Omaa energiaa ja sähköä

Tarkoituksenamme on olla mahdollisimman energiaomavaraisia. Miksi ja miten?

Ensinnäkin miksi. Energia on väistämättä kaiken kestävyys- ja ekologia-ajattelun keskiössä. Nykyaikainen elämänmuoto ja hyvinvointi on rakentunut halvan fossiilisen energian varaan. Siitä seuraa ainakin kaksi vakavaa ongelmaa:

1. Fossiilisten polttoaineiden käyttö on johtanut ilmastonmuutokseen ja sitä kautta ihmiskunnan elinmahdollisuuksien rajuun huononemiseen ja romahtamiseen – jollakin aikavälillä. Kehitys votaisiin teknisesti ottaen pysäyttää, mutta näyttää siltä, ettei niin aioita tehdä. Sen sijaan ollaan valmiita viemään öljynporauslautat ilmaston lämpenemisen sulattamaan arktikseen ja tuhoamaan maaperä altamme (fracking eli vesisärötys) viimeistenkin pisaroiden pumppaamiseksi maankuoresta ja polttamiseksi. Hiili, jonka Gaia on piilottanut poveensa, vapautetaan takaisin ilmakehään ja muutetaan maailma elinkelvottomaksi. Toivottavasti liioittelen, mutta mikään ei viittaa siihen.

2. Vaikka edelläkuvattu ongelma unohdettaisiin, halvan energian loppuminen johtaa nykyisen elämänmuodon romahtamiseen, jos ei suunnitella hallittua energiankäytön alasajoa. Ydinvoima ei ole ratkaisu, koska se ei edusta kestävää eikä vastuullista teknologiaa. Ehkä vielä kehitetään fuusioreaktoreita tms, mutta todennäköisesti niihinkin liittyy vakavia ongelmia ja kaikella energian yltäkylläisyydellä on sivuvaikutuksia, joita maailma ei kestä. Tästä myös David Holmgren kirjassaan Permaculture kirjoittaa ja se on permakulttuurisen katekismuksen keskeisiä ajatuksia. Emme usko siihen, että hightech, siis korkean teknologian utopia pelastaa meidät, emmekä oikein siihenkään, että greentech pelastaa, mutta turha romahdukseen ja maailmanloppuunkaan on uskoa. Uskotaan siis siihen, että ihminen pystyy hallittuun alasajoon. Se edellyttää sitä, että jokainen ottaa vastuun omista tarpeistaan välittäen tietysti muistakin. Meidän on siis nyt investoitava siihen, että tulevaisuudesta voitaisiin selvitä. Se liittyy keskeisesti energiaan ja ruokaan.

Off-grid eli ei liityntää verkkoon

Aurinkopaneeli asennettiin kesällä 2014 asuntovaun sähköntarpeeseen.

Kesällä asuntovaunun sähkön tarpeeseen asentamamme 250W aurinkopaneeli.

Iso-orvokkiniityllä energian ja erityisesti sähkön osalta pyrimme off-grid järjestelmään, koska se on ainoa tapa olla riippumaton suomalaisesta energiapolitiikasta, joka on keskimääräistäkin vastuuttomampaa. Vaikka tekisi minkälaisia tuulivoimasopimuksia sähköyhtiöiden kanssa, se ei muuta sitä, että töpselistä tulee ydinvoimaa. Kun akkuja ei ole, energiaa syntyy ja kuluu samaan aikaan. Vielä en ole nähnyt sellaista tuulivoimasopimusta, jossa sähkön tulo töpselistä lakkaisi silloin kun ei tuule. Jos Suomessa rakennettaisiin aidosti uusiutuvaan pienvoimalatuotantoon perustuvaa älykästä sähköverkkoa, siihen kannattaisi liittyä, mutta nyt sellaista ei ole näköpiirissä. Olemalla liittymättä verkkoon, säästyy lisäksi noin 6000 €, jonka voi sijoittaa omavaraisen järjestelmän kehittämiseen. Toki off-grid -järjestelmä maksaa tätä enemmän ja teoreettinen takaisinmaksuaika muodostuu varsin pitkäksi. Mutta tässä ei olekaan pelkästään euroista kysymys.

Off-grid järjestelmän mahdollistaa puulämmitys, aurinkosähkö ja -lämpö sekä tuulivoima. Kaikkea energiantarvetta näinkään ei pystytä kattamaan – jäljelle jäänee vielä joitakin polttomoottorikoneita ja auto. Työkaluista mahdollisimman monen pitäisi olla akkutyökaluja – saahan nykyään jopa akkukäyttöisiä moottorisahoja. Ja tietysti saa sähköautojakin, joka olisi mukava ladata omalla aurinko- ja tuulisähköllä. Kaikkeen ei kuitenkaan ole varaa, joten lähdetään liikkeelle asumisesta.

