Energiatehokkuuden kehittäminen energiayhtiöiden toimin

Transkriptio

1 Energiatehokkuuden kehittäminen energiayhtiöiden toimin Yhteenvetoraportti ENETE-projektista Elokuu

2 Energiatehokkuuden kehittäminen energiayhtiöiden toimin Yhteenvetoraportti ENETE-projektista Elokuu 2010 VTT Energia ja metsäteollisuus Aalto-yliopisto, Teknillinen korkeakoulu Lappeenrannan teknillinen yliopisto Itä-Suomen yliopisto 2

3 SISÄLLYS SIVU 4: JOHDANTO SIVU 6: KOTITALOUSSEKTORIN SÄHKÖN KYSYNTÄJOUSTO SUOMESSA POTENTIAALI JA KANNUSTIMET SIVU 14: ENERGIANÄYTÖT UUTENA KULUTTAJAPALAUTTEEN MUOTONA SIVU 20: MARKKINAEHTOISEN SÄHKÖLÄMMITYSOHJAUKSEN TOIMINTAMALLINKEHITTÄMINEN JA PILOTOINTI ETÄLUETTAVILLA MITTAREILLA SIVU 31: ENERGIANSÄÄSTÖTOIMIEN KOKONAISTEHOKKUUDEN ARVIOINTI SIVU 46: SÄHKÖENERGIANSÄÄSTÖN JA CO 2 -VÄHENNYSTEN POTENTIAALI ERI SKENAARIOISSA SIVU 60: ENERGIANSÄÄSTÖTOIMIEN ALUEELLISET VAIKUTUKSET SEKÄ VAIKUTUS ASUMISTERVEYTEEN SIVU 72: ENERGIANSÄÄSTÖN JA ENERGIANKÄYTÖN TEHOSTAMISEN VAIKUTUKSET SÄHKÖYHTIÖIDEN LIIKETOIMINTAAN SIVU 87: LUETTELO ENETE-JULKAISUISTA TUTKIJAOSAPUOLITTAIN 3

4 ENETE-Energiatehokkuuden kehittäminen energiayhtiöiden toimin Johdanto Euroopan komission energiapaketti ( ) asettaa energiajärjestelmien kehittämiselle kovat vaatimukset. Kasvihuonepäästöjä on vähennettävä 20%, uusiutuvan energian käyttöä lisättävä 20% ja energiantuotantoa ja käyttöä tehostettava 20%. Tavoitteet on saavutettava vuoteen 2020 mennessä. Vaatimusten toteuttaminen tulee vaikuttamaan voimakkaasti myös energiayhtiöiden toimintaan, luoden niille velvoitteita, mutta myös uusia liiketoimintamahdollisuuksia. Toisaalta automaattisten energiamittausten kaukoluentajärjestelmien (AMM-järjestelmien) kehitys luo uusia teknillisiä mahdollisuuksia myös energiatehokkuutta edistävien toimintojen toteuttamiselle. On arvioitu, että vuoteen 2014 mennessä valtaosa sähköasiakkaista on kaukoluettavan tuntimittauksen piirissä. Energiayhtiöt ja niiden palvelujentuottajayritykset ovat avainasemassa yhdyskuntien energiatehokkuuden kehittämisessä, koska ne hallitsevat koko energiaketjua primäärienergiasta loppukäyttäjän asiakasrajapintaan saakka. Tutkimushankkeen ydinajatuksena oli kehittää tähän ketjuun liiketoimintamalleja ja palvelukonsepteja, jotka luovat energiankäytön tehostamisen liiketoiminnalle sekä uusiutuvien energialähteiden laajemmalle käytölle ansaintalogiikan. Kohderyhmänä on energian jakeluyhtiöiden asiakaskunta, joka kattaa käytännössä kotitaloudet, palvelusektorin, julkisen sektorin rakennukset sekä pkt-teollisuutta. Hanke on suunniteltu yhdessä neljän tutkimustahon, viranomaistahojen, energiateollisuuden, AMM-järjestelmien toimittajien ja erilaisten järjestelmä- ja palveluntuottajien kanssa. Tutkimuksen osaprojektit olivat: Kulutuksen ohjaus kustannustehokkaasti Kulutusvertailujen ja energiankäytön seurantapalveluiden tuottaminen asiakkaalle Energiansäästötoimien tehokkuuden arviointi Energiatehokkuutta parantavien toimien alueellisten vaikutusten mallintaminen Energiansäästötoimien vaikutukset väestön terveyteen ja terveelliseen asumiseen Liiketoimintamallit ja energiansäästön vaikutus energiayhtiöiden liiketoimintaan Tutkijatahot, vastuuhenkilöt ja roolit ovat seuraavat: Prof. Seppo Kärkkäinen ja TkL Hannu Pihala, VTT Energia ja metsäteollisuus, Espoo, energiankulutuksen ohjaus kustannustehokkaasti Prof. Matti Lehtonen ja DI Anssi Ahola, TKK Sähkötekniikka, Espoo, energiansäästötoimet ja niiden kokonaistehokkuuden arviointi. Kokonaisprojektin koordinointi. Prof. Mikko Kolehmainen, Itä-Suomen yliopisto, ympäristötieteiden laitos, energiatehokkuustoimien alueellisen vaikutuksen mallintaminen, energiankäytön tehostamisen ja uusiutuvan energian käytön potentiaali eri alueilla. 4

5 Prof. Jarmo Partanen ja Prof. Samuli Honkapuro, LTY TBRC (Technology Business Research Centre), Lappeenranta, liiketoimintamallit ja energiatehokkuuden vaikutus energiayhtiöiden liiketoimintaan. Hanke on valmisteltu ryhmässä, johon kuului lisäksi seuraavia tahoja: Työ- ja elinkeinoministeriön energiaosasto, Motiva Oy, Energiamarkkinavirasto, Adato Oy, Energiateollisuus r.y. sekä energiayhtiöitä, palveluntuottajia ja järjestelmätoimittajia. Projekti kuuluu myös Energiateollisuus r.y.:n yhdessä sähköyhtiöiden, valmistavan teollisuuden ja palveluntuottajien kanssa valmistemaan Sähkö- ja energiayhtiöiden Roadmap 2015 kokonaisuuteen, jossa se muodostaa yhden keskeisistä tutkimuksen painopistealueista, sekä Tekesin Kestävä yhdyskunta tutkimusohjelmaan. Projektiin rahoitukseen osallistuvat yritykset ja tahot olivat: Energiateollisuus r.y. / ST-pooli ENFO Oyj Landis + Gyr Oy Fortum Sähkönsiirto Oy Vantaan Energia Oy Savon Voima Verkko Oy EK12 Verkko-ryhmän yhtiöt, sekä Teknologian ja innovaatioiden kehittämiskeskus Tekes 5

