Kaukolämmön kysyntäjouston hyödyt, haitat ja

Kaukolämmön
kysyntäjouston
hyödyt, haitat ja
potentiaali
Kaukolämpöpäivät
27.8.2015
Pekka Passi
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
VALOR Partners Oy
Suomen markkinat tunteva
itsenäinen strategiakonsultti
VALORin liikevaihdon
jakauma
• Toimisto Helsingissä
• 15 konsulttia
• Laaja kokemus usealta toimialalta
Lähestymistapamme
• Sitoutuminen kasvuun yhdessä
asiakkaiden kanssa; VALORin
tavoitteena on olla laadultaan
ensisijainen valinta asiakkailleen
• Asiakaslähtöinen ja pitkäjänteinen
toimintamalli varmistaa arvonluonnin
ja mahdollistaa muutokset
• Hankkeet tyypillisesti yhtiöiden
ylimmän johdon agendalla
2
Omistajakysymykset ja
yritysjärjestelyt
Toiminnan
tehostaminen
Strategia
ja sen
jalkauttaminen
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Tausta
• VALOR Partners Oy laati Energiateollisuus ry:lle kevään 2015
aikana selvityksen kaukolämmön kysyntäjoustosta
• Työssä tarkasteltiin kaukolämmön kysyntäjouston hyötyjä ja
haittoja, potentiaalia, toteutusmallia sekä asiakaskannustimia
• Projektitiimiin kuuluivat Pekka Passi ja Seppo Ruohonen
VALORilta sekä Kaisa Kontu ja Samuli Rinne Aalto-yliopistosta
3
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Tutkimuksen toteutus
Aiemmat
tutkimukset ja
selvitykset
Kaukolämpöyhtiöiden,
-asiakkaiden ja
laitetoimittajien
haastattelut
Case-esimerkit ja
pilottihankkeet
Konsultin omat
analyysit ja
simuloinnit
Yhteenveto ja
alustavat
johtopäätökset
Asiakkaan ja
jäsenkunnan
kommentit
Loppuraportti
Vaikutukset
kaukolämpöalan
strategiaan
4
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Keskusteluagenda
1.
Mitä kysyntäjousto on?
2.
Mitä hyötyä ja/tai haittaa kysyntäjoustosta on?
3.
Miten kysyntäjousto pitäisi toteuttaa?
5
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Mitä kysyntäjousto on?
VALORin määritelmän mukaan:
Kaukolämmön kysyntäjoustolla tarkoitetaan
kulutuksen ajoituksen ja sitä kautta lämpötehon
tarpeen muuttamista tavanomaiseen
lämmitystarpeeseen verrattuna heikentämättä
asiakkaiden kokemaa palvelun laatua
• Lämmön kysyntäjoustoa ei tule sekoittaa energian säästöön tai
energian kysynnän rajoituksiin / palvelun laadun heikentämiseen
• Kysyntäjoustossa lämpöenergiaa ei välttämättä säästy, vaan
tavoitteena on lämmönkulutuksen ajallinen siirto koko
kaukolämpöjärjestelmän järjestelmän kannalta
optimaalisemmaksi
6
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Keskusteluagenda
1.
Mitä kysyntäjousto on?
2.
Mitä hyötyä ja/tai haittaa kysyntäjoustosta on?
3.
Miten kysyntäjousto pitäisi toteuttaa?
7
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Tyypillisen kaukolämpöjärjestelmän kuormituskäyrän muoto
Tuntitason lämmöntarpeen keskiarvo eri
vuodenaikoina ruotsalaisessa kaukolämpöjärjestelmässä, jonka vuosittainen
lämmöntuotanto on noin 1200 GWh
(joulukuu–helmikuu, maalis-huhtikuu & lokamarraskuu, toukokuu & syyskuu, kesäkuu–elokuu)
Lähde: Gadd & Werner 2013b
8
Kuvasta huomataan lämmönkulutuksen kolme piirrettä:
1.Kaksi kulutushuippua päivän
aikana (aamu- ja iltahuiput)
2.Suuret ulkolämpötilaerot
yön ja päivän aikana
keväisin ja syksyisin
aiheuttavat hetkellisen
lämmönkulutuksen
pudotuksen keskipäivällä
3.Järjestelmätasolla
lämmönkulutus on melko
samanlaista eri viikonpäivinä
eivätkä viikonloput
juurikaan eroa arkipäivistä
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Case-esimerkki kaukolämmön kysyntäjouston käytännön
tuloksista: Karlshamnin kysyntäjoustohanke
Kuva pilotissa mukana
olleista 15 rakennuksesta
(350 asuntoa)
Kysyntäkäyrä
ilman
kysyntäjoustoa
(punaisella
tavoitetaso)
Tasoitettu
kysyntäkäyrä kun
kysyntäjousto oli
käytössä
Lähde. Wernstedt, F., Johansson, C. Intelligent distributed load control. 2008a. The 11th International
symposium on district heating and cooling 2008: Reykjavik, Iceland.