Iso-orvokkiniitty TAKAT 18.11.2014

Keittiön leivinuuni-lieden piirrustus.

Lämmitys on suhteellisen helppo hoitaa. Taloon tulee 2 puulämmitteistä muurattua tulisijaa: toinen keittiöön eli lämmittämään työhuoneen, keittiön ja olohuoneen ja toinen olohuoneen toiseen päähän lämmittämään makuuhuoneen, olohuoneen ja kosteat tilat. Lisäksi vesikierrolla hoidetaan kosteisiin tiloihin lattialämmitys samoin kuin olohuoneen ja työhuoneen seiniin. Veden kierto voidaan järjestää lämpövoimaisesti, jolloin pumppua, ts sähköä ei tarvita. Vesikierrolla voidaan lämmittää myös lämminvesivaraaja, johon lisäksi liitetään aurinkokeräimet, jolloin lämmintä vettä saadaan silloinkin, kun uuneja ei lämmitetä eli kesällä. Tarkka puuntarve on vielä arvoitus, mutta se saattaa olla 8 motin verran. Metsänkasvu 4 hehtaarin metsäalallamme lienee noin 20 mottia vuodessa, jolloin puuta jää vielä saunomiseenkin ja sieniviljelyyn. Saunarakennus rakennetaan erikseen ja sen hukkalämpö hyödynnetään kasvihuoneessa.

Sähköä voidaan tuottaa aurinko- ja tuulivoimalla. Jos Suomessa olisi aina kesä, ei tässä olisi mitään ongelmaakaan. Aurinkopaneelien hinnat ovat jatkuvasti halventuneet, jolloin niitä voi asentaa sen verran kuin on tarvetta ja katolle mahtuu. Off-grid -järjestelmän vaatimat akut ovatkin suurempi kustannuserä, sillä normaali sähköntarve olisi pystyttävä kattamaan akuista ainakin kolme päivää jos sattuisi niin, ettei tuule eikä paista. Sittenkin talvella voi tulla ongelmia, jos on pitkään tyyntä. Talvi on tietenkin huomattavasti kesää haastavampi, sillä pientuulivoimalat eivät ole ollenkaan niin selkeätä eikä edullista teknologiaa kuin aurinkopaneelit. Suomalainen tuulivoimalavalmistaja ilmoitti minulle, että ”Fakta on se, että vaikka (xyz-tuulivoimala) teknisesti soveltuu erinomaisesti talon yhteyteen, alhaisen tuulennopeuden alueilla tuulivoima ei mielestäni ole ratkaisu talon sähköistämiseen, vaikka jotkut tahot tällaisia lupauksia antavatkin.”

Tuulennopeus onkin kaiken a&o. Energiaa syntyy kolmannessa potenssissa suhteessa tuulen nopeuteen, mikä merkitsee, että 3 m/s tuulella energiaa tulee pienvoimalasta surkean vähän, mutta 5 m/s tuottaa jo mainiosti sen, mitä tarvitaan. Tuuliatlaksen mukaan Karjalohjalla tuulee keskimäärin 5-6 m/s 50 metrin korkeudessa; mutta miten niin korkealle pientuulivoimalalla pääsee? Oikeasti tuulen nopeutta pitäisi ryhtyä mittaamaan, mutta koska realistisesti ottaen turbiini pitänee saada 20-25 metrin korkeuteen, olisi tuulimittarikin saatava sinne, jotta mittauksella olisi mitään relevanssia. Ja sellaiset sääasemat, jotka luotettavasti mittaisivat ja tallentaisivat/ lähettäisivät datan eivät ole ihan halpoja nekään.  Toki kunnollinen sääasema permakulttuurihankkeemme tarpeisiin olisi hieno olemassa muutenkin.Näyttökuva 2014-11-23 kello 21.15.07

Suunnitellun rakennuspaikan yläpuolella metsäpohja on noin 20 metriä korkeammalla kuin talon edessä oleva pelto, joten sinne voimala olisi saatava. Metsä on melko nuorta ja puiden korkeus alle 20 metriä. Turbiinin olisi oltava ainakin 5 metriä puunlatvojen yläpuolella, jolloin maston olisi oltava 25 metriä korkea. Paikkaan ei ole tietä, eikä sellaista sinne tehdäkään, joten masto olisi saatava sinne paloina esimerkiksi mönkijällä ja jotenkin vielä pystyyn. Ilmeisesti jokin kevyt vaijerimasto. Ja jatkossa metsä olisi pidettävä suhteellisen matalana myllyn ympäriltä ja varsinkin länteen, jossa toki auttaa se, että mäki viettää sinne. Toinen vaihtoehto olisi laittaa voimala pellolle mahdollisimman kauas metsiköistä, jolloin sen asennus ja huolto olisi huomattavasti helpompaa. Tällä hetkellä ajatus on kallellaan vertikaaliturbiinin puolelle, jolloin melu- ja esteettinen haitta on pienempi ja voimala olisi vaaraton linnuille.

