Kolme tapaa ohjata aurinkoenergia omaan käyttöön (Shellyjen avulla)

Kuva: Sungrow EMEA on Unsplash

LPEJ: netotuksen huomioiva ohjaus on tehokkain, joustavin ja kadehdittavin mutta tehoon perustuva ohjaus on edullinen ja yksinkertainen toteuttaa.

Monet aurinkovoimalan hankkineet ovat joutuneet pettymään kun pörssisähkön hinta pysyy matalana juuri silloin kun tuotantoa olisi. Erilaisissa selvityksissä (kts. esim. tuore Turun Yliopiston tutkimus) onkin usein päädytty siihen, että tuotetun sähkön käyttö itse tulee edullisemmaksi kuin myynti verkkoon. Tämähän on sikäli maalaisjärjelläkin ymmärrettävää, että itse kulutettaessa vältytään paitsi ostamasta sähköä, myös sähkön siirtohinnoilta, jotka erityisesti maaseudulla saattavat olla merkittävä kustannustekijä (toivoo nimimerkki "Elenia@8c/kWh").

Aurinkotuotannon ohjaamisessa omaan käyttöön on kuitenkin kaksi haastetta:

1) Tarvitaan jotain mitä käyttää kun tuotantoa on. Tällaisia ovat esim. käyttö- ja lämmitysveden lämmitys, varaava lattialämmitys, palju, uima-allas, sähköauton lataus, akustot, bitcoin-louhimet. Jotta taloudellista hyötyä saavutetaan, pitää tuotannon aikaisen käytön myös vähentää muina aikoina tapahtuvaa käytön tarvetta. Emme tässä artikkelissa ota enempää kantaa siihen, mitä aurinkosähköllä ajetaan.

2) Tarvitaan jokin järjestelmä, joka ohjaa kuormia päälle kun tuotantoa on. Sähkö on sellainen epeli, että sitä ei pakottamalla voi minnekään laittaa, vaan kaikki se energia mitä oma kiinteistö ei kykene kuluttamaan jää myytäväksi - ja toisinpäin, mitä oma tuotanto ei kata, ostetaan verkosta.

Netotuksesta

Hyödynnettäessä tuotantoa itse tulee ottaa huomioon tuotetun ja kulutetun energian netotus. Netotuksella tarkoitetaan sitä, että tiettynä ajanjaksona ("netotusjakso") sähköverkkoon syötetty ja sähköverkosta otettu energia lasketaan yhteen jolloin saadaan netotettu energiankulutus (tai tuotanto). Nettoenergia on nimenomaan se, mikä muodostaa joko laskutettavan kulutetun energian tai myydyn energian. Netotus on lakisääteistä alle 100kW voimaloiden tuotannon mittauksessa.

Netotusjakso on oletuksena 15 minuuttia, mutta jakson pituus riippuu sähköverkon energiamittarista, joka saattaa tukea ainoastaan tunnin netotusjaksoa. Ennen pitkää kaikki mittarit tulevat olemaan 15 minuutin netotusjaksoa tukevia, mutta tässä saattaa mennä vielä vuosia.

Esimerkki 1: Paavon 4kW aurinkovoimala tuottaa vartin netotusjakson aikana tasaisesti 1kWh energiaa. Saman vartin aikana Paavon 3kW lämminvesivaraaja pääättää ryhtyä lämmityshommiin ja kuluttaa 0,75kWh energiaa. Verkosta ei oteta lainkaan energiaa mutta verkkoon myydään energiaa näiden erotuksen verran eli 0,25kWh. Netotettu energia oli siis myyntiä 0,25kWh.

Esimerkki 1: Tuotanto ylittää kulutuksen

Esimerkki 2: Paavon 4kW aurinkovoimala tuottaa vartin netotusjakson ensimmäisen puolikkaan (7,5min) täydellä teholla (tuotanto 0,5kWh) ja seuraavan puolikkaan ajan voimala ei tuota mitään äkillisen ukkosmyrskyn johdosta. Samaan aikaan Paavon 3kW lämminvesivaraaja on koko netotusjakson ajan täydessä työssä, eli kunkin netotusjakson puolikkaan kulutus on 0,375kWh. Ensimmäisen netotusjakson puolikkaan aikana verkkoon myydään energfiaa 0,5kWh - 0,375kWh = 0,125kWh. Toisen puolikkaan aikana verkosta ostetaan kaikki tarvittava eli 0,375kWh. Netotettu energia jaksolla on 0,125kWh - 0,375kWh = -0,25kWh. Netotettu energia oli toisin sanoen 0,25kWh ostoa.

