Kysyntäpuolen vastaus (DSR) kaukolämmössä
Kirjoittanut Sonja Salo. Julkaissut aiemmin Fourdeg Oy ma 10.9.2018 11:00:00 AM EEST
Tämä artikkeli on aiemmin julkaistu Kuntatekniikassa (12/2016)
Rakennusten lämmitysjärjestelmän varustaminen älykkäillä ohjauslaitteilla voi tuoda merkittäviä taloudellisia ja ympäristöhyötyjä. Kun rakennukset on liitetty kaupunkien tai kuntien paikalliseen kaukolämpöverkkoon, rakennuksia ei pidä optimoida erikseen, vaan koko kaukolämpöverkkoa järjestelmänä, joka optimoi tuotannon, jakelun ja kulutuksen samanaikaisesti.
Noin puolet suomalaisista kodeista on kytketty kaukolämpöön. Energian kokonaiskulutus vuonna 2015 oli ennätyksellisen lämpimän sään vuoksi noin 33 TWh, mikä on 5 prosenttia vähemmän kuin edellisvuonna.
Kaukolämpöä on pidetty kustannustehokkaimpana tapana lämmittää rakennuksia erityisesti kaupunkialueilla. Suomessa, kuten muissakin Pohjoismaissa, on maailman kattavimpia kaukolämpöverkkoja. Vaihtoehtoiset lämmitysmuodot kehittyvät kuitenkin nopeasti. Lisääntyvä kilpailu ja muutokset energiapolitiikan suunnassa aiheuttavat suuria paineita kaukolämpöyhtiöille muutokseen.
Kaukolämpöä tuotetaan tällä hetkellä suoraan vastaamaan kuluttajien kysyntään ja melko jäykällä hinnoittelulla. Kaukolämmön kulutus vaihtelee sekä kausiluonteisesti että päivittäin ulkolämpötilan ja kuluttajien käyttäytymisen mukaan. Energiansaannin joustavuus saavutetaan pääasiassa tuotannon muutoksilla, suurten vesisäiliöiden käytöllä ja jakeluverkon optimoinnilla. Hetkelliset kysyntähuiput on usein korvattava fossiilisilla polttoaineilla, koska ne soveltuvat lämmöntuotannon nopeisiin muutoksiin.
Lämpö varastoituu rakenteisiin
Vaihtoehtoisesti yksittäisten rakennusten energiankulutus voi joustaa alaspäin hetkellisten kulutushuippujen aikana. Kaukolämmön kysyntäpuolen hallinnan tarkoituksena on siirtää rakennusten tarvitsemaa lämpötehoa ajan mittaan optimoimalla samalla verkon kokonaisenergiantarve. Esimerkiksi lämpöenergiaa voidaan syöttää rakennuksiin muutama tunti ennen kysyntähuippua. Toimitettu energia varastoidaan joko kuumavesisäiliöihin tai rakennusten rakenteisiin, mikä vähentää rakennusten energiantarvetta huippukysynnän aikana. Näin vältetään kalliin varavoimalaitoksen käynnistäminen.
Kaukolämmön kysyntäpuolen hallinta on samankaltaista kuin sähkön kysynnän hallinta. Kansainvälisesti Demand Side Management ymmärretään myös kokonaisenergiansäästöksi, ja sähköjärjestelmissä Demand Response tarkoittaa tehon siirtoa ajan kuluessa. Toisin kuin sähkö, kaukolämpö on pakko tuottaa paikallisesti.
Kaukolämpö on myös jäykempi energiamuotona, ja se reagoi hitaammin muutoksiin ja joustavuus on suunniteltava etukäteen. Älykkäällä lämpötilan säädöllä loppukäyttäjä ei huomaa hetkellistä muutosta lämmityksessä hitaan vasteen vuoksi.
Kysyntäjouston (DSR) perimmäisenä tavoitteena on saavuttaa säästöjä sekä energiankulutuksessa että kustannuksissa helppokäyttöisyysta uhraamatta. Siksi lämpimän käyttöveden ja kaukolämmön kysynnän hallinnassa on vain rajalliset mahdollisuudet.
Virtuaalinen lämpöakku
Kaukolämpöön kytketyt rakennukset voivat olla osa virtuaalista, hajautettua lämpöakkua, jossa on älykäs ohjaus. Nämä paikalliset pienet lämpövarastot näyttävät kaukolämpöyhtiölle yhtenä suurena virtuaalisena lämpöakkuna, jonka käyttäjä voi ladata ja purkaa samalla tavalla kuin suuri vesisäiliön lämpöakku.
Hajautettu lämpövarastojärjestelmä toimii kuin virtuaalinen voimalaitos sähköjärjestelmissä. Tällä tavoin kaukolämpöyhtiö voi lisätä virtuaalista akkukapasiteettiaan suhteellisen pienellä investoinnilla omistamatta fyysistä varastointia.
Hajautettuja lämpövarastoja voidaan hallita etänä esineiden internetiin liitetyillä laitteilla. Sen etuja ovat alhaiset investointikustannukset, ennakoiva ylläpito ja tehokas tilankäyttö. Hajautettu lämpövarasto kaukolämmitteisessä kiinteistössä on huomattava lämpöakku.
Lämpöakku latautuu ja purkautuu rakenteisiin huoneen ilman lämpötilan muutoksen mukaan, mikä mahdollistaa lyhytaikaisen noin muutaman tunnin lämpövarastoinnin.
Kun patterit lisäävät tehoa, huoneilma lämpenee ensin pienemmän lämpökapasiteetin vuoksi. Sen jälkeen lämpöenergia siirtyy hitaasti huoneen rakenteisiin, kuten seiniin, lattiaan ja kattoon.