6 KOTITALOUSSEKTORIN SÄHKÖN KYSYNTÄJOUSTO SUOMESSA POTENTIAALI JA KANNUSTIMET Corentin Evens VTT Finland Seppo Kärkkäinen VTT Finland TAUSTA Tämä yhteenveto perustuu kahteen raporttiin, jotka Corentin Evens, Seppo Kärkkäinen ja Hannu Pihala ovat laatineet suomalaisessa ENETE -tutkimushankkeessa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli luoda kokonaiskuva suomalaisten pienkulutusasiakkaiden mahdollisuuksista omia energiaresurssejaan hyväksikäyttäen osallistua aktiivisesti sähkömarkkinoille. Ensimmäinen raportti [1], nimeltään Distributed resources at customers premises", arvioi niitä resursesseja, joita kuluttajapäässä voidaan hyödyntää kysyntäjouston toteuttamisessa. Näihin kuuluvat hajautettu tuotanto, paikalliset energiavarastot ja ohjattavissa olevat kuormat. Resurssien kuvausten lisäksi raportissa on esitetty arvio käytettävissä olevasta Suomen pienkuluttajien kysyntäjoustokapasiteetista perustuen vuoden 2006 tietoihin. Lisäksi esitetään arvio kysyntäjoustopotentiaalista vuoden 2020 tilanteessa. Raporttiin kuuluvassa liitteessä arvioidaan mahdollisuuksia käyttää asennettuja varavoimakoneita kysyntäjoustoon ja kantaverkkoyhtiön nopeaan häiriöreserviin. Toinen raportti [2], nimeltään "Pricing models and mechanisms for the promotion of demand side integration" kuvaa erilaisia tariffirakenteita ja hinnoittelumekanismeja, joita asiakkailla on käytössä tai, joita on kokeiltu erilaisissa piloteissa. Pääpaino on kohdistettu energiamarkkinoiden eri toimijoiden halukkuuteen ja mahdollisiin esteisiin soveltaa eri tariffirakenteita. Seuraavassa on esitetty yhteenveto näistä kahdesta raportista. HAJAUTETUT ENERGIARESURSSIT KULUTTAJAN LUONA Hajautettu tuotanto ja energian varastointi Kotitalouksien kohdalla hajautetun tuotannon (DG) päävaatimuksia ovat riittävä käytettävyys ja mahdollisuus tuottaa laitteistolla energiaa jatkuvalla ajotavalla. Parhaiten tähän soveltuvat perustuvat laitteet, joilla yhdistetty sähkön ja lämmön (CHP) tuotanto on mahdollista. Tällaisia jo markkinoilla olevia laitteita ovat esimerkiksi mikroturbiinit ja Stirling -koneet, mutta niiden laajempi käyttöönotto edellyttää vielä jatkokehitystä. Polttokennot ovat vielä prototyyppi- ja kokeiluvaiheessa. Hyvä hyötysuhde, hiljainen ääni ja alhaiset päästöt 6

7 puoltavat sitä, että Striling koneet ja polttokennot voisivat olla tulevaisuuden ratkaisuja kotitalouksien energiantuotantoon. CHP laitteiden hyvästä ohjattavuudesta huolimatta niiden käyttöön kysyntäjouston yhteydessä liittyy tiettyjä rajoituksia. Kun CHP laitteistolla halutaan saavuttaa korkea hyötysuhde, tuotetun lämmön määrä on ratkaiseva. Yleisesti pienen kokoluokan CHP yksiköillä on huono hyötysuhde niiden toimiessa osakuormalla. Tämän vuoksi niiden ohjattavuuden hyödyntämisellä sähkön kysyntäjouston yhteydessä on rajoituksia. Kun tarkastellaan uusiutuvien energialähteiden (aurinkosähkökennot ja pientuulivoima) ohjausmahdollisuuksia, havaitaan niiden olevan vähäiset. Sen vuoksi ohjausjouston saaminen edellä mainittuihin järjestelmiin edellyttää niiden ja energiavaraston yhdistämistä. Kaikissa tapauksissa lämpö- ja erityisesti sähkövarasto ovat tärkeässä roolissa yhdistettäessä kulutuspään tuotantoresursseja ja kysyntäjoustoa. Akkuja, vauhtipyöriä ja kondensaattoreita käytetään sähkön varastointiin ja erityyppisiä lämpövarastoja käytetään lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmissä. Kuormien ohjattavuus Sähkökuormat, joita on mahdollista ohjata, voidaan ohjattavuuden perusteella jakaa kahteen ryhmään. Toiseen ryhmään kuuluvat siirrettävät ja toiseen rajoitettavat kuormat. Siirrettävien kuormien käytön ajoitusta voidaan muuttaa, hyvä esimerkki tällaisesta on pyykinpesukone. Rajoitettava kuorma kytketään osittain tai kokonaan pois päältä ja vastaava kulutus ei enää myöhemmin palaudu, hyvä esimerkki on valaistuskuorma. Kuormien ohjattavuuden hyödyntämistä sähkömarkkinoilla kutsutaan kysyntäjoustoksi. Kotitalouskuormista muutamat ovat kysyntäjoustoon hyvin soveltuvia. Erityisesti kuormat, joilla on lämpökapasiteettia, soveltuvat hyvin kuormituksen siirtoon ja rajoittamiseen. Tällaisia ovat veden lämmitys, huonetilojen lämmitys, massavaraajien lämmitys ja ilmanvaihdon jäähdytys. Näiden kuormien rajoittamisesta seuraa kuitenkin suuri jälkikulutus ellei rajoitukseen varauduta jo etukäteen riittävällä varauksella. Joidenkin kotitalouslaitteiden käyttöä on mahdollista ajoittaa ilman, että käyttömukavuus kärsii kohtuuttomasti. Tällaisia laitteita ovat pyykinpesukoneet, kuivausrummut ja astianpesukoneet. Tulevaisuudessa sähköautojen akkujen latauksen ajankohdan ajoittaminen sähkömarkkinoiden ja sähköverkon kannalta optimaaliseen vuorokauden ajankohtaan on tärkeä haaste ohjausteknologian kehitykselle. Muut kuormat, kuten kylmälaitteet ja valaistus tarjoavat suhteellisen vähän ohjausmahdollisuuksia. Kylmälaitteiden kylmäkapasiteettia olisi periaatteessa mahdollista hyödyntää lyhytaikaisesti, mutta pienen ohjattavan tehon vuoksi ohjaushyöty jää vähäiseksi. Lisäksi elintarvikkeiden säilyvyyden varmistaminen ohjaustilanteissa muodostuu suureksi haasteeksi. Osa kotitalouslaitteista ei käyttömukavuuden huononemisen vuoksi sovellu ohjattaviksi. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi uunit ja viihde-elektroniikkalaitteet. 7

