Etterspørselsfleksibilitet (DSR) i fjernvarmesektoren
Skrevet av Sonja Salo. Publisert tidligere av Fourdeg Oy på Mon 10 Sep 2018 11:00:00 AM EEST
Denne artikkelen er tidligere publisert i Kuntatekniikka (12/2016).
Å utstyre bygningers varmesystem med intelligente styringsenheter kan gi betydelige økonomiske og miljømessige fordeler. Når bygningene er koblet til det lokale fjernvarmenettet i byer eller kommuner, bør ikke bygningene optimaliseres hver for seg, men hele fjernvarmenettet som et system som samtidig optimaliserer produksjon, distribusjon og forbruk.
Omtrent halvparten av de finske boligene er koblet til fjernvarme. Det totale energiforbruket i 2015 var ca. 33 TWh, en nedgang på 5 prosent fra året før, på grunn av rekordvarmt vær.
Fjernvarme har vært ansett som den mest kostnadseffektive måten å varme opp bygninger på, spesielt i byområder. Finland har, i likhet med andre nordiske land, noen av verdens mest omfattende fjernvarmenettverk. Alternative oppvarmingsformer er imidlertid i rask utvikling. Økende konkurranse og endringer i energipolitikken legger et stort press på fjernvarmeselskapene.
Fjernvarme produseres i dag direkte for å dekke forbrukernes etterspørsel og til relativt faste priser. Fjernvarmeforbruket varierer både sesongmessig og daglig i henhold til utetemperatur og forbrukeratferd. Fleksibilitet i energiforsyningen oppnås hovedsakelig gjennom endringer i produksjonen, utnyttelse av store vanntanker og optimalisering av distribusjonsnettet. Momentane topper i etterspørselen må ofte erstattes av fossile brensler fordi de er egnet til raske endringer i varmeproduksjonen.
Varmen lagres i strukturer
Alternativt kan energiforbruket i de enkelte bygningene justeres nedover under kortvarige forbrukstopper. Hensikten med fjernvarmestyring er å overføre riktig mengde termisk energi til bygningene over tid, samtidig som det totale energibehovet i nettverket optimaliseres. Termisk energi kan for eksempel leveres til bygninger noen timer før en etterspørselstopp. Den tilførte energien lagres enten i varmtvannstanker eller i bygningskonstruksjonene, noe som reduserer energibehovet i bygningene under forbrukstoppen. På denne måten unngår man oppstart av et dyrt reservekraftverk.
Etterspørselsstyringen for fjernvarme har likhetstrekk med den som brukes for elektrisitet. Internasjonalt forstås Demand Side Management også som total energibesparelse, og Demand Response refererer i elektriske systemer til overføring av kraft over tid. I motsetning til elektrisitet er fjernvarme tvunget til å produseres lokalt.
Fjernvarme er også en mer rigid energiform som reagerer langsommere på endringer, og fleksibiliteten må planlegges på forhånd. Med intelligent temperaturstyring merker ikke sluttbrukeren den kortvarige endringen i oppvarmingen på grunn av den langsomme responsen.
Det endelige målet med fleksibelt forbruk (DSR ) er å oppnå besparelser i både energiforbruk og kostnader uten at det går på bekostning av brukervennligheten. Etterspørselsstyring av varmtvann og fjernvarme har derfor bare begrensede muligheter.
Virtuelt termisk batteri
Bygninger som er tilkoblet fjernvarme kan inngå i et virtuelt, distribuert varmelager med intelligent styring. Disse lokale, små varmelagrene fremstår for fjernvarmeselskapet som ett stort, virtuelt varmebatteri som kan lades og tømmes av operatøren på samme måte som et stort varmebatteri i en vanntank.
Et distribuert termisk lagringssystem fungerer som et virtuelt kraftverk i elektriske systemer. På denne måten kan et fjernvarmeselskap øke sin virtuelle batterikapasitet med en relativt liten investering uten å eie noe fysisk lager.
De distribuerte varmelagrene kan fjernstyres med enheter som er koblet til tingenes internett. Fordelene er lave investeringskostnader, forutsigbart vedlikehold og effektiv plassutnyttelse. Et distribuert varmelager i en fjernvarmeisolert eiendom er en betydelig varmeakkumulator.
Varmeakkumulatoren lades og tømmes i konstruksjonene i takt med endringer i romtemperaturen, noe som muliggjør en kortvarig varmelagring på noen få timer.
Når radiatorene øker effekten, varmes romluften opp først på grunn av lavere varmekapasitet. Deretter overføres varmeenergien langsomt til strukturer i rommet, som vegger, gulv og tak.