Esimerkki 2: Kulutus osan aikaa suurempi kuin tuotanto

Kuten esimerkki 2 osoittaa, tuotannon ja kulutuksen ajankohdilla netotusjakson sisällä ei ole sinänsä merkitystä, koska myynnit ja ostot mitataan netotusjakson ajalta. Tällä on keskeinen vaikutus erilaisten ohjausratkaisujen mahdollisuuksiin hyödyntää tuotettua energiaa.

Erilaiset ohjaustavat

Kuten mainittua, sähköä ei voi pakottaa mihinkään, sille voidaan vain tehdä tietä. Käytännössä omaan käyttöön ohjaaminen tarkoittaa sitä, että jokin kuorma kytketään päälle silloin kun omaa tuotantoa on. On keskeistä huomata, että käänteinen operaatio on yhtä tärkeä: kyseinen kuorma on myös kytkettävä pois silloin kun tuotantoa ei ole, sillä muuten kyseinen kuorma ottaa tehonsa sähköverkosta joka aiheuttaa kustannuksia.

Jos unohdetaan erilaiset toimittajakohtaiset ratkaisut, voidaan todeta että omaan käyttöön ohjaus voidaan tehdä ainakin kolmella tapaa: tuuriin, tehoon ja energiaan perustuen.

Tuuriin perustuva ohjaus

Tuuriin perustuvaa ohjausta hyödynnetään silloin jos parempaa ei ole tarjolla. Käytännössä arpaonnea pyritään parantamaan käyttämällä apuna esimerkiksi kellonaikoja (aurinko nousee / laskee), sääennustetta tai säteilymittaustietoja tms. Menetelmän heikkous on siinä, että todellista tuotantoa tai todellista kulutusta ei oteta lainkaan huomioon, saatika sitten netotusta. Allekirjoittaneella ei ole edes kuulopuheisiin perustuvaa tietoa siitä, miten hyvin tällaiset menetelmät tosiasiassa toimivat ja relevanttia mittaria voi olla hyvinkin vaikea keksiä.

Tehoon perustuva ohjaus

Tehoon perustuva ohjaus on konseptiltaan yksinkertainen: "kytke kuorma päälle jos paneelit tuottavat sähköä riittävällä teholla ja pois jos eivät tuota". Ohjaustavan keskeisin etu on juuri yksinkertaisuus: ohjauksen voi toteuttaa kontaktorin ja virtareleen tai energiamittarin (vaikkapa Shelly 3EM, vink vink) yhdistelmällä. Ohjauksen ehtoihin on sisällytettävä hystereesi, eli päällekytkentärajan tulee olla jonkin verran suurempi kuin poiskytkentärajan, jottei ratkaisu ala räpsymään rajojen läheisyydessä.

Tehoon perustuva tuotanto ei huomioi netotusta, mikä voi johtaa varovaiseen ohjaukseen netotuksen huomioivaan ohjaukseen verrattuna.

Kuva: Mielikuvitusesimerkki tehopohjaisen ohjauksen toiminnasta vaihtelevan tuotannon aikana

Energiaan perustuva (netotettu) ohjaus

Energiaan perustuvassa ohjauksessa seurataan verkosta otettua ja verkkoon syötettyä energiaa, ja ohjataan kuormia näiden erotukseen pohjautuen, tavoitteena maksimoida oma käyttö ilman että kustannuksia syntyy. Netotettu ohjaus hyödyntää omaa tuotantoa tehokkaammin kuin tehoon perustuva ohjaus, sillä kuormia voidaan ohjata myös silloin kun tuotanto on netotusjakson aikana pienempi kuin kulutus. Eli aiheutuva kustannus on eri asia kuin verkosta otettu energia! Netottavan ohjausratkaisun no oltava selvästi älykkäämpi kuin tehoon perustuva tähän pystyäkseen. Netotettua ohjausta ei myöskään voi tehdä tehokkaaksi ilman jonkinlaista arviointia tulevasta energiankulutuksesta, jolloin mukaan astuvat myös arviointivirheet jotka voivat heikentää suorituskykyä.

