Kuntatekniikka 15.12.2016 - 14:27

Kaukolämmön kysyntäjoustossa piilee suuri säästö

Lämmön kysyntäjoustossa piilee suuri potentiaali sähkö- ja kaukolämpöverkkojen tasapainottamiseksi, kertoo Sonja Salon diplomityö, joka hyväksyttiin Aalto-yliopiston energiatekniikan laitoksella.

Rakennusten lämmitysjärjestelmän varustaminen älykkäillä ohjauslaitteilla voi tuoda merkittävää taloudellista ja ympäristöllistä hyötyä. Kun rakennukset on liitetty kaupungeissa ja kunnissa paikalliseen kaukolämpöverkkoon, niitä ei tulisi optimoida pelkästään yksilötasolla, vaan koko systeemiä, eli tuotantoa, jakelua ja kulutusta, ajetaan optimaalisesti.

Noin puolet Suomen kodeista on liitetty kaukolämpöön kuluttaen vuonna 2015 noin 33 TWh energiaa. Laskua edelliseen vuoteen oli viisi prosenttia, mikä johtui ennätyslämpimästä säästä.

Kaukolämpöä on pidetty pitkään kustannustehokkaimpana tapana lämmittää rakennuksia varsinkin kaupunkialueella. Suomessa on muiden Pohjoismaiden ohella maailman kattavampia kaukolämpöverkkoja. Vaihtoehtoiset lämmön tuotantomuodot kehittyvät kuitenkin hurjaa vauhtia. Kasvava kilpailu ja energiapolitiikka kohdistavat kaukolämpöyhtiöihin suuria muutospaineita.

Kaukolämpöä tuotetaan tällä hetkellä suoraan kuluttajien tarpeen mukaan ja melko kankealla hinnoittelulla. Kaukolämmön kulutus vaihtelee niin kausittain kuin päivittäin ulkolämpötilan ja kuluttajien käyttäytymisen mukaisesti. Energian tarjonnassa joustetaan lähinnä tuotannon puolella, suurilla vesitankeilla ja jakeluverkon optimoinnilla. Hetkittäiset kysyntäpiikit joudutaan korvaamaan usein fossiilisilla polttoaineilla, sillä nämä laitokset on suunniteltu nopeaan lämmöntuotantoon.

Lämpöä varastoituu rakenteisiin

Vaihtoehtoisesti kysyntä voisi joustaa hetkittäisten kulutuspiikkien aikana. Kaukolämmön kysyntäjoustossa tarkoituksena on siirtää rakennusten tarvitsemaa lämpötehoa ajallisesti vähentämättä välttämättä kokonaisenergian tarvetta. Rakennuksiin voi syöttää muutama tunti ennen kysyntäpiikkiä lämpöenergiaa, joka varastoituu joko lämminvesivaraajaan tai rakennusten rakenteisiin ja vastaavasti vähentää lämmitystä ajaksi, jolloin muuten olisi pitänyt käynnistää varavoimalaitos.

Kaukolämmön kysyntäjoustosta löytyy yhtäläisyyksiä sähkön kysyntäjoustosta. Kansainvälisesti kysyntäjousto eli demand-side management ymmärretään myös kokonaisenergian säästönä ja demand response sähköjärjestelmissä viittaa ajalliseen tehon siirtoon. Toisin kuin sähkö, kaukolämpö on pakko tuottaa paikallisesti.

Kaukolämpö on myös energiamuotona kankeampi, jolloin se reagoi hitaammin muutoksiin ja jousto pitää suunnitella etukäteen. Älykkäällä lämpötilan hallinnalla loppukäyttäjä ei huomaa lämmityksen hetkittäistä muutosta hitaan siirtymisajan vuoksi.

Kysyntäjouston perimmäisenä tavoitteena on saavuttaa säästöä sekä energiankulutuksessa että kustannuksissa ilman, että käyttömukavuus kärsii. Siksi lämmin käyttövesi ja kaukolämmitetty ilmastointi kuuluisivat vain rajoitetusti kysyntäjouston piiriin.

Virtuaalinen lämpöakku

Kaukolämpöön liittyneet rakennukset voivat älykkäällä ohjauksella olla osa virtuaalista, hajautettua lämpöakkua. Nämä paikalliset pienakut näkyvät kaukolämpöyhtiölle yhtenä suurena lämpöakkuna, jota operaattori voi ladata ja purkaa samalla tavalla kuin suurta vesisäiliölämpöakkua.

Hajautettu lämpöakkujärjestelmä toimii kuin virtuaalinen voimalaitos sähköjärjestelmissä.  Tällä tavalla kaukolämpöyhtiö voi suhteellisen pienellä investoinnilla lisätä akkukapasiteettiaan omistamatta yhtäkään fyysistä varastoa.

