Lämpösektori sähköistyy kaukolämpöverkot ja. kiinteistöt osaksi sähköjärjestelmän säätämistä Tuulivoima-akatemia Helsinki

Transkriptio

1 Lämpösektori sähköistyy kaukolämpöverkot ja kiinteistöt osaksi sähköjärjestelmän säätämistä Tuulivoima-akatemia Helsinki Smart Energy Transition-hankkeen vuorovaikutusjohtaja ja tutkija Karoliina Auvinen, Aalto-yliopisto,

2 Hanke pähkinänkuoressa Aikataulu: Budjetti: 5,5 M Rahoitus: Strateginen tutkimusneuvosto Päämäärä: Viitoittaa tietä, miten Suomi voi paremmin hyötyä energiamurroksesta Tutkimuskonsortion vetäjä: Aalto-yliopiston kauppakorkeakoulu Tutkimuskonsortio alapalkissa: Lisätietoja Vuorovaikutusjohtaja, tutkija Karoliina Auvinen karoliina.auvinen@aalto.fi,

3 Fossiilisista polttoaineista pitää luopua Pois polttamisesta -> lämpö- ja liikennesektorit tulisi sähköistää Hiilen korvaaminen muilla polttoaineilla ei edistä tarpeellista systeemistä muutosta

4 Selvitys: Miten lämmitys toimii fossiilivapaassa Suomessa? Smart Energy Transition julkaisi 11/2018 keskustelupaperin, jossa esitettiin: 100% fossiilivapaa skenaario Suomelle Miten puhdas kaukolämpöverkko toimii 100% fossiilivapaa skenaario Helsingin lämmitykselle Skenaariot laadittiin Energy Plan -mallinnusohjelmalla, jossa tarkastellaan miten tuotanto ja teho vastaavat kulutukseen vuoden ympäri tuntitasolla mahdollisimman kustannus- ja resurssitehokkaasti.

5 Fossiilivapaassa skenaariossa lämpö, liikenne ja teollisuus sähköistyy -> sähköntuotanto kasvaa 85 -> 125 TWh/v Kulutus 2017 Uudet lämpöpumput kaukolämpöverkoissa Hiilen korvaus terästeollisuudessa 50% vain lämpöä tuottavien kattiloiden polttoaineesta korvataan sähköllä Liikenne, 80% polttoaineista korvataan sähköllä

6 Keskeiset lähtökohdat ja oletukset Tuulivoiman raju kasvu, aurinkosähkö tukena -> lämmön, liikenteen ja teollisuuden sähköistyminen Ympäristö- ja hukkalämmön hyödyntäminen lämpöpumpuilla Liikenne sähköllä 80% + biokaasu & synteettiset polttoaineet Biomassan hyödyntäminen mahdollisimman kestävästi ja tehokkaasti nopeasti säädettävässä CHP-laitoksissa ja huippukapasiteettina/varavoimana Kulutusjoustot, lämmön ja sähkön varastointi Optimointi: tehotasapaino, kustannustehokkuus, resurssitehokkuus

7 Suomen primäärienergian lähteet nykyisin ja fossiilivapaassa skenaariossa Kulutus Suomessa 2017 Primäärienergialähteet Kulutus 100% fossiilivapaassa skenaariossa Tuulivoima 5 TWh 60 TWh Ympäristö- ja hukkalämpö 6 TWh 38 TWh Biomassa 100 TWh 110 TWh Ydinpolttoaineet, uraani 65 TWh 106 TWh (36 TWh sähköä) Aurinkovoima 0 TWh 3 TWh Puhtaat polttoaineet (tuuli, aurinko, uraani, biomassa) Vienti/tuonti Fossiiliset polttoaineet Vesivoima 15 TWh, kierrätyspolttoaineet 9 TWh ja teollisuuden reaktiolämpö 2 TWh on oletettu pysyvän samoina, joten ne eivät ole mukana taulukossa. 16 TWh 20 TWh tuonti 5 TWh vienti Maakaasu 18 TWh, öljy 87 TWh, kivihiili 33 TWh ja turve 15 TWh - Miten tuotetaan?

8 Fossiilivapaassa skenaariossa tuulivoima on Suomen 2. suurin primäärienergian lähde

9 Energiantuotanto v ja fossiilivapaassa skenaariossa Teollisuus-CHP- ja vesivoimakapasiteetit säilyvät samana (n MW). Kapasiteetti 2017 Sähkö Tuulivoima Aurinkovoima Sähkö MW 70 MW MW MW Ydinvoima MW Lämpöpumput kaukolämpöverkoissa Pelkkää lämpöä tuottavat kattilat Sähkökattilat kaukolämpöverkoissa Lämpö MW Yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto (CHP), kaukolämpö Lauhdevoima Kapasiteetti 100% fossiilivapaassa skenaariossa MW MW MW Lämpö MW MW 250 MW MW MW MW MW MW MW