9
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Kysyntäjouston hyötyjen lähteitä kaukolämmön tuotannossa ja
jakelussa
Kaukolämmön tuotanto
• Peruskuormavoimalaitosten käyttöastetta
ja käyntiaikaa saadaan parannettua(1)
• Huippulämpökeskusten ja muiden käyttökustannukseltaan korkeiden voimalaitosten käyttöaikaa saadaan lyhennettyä,
mutta toisaalta käyttöastetta parannettua
• Uusia tuotantoinvestointeja voidaan lykätä
tai toteuttaa kevyempinä
Kaukolämpöverkko
• Pumppausenergian ja/tai tehon tarpeen aleneminen
(verkkotasapainon ylläpidon
helpottuminen)
• Verkostoinvestointien
lykkääminen, välttäminen tai
mitoituksen keventäminen
• CHP-laitoksilla tuotettu sähkö saadaan
ajoitettua kalliimman sähkön aikoihin
• Lämpöpumppujen tai sähkökattiloiden
käyttö saadaan ajoitettua edullisemman
sähkön aikoihin
Potentiaalisesti erittäin merkittävä strateginen hyöty on myös se, että kysyntäjousto
vaatii yhteistyötä kaukolämpöyhtiön ja asiakkaan kesken – tämä tuo kaukolämmön
lähemmäs asiakasta, lisää vuoropuhelua ja auttaa kehittämään kaukolämpötoimintaa
1) Esimerkiksi harvempia laitosten ylös- ja alasajoja tasaisemman kysynnän ansiosta
10
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Kysyntäjouston hyötyjen lähteitä kaukolämpöasiakkaille ja
yhteiskunnalle
Kaukolämpöasiakkaat
Yhteiskunta
• Alhaisemmat lämmityksen
kokonaiskustannukset, jos tariffimalli
palkitsee asiakkaita kysyntäjouston
avulla saavutetuista kokonaishyödyistä
• Energiantuotannon ympäristöystävällisyyden edistäminen
• Kuluttajapalveluiden kehittyminen
uusien hinnoittelu- ja
liiketoimintamallien kautta
• Mahdollinen yleinen
energiansäästö
”Kysyntäjoustoa voitaisiin perustella
myös huoltovarmuustekijöillä –
ongelmatilanteissa lämpötehoa ja energiaa pitäisi kuitenkin pystyä
jakamaan tasaisesti.”