8 NYKYINEN JA TULEVA KOTITALOUKSIEN KYSYNTÄJOUSTOPOTENTIAALI Nykytilanne Nykyinen kysyntäjoutopotentiaali määritettiin vuoden 2006 tilanteessa johtuen siitä, että kyseiseltä vuodelta löytyy enemmän hyödynnettäviä lähtötietoja kuin myöhemmiltä vuosilta. Eri asumistyyppien (omakoti, rivi, kerrostalo) keskimääräiset laiteryhmäkohtaiset vuosikuormituskäyrät (kuva 1) määritettiin perustuen aiemmin VTT:llä kerättyyn dataan, Adato:n tekemään tutkimukseen ja Eureco -raporttiin. Kokonaiskuormituskäyrien laadinnassa oletuksena oli, että sähkölämmitys ei vaikuta muiden kuormien käyttäytymiseen. Kokonaiskuormitus saatiin siten lisäämällä sähkölämmityksen kuormitus laitekohtaisiin kuormituskäyriin. Kuvassa 2 on esitetty erilaisilla sähkölämmitysjärjestelmillä totutettujen omakotitalojen kuormituskäyrät tyypillisenä talvipäivänä (tammikuussa ulkolämpötilan ollessa noin -8,7 ºC). Tarkastellut lämmitysjärjestelmät ovat suora, osittain ja täysin varaava sähkölämmitys sekä lämpöpumput: suora sähkölämmitys perustuu huonekohtaisiin lämmityspattereihin osittain varaavassa järjestelmässä lämpö varataan talon rakenteisiin tai massavaraajiin täysin varaavassa järjestelmässä kaikki lämmitykseen tarvittava energia varataan suureen lämminvesivaraajaan yöaikana lämpöpumppujärjestelmät: maalämpöpumppu, ilmalämpöpumppu (lisänä muulle sähkölämmitykselle), poistoilmalämpöpumppu Kuva 1 Arvio vuotuisesta keskimääräisestä laiteryhmäkohtaisesta vuorokausikuormituskäyrästä. Vasemmalla omakotitalon (ilman sähkölämmitystä) ja oikealla kerrostaloasunnon kuormitukset. 8

9 Kuva 2 Esimerkkikuormituskäyrät erityyppisillä sähkölämmitysjärjestelmillä varustetuista omakotitaloista tyypillisenä talvipäivänä. Taulukossa 1 on esitetty arvio erityyppisillä lämmitysjärjestelmillä varustettujen kotitalouksien lukumääristä Suomessa vuonna Yhdistämällä taulukon 1 luvut edellä esitettyihin laiteryhmäkohtaisiin kuormituskäyriin saadaan Suomen kotitaloussektorin kokonaiskuormituskäyrä jaoteltuna laiteryhmien ohjattavuuden mukaan. Kuvassa 3 on esitetty tyypillisellä talviviikolla kotitalouksien kuormituskäyrät. Niistä havaitaan, että päiväaikaan tekninen ohjauspotentiaali on suuruusluokkaa 1000 MW ja yöaikaan huomattavasti suurempi. Potentiaali muodostuu suurimmalta osin sähkölämmityskuormista. Täten kysyntäjoustopotentiaali on suurimmillaan juuri talviaikaan, jolloin lämmitystehot ovat suurimmillaan. Taulukko 1 Kotitalouksien erilaisten lämmitysratkaisujen lukumäärät lukumäärät vuonna Ei sähkölämmitys Suora sähkö Lämpöpumput Ilmailma Ilmavesi Maalämpö Osittain varaava Täysin varaava Omakotitalot Rivitalot Kerrostalot

10 Kulutus (MWh/h) Arkipäivä Lauantai Sunnuntai Muut Ei ohjattavissa Vaikeasti ohjattavissa Hyvin ohjattavissa Kuva 3 talviviikolla. Arvioitu kotitaloussektorin tekninen kysyntäjoustopotentiaali keskimääräisellä Ennuste vuodelle 2020 Vuoden 2020 tilannetta on arvioitu kahden eri skenaarion perusteella. Ensimmäinen on melko pessimistinen energiatehokkuuden kehittymisen kannalta (perusskenaario), kun taas toinen on optimistisempi ja EU:n vuoteen 2020 asettamien energiatehokkuustavoitteiden mukainen (tavoiteskenaario). Skenaarioita laadittaessa on tehty olettamuksia energiatehokkuuden tehostumisesta, uusien asuntojen laadusta ja määristä, siirtymisestä öljylämmityksestä sähkölämmitykseen, lämpöpumppujen ja sähköautojen määrän kehittymisestä. Taulukossa 2 on esitetty yhteenveto eri skenaarioiden laskentaparametrien eroista. Kaksi tarkasteltua energiatehokkuustasoa ovat BAU (Business As Usual) ja BAT (Best Available Technology): BAU: ei merkittävää muutosta nykyiseen verrattuna. Kuluttajat korvaavat vanhat kotitalouslaitteensa uusiin kiinnittämättä erityistä huomiota energiatehokkuuteen. BAT: Kuluttajat valitsevat markkinoiden energiatehokkaimmat laitteet korvatessaan vanhat uusilla. Taulukko 2 Yhteenveto skenaariotarkastelujen peruslähtökohdista. Perusskenaario Tavoiteskenaario Energiatehokkuus 90 % BAU / 10 % BAT 10% BAU / 90 % BAT Uudet asunnot 1 90 % standardi / 10 % matalaenergia 60 % standardi / 40 % matalaenergia Sähköautot kpl kpl 1 Oletus, että uudet matalaenergiatalot ovat energiatehokkuudeltaan BAT -tasoa 10