Kuva: Sama mielikuvitusesimerkki netottavan ohjauksen tapauksessa

Kolme erilaista ratkaisua aurinkoenergian omaan käyttöön ohjaamiseen

Nyt kun perusasiat alkavat olla käsiteltynä, niin voidaan vihdoin siirtyä varsinaiseen pihvin kaltaiseen asiaan, eli siihen, miten erilaiset ohjaukset oikeasti ovat toteutettavissa. Selaimesi osoiterivillä pitäisi seisoa "shellykauppa" joten keskitymme tässä nyt yksinomaan Shellyjen kanssa tehtäviin ohjauksiin. Ratkaisumallit esitellään luontevasti yksinkertaisesta tehokkaimpaan. Jos muuten osoiterivillä ei lue "shellykauppa" niin ilmianna kopioitsija mieluiten suoraan viranomaisille!

1. Paneelien tuotannon tehoon perustuva ohjaus

Ratkaisussa asetetaan Shelly 3EM mittaamaan invertterin lähtöä ja käytetään 3EM:n sisäänrakennettua relelähtöä kuorman ohjaamiseen kontaktorin kautta. 3EM:lle asetetaan sisäiset Action:it kokonaistehoon perustuen sekä päälle- että poislaittoon. 3EM:n ollessa 1. sukupolven laite, tulee Actionit tehdä webhookeina laitteeseen itseensä, eli osoitteeseen http://localhost/relay/0?turn=on (tai off). Huomataan, että 3EM:n virtapihdit asennetaan siten päin, että keskus on kuorma ja invertteri on verkko.

Ratkaisu 1: paneelituotannon tehon mittaus invertteriltä

Ratkaisumallin voima on sen yksinkertaisuudessa - edullinen energiamittari ja kontaktori riittävät. Mallilla on luonnollisesti myös heikkouksia:

• Ei ota huomioon kiinteistön muuta kulutusta vaan suorittaa ohjausta itsevarmasti siitä välittämättä. Tällöin voi käydä esimerkiksi niin, että paneelituotanto on jo täysin hyödynnetty, mutta laite silti ohjaa lisäkuormia päälle jolloin tarvittava lisäenergia ostetaan verkosta.
• Ei ota netotusta huomioon ohjauspäätöksissään.

Tarkkanäköinen saattaa esittää erinomaisen kysymyksen: "Miksi 3EM eikä Pro 3EM?". Ihanaa että kysyit! Tämä on siksi, että ainoastaan 3EM -mallissa on kokonaistehoon perustuva paikallinen Action siinä missä Pro 3EM tukee ainoastaan vaihekohtaisia tehoja Actioneissa (en minäkään tätä käsitä). Pro 3EM:ssä sama ohjaus on kyllä mahdollista toteuttaa käyttäen Scene:jä, mutta Scenet tarvitsevat Internetiä toimiakseen ja pyrimme tässä tekemään verkosta riippumattomia ratkaisuja.

2. Kokonaistuotannon tehoon perustuva ohjaus

Tämä mittaustapa soveltuu silloin kun tiedetään suhteellisen varmaksi, että ohjattava kuorma + kiinteistön oma kulutus on selvästi pienempi kuin aurinkopaneelien tuotanto silloin, kun tuotantoa on. Käytännössä pienitehoiset kiinteät kuormat (esim. vastukset) soveltuvat tähän hyvin.

Ratkaisu on likipitäen sama kuin edellinen ("Paneelien tuotannon tehoon perustuva ohjaus"), mutta energiamittari sijoitetaankin kiinteistön nousua mittaamaan (huom! mittarin virtapihdit asennetaan siten päin, että verkko on kuorma ja keskus on energian lähde). 3EM:lle asennetaan actionit kuten edellisessäkin kohdassa mutta siten, että käynnistävä teho on osapuilleen kuorman oletusteho ja sammutusteho on jokin luku läheltä nollaa. Kuorma ohjautuu päälle kun ylijäämän teho ylittää kuorman tehon, ja sammuu kun kiinteistön kulutus ylittää paneelien tuotannon.

Ratkaisu 2: paneelituotannon tehon mittaus kiinteistön nousuista

Ratkaisu on teknisesti yhtä yksinkertainen kuin edellinenkin, mutta ottaa huomioon myös kiinteistön muun kulutuksen, jolloin tahatonta shoppailua sähkömarkkinoilta ei pitäisi juurikaan tapahtua. Heikkoutena on suhteellisen suppea soveltamisala, eikä ratkaisu edelleenkään osaa ottaa huomioon netotusta.