-Kaukolämpöyhtiö
11
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Kysyntäjouston potentiaaliset haitat
Huonosti rakennettu kysyntäjouston toteutusmalli saattaa johtaa siihen,
että lämpötehopiikki muuttuu entistä korkeammaksi, mutta vain eri
ajankohtaan(1)
Ennuste-epävarmuuden toteutuessa kysyntäjousto saattaa johtaa eitoivottuihin vaikutuksiin järjestelmätasolla(2)
Mahdollinen etukäteen sovittu kiinteä kannustin asiakkaille saattaa johtaa
tappioihin kaukolämpöyhtiölle, jos oletetut hyödyt eivät konkretisoidukaan
Kysyntäjouston toteutukseen tarvittavat investoinnit saattavat olla
suuremmat kuin sillä saatavat yhteenlasketut nettokassavirrat – tai saman
hyödyn olisi saattanut saavuttaa edullisemmin esim. lämpöakun avulla
1) Näin tapahtuu esim. silloin, jos kysyntäjousto on laajasti käytössä ja kaikilla kiinteistöillä on samanlainen ohjauslogaritmi; kun kaikille kiinteistöille annetaan
sama hinta- tai muu signaali, ne käyttäytyvät todennäköisesti täysin samalla tavalla
2) Esimerkiksi jos kiinteistön ennakoidaan käyttäytyvän tietyllä tavalla, mutta asukkaiden reaktioiden ja toimenpiteiden vuoksi kiinteistö käyttäytyykin eri tavalla –
tai jos sääolosuhteet muuttuvat nopeasti ennakoimattomalla tavalla
12
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Kysyntäjouston taloudellinen hyötypotentiaali
Simulointien perusteella…
Säästö voi olla järjestelmästä
riippuen pitkällä tähtäimellä
teoriassa jopa suuruusluokkaa
1-4 €/MWh lämmön tuotantokustannuksista (5-20%:n säästö)
– tämä ei kuitenkaan ole
realismia tällä hetkellä
Kaukolämpöyhtiöiden arvioiden
mukaan…
Realistinen oletus kysyntäjouston
hyötypotentiaaliksi nykyratkaisuin
ja nykykokemusten perusteella on
järjestelmästä riippuen 1-3%:a
lämmön tuotannon kustannuksista
Kysyntäjouston hyötypotentiaali on suurin keväisin ja syksyisin sekä leutoina
talvipäivinä, kun vuorokauden sisäiset lämpötilaerot ovat suurimmillaan – sen
sijaan pitkään jatkuvien pakkasjaksojen aikoina kysyntäjouston ja lämpöakun
hyödyt ovat vähäiset tai olemattomat
13
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Kysyntäjouston hyötypotentiaaliin vaikuttavia
järjestelmäkohtaisia tekijöitä
Hyötypotentiaalia kasvattavia
tekijöitä
• Huonot lämmön
varastointimahdollisuudet
• Paljon lämpöakkukapasiteettia
• Suuret erot eri lämmöntuotantolaitoksilla tuotetun lämmön hinnassa
• Runsaasti erilaista
lämmöntuotantoa: CHP,
lämpöpumput, hakekattila…
• Lämpökuorman suhteen niukasti
mitoitetut voimalaitokset
• Lämpökuorman suhteen reilusti
mitoitetut voimalaitokset
• Tarjolla saatavuudeltaan vaihtelevaa
teollisuuden ylijäämälämpöä tms.,
vain osa tehosta kattaen
• Tarjolla runsaasti
yhteistoimintaan perustuvaa
kiinteää lämmöntoimitusta
• Epäoptimaalinen kaukolämpöverkko
(asiakkaat hajallaan, kriittisiä
pullonkauloja)
• Suuri kuormitustiheys(1)
1) Tekee lämpöakusta kannattavamman suhteessa kaukolämmön kysyntäjoustoon
14
Hyötypotentiaalia alentavia
tekijöitä
• Väljästi mitoitettu
kaukolämpöverkko
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Keskusteluagenda
1.
Mitä kysyntäjousto on?
2.
Mitä hyötyä ja/tai haittaa kysyntäjoustosta on?
3.
Miten kysyntäjousto pitäisi toteuttaa?