Virtuaalista akkua voi hallita etänä laitteilla, jotka ovat kytketty esineiden internettiin. Sen eduiksi luetaan matalat investointikustannukset, huollon ennakointi ja tehokas tilan käyttö. Hajautettu akku kaukolämmitetyissä kiinteistöissä on tässä toteutuksessa tuntuva lämpöakku.

Tuntuva lämpöakku latautuu ja purkautuu huoneilman lämpötilan muutoksen mukaisesti rakenteisiin mahdollistaen lyhytaikaisen, noin muutaman tunnin mittaisen lämpövaraston.

Kun lämpöpatterit lisäävät tehoa, huoneilma lämpenee ensimmäiseksi pienemmän ominaiskapasiteetin vuoksi. Tämän jälkeen lämpöenergia siirtyy hitaasti huoneen rakenteisin, kuten seiniin, lattiaan ja kattoon.

Vastaavasti pattereiden tehon pienentyessä, huoneen rakenteet luovuttavat hitaasti lämpöenergiaa huoneilmaan pitäen yllä tasaisen lämpötilan.

Termistä varastointikykyä voi kasvattaa

Rakenteiden varastointipotentiaali riippuu suurilta osin materiaalin lämpökapasiteetista, sen massasta ja lämpögradientista, johon varastointi kohdistuu. Kysyntäjoustoon liitetyt rakennukset ovat mahdollisimman raskasrakenteisia, eli ne omaavat suuren termisen massan.

Termistä varastointikykyä voi kasvattaa valitsemalla tuntuvan lämpövaraston sijasta latenttisen lämpövaraston, joka voidaan toteuttaa joko aktiivisilla järjestelmillä tai passiivisesti integroimalla faasimuutosmateriaali rakenteisiin.

Rakennuksen varustaminen älyhallintalaitteilla pienentää rakennuksen energiankulutusta, kun säätimet tasapainottavat huoneiden sisälämpötilaa, laskevat lämpötilaa poissaoloaikana ja oppivat rakennuksen yksilöllisen lämpövastuksen. Rakennus säästää oikealla ohjauksella kokonaisuudessaan energiaa.

Kysyntäjoustolla rakennuksen sisälämpötila saattaa hetkittäin nousta, jolloin lämpöhäviötkin nousevat. Rakennus saattaa silloin kuluttaa enemmän energiaa, kun lämmön katkon aikana säästää. Tämä lisääntynyt energiantarve on toteutettu kuitenkin kustannustehokkaana aikana ja tuotannon kokonaiskustannukset saattavat siten pienentyä.

Tehoa voidaan leikata jopa 30%

Kaukolämmön kysyntäjoustoon on tehty niin huonekohtaisia kuin verkon kattavia simulaatioita. Huonesimulaatio osoitti, että rakennuksen heikoimmat kohdat ovat nurkkahuoneissa, joissa on muuta rakennusta suurempi lämpöhäviö. Siksi huonekohtaisella lämmityksen ohjauksella on mahdollista hyödyntää koko rakennuksen varastointipotentiaalia.

Jyväskylässä tehdyn tutkimusten mukaan on mahdollista leikata kaukolämpösysteemin tehoa jopa 25-30%, jolloin voidaan välttää esimerkiksi polttoöljyllä toimivan lämpökeskuksen käyttöä.

Kaukolämmön kysyntäjousto on osa tulevaisuuden älykästä kaukolämpöverkkoa. Verkkosimulaation perusteella kaukolämpöyhtiö voi säästää noin 5-10% kaukolämmön muuttuvissa kustannuksissa hyödyntämällä hajautettua lämpöakkua.

Muuttuvien kustannusten osuus kaukolämpötuotannon kokonaiskustannuksista vaihtelee muu muassa tuotantorakenteen, kaukolämpöverkon suuruuden ja iän perusteella. Simulaatiossa otettiin yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotantolaitoksen sekä suuren lämpöpumpun riippuvuudet sähkön spot-hinnasta huomioon.

Energiayhtiö voi löytää lisäarvoa olemassa olevaan liiketoimintaan avaamalla keskustelun asiakkaan kanssa.  Tästä päästään yhteen kysyntäjouston keskeiseen kysymykseen: miten houkutellaan kuluttajat osallistumaan joustoon? Vaikka teknologia on olemassa, oikeat taloudelliset ja sosiaaliset kannustimet ovat vielä kehittymässä.

Myös kuluttajien asenteet loputtomasta energiantarjonnasta tulisi päivittää. Julkinen sektori voisi olla suunnannäyttäjänä ja edelläkävijänä puhtaamman, älykkäämmän ja tehokkaamman kaukolämmön puolesta.

Artikkelin pohjana ovat olleet mm. Energiateollisuus (2015) Energiavuosi, Sonja Salo (2016) Predictive Demand-side Management in District Heating and Cooling Connected Buildings, Kärkkäinen et al. (2004) Demand side Management of the District Heating Systems

 

SONJA SALO