Etter hvert som effekten til radiatorene avtar, overfører romkonstruksjonene langsomt varmeenergi til romluften, samtidig som temperaturen holdes konstant.
Termisk lagringskapasitet kan økes
Lagringspotensialet i konstruksjoner avhenger i stor grad av materialets termiske kapasitet, massen og den termiske gradienten som lagringen er knyttet til. Bygningene som er koblet til etterspørselsstyring, bør ha en tung struktur og dermed høy varmekapasitet.
Varmelagringskapasiteten kan økes ved å legge til latent varmelagring (LHS) i stedet for sensitiv varmelagring (SHS), noe som kan gjøres enten ved hjelp av aktive systemer eller ved passiv integrering av faseendringsmaterialer i konstruksjonene.
Når en bygning utstyres med intelligent styring, reduseres energiforbruket i takt med at styringen balanserer romtemperaturen, senker temperaturen ved fravær og lærer seg bygningens individuelle varmekapasitet. Med riktig styring optimaliseres bygningen og sparer energi.
Med behovsstyring kan den interne temperaturen i en bygning stige midlertidig, noe som fører til at varmetapet øker. Bygningen kan derfor forbruke mer energi enn den sparer i løpet av varmeavbruddet. Dette økte energibehovet har imidlertid blitt realisert i en kostnadseffektiv periode, og de totale kostnadene for energiproduksjon kan fortsatt reduseres.
Effekten kan reduseres med opptil 30 %
Lagringspotensialet til konstruksjoner avhenger i stor grad av materialets termiske kapasitet, massen og den termiske gradienten som lagringen brukes på. Bygningene som er knyttet til etterspørselselastisitet er så tunge som mulig, dvs. at de har en stor termisk masse.
Varmelagringskapasiteten kan økes ved å velge latent varmelagring i stedet for sensitiv varmelagring, noe som kan realiseres enten med aktive systemer eller ved passiv integrering av faseendringsmateriale i konstruksjoner.
Ved å utstyre bygningen med smarte styringsenheter reduseres bygningens energiforbruk når styringen balanserer rommenes innetemperatur, senker temperaturen ved fravær og lærer seg bygningens individuelle varmemotstand. Med riktig styring sparer bygningen energi som helhet.
Med etterspørselselastisitet kan den interne temperaturen i bygningen stige i et øyeblikk, noe som fører til at varmetapet også øker. Bygningen kan da forbruke mer energi når den skal spare varme under et strømbrudd. Dette økte energibehovet er imidlertid implementert på et kostnadseffektivt tidspunkt, og de totale produksjonskostnadene kan dermed reduseres.
Toppeffekten kan reduseres med opptil 30 %.
Det er gjort både romspesifikke og nettverksbaserte simuleringer for fleksibilitet i fjernvarmebehovet. Romsimuleringen viste at bygningens svakeste punkter er hjørnerommene, som har større varmetap enn resten av bygningen. Med romspesifikk varmestyring er det derfor mulig å utnytte lagringspotensialet i hele bygningen.
Ifølge forskning utført i Jyväskylä er det mulig å redusere effekten i fjernvarmesystemet med opptil 25-30 %, noe som betyr at man for eksempel kan unngå å bruke en varmesentral som går på fyringsolje.
Etterspørselsfleksibiliteten til fjernvarme er en del av fremtidens intelligente fjernvarmenett. Basert på nettverkssimuleringen kan et fjernvarmeselskap spare ca. 5-10 % av de variable fjernvarmekostnadene ved å bruke et distribuert varmebatteri.
Andelen variable kostnader av de totale kostnadene ved fjernvarmeproduksjon varierer avhengig av blant annet produksjonsstruktur, størrelse og alder på fjernvarmenettet. I simuleringen ble det tatt hensyn til at det kombinerte el- og varmeproduksjonsanlegget og den store varmepumpen avhenger av spotprisen på elektrisitet.
Et energiselskap kan skape merverdi for den eksisterende virksomheten ved å innlede en samtale med kunden. Dette leder oss til et av de sentrale spørsmålene i forbindelse med etterspørselselastisitet: Hvordan får vi forbrukerne til å delta i elastisitet? Teknologien finnes, men de rette økonomiske og sosiale insentivene er fortsatt under utvikling.
Forbrukernes holdninger til endeløs energiforsyning bør også oppdateres. Offentlig sektor kan være en trendsetter og pioner for renere, smartere og mer effektiv fjernvarme.
Kilder:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Prediktiv styring av etterspørselssiden i fjernvarme- og fjernkjølingstilkoblede bygninger,
Kärkkäinen et al. (2004) Etterspørselsstyring av fjernvarmesystemer