15
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Lähtökohdat kaukolämmön kysyntäjouston toteutukseen
Kaukolämmön kulutusjoustosta ei ole kokonaisuuden kannalta hyötyä ellei se
(yhdessä muiden toimenpiteiden kanssa) synnytä hyötyjä jossakin osassa
järjestelmää joko investointien tai käyttötoiminnan kautta syntyvinä säästöinä
Syntyvä lisäarvo on voitava jakaa tasapuolisesti sen synnyttämiseen
osallistuvien kesken panosten suhteessa – tämä voi tapahtua erityisesti
hinnoittelun tai tariffijärjestelmän kautta
Kaukolämpöjärjestelmät eroavat toisistaan huomattavasti mm. tuotannon,
lämmön varastointikyvyn, kulutuksen ja verkon rakenteen osalta – tästä syystä
kysyntäjouston hyödyt ja potentiaali täytyy arvioida järjestelmäkohtaisesti
Lämmön kysyntäjouston toteutus (erityisesti hallinta ja ennakointi) on
lämmitysjärjestelmän pitkistä aikavakioista johtuen oleellisesti hankalampaa
kuin esimerkiksi sähkön kysyntäjouston toteutus
Kysyntäjoustotoimia tarkastellessa tulee huomioida myös mahdollisen
negatiivisen kysyntäjouston välttäminen, eli esimerkiksi asiakkaiden
ylireagointi, joka johtaa järjestelmätasolla epäsuotuisaan lopputulokseen
16
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Yhteenveto kysyntäjouston käytännön toteutusmallista (1/2)
Haastattelujen perusteella määritellyt yleiset periaatteet:
Pienissä järjestelmissä kysyntäjoustoa kannattaa todennäköisesti
lähteä toteuttamaan vain suurimpien lämpöasiakkaiden kanssa,
jolloin toteutus on yksinkertaisempaa ja vaikutukset helpommin
hallittavissa
Lisäksi luontevaa on etsiä ensimmäiseksi kohteita, joissa lämmitys
voidaan katkaista ilman, että lämpötilan lasku olisi kriittistä(1)
Suurissa, hajanaisissa järjestelmissä riittävän kokonaisvolyymin
saamisen ja verkon tasapainon hallinnan kannalta on hyvä, että
mukana kysyntäjoustojärjestelmässä on myös asuinkiinteistöjä
Järjestelmätason hyötyjen maksimoinnin ja kysyntäjouston
vaikutusten mahdollisimman hyvän ennakoinnin näkökulmasta
kysyntäjouston ohjaus olisi luontevaa pitää kaukolämpöyhtiöllä
1) Esim. varastot, teollisuushallit, kirkot tms.
17
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Yhteenveto kysyntäjouston käytännön toteutusmallista (2/2)
Kysyntäjouston toteutus pitää pystyä toteuttamaan siten, että asiakkaan
kokema palvelun laatu ei heikkene
 Tästä syystä ilmanvaihtoon kajoavat toteutusmallit eivät ole optimaalisia
(kosteus kasvaa, ilman laatu ja tuottavuus heikkenee jne.)
 Samasta syystä myöskään lämpimän käyttöveden käyttöä ei voi rajoittaa
 Mielekkäämpää on toteuttaa kysyntäjousto patteriverkostossa virtaavan
veden lämpötilaa rajoittamalla(1)
Ohjaussignaali kiinteistöille voidaan toteuttaa esim.
• Dynaamisen (esim. tuntitason) hinnoittelun avulla
• Suorana massaohjaussignaalina kiinteistöjen kaukolämpökeskuksille
• Säännöllisenä aikaperusteisena ohjauksena (esim. klo 7-9 joka aamu)
 Kahdella viimeksi mainitulla mekanismilla kysyntäjouston vaikutukset
pystytään hallitsemaan parhaimmin – suurin haaste ja riski
kysyntäjouston toteutuksessa on ennuste-epävarmuuden hallinta(2)
1) Veden virtauksen rajoittaminen johtaisi ainakin kerrostaloissa todennäköisesti siihen, että patteriverkoston tasapaino katoaisi ja lämpö jakautuisi epätasaisesti
2) Käytännössä sen hallitseminen kuinka paljon kuormaa lähtee sekä kuinka nopeasti ja kuinka suurena kuorma palautuu (esimerkiksi jos patterikiertoa rajoitetaan,
asukkaat voivat reagoida aukaisemalla patteriventtiilit äärimmilleen, mikä vaikeuttaa nettotehovaikutuksen arviointia)
18
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Muita havaintoja kaukolämmön kysyntäjoustosta
Jos kysyntäjouston toteutus vaatii suuria investointeja kiinteistöautomaatioon, ison lämpöakun rakentaminen on todennäköisesti
kannattavampi tapa lisätä lämpöjärjestelmän joustoja
Kaukolämmön kysyntäjouston järjestelmätason toimivuutta ei ole
hyötypotentiaaliin nähden tutkittu Suomessa kovinkaan paljoa –
pilottihankkeita, tutkimustietoa ja kaukolämpöjärjestelmiä
koskevaa relevanttia dataa on vähän, ja data on heikosti saatavilla
19
LIITTEET
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Kaukolämmön kysyntäjouston potentiaalisin hyödyntämisperiodi
Kysyntäjoustolla tasoitettu kysyntäkäyrä Linköpingin
kaukolämpöjärjestelmästä (perustuu simulointiin)
- kaukolämmön tuotanto ja höyryn tuotanto olivat 1700 GWh
(v. 2008) ja lämpötehon kysynnän maksimi 500 MW
Kysyntäjouston potentiaalisin
hyödyntämisperiodi
1) Toteutuksessa käytössä sama tekniikka kuin Karlshamnissa, kysyntäjousto johti myös 10 GWh:n energian säästöön
Lähde: Difs, K., Bennstam, M., Trygg, L., Nordenstam, L. Energy conservation measures in buildings heated by district heating – A local energy system perspective.