Yhtälön toinen puoli on sähkön kulutus, joka on minimoitava. Lämmitysratkaisulla on tässä suuri merkitys, koska se edustaa kuitenkin Suomen olosuhteissa suurinta energiantarvetta. Maalämpökään ei siksi ole niukan energian olosuhteissa mahdollinen, sillä lämpöpumppu vie kuitenkin sähköä huomattavasti enemmän kuin akuilla on järkevää varastoida. Mihin sähköä sitten kuluu? Pakastin, jääkaappi, tietokoneiden näytöt ja tietokoneet ovat suurimmat sähkösyöpöt kotitaloudessa, jossa on myös toimisto. Valaistus voidaan hoitaa LED valoilla melko vähällä sähköllä. LVI:hin liittyen vesipumput ovat suhteellisen suuria sähkön käyttäjiä, mikä tekee sadeveden käytön mielenkiintoiseksi – katolta vesi tulisi taloon painovoimaisesti. Kokonaan oma lukunsa ovat erilaiset työkalut, jotka helposti ovat teholtaan 500-2000 kW, jolloin niiden aiheuttama kulutus ja erityisesti perustehoon verrattuna moninkertaiset käynnistyksen kulutuspiikit muodostuvat helposti akustolle ylivoimaiseksi. Siksi olisikin panostettava mahdollisimman paljon akkukäyttöisiin sähkötyökaluihin.

Näyttökuva 2014-11-23 kello 18.11.12

Aurinkopaneelien tuottoarvio Karjalohjalla per 1 kW paneelin nimellistehoa.  http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

Rakennusaikainen työkalujen sähköntarve on hoidettava aggregaatilla. Myös off-grid järjestelmissä on yleensä jatkuvasti kytkettynä varavoimaksi aggregaatti, mikä tuntuu hiukan ristiriitaiselta ainakin jos aurinko- ja tuulivoimatuotanto on jatkuvasti alamittaista ja aggregaattia joutuisi käyttämään säännöllisesti. Silloinhan järjestelmän suunnittelu olisi epäonnistunut ja ekologinen arvo kyseenalainen. Toisaalta akut ovat liian kalliita, jotta niitä kannattaisi tuhota purkamalla niitä toistuvasti tyhjäksi, joten aggregaatti on syytä olla varalla. Sähkösuunnitelma tulisi kuitenkin tehdä niin, että se automaattisesti tiputtaa vähemmän vitaaleja toimintoja pois sähkön vähetessä. Tällaisen järjestelmän luonteeseen kuuluu, että sähköä on välillä vähemmän ja asukkaiden on siihen sopeuduttava. Lopulta istutaan kynttilän valossa keskustelemassa kun kännykästä ja läppäristäkin on akku tyhjentynyt. Puulämmitteisessä talossa sähkön ajoittainen loppuminen ei ole fataalia, mutta tuskin se liian usein toistuessaan hauskaakaan on.

Jos välillä sähköä saattaa olla tarpeeseen nähden liian vähän, voi sitä olla myös liian paljon. Silloin olisi hyvä, jos ylimääräistä energiaa voisi varastoida jotenkin vielä sittenkin, kun akut ovat täynnä. Yksi mahdollisuus on veden lämmittäminen vastuksilla, jolloin lämminvesivaraajan ja lattialämmityksen tarvitsema energia voitaisiin ottaa ylimääräisestä sähköstä. Eli tuulisina talvipäivinä vähenisi lämmityspuun tarve. Toinen mahdollisuus olisi veden pumppaaminen kaivosta talolle säiliöön, silloin kun sähköä on, jolloin ei heti oltaisi ilman vettä sähkön loppuessa. Lopulta pihalla voi olla vaikka suihkulähde. Kun kesäpäivänä sekä aurinko paistaa että tuulee, vesi suihkuaa todella korkealle…

 