11 Kuva 4 on esitetty kotitalouksien kuormituskäyrät valtakunnan tasolla vuosille 2006 ja Käyrät edustavat tyypillistä talviviikkoa. Kokonaiskuormituskäyrien lisäksi on esitetty kysyntäjoustoon teknisesti soveltuvien kuormien summakäyrät. Olemassa olevien kotitalouksien sähkönkulutus pienenee energiankäytön tehostumisen vuoksi, mutta uustuotanto, siirtyminen muista energialähteistä sähkön käyttöön ja sähköautojen käytön yleistyminen aiheuttavat kokonaiskulutuksen kasvun. Kysyntäjoustoon soveltuvien ohjattavien kuormien määrä kasvaa kummassakin skenaariossa johtuen sähköautojen lisääntyvästä käytöstä. Skenaarioita laadittaessa sähköautojen latauksen on oletettu tapahtuvan pelkästään käyttäjän oman toimintaan perustuen ilman ulkopuolisia ohjaussignaaleja Kulutus (MWh/h) Arkipäivä Lauantai Sunnuntai 2006, yhteensä Perus-, yhteensä Tavoite-, yhteensä 2006, ohjattavissa Perus-, ohjattavissa Tavoite-, ohjattavissa Kuva 4 Perus- ja tavoiteskenaarioiden (2020) vertailu vuoden 2006 tilanteeseen. TARIFFIT JA HINNOITTELUMALLIT Edellä esitetyn teknisen kysyntäjoustopotentiaalin saaminen käyttöön edellyttää kuluttajien kannustamista tekemään toimenpiteitä ja suorittamaan ne oikeaan aikaan. Tämän toteuttamiseksi sähkömarkkinoiden toimijat tarjoavat sellaisia tariffeja ja sähkön hinnoittelurakenteita, joilla kuluttaja voi oikein ajoitetuilla kysyntäjoustotoimilla pienentää sähkölaskuaan ja siirtää kuormitusta pois huippukuormitusajankohdista. Hinnoittelumekanismit, joilla voidaan kannustaa kuluttajia kysyntäjoustoon, voidaan kahteen ryhmään: Hintaohjattu kysyntäjousto perustuu sähkön hinnoitteluun siten, että kuluttaja voi pienentää sähkölaskuaan muuttamalla kulutusprofiiliaan. Tällaisia hinnoittelumalleja ovat reaaliaikahinnoittelu (RTP), huippukulutushinnoittelu (CPP) ja aikahinnoittelu (ToU)(kuva 5). Jos sähkön hinta eri vuorokauden aikana vaihtelee riittävästi, kuluttaja voi vapaaehtoisesti kulutuskäyttäytymistään muuttamalla (siirtämällä sähkön käyttöä pois kalleimmilta ajankohdilta) pienentää sähkölaskuaan. 11

12 Sopimusperusteinen kysyntäjousto tarkoittaa verkkoyhtiön tai muun sähkömarkkinatoimijan tekemää sopimusta asiakkaan kanssa kysyntäjouston suorittamisesta. Nämä sopimukset mahdollistavat kysyntäjouston riippumatta käytetystä tariffista, joka voi olla kiinteä hintainen tai aikatariffi. Korvaus kuorman ohjausmahdollisuudesta ja todennetuista ohjauksista sovitaan asiakkaan kanssa. Kuormien ohjaus tapahtuu sähkömarkkinatoimijan pyynnöstä tai ohjauksella esimerkiksi, kun tehopulatilanteessa tarvitaan kuormituksen alentamista. Useimmissa tapauksissa edellytetään kysyntäjoustotoimenpiteen vaikutuksen toteamista eli tarvitaan mittaus tai muu vastaava luotettava menetelmä joustotoimenpiteen vaikutuksen todentamiseksi. Suomessa yleisesti käytössä olevissa aikahinnoittelussa (ToU, Time-of-Use) sähkö hinnoitellaan kulutusajankohdan mukaan porrastetusti joko vuorokauden (päivä, yö) ja/tai vuodenajan (talvi, kesä) mukaan. Erityisen hyvin tämä hinnoittelumalli soveltuu kohteisiin, joissa kulutusta voidaan siirtää päivältä yölle kuten varaava sähkölämmitys ja lämminvesivaraajat. Reaaliaika-aikahinnoittelu (RTP, Real-Time Pricing) on tuntikohtainen hinnoittelu, joka kuvaa sähkön hinnan vaihtelua tukkumarkkinoilla. Seuraavan vuorokauden sähkön tuntihinnat ovat kuluttajan tiedossa edellisenä päivänä (day-ahead). Huippukulutushinnoittelu (CPP, Critical Peak Pricing) on yhdistelmä aikahinnoittelusta ja reaaliaikahinnoittelusta. Siinä perustariffirakenteena on aikahinnoittelu, mutta tilanteissa, joissa kulutusta halutaan rajoittaa esimerkiksi tehopulavaaran vuoksi, huippuajankohta hinnoitellaan huomattavasti normaalitilannetta kalliimmaksi. Kuva 5 Periaatteellinen esimerkki kolmesta eri kulutusajankohtiin sidotusta hinnoittelumallista. Sopimusperusteista kysyntäjoustoa tarjotaan nykyään pääsääntöisesti ainoastaan suurille asiakkaille, joilla on riittävän suuritehoisia, ohjattavissa olevia sähkökuormia ja varavoimageneraattoreita. Pienkuluttajat eivät voi osallistua siihen, koska yksittäisen kotitalouden kuormat ovat liian pienitehoisia, joten riittävän tehon saamiseksi tarvitaan useiden tuhansien kuluttajien kuormien kokoamista yhteen eli aggregointia. Tätä varten tarvitaan aggregaattori, jonka tehtävänä on kerätä riittävä kysyntäjoustokapasiteetti pienkuluttajilta ja tarjota sitä sähkömarkkinoille. Eräs mahdollisuus, jota jotkut verkkoyhtiöt ovat käyttäneet, on sopia asiakkaidensa lämmityskuormien suorasta ohjauksesta huippukuormitustilanteessa. 12