10 Tarvittavat investoinnit Kapasiteetti, MW tai MWh Hinta, /MW tai /MWh Investointi, M Vuosikustannus, M (laskenta-aika 20 vuotta) Tuulivoima MW sähköä /MW M 298 M Bio-CHP, uusi 250 MW sähköä /MW 500 M 36 M Bio-CHP, päivitys 100% puulle MW sähköä /MW 500 M 36 M Lämpöpumput MW lämpöä /MW M 512 M Vain lämpöä tuottavat kattilat, uudet 500 MW lämpöä /MW 200 M 14 M Lämpövarastot /MWh 400 M 28 M MWh lämpöä + Muuttuvat kulut : Tuotannon määrä vuodessa, MWh/v Käyttö- ja kunnossapitokustannus, /MWh Muuttuvat kustannukset yhteensä vuodessa, M Lämpöpumppujen muuttuvat kulut MWh/v 1 /MWh 30 M Puu ja muu biomassa + muuttuvat käyttökulut MWh/v 30 /MWh 300 M Tuulivoimaloiden huolto MWh/v 7 /MWh 70 M Sähkön siirto MWh/v 10 /MWh 100 M Muuttuvat kustannukset Vuosikustannukset yhteensä, arviolta = M Kokonaisuutena, 1400 M / 45 TWh lämpöä/vuosi = 31 eur/mwh

11 Sähkön kulutus ja tuotanto, fossiilivapaa skenaario Kulutus MW Aurinko Tuuli Vesi Kaukolämpö- CHP Teollisuus-CHP Ydin Vuosi tunneittain

12 Tuulivoimatuotanto vuoden aikana tunnittain Itämeren alueella 2017

13 Miten vaihteleva tuotanto hallitaan? Aikajakso: Tuuli- ja aurinkoenergian tuotantovaihtelu sekunteja minuutteja tunteja päiviä viikkoja kuukausia vuosi Tuulivoima Aurinkosähkö ja -lämpö Lämpövarastot Varastot ja kulutusjousto Kulutusjousto teollisuusrakennuksissa ja varastoissa Kulutusjousto asuin- ja toimistorakennuksissa Varastot eivät tarpeen Akut sähkön varastointiin Tuonti ja vienti

14 Fossiilivapaa kaukolämpö- ja -kylmäverkko Toimistotaloissa, konesaleissa ym. aurinkosähköä, sähköautoja, lämpöpumppuja ja lämpökaivoja Sähkövarasto Joustava bio-chp (varavoimana) Uusissa asuintaloissa aurinkosähköä, sähköautoja ja lämminvesivaraajia Aurinkolämpökeräimiä Koulussa aurinkosähköä Kaukokylmäverkko Kaukolämpöverkko Tuulivoimaa Vanhoissa rakennuksissa aurinkosähköä, sähköautoja, lämpöpumppuja ja lämminvesivaraajia Teollisia lämpöpumppuja Lämpövarastoja

15 Helsingin kaukolämpö voi toimia pääasiassa tuulivoimalla ja lämpöpumpuilla Kuinka paljon? Lämpöpumppuja yhteensä noin 10 kpl Katri Valan laitosta. Tuulivoimaa noin 170 kpl neljän megawatin turbiinia. Lisäksi lämpövarastoja, kulutusjoustoa ja joustavaa bioenergiaa. Vuosi tunneittain

16 Helsingin tuotantokapasiteetti ja energialähteet Helen Oy lämmöntuotannon kapasiteetti vuonna 2017 Helsingin lämmöntuotannon kapasiteetti 100% fossiilivapaassa skenaariossa Lämpöpumput 100 MW (+ rakenteilla Katri Valan laajennus ja MW, joissa energialähteenä hukka- ja Esplanadin lämpöpumppulaitos yht. noin 50 MW) ympäristölämpö sekä lähinnä tuuli- ja aurinkovoima, ja varavoimana biosähkö (CHP) Sähkön ja lämmön yhteistuotanto CHP MW, jossa polttoaineina hiili, kaasu, öljy ja biomassa Lämpökattilat MW, jossa polttoaineina lähinnä kaasu, öljy MW, jossa polttoaineina biomassa sekä ja biomassa esim. tuuli- ja aurinkovoimasta valmistetut synteettiset neste- ja kaasupolttoaineet Sähkökattilat Lämpövarastot 300 MW (+ 200 MW sähköä), jossa polttoaineena biomassa 200 MW, jossa energialähteenä lähinnä tuulivoima 2 GWh (+ rakenteilla 14 GWh Mustikkamaan lämpövarasto) GWh (järjestelmä voi toimia jo hyvin, kun Mustikkamaan lämpövarasto valmistuu)

17 Helsingin energiapaletti Tuulivoimaa Mankala-mallilla Teolliset lämpöpumput Merilämpö Hukkalämmön lähteet: pk-teollisuus, konesalit jne. Rakennuskannan lämpöpumput ja kulutusjousto Lämpövarastot Vanhat öljyluolat, huoltovarmuusvarastot yms. Geoenergiakaivot Joustava bio-chp Aurinkoenergiaa jäähdytykseen