3. Netottava ohjaus

Netottavassa ohjauksessa sovelletaan astetta älykkäämpää Shelly Pro 3EM -energiamittaria, joka tarjoaa tähän tarkoitukseen pari etua joita 3EM ei tarjoa: 1) kaksisuuntainen mittaus ja 2) ohjelmoitavuus. Kaksisuuntainen mittaus tarkoittaa sitä, että Pro 3EM osaa mitata ja pitää kirjaa energian ostosta ja myynnistä erikseen, ja kuten muistamme, netotushan perustuu juuri näihin kahteen suureeseen. Ohjelmoitavuus on oleellista siksi, että Pro 3EM tai tietääksemme mikään muukaan energiamittari ei kykene suorittamaan netotettavaa ohjausta ilman kunnon kahmalollista älyä; tehtävä on yksinkertaisesti liian haastava.

Ratkaisu 3: netotetun energian mittaus nousuista

Energiamittarissa tarvittava ohjelmisto on liian monimutkainen ratkaisu tässä käsiteltäväksi, mutta ratkaisulla pystytään ylittämään tehopohjaisten ohjausratkaisuiden heikkoudet, sillä paitsi että ratkaisu ottaa huomioon kiinteistön kokonaiskulutuksen ohjauksessa, on ratkaisu nimensäkin mukaisesti netottava. Netotus mahdollistaa lisäksi esimerkiksi sen, että aurinkopaneelien teho voi olla selkeästi pienempi kuin ohjattavan kuorman teho, eikä siltikään tarvitse kääntyä ostamisen puolelle.

Netottava ohjaus mahdollistaa myös tuotantotehoon nähden ylisuuren kuorman

Ohjauksen parametrisointi, ennustamistarkkuus jne. ovat luonnollisesti asioita joiden perusteella ohjauksen todellinen teho määräytyy, mutta lähtökohtaisesti netottava ohjaus tarjoaa joustavimmat mahdollisuudet hyödyntää aurinkoenergia omaan käyttöön.

Tässä vaiheessa, arvoisa lukija, saatat oikeutetusti miettiä, että minkäköhän takia tällaisesta ratkaisumallista edes puhutaan jollei asiaa olla valmiita viemään maaliin saakka. Valitettavasti netottavan ohjauksen yksityiskohdat ovat aivan liian laajoja tullakseen käsiteltäviksi tässä artikkelissa (tai oikeastaan missään muussakaan artikkelissa). Niiden sijasta tarjoamme huomattavasti helpomman reitin, ellei jopa oikotien, onneen - Shellykaupan SpotSolar -ohjausratkaisu tarjoaa kaiken tässä mainitun ja vielä pari vahvaa pointsia päällekin: useampien priorisoitavien kuormien ohjauksen samalla laitteella ja pörssisähköohjauksen yhdistämisen aurinkoenergian ohjaukseen. Voit pyytää lisätietoja tai tarjouksen ratkaisusta SpotSolar -lomakkeen kautta ja 1-3 -kanavaiset mallit voi tilata myös suoraan verkkokaupastamme.

Myöhempiin artikkeleihin jääviä aihealueita

Tässä jäi parikin keskeistä ja kiinnostavaa aihealuetta käsittelemättä, joihin toivottavasti pääsemme palaamaan myöhemmässä vaiheessa:

• Miten ohjaus pitää järjestää jos lämmitä vettä tarvitaan talvellakin? (lyhyt vastaus: ajastin, yösähkö, pörssisähköohjaus)
• Useampi ohjattava - mitä tehdä jos lämminvesivaraajan lisäksi on vielä lattialämmityskin (ja sähköauto, poreamme ja muuta sellaista)?
• Pörssisähkön huomiointi - miten voidaan tehdä ohjaus yhtä aikaa pörssisähkön ja aurinkosähkön perusteella?

Yhteenveto

Toivottavasti tästä artikkelista oli apua oman aurinkotuotantosi ohjausratkaisun harkintaan. Jos jätimme jotakin huomiotta tai kaipaisit tarkennusta johonkin kohtaan, niin älä epäröi antaa palautetta esim. sähköpostilla tai rahalähetyksellä!

Valoisin terveisin,

Shellykauppa / Antti
antti@shellykauppa.fi
+358 45 78 38 49 69