13 Edellä mainittujen keinojen lisäksi sähkönkulutuksen määrään ja ajoittumiseen voidaan vaikuttaa kuluttajainformaatiolla. Eräs esimerkki on TV:n tai radion avulla tiedottaminen valtakunnan tason tehopulatilanteessa kuormituksen vähentämiseksi. Kuluttajapalaute mitatun kulutuksen perusteella ja vertailu muihin vastaaviin kuluttajiin mukaan lukien tehokkaan energiankäytön ohjeet vaikuttavat kuluttajakäyttäytymiseen. Kuluttajapalaute voi olla osana sähkölaskua, perustua internet-sovellutukseen tai se voidaan reaaliaikaisena toteuttaa esimerkiksi energianäyttöpaneelin avulla. Yhteenvetojohtopäätökset Yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon (CHP) teknologiat antavat parhaan ohjausmahdollisuuden kaikista hajautetun tuotannon (DG) muodoista. Energianvarastointi, poisluettuna lämmitysjärjestelmiin liittyvät varastot, ei vielä tällä hetkellä tarjoa kysyntäjoustoon liittyviä mahdollisuuksia kotitaloussektorilla Suomessa sähkölämmitykseen ja lämpimän käyttöveden valmistukseen liittyy suuri tekninen kysyntäjoustopotentiaali erityisesti talviaikaan. Kumpikin tutkimuksessa laadittu skenaario osoittaa kotitaloussektorin teknisen kysyntäjoustopotentiaalin kasvavan tulevaisuudessa. Kotitaloussektorille hyvin soveltuvia hinnoittelumalleja ovat aikatariffit ja reaaliaikahinnoittelu. Kotitaloussektorin kysyntäjoustopotentiaalin hyödyntämistä sähkömarkkinoilla edesauttaa kuormien aggregointi.. Viitteet 1. Evens C., Kärkkäinen S., Pihala H Distributed resources at consumers premises. Research report VTT-R p. 2. Evens C., Kärkkäinen S., Pricing models and mechanisms for the promotion of demand side integration. Research report VTT-R p. 13

14 ENERGIANÄYTÖT UUTENA KULUTTAJAPALAUTTEEN MUOTONA Lassi Similä Hannu Pihala VTT TUTKIMUKSEN TAVOITE JA SISÄLTÖ Sähkönkäytön kuluttajapalautteella tarkoitetaan kuluttajalle välitettyä informaatiota, jonka tarkoitus on auttaa kuluttajaa tuntemaan sähkönkäyttönsä rakennetta. Tämä mahdollistaa esimerkiksi käyttötottumuksien muuttamisen ja laiteinvestointien suuntaamisen energiansäästöä edistävästi. Perinteinen esimerkki tavasta välittää kuluttajapalautetta on sähkölasku, johon voidaan liittää esimerkiksi erilaisia kohteen sähkönkulutuksen historiaa kuvaavia tunnuslukuja tai kaavioita. Verrattain uusi kuluttajapalautteen muoto ja maailmalla yleistyvä teknologia ovat ns. energianäytöt (in-home displays). Energianäytöt välittävät kotitalouksiin reaaliaikaista informaatiota näiden sähkönkulutuksesta, ja ne voidaan sijoittaa asuntoihin sähkömittarista erilleen. Kansainvälisesti on kehitetty jo lukuisia erilaisia energianäyttömalleja kaupallisesti saatavilla oleviksi tuotteiksi asti. Esimerkiksi Iso-Britanniassa ensimmäiset energianäytöt tulivat markkinoille noin viisi vuotta sitten. ENETE-hankkeen osatehtävässä: Kulutusvertailujen tuottaminen kuluttajille suoraan mittarista paneelin avulla laadittiin kirjallisuuskatsaus [6], joka käsittelee energianäyttöjen teknologioita, eri puolella maailmaa tehtyjä koehankkeita ja niissä havaittuja vaikutuksia. Lisäksi katsauksessa kiinnitetään huomiota kysymykseen, millaisessa muodossa informaatio tulisi välittää, jotta energianäyttöjen avulla saavutettaisiin suurin energiansäästö. Katsauksessa pyritään myös hahmottamaan, mitkä ominaisuudet voisivat olla tärkeitä Suomessa sovellettaville energianäytöille. ENERGIANÄYTTÖJEN TEKNIIKAT Energianäyttöjärjestelmä sisältää yleensä varsinaisen näytön lisäksi laitteen, jonka avulla sähkönkulutus luetaan, mitataan tai arvioidaan. Kuva 1 esittää periaatteellisella tasolla osakokonaisuuksia ja toimijoita, joista energianäyttöjärjestelmä koostuu. Kulutuspalautetiedot välittyvät varsinaiseen näyttöön soveltuvaa langatonta tai langallista tiedonsiirtotekniikkaa käyttäen. Useita erilaisia malleja on jo kaupallisessa vaiheessa olemassa eri puolilla maailmaa, ja yhä edistyksellisempiä ratkaisuja on kehitystyön kohteena. Tämän yhteenvetoraportin yhteenvetotaulukossa (Taulukko 1) on esitetty energianäyttöjen ominaisuuksia ja luokiteltu malleja seuraavassa esitetyn teknologiajaottelun mukaisesti. 14

