A market review and a techno-economic assessment of solar heating applications

Työn tavoitteena on tutkia ja löytää aurinkolämpöön ja -jäähdytykseen liittyviä teknistaloudellisesti potentiaalisia konsepteja, selvittää aurinkolämpöteknologian hyötyjä muihin lämmöntuotantomuotoihin verrattuna ja saada tietoa aurinkolämpösovellusten taloudellisesta kannattavuudesta. Keskeisiä tutkimusmenetelmiä ovat kirjallisuustutkimus sekä aurinkokeräimien toimintakykyyn liittyvät laskelmat, erilaiset data-analyysit, kannattavuuslaskelmat sekä herkkyystarkastelut. Kirjallisuustutkimus sisältää markkinakatsauksen ja siinä esitellään aurinkolämpöteknologioiden keskeiset käsitteet. Lähteinä käytetään kansainvälisiä tieteellisiä artikkeleita ja alan kirjallisuutta. Alustavien kokoluokkatarkastelujen perusteella tutkimusosassa kehitetään Suomen olosuhteisiin soveltuvia konsepteja, joille tehdään teknistaloudellinen tarkastelu. Konsepteiksi valikoituivat aurinkokaukolämpöratkaisu, aurinkolämpö lämpöpumppujen kanssa sekä aurinkojäähdytysratkaisu, joille tehtiin tarkemmat kannattavuus- ja herkkyystarkastelut. Lisäksi lopuksi aurinkokaukolämpöinvestointia verrataan biolaitosinvestointeihin. Kansainvälisten tilastojen mukaan aurinkoenergian tuotanto on kasvanut viime vuosina maailmanlaajuisesti ja kasvuennusteiden mukaan jatkaa edelleen kasvuaan. Toimivia teknisiä ja taloudellisesti kannattavia aurinkolämpöratkaisuja on jo olemassa, mutta niiden teknistaloudelliset ominaisuudet ovat kuitenkin hyvin kohde- ja sijaintikohtaisia. Tutkimuksen pohjalta voidaan todeta, että aurinkolämpöjärjestelmien kannattavuus kasvaa järjestelmäkoon kasvaessa investointi- ja ylläpitokustannusten suhteellisen osuuden laskiessa. Pinta-alan ja lämpövaraston tarve sekä auringonsäteilyn ja suurimman lämmönkulutusajankohdan kohtaamattomuus kuitenkin rajoittavat aurinkolämmölle sopivien kohteiden määrää tiiviisti rakennetulla kaupunkialueella. Työn tulosten perusteella kannattavimmat aurinkolämpöjärjestelmät ovat keräinpinta-alaltaan hyvin suuria, minkä vuoksi järjestelmät voivat olla myös aluesuunnittelun kannalta haastavia toteuttaa kaupunkiympäristössä. Aurinkolämpöjärjestelmät toteutetaan yleensä hybridijärjestelminä, jolloin ne toimivat yhdessä jonkin toisen energiantuotantomuodon tai lämpövaraston kanssa. Tällöin järjestelmä ei ole niin herkkä tuotannonvaihteluille. Aurinkokaukolämpöratkaisuissa ei kuitenkaan ole välttämätöntä investoida erikseen lämpövarastoon kaukolämpöverkon toimiessa lämpövarastona. Työn pohjalta voidaan todeta, että aurinkolämpösovelluksista kustannustehokkaimpia ovat aurinkokaukolämpö, aurinkojäähdytys sekä lämpöpumppuihin integroitavat järjestelmät. Näille konsepteille suositellaan sijaintikohtaisempaa jatkotarkastelua. Aurinkolämpöratkaisuilla on mahdollista säästää esimerkiksi biopolttoainekustannuksissa kevät-, kesä- ja syyskaudella.The objective of this Thesis is to study and identify the most techno-economically viable concepts related to solar heating and cooling, resolve the benefits of these solutions and gain knowledge from their economic profitability. The key research methods include a literature study, calculations related to solar collector performance, data analysis, feasibility calculations and sensitivity analysis. The literature study includes a market overview and the key concepts for solar thermal technology. The literature sources used in the Thesis are international scientific articles and literature related to the energy field. The solutions that could be applied in Finnish climate conditions are examined in the Thesis. Based on the literature review and preliminary calculations the concepts selected for more precise profitability and sensitivity assessments were solar district heating, solar heating integrated with heat pumps and solar cooling with an absorption chiller. Finally, a solar district heating investment is compared to a biomass plant investment. As reported by the international statistics solar energy generation has grown worldwide in recent years and according to the growth forecasts still continues to grow. Economically and technically viable solar thermal solutions already exist, but their profitability and system features are very location-specific. Based on the research it can be stated that the profitability of solar thermal systems increases with larger system sizes, as the relative share of investment and maintenance costs decrease. However, the need for the area and thermal storages as well as the disruption of solar radiation and highest heat consumption time, limit the number of suitable sites and configuration solutions in a densely constructed urban areas. Based on the results of this work the most profitable solar thermal systems have very large collector area, which also poses spatial planning challenges on such large systems in urban environment. Generally, solar thermal systems should be implemented as hybrid systems, so that they work together with other energy generation method or thermal storage. Thus, the system is not so sensitive to production fluctuations. However, it is not necessary to invest in a thermal storage since the district heating network can work as a thermal storage in the case of solar district heating. At present, solar district heating, solar cooling and solar driven heat pump systems could be the most cost-effective solar heat applications. A more location-specific assessment for the concepts presented in this work is recommended. In the future solar thermal solutions may provide savings of for instance biomass fuel costs during spring, summer and autumn periods