18 Taloja optimoimalla voidaan optimoida koko kaukolämpöverkko. Taloa voidaan käyttää lyhytaikaisena lämpöakkuna. Eli taloon voi varata lämpöä ja purkaa sitä tehopiikin aikana. n-lammityksen-perusteet-ovat-vaarat-ulkolampotila-selittaavain-osan-siita-mita-sisalla-tapahtuu

19 Miten kulutusjousto toimii kodissa? Meikäläisten perheen talossa on kulutusjoustoautomaatioon kytketty lämpöpumppu, vesivaraaja ja sähköauton latauspiste. Heillä on myös sähköpörssin hintojen mukaan vaihteleva spot-sähkösopimus. Tietokoneohjelma seuraa sähkön pörssihintoja. Kun sähkön hinta nousee, langaton signaali lähtee laitteiden älykkäisiin kytkimiin, jotka kytkevät lämmityksen ja sähköauton latauksen automaattisesti pois päältä perheen määrittämien asetusten mukaisissa rajoissa. Perhe ei huomaa kodin lämpötilassa mitään eroa, koska vesivaraaja ja talo varastoivat lämpöä. Huoneissa olevat anturit varmistavat, että sisäilman laatu pysyy hyvänä. Kun sähkön hinta laskee, laitteet kytkeytyvät automaattisesti takaisin päälle. Perhe lähtee talvella pariksi viikoksi reissuun. Mutta apua, lämmitys unohtui liian isolle! Ei hätää, talon lämmöt voi säätää alas tabletin sovelluksen kautta. Ja nostaa lämmöt takaisin päivää ennen paluuta.

20 Vaihtelevan tuotannon ja kulutuksen yhteensovittaminen talvella Aurinko - Varastointi lämpönä ja sähkönä - Biolauhdevoima Sähkönkulutus Tuuli - Vesi KL-CHP Teollisuus-CHP Ydin - Viikko tammikuussa Sähkökattiloilla lämpöä Teollisuusprosessien kiihdyttäminen ja esim. biomassan kuivaus Kulutusjoustolla sähköautojen lataus ym Sähkön vienti Vedyn ja metaanin valmistus Kulutuksen vähentäminen ja/tai vuorottelu automaation avulla lämmityksessä, sähköautojen latauksessa ja teollisuudessa. Lämpöpumppujen sähkötehon tarpeen alentaminen lämpövarastoja purkamalla Sähkön tuonti (viime kädessä häiriöreservi)

21 Vaihtelevan tuotannon ja kulutuksen yhteensovittaminen kesällä Aurinko Lauhde Tuuli Vesi Teollisuus-CHP Ydin Ylijäämäsähköä voi käyttää lisäjäähdytykseen rakennuksissa, lämminvesivaraajien ja sähköautojen lataukseen, teollisuusprosessien tehostamiseen tai vientiin. Kaukolämpö-CHP

22 Sähkön hinta ohjaa tuotantomuotojen ja joustojen vuorottelua Sähkötehon tarpeen alentaminen kulutusjoustolla: esim. lämpöpumput, ilmastointi ja sähköauton lataus pienemmälle tai pois päältä Sähkön varastointi lämmöksi Sähkön pörssihinta Nordpooliisa ajalla : vaihteluväli 6,6-249 euroa/mwh (0,6-24,9 snt/kwh)

23 Mitä poliitikot voivat tehdä polttamisen vähentämiseksi?

24 Politiikkasuosituksia Päästöoikeuksille lattiahinta 30 eur/co2tonni Kovempia veroja fossiilisille polttoaineille päästökaupan ulkopuolella Sähköveron alennus ja dynaamisuus Sähköverkkojen vahvistaminen Geolämpökaavat kaupunkeihin Kaukolämmön hinnoittelumallien regulointi tuntienergia+huipputeho Kaukolämpöverkkojen kulutus ja lämpötiladatan avaaminen T&K&I-panostuksia teknologiaan, asiakaspalveluihin, markkinamalleihin jne BHTv-8-99swW-S-ZtwtMXehNjNGctL27ZmzXkb7qF8wUf2WiMRp8bGM

25 Kaukolämmön sähköistämisen edistäminen verotuksella Sähkö on kohtuuhintainen tapa tuottaa puhdasta lämpöä ja energiatehokasta lämpöpumpuilla. Sähkön valmistevero estää nyt sähköistymistä: esim. lämpöpumppujen polttoaineeseen sähköverosta lisähintaa 22,5 eur/mwh (ei sis. alv). Kaukolämpöyhtiölle esim. maakaasun energiavero 19,8 eur/mwh ja polttoturpeen energiavero 1,90 eur/mwh. Jos kaukolämpöverkkoon liitetyt lämpöpumput olisivat alemmassa veroluokassa, lisähinta sähköverosta laskisi 22,5 eur/mwh -> 7 eur/mwh, mikä edistäisi kannattavuutta.

26 Suomi voi hyötyä energiamurroksesta olemalla aktiivisesti mukana teknologia- ja markkinakehityksessä