15 Sähkön loppukäytöt Energianäyttö Edistynyt mittari Kuluttajapalaute Kuluttaja Sähkön myyjä Verkkoyhtiö Kuva 1. Energianäyttöjärjestelmän rakenne ja osat. Varsinaisen energianäytön lisäksi järjestelmässä sovellettavat tiedonsiirto- ja mittausteknologiat vaikuttavat olennaisesti energianäyttöjärjestelmän mahdollisuuksiin ja ominaisuuksiin. Kuvassa esitetään ns. edistyksellisen energianäyttöjärjestelmän periaate, jossa hyödynnetään etäluettavaa, digitaalista mittaria. Katkoviivalla esitetyt tiedonsiirtoyhteydet edustavat tulevaisuuden mahdollisia kehityssuuntia, joita ei vielä ole toteutettu. Kahta tyyppiä edustavia energianäyttömalleja on ollut markkinoilla jo useiden vuosien ajan. Tällaiset mallit toimivat joko 1. soveltaen jälkiasennettavaan virtamuuntajaan perustuvaa virranmittausteknologiaa tai 2. lukien sähkönkulutustiedon laskutussähkömittariin asennettavasta anturista pulssi- tai LED-lukuanturitekniikkaa hyödyntäen. Edellä mainitut näyttötyypit edustavat konventionaalista teknologiaa sikäli, että ne toimivat itsenäisesti riippumatta kotitalouden sähkömittariteknologiasta myös konventionaalisten sähkömekaanisten mittarien yhteydessä. Nämä kaksi tyyppiä kuuluvat ryhmään, johon kuuluvia laitteita kutsutaan seuraavassa ensimmäisen sukupolven energianäytöiksi. Edistyksellisiksi energianäytöiksi nimitetyt näytöt on suunniteltu varta vasten toimimaan digitaalisen, etäluettavan sähkömittarin yhteydessä. Edistyksellisten näyttöteknologioiden avulla mahdollistuu reaaliaikaisen sähkönkulutustiedon siirto mittarilta näyttöpaneeliin ja hintasignaalien (esimerkiksi merkkivalojen muodossa) siirto energiayhtiöltä näyttöpaneeliin. Edistykselliset näytöt ovat voimakkaan kehitystyön alla. Etäluettavien mittarien yleistyminen on välttämätön edellytys edistyksellisten näyttöjen yleistymiselle. Kuvassa 2 on esitetty esimerkki suoraan sähkömittarin kanssa kommunikoivasta energianäytöstä. 15

16 Kuva 2. Landis+Gyr ecometer -energianäyttö (käytetyn terminologian mukaan yksi esimerkki edistyksellisestä energianäytöstä). Näyttö ilmaisee tapahtumia merkkivaloin. (Kuva:[2]) Tyypillisesti ensimmäisen sukupolven energianäyttöjen hinta liikkuu luokassa Jälkiasennettaviin virtamuuntajiin perustuvien näyttöjen asennuksesta, joka vaatii sähköalan ammattilaisen, aiheutuu vielä :n lisä kustannuksiin 1. Edistykselliset näytöt voivat maksaa huomattavasti enemmän eli useita satoja euroja [5]. Nykyiset energianäyttömallit tulevat kyseeseen lähinnä omakotitaloissa, sillä asennus vaatii kotitalouden sähköjärjestelmään muutostöitä, jotka ovat kerros- ja rivitaloasukkaiden ulottumattomissa. Tiedon sisällöstä ja esittämistavasta Energianäytön avulla voidaan tyypillisesti esittää tietoja ainakin seuraavista muuttujista siitä kotitaloudesta, johon se on asennettu: - Hetkellinen energian kulutus (esimerkiksi yksiköissä kw/h tai /h) - Sähkön kumulatiivinen hinta ( ) (esimerkiksi laskutuskauden alusta) - Kumulatiivinen energiankulutus (kwh) - Ennustettu kuukauden sähkölasku ( ) - Sähkönkulutuksen hiilidioksidipäästöt (kg tai kg/h) - Muuttujien vertailu tavoitteeseen tai kulutushistoriaan (esim. vuositason tai päivittäinen tieto) - Aika, lämpötila tms. lisätiedot - Edistyksellisillä näyttömalleilla voidaan esittää myös hetkellisiä sähkön hintasignaaleja tms. myynti- tai jakeluverkkoyhtiöltä tulevia viestejä. Numeerisen tai graafisen esitysmuodon lisäksi energianäytöissä mahdollisia informaation muotoja ovat erilaiset merkkivalot tai -äänet. Niitä voidaan esittää esimerkiksi poikkeuksellisen suuren kulutuksen nousun tai sähkön hinnan muutosten yhteydessä. Markkinoilla on sekä liikuteltavia että kiinteitä energianäyttömalleja. Olennainen kysymys energianäyttöjen suunnittelussa on, millaisessa muodossa ja mitä tietoja näytössä tulisi esittää, jotta kuluttajan voisi tehdä tehokkaita energiaa säästäviä päätöksiä. Asiaa on tutkittu verrattain vähän. Ei ole esimerkiksi selvää, että edistyneiden näyttöjen mahdollisesti hienojakoinen tieto edistäisi kuluttajan energiansäästöä tehokkaammin kuin 1 Muunnettu alkuperäisestä v heinäkuussa julkaistusta lähteestä dollareista euroiksi valuuttakurssilla 1 $ = 0,7. 16