Energy 35 (2010) 3194-3203.
21
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Case-esimerkkejä toteutuneesta hyötypotentiaalista
• Vain joitakin energiajärjestelmätason mallinnuksia tuotannon
optimoinnista tai esimerkkejä energiajärjestelmätasolla
käytännössä saavutetuista kysyntäjouston hyödyistä (tai haitoista)
• Suomalaisten pilottihankkeiden osalta arvioita hyötypotentiaalista
ei ole julkaistu
Jyväskylä
Karlshamn
• 2 toimistorakennusta,
sisälämpötilan lasku 2 °C
• Kysyntäjoustojärjestelmä kattoi 15
rakennusta ja yhteensä 350 asuntoa
• Lämpötehoa voitiin leikata 2 –
3 tunnin jaksolla keskimäärin 20 –
25 % hyödyntämällä rakennusten
massaa ja vesikeskuslämmitystä
• Tulokset osoittivat, että vuoden
2007 helmikuussa järjestelmän
käyttöönoton myötä lämpötehon
tarve patteriverkostossa alentui
11 %:a ja lämpöenergiankulutuskin
vähentyi 7 %:a
• Arvioitiin, että tarvittaisiin noin 160
samankaltaista rakennusta, jotta
pystyttäisiin leikkaamaan 20%:a
huipputehosta
Lähteet:
Wernstedt F, Johansson C. Wollerstrand J, Sänkning av returtemperaturer genom laststyrning (Decreased return-temperatures through heat load control). Report
No. 2008:2. 2008b.
Kärkkäinen S., Sipilä K., Pirvola L., Esterinen J., Eriksson E., Soikkeli S., Nuutinen M., Aarnio H., Schmitt F., Esigruber C. Demand side management of the district
heating systems. VTT Research Notes 2003 (2247).
22
Kaukolämpöpäivät 27.8.2015
Yhteenveto asiakkaille tarjottavista kysyntäjoustokannustimista
• Oletettavasti asiakkaille täytyy tarjota positiivisia (tod.näk.
rahallisia) kannustimia, jotta he suostuvat osallistumaan
kysyntäjoustojärjestelmään – erityisesti jos osallistuminen vaatii
asiakkaalta investointeja
• Kaukolämpöyhtiön kannalta olisi mielekästä, että palkitseminen
tapahtuisi jälkikäteen ja perustuisi todennettuihin hyötyihin
• Isoille kaukolämpöasiakkaille on luontevaa tarjota
asiakaskohtaisia kannustimia, mutta taloyhtiöille
standardisopimuksia ja -ratkaisuja
• Kannustimet voivat perustua joko tehomaksujen tai
energiamaksujen alennuksiin tai suoriin investointitukiin(1)
• Kaukolämpöyhtiön ohjaamassa järjestelmässä kysyntäjoustoon
osallistuvien asiakkaiden tehomaksujen alentaminen vaikuttaisi
luontevimmalta kannustinmallilta(2)
1) Kustannusperusteinen kausihinnoittelu (esim. tuntipohjainen) tai todelliseen tarpeeseen perustuva tehomaksu katsotaan kannustimeksi, vaikka tiukasti arvioiden
näin ei olekaan
2) Pitkällä tähtäimellä tosin tuntipohjainen marginaalikustannuksiin perustuva reaaliaikainen kaukolämmön hinnoittelu antaisi kaikille osapuolille mahdollisimman
”oikean” signaalin toiminnan ohjaamiseksi – esimerkiksi kiinteistöille, joilla on sekä lämpöpumppu että kaukolämpöliittymä
23
Yhteystiedot:
VALOR Partners Oy
Eteläesplanadi 24
FI-00130 Helsinki
www.valor.fi
Pekka Passi
Osakas
Tel: +358 40 508 6367
[email protected]