Vastaavasti, kun lämpöpattereiden teho pienenee, huonerakenteet siirtävät hitaasti lämpöenergiaa huoneilmaan säilyttäen samalla tasaisen lämpötilan.
Lämpövarastointikapasiteettia voidaan lisätä
Rakenteiden varastointipotentiaali riippuu suurelta osin materiaalin lämpökapasiteetista, sen massasta ja lämpögradientista, johon varastointia käytetään. Kysyntäpuolen hallintaan liittyvien rakennusten olisi oltava raskaasti rakennettuja ja siten niillä olisi oltava suuri lämpökapasiteetti.
Lämpövarastointikapasiteettia voidaan lisätä lisäämällä piilevä lämpövarasto (LHS) järkevän lämmön varastoinnin (SHS) sijaan, joka voidaan toteuttaa joko aktiivisilla järjestelmillä tai integroimalla vaihemuutosmateriaalit passiivisesti rakenteisiin.
Rakennuksen varustaminen älykkäillä säätimillä vähentää rakennuksen energiankulutusta, kun säätimet tasapainottavat huoneiden sisälämpötilaa, alentavat lämpötilaa poissaolon aikana ja oppivat rakennuksen yksilöllisen lämpökapasiteetin. Oikealla ohjauksella rakennus optimoi ja säästää energiaa.
Kysyntäpuolen hallinnan myötä rakennuksen sisäinen lämpötila voi nousta hetkellisesti, mikä aiheuttaa lämpöhäviöiden nousun. Rakennus voi siis kuluttaa enemmän energiaa kuin se säästää lämpökatkoksen aikana. Tämä lisääntynyt energiantarve on kuitenkin toteutunut kustannustehokkaana aikana, ja energiantuotannon kokonaiskustannuksia voidaan edelleen alentaa.
Tehoa voidaan katkaista jopa 30 %
Rakenteiden varastointipotentiaali riippuu suurelta osin materiaalin lämpökapasiteetista, sen massasta ja lämpögradientista, johon varastointia käytetään. Kysynnän joustavuuteen liittyvät rakennukset ovat mahdollisimman raskaita eli niillä on suuri lämpömassa.
Lämmön varastointikapasiteettia voidaan lisätä valitsemalla järkevän lämmön varastoinnin sijaan piilevä lämmön varastointi, joka voidaan toteuttaa joko aktiivisilla järjestelmillä tai integroimalla faasimuutosmateriaali passiivisesti rakenteisiin.
Rakennuksen varustaminen älykkäillä ohjauslaitteilla vähentää rakennuksen energiankulutusta, kun säätimet tasapainottavat huoneiden sisälämpötilaa, alentavat lämpötilaa poissaolon aikana ja oppivat rakennuksen yksilöllisen lämmönkestävyyden. Oikealla ohjauksella rakennus säästää energiaa kokonaisuutena.
Kysynnän joustavuuden myötä rakennuksen sisälämpötila voi nousta hetkellisesti, jolloin myös lämpöhäviöt nousevat. Rakennus voi sitten kuluttaa enemmän energiaa, kun se säästää lämpöä sähkökatkoksen aikana. Tämä lisääntynyt energiantarve on kuitenkin toteutunut kustannustehokkaassa ajassa, jolloin kokonaistuotantokustannukset voivat laskea.
Huipputehoa voidaan leikata jopa 30%
Sekä huonekohtaisia että verkon laajuisia simulaatioita on tehty kaukolämmön kysynnän joustavuudesta. Huonesimulaatio osoitti, että rakennuksen heikoimmat kohdat ovat kulmahuoneissa, joissa on suurempi lämpöhäviö kuin muualla rakennuksessa. Siksi huonekohtaisella lämmityksen ohjauksella on mahdollista hyödyntää koko rakennuksen varastointipotentiaalia.
Jyväskylässä tehdyn tutkimuksen mukaan kaukolämpöjärjestelmän tehoa on mahdollista katkaista jopa 25-30 %, mikä tarkoittaa, että esimerkiksi polttoöljyllä toimivan lämpökeskuksen käyttö voidaan välttää.
Kaukolämmön kysyntäjousto on osa tulevaisuuden älykästä kaukolämpöverkkoa. Verkkosimulaation perusteella kaukolämpöyhtiö voi säästää noin 5-10 % kaukolämmön muuttuvissa kustannuksissa hyödyntämällä hajautettua lämpöakkua.
Muuttuvien kustannusten osuus kaukolämmön tuotannon kokonaiskustannuksista vaihtelee muun muassa tuotantorakenteen, kaukolämpöverkon koon ja iän mukaan. Simulaatiossa otettiin huomioon sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksen ja suuren lämpöpumpun riippuvuudet sähkön spot-hinnasta.
Energiayhtiö voi löytää lisäarvoa olemassa olevaan liiketoimintaan avaamalla keskustelun asiakkaan kanssa. Tämä johtaa yhteen kysynnän joustavuuden keskeisistä kysymyksistä: miten houkuttelemme kuluttajia osallistumaan joustavuuteen? Vaikka teknologia on olemassa, oikeita taloudellisia ja sosiaalisia kannustimia kehitetään edelleen.
Myös kuluttajien suhtautumista loputtomaan energiahuoltoon olisi päivitettävä. Julkinen sektori voisi olla suunnannäyttäjä ja edelläkävijä puhtaammassa, älykkäämmässä ja tehokkaammassa kaukolämmityksessä.
Lähteistä:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Kaukolämmön ja -jäähdytyksen yhteydessä olevien rakennusten ennakoiva kysyntäpuolen hallinta,
Kärkkäinen et al. (2004) Kaukolämpöjärjestelmien kysyntäpuolen hallinta