17 ensimmäisen sukupolven näyttöjen yksinkertainen tieto [5]. Hyvin yksinkertaisillakin tiedoilla on mahdollista saavuttaa tuloksia [7]. Iso-Britanniassa tehdyn tutkimuksen [1] johtopäätöksissä todetaan, että rahallisessa muodossa ilmaistun tiedon etu on helpompi ymmärrettävyys kuin esimerkiksi energiankäytön kuvaaminen kilowattitunneilla. Numeerisen tiedon etuna on täsmällisyys. Muutokset, kuten tieto kasvavasta kulutuksesta, välittyvät paremmin laadullisella tavalla, esimerkiksi merkkivaloin. On myös huomattava, että eri kuluttajaryhmät korostavat näyttöjen ominaisuuksissa eri asioita. Esimerkiksi iäkkäämmät ihmiset eivät vaadi yhtä tarkkaa tietoa kuin nuoremmat ikäluokat. Näyttöjen esittämän tiedon tarkkuus Ensimmäisen sukupolven näytöistä jälkiasennettavaan virtamuuntajaan perustuvien energianäyttöjen, joita on kaupallisesti saatavilla Suomestakin, mittausvirheet voivat olla potentiaalisesti huomattavia. Tämä pätee etenkin kotitalouksissa, joissa loistehon määrä on suuri tai jännite poikkeaa nimellisestä (230 V). Loistehoa kuluu paljon kotitalouksissa, joissa on käytössä lämpöpumppu. Sähkölämmityskohteissa, joissa jännite poikkeaa paljon nimellisestä, voi näytön virhe olla lämmityskaudella ±10 %. Täten on nähtävissä riski, että jälkiasennettavaan virtamuuntajaan perustuvat näytöt eivät riittävällä tarkkuudella anna tietoa oikeiden johtopäätösten tekemiseksi etenkään tällaisissa kotitalouksissa. KENTTÄKOKEIDEN TULOKSIA Maailmalla on 2000-luvulla suoritettu yhteensä kymmeniä energianäyttöjen kenttäkokeita ainakin Pohjois-Amerikassa, Australiassa, Euroopassa ja Japanissa. Kahdentoista tarkastellun kenttäkokeen [3] perusteella energianäyttöjen avulla on saavutettavissa keskimäärin n. 7 %:n energiansäästö eri tutkimuksissa saatujen arvioiden asettuessa n %:n väliin. Energianäytön käytöllä reaaliaikaisen hinnoittelun yhteydessä on havaittu vaikutuksia myös kysyntäjouston parantamisessa. Arvion taustalla olevat kokeet on suoritettu pääosin ensimmäisen sukupolven energianäytöillä. Kokeet ovat tyypillisesti melko pienen mittakaavan kokeita, ja niiden kesto on ollut usein liian lyhyt luotettavien johtopäätöksien vetämiseksi. Esimerkiksi siitä, miten säästö jakautuu eri kulutuskomponenttien välille, tiedetään vähän. Suuria, kymmeniä tuhansia kotitalouksia käsittäviä kenttäkokeita on tiettävästi parhaillaan käynnissä ainakin Iso-Britanniassa ja Kanadassa. Tutkimuksia edistyksellisten energianäyttöjen vaikutuksista on tiettävästi toteutettu hyvin vähän. Julkisia pienen mittakaavan kokeita on tiettävästi toteutettu ainakin Hollannissa ja Australiassa. Osittain laitevalmistajien julkaisemat koetulokset näyttävät karkeasti tarkasteluna puoltavan sitä, että edistyksellisten näyttöjen aikaansaamien säästöjen suuruus asettuu yksinkertaisempien näyttöjen keskiarvon yläpuolelle. TULEVAISUUDEN MAHDOLLISUUKSIA JA ESTEITÄ Maailmalla suoritetuissa tutkimuksissa energianäyttöjen aikaansaamat sähkönsäästöt ja näyttöjen hinnat vaihtelevat, joten kustannuksien ja hyötyjen tarkastelemiseksi tarvittavat parametrit voidaan niiden tuloksia sovellettaessa valita monin tavoin. Karkeissa suuruusluokkatarkasteluissa, joissa kansainvälisiä tuloksia sovelletaan Suomen oloihin, vaaditaan melko erityiset olosuhteet ja oletukset, jotta energianäytöt olisivat nykyhinnoilla yksittäisten kotitalouksien kannalta taloudellisesti perusteltavissa. Mikäli sähkön hinta jatkaa nousuaan, parantaa se osaltaan energianäyttöjen ja muiden energiansäästöä edistävien toimenpiteiden taloudellisia edellytyksiä. Myös energianäyttöjen hintojen voidaan arvioida laskevan teknologian kehittyessä ja tuotantomäärien mahdollisesti kasvaessa. Lisäksi 17

18 edistyksellisimpiin energianäyttöihin liittyvät lisäominaisuudet kuten laitekohtaisen kulutustiedon sekä sähkönmyyjältä tulevan dynaamisen hintasignaalin näyttäminen lisäisivät näyttöpaneeleista saatavia hyötyjä, etenkin jos dynaaminen sähkön hinnoittelu on käytettävissä. Tulevaisuudessa etäluettavan sähkömittaustekniikan ja edistyksellisten energianäyttöjen mahdollistamien energianhallintapalvelujen hyödyt leviävät laajemmallekin sähkö- ja energiainfrastruktuuriin ja yhteiskuntaan. Edistykselliset energianäytöt voivat tulevaisuudessa toimia osana edistyksellisempää älykästä sähköverkkoa ja älykoteja (ns. Smart Grid, Smart Homes). Kotitalouksien käyttäytymisen muutoksen ohella saavutettavan energiansäästön lisäksi mahdollisia muita hyötyjä ovat kotitalouksien pientuotannon verkkoon myymisen mahdollisuus, automaation tehostama kuormanohjaus ja energiansäästö sekä älykkään verkonhallinnan aikaansaama huippuvoimalaitosinvestointien väheneminen. Fitzpatrick&Smith [4] korostaa kokonaisvaltaisen laskennan ja älykotien tutkimuksen pitkällä aikavälillä tuomia mahdollisuuksia reaaliaikaisen palautteen parantamiseksi. Tietolähteitä voitaisiin yhdistää monipuolisemmin ja kokonaisvaltaisemmin energiankulutuksen kaavojen tunnistamiseksi. Täten kulutustiedot eivät keskittyisi pelkästään sähkön tai kaasun mittaukseen. Tulevaisuuden kuluttajapalaute voisi käsittää myös veden, jätteiden, kemikaalien, ruuan jne. resurssien kulutuksen tarkkailun. Tarkemman, esimerkiksi tila- tai laitekohtaista tai vuorokauden ajan huomioivan energiansäästöä edistävän tiedon tuottaminen mahdollistuisi. Eri laitevalmistajien mahdollisesti poikkeavat tiedonsiirto- ja tiedonhallintajärjestelmät saattavat aiheuttaa ongelmia mittaustietoa prosessoivien ja/tai hyödyntävien laitteiden rajapinnoilla. Tämä nostaa esiin tarpeen yhtenäisten teknologia-alustojen ja standardien määrittämiseksi. Tällä hetkellä suosituin tiedonsiirtoprotokolla energianäytön ja mittalaitteen välisessä tiedonsiirrossa on radiotaajuusalueella toimiva ZigBee. Järjestelmiä kehitettäessä olennainen kysymys on myös tietoturvallisuudesta huolehtiminen, jotta laitteiden hallintajärjestelmät eikä kuluttajien yksityisyyden suoja vaarannu. VIITTEET 1. Anderson W. & White V The smart way to display. Full report: exploring consumer preferences for home energy display functionality. A report for the Energy Saving Trust by the Centre for Sustainable Energy. 2. Van Elburg, Henk 2009b. Overview of field test results: encouraging public support for smart metering. Presentation, ESMA Workshop, Helsinki 16 June Faruqui, Ahmad, Sergici, Sanem and Sharif, Ahmed, The Impact of Informational Feedback on Energy Consumption -- A Survey of the Experimental Evidence (May 1, 2009). Working Paper Series. Available at SSRN: 4. Fitzpatrick&Smith Technology-Enabled Feedback on Domestic Energy Consumption: Articulating a Set of Design Concerns. Pervasive computing, January- March 2009, pp

