosähköön. Lisäksi potentiaalisia päästövähennyksiä voitaisiin saavuttaa (yhteis)sähköautoilla, jotka korvaisivat fossiilisten polttoaineiden käyttöä.

Nykyaikaisten uusiutuvien energialähteiden energiaresurssit (kuten aurinkosähköpaneelit, akut ja ohjausyksiköt sekä ajoneuvojen laturit) voivat kasvattaa uusiutuvan sähkön pientuotannon elinkaarihiilijalanjälkeä mittakaavaedusta hyötyvää uusiutuvan sähkön massatuotantoa suuremmaksi. Nämä tulokset olivat kuitenkin hyvin herkkiä muutoksille tässä tutkimuksessa, ja eri prosessien skaalaaminen saattaa myös johtaa energiaresurssien käytön vaikutusten yliarviointiin. LCI-tietoa tarvitaan nykyistä tarkemmalla tasolla erikokoisista uusiutuvan energian infrastruktuuriprosesseista ja niiden elinkaaren loppuvaiheista.

Tutkimus ei myöskään sisältänyt kattavia analyyseja lämmitysenergian käytöstä tai energiayhteisön dynamiikasta ja mahdollisuuksista sopeuttaa tuotantoa ja kulutusta yhteiskunnan tarpeiden mukaan, kuten sektori-integraatiossa tai kulutusjoustopalveluissa. Energiayhteisön järjestelmän joustavuus edellyttää dynaamisia simulointeja ja elinkaariarviointityökalujen integrointia suoraan energiayhteisön tietojärjestelmiin.

Artikkeli perustuu posteriesitykseen Life Cycle Management -konferenssissa, 6-8.9. 2023 – Lille, Ranska.

---

Kirjoittajat:

Kim Blomqvist, projektipäällikkö, Karelia-ammattikorkeakoulu

Lasse Okkonen, yliopettaja, Karelia-ammattikorkeakoulu

---

Lähteet:

Inês F.G. Reis, Ivo Gonçalves, Marta A.R. Lopes, Carlos Henggeler Antunes. 2021 Business models for energy communities: A review of key issues and trends, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 144.

R. Frischknecht, P. Stolz, L. Krebs, M. de Wild-Scholten, P. Sinha, V. Fthenakis, H. C. Kim, M. Raugei, M. Stucki, 2020, Life Cycle Inventories and Life Cycle Assessment of Photovoltaic Systems, International Energy Agency (IEA) PVPS Task 12, Report T12-19:2020.

TEM (Työ- ja elinkeinoministeriö / Ministry of the Employment and the Economy). 2023. Energiayhteisöt ja erilliset linjat. Energiayhteisötyöryhmän loppuraportti. Työ- ja elinkeinoministeriön julkaisuja 2023:22.

TEM (Työ- ja elinkeinoministeriö / Ministry of the Employment and the Economy). 2018. Älyverkkotyöryhmän ehdotukset ja niiden tarkemmat perustelut Älyverkkotyöryhmän loppuraportin liite.

The Valentin Software. 2023. The design and simulation software for photovoltaic systems. https://valentin-software.com/en/products/pvsol-premium/. 30.5.2023.

Artikkelikuva: wirestock / Freepik