Aurinkopaneelien mitoitus

Arvioimalla erilaisten laitteiden energiakulutusta, päädymme siihen, että sähköntarpeemme voisi olla 8 kWh päivässä eli noin 250 kWh kuukaudessa. Silloin oheisen taulukon mukaan tarvitsisimme touko-heinäkuussa 2000 W aurinkopaneelien nimellistehoa eli 12,5 m2 aurinkopaneelia (160 W/m2). Lokakuussa ja helmikuussa tarvittaisiin 38 m2 ja joulukuussa lähes 200 m2. Tällöin alustavasti suunnittelemamme 10 x 250 W paneelit (16 m2) riittäisivät sähkön tuotantoon huhti-elokuussa (touko-heinäkuussa 300 kWh). Jotta aurinkosähkökausi olisi maalis-lokakuu, tarvittaisiin 3500 W paneelit eli 22 m2. Kuitenkin, koska tarkoitus on kattaa talven sähköntarve tuulivoimalla nuo 2500 W paneelit riittänevät hyvin.

Koska joulukuussa aurinkopaneelien tuotto kattaa vain noin 10% tarpeesta, on tuulivoimakin käytännössä mitoitettava niin, että sillä voidaan kattaa koko sähköntarve. Koska kesälläkin tuulee, tästä seuraa väistämättä, että sähköntuotanto on kesällä jopa kaksinkertainen talveen ja tarpeeseen nähden. Voitaisiinko talvella elää sähköniukkuudessa ja voidaanko kesällä ylimääräistä sähköä käyttää järkevästi hyväksi? Todennäköisesti erilaisten sähkökäyttöisten laitteiden käyttö on ainakin kesällä aktiivisempaa ja porukkaa on enemmän niitä tarvitsemassa.

2014-08-16 17.37.25

Omniflown 3 kW tuulivoimala

Tuulivoiman mitoitus

Oletetaan, että tuuliturbiini saadaan riittävän korkealle hyödyntämään talvikuukausien yli 6 m/s tuulen keskinopeutta. Jos on lupa olettaa, että Tuuliatlaksen antamat sähköntuotantoarvot 3 MW voimalalle pätevät samassa suhteessa pienelle 3 kW voimalalle (MWh => kWh) saataisiin 3 kW tuuliturbiinilla loka-helmikuussa yli 400 kWh kuukaudessa ja tammikuussa peräti 600 kWh. Huhti-elokuussa tuotot ovat 230-270 kWh kuukaudessa. Vuosituotto olisi lähes 4300 kWh.

Portugalilaisen Omniflown antama arvio sähköntuotosta heidän OM3.8  3 kW mallillaan 6 m/s vuosittaisella keskituulella on 2700 kWh ja 7 m/s keskituulella 4200 kWh. Tällä perusteella yllä mainittuja Tuuliatlaksesta saatuja arvoja pitäisi pienentää kolmanneksella, jolloin talvikuukausien tuotto olisi edelleen täysin riittävällä 270 kWh tasolla ja kesällä 180 kWh. Arvioituun 250 kWh/kk tasoon nähden oltaisiin talvella kohtuullisella tasolla ja kesällä tuotto olisi lähes kaksinkertainen tarpeeseen nähden.

Akkujen mitoitus

Koska sekä aurinko- että tuulivoimaa syntyy epätasaisesti ja eriaikaisesti suhteessa kulutukseen, tarvitaan keino varastoida sähköä. Yleisesti ajatellaan, että akkujen pitäisi varastoida useiden päivien tai jopa viikon sähköntarve. Jos päivän sähköntarve on keskimäärin 8 kWh tulisi akuista saada kolmessa päivässä 24 kWh. Akun sisältämä energia ilmoitetaan ampeeritunteina (Ah), eli sähköntarve on muutettava wattitunneista ampeeritunneiksi. 24 kWh : 12 V =2000 Ah, joka on esimerkkitapauksen 3 päivän energian kulutus. Koska akkuja ei saa purkaa tyhjäksi, kerrotaan tämä arvo vielä kahdella, jolloin akkuja tulisi olla 4000 Ah eli 20 x 200 Ah akkua.

 

Vaikka laskelmissa saattaa vielä tulla muutoksia  – ja kommentteja otetaan mielellään vastaan – suuruusluokat osoittanevat, että omakotitalon off-grid ratkaisu on Suomessakin mahdollinen. Suurimmat kuluerät ovat tuulivoimala, akut, ja aurinkopaneelit, minkä lisäksi tulevat säätimet ja johdot. Kokonaiskustannukset lienevät 15000 € luokkaa, eli noin 10000 € korkeammat kuin verkkoon liittyminen. Investoinnin takaisinmaksuaika taitaa olla noin 20 vuotta nykyisillä sähkön hinnoilla. Onhan sähkö verkosta otettuna käsittämättömän halpaa.