19 5. Roth, K., Brodrick, J Home Energy Displays. ASHRAE Journal, July 2008: Similä, L. & Pihala, H Energianäytöt uutena kuluttajapalautteen muotona. Tutkimusraportti VTT-R s. + liitt. 6 s. 7. Yun, Tae-Jung Investigating the Impact of a Minimalist In-Home Energy Consumption Display. 27th International Conference on Human Factors in Computing Systems, CHI 2009, April 4-9, 2009, Boston, MA, USA. YHTEENVETO TUTKIMUKSEN KESKEISISTÄ TULOKSISTA Taulukko 1. Yhteenveto energianäyttöjen tyypeistä ja ominaisuuksia. Erilaisilla energianäyttömalleilla ja koejärjestelyillä on toteutettu maailmalla kymmeniä kokeita ja uusia, uutta teknologiaa soveltavia malleja on tullut markkinoille viime vuosina useita. Tutkimustulosten tarkastelun helpottamiseksi energianäytöt jaoteltiin katsauksessa kahteen pääluokkaan: sähkömittarin kanssa suoraan kommunikoivia näyttöjä nimitetään edistyksellisiksi näytöiksi, kun taas muulla tavoin mittaussignaalin saavia energianäyttöjä nimitetään ensimmäisen sukupolven näytöiksi. Ensimmäisen sukupolven näytöt jaotellaan edelleen kahteen päätyyppiin: jälkiasennettavaan virtamuuntajaan ja anturitekniikkaan perustuviin malleihin. Näyttötyyppi Väyläkommunikointi sähkömittariln kanssa Esimerkkimalleja Edut Haitat Toteutettuja kenttäkokeita 1.sukupolven näytöt Jälkiasennettavaan virtamuuntajaan perustuvat Pulssi/led - lukuanturiin perustuvat Ei Ei Electrisave, Efergy elite, Current Cost, Owl, The Energy Detective PowerCost Monitor, ELV Edistykselliset näytöt Kyllä Landis+Gyr ecometer, PowerPlayer, Aztech In- Home Insight, Onzo, EWE- Box +Edullinen hinta + Soveltuu mittarista riippumatta + Edullinen hinta + Laskutusmittaria vastaava mittaustarkkuus + Monipuoliset ja tarkat tiedon analysointi- ja esitysmahdollisuudet + Useissa malleissa myös kaasun- ja vedenkulutuksen seurantamahdollisuus - Vaikea asennettavuus (vaatii ammattilaisen, lisää kustannuksia) - Mittausten epätarkkuus - Asennus voi vaatia ammattilaisen - Kustannukset - Teknologia kehitysja yleistymisvaiheessa Ainakin Iso- Britanniassa, malleja myös Suomessa kaupallisesti saatavilla. Kanada, Yhdysvallat Australia, Hollanti, Japani, Kokeita suunnitteilla ainakin Saksassa, Kanadassa 19

20 MARKKINAEHTOISEN SÄHKÖLÄMMITYSOHJAUKSEN TOIMINTAMALLIN KEHITTÄMINEN JA PILOTOINTI ETÄLUETTAVILLA MITTAREILLA 1 JOHDANTO Seppälä Joel, Helen Sähköverkko Oy joel.seppala@helen.fi Pekka Koponen VTT Pekka.koponen@vtt.fi Tässä selvitysprojektissa tutkittiin etäluettavien mittareiden hyödyntämistä sähkölämmityksen ohjaukseen sähkön markkinahinnan perusteella. Nykyisillä etäluettavilla sähköenergiamittareilla on kaksisuuntainen tiedonsiirtoyhteys, kuormanohjausmahdollisuus sekä kaksiaikatariffikohteissa usein myös valmiiksi kytkettyä ohjattavaa kuormaa. Tämän kehitysprojektin tavoitteena oli kehittää kuormanohjausmalli, jolla saadaan nykyisten etäluentajärjestelmien ominaisuudet valjastettua palvelemaan paremmin sähkömarkkinoiden tarpeita. Tutkimus tehtiin yhteistyönä Helen Sähköverkon, VTT:n, Aidonin, Landis+Gyrin, Mitoxin, Helsingin Energian ja Fortum Marketsin kanssa. Tutkimuksen keskeisinä tuloksina muodostettiin toimiva tiedonvaihtomalli ja osoitettiin, että nykyisten prosessien tuottamilla tiedoilla ja uuden sukupolven sähköenergiamittareilla voidaan toteuttaa kysynnän mukaan ohjautuva kuormanohjausjärjestelmä. 2 KUORMANOHJAUSMALLI Kuormanohjausmalli muodostettiin mittarivalmistajien, sähkön myyjien ja verkonhaltijan näkemysten mukaan siten, että se on mahdollista toteuttaa nykyisillä mittalaitteilla ja ettei itse malli rajoita lähitulevaisuudessa monipuolisempien sähkön siirto- tai myyntituotteiden käyttöönottoa. Lisäkriteerinä oli mahdollisuus ottaa kuormanohjausmalli käyttöön laajemmin missä tahansa verkkoyhtiössä. 2.1 Kuormanohjausten algoritmivastuusta Helsingin Energian aiempien kuormitusselvitysten ja simulointien perusteella tehon voidaan antaa vaeltaa ilman keskitettyjä ohjauksia, eli kuormitus ohjautuisi suoraan ihmisten kulutustottumusten mukaan. Tällainen vapaa ohjaus ei kasvata riskiä verkon ylikuormittumiseen Helsingin alueen sähkönjakeluverkossa [1]. Koska Helsingin alueella verkkoyhtiöllä ei ole intressiä ohjata kuormia tiettyyn ajankohtaan, ohjauksen operointi voidaan antaa asiakkaalle tai asiakkaan valtuuttamalle operoijalle ja algoritmivastuu voidaan luovuttaa esim. sähkön myyjälle. Tällöin voidaan täyttää tarkemmin sähkönkäyttäjän tarpeet tai esimerkiksi optimoida sähkön hankintaa. 20