ENERGIATEHOKAS KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUS Tilastotutkimus. Helsinki Jarkko Lampinen

Transkriptio

1 ENERGIATEHOKAS KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUS Tilastotutkimus Helsinki Jarkko Lampinen

2 Tutkimuksen tavoite Selvittää kaukolämmön pumppaukseen käytetty keskimääräinen sähköenergia Kehittää helppo ja nopea työkalu pumppauksen tehokkuuden arvioimiseen Paljastaa tilastoista tapauksia, joissa näyttäisi olevan tarpeettoman suuri pumppausenergian käyttö KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 2

3 Toteutus Kaukolämpötilasto vuodelta 2007 Iisalmen kaukolämpöverkon pumppausolosuhteet KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 3

4 TILASTO-OSUUS KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 4

5 Pumppauksen suuruuden arvioiminen Pumppauksen tehokkuutta mitataan jakamalla pumppaukseen kulutettu sähkömäärä lämmön kokonaishankinnalla Tätä suhteellista pumppausenergian määrää verrataan seuraaviin tunnuslukuihin: 1. Hankinta (myynti+häviöt) 2. Kl-verkon pituus 3. Lämpötiheys (= lämmön hankinta jaettuna verkon pituudella) 4. Tehotiheys (=vrk-huipputeho jaettuna verkoston pituudella) 5. Pienten kuluttajien osuus (liittymisteho korkeintaan 30 kw) 6. Huipunkäyttöaika 7. Verkostohäviöt KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 5

6 Hankinta (myynti+häviöt) 1/3 Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. kokonaishankinta 1.6 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.4 % 1.2 % 1.0 % 0.8 % 0.6 % 0.4 % 0.2 % 0.0 % Lämmön hankinta, GWh/a KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 6

7 Hankinta (myynti+häviöt) 2/3 1.6 % Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. kokonaishankinta Hankinta GWh/a Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.4 % 1.2 % 1.0 % 0.8 % 0.6 % 0.4 % 0.2 % 0.0 % Lämmön hankinta, GWh/a KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 7

8 Hankinta (myynti+häviöt) 3/3 Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.6 % 1.4 % 1.2 % 1.0 % 0.8 % 0.6 % 0.4 % 0.2 % Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. kokonaishankinta Hankinta GWh/a 0.0 % Lämmön hankinta, GWh/a KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 8

9 Verkon pituus 1/3 Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. verkon pituus 1.6 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.4 % 1.2 % 1.0 % 0.8 % 0.6 % 0.4 % 0.2 % 0.0 % Verkon pituus, km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 9

10 Verkon pituus 2/3 Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. verkon pituus verkon pituus km 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % Verkon pituus, km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 10

11 Verkon pituus 3/3 Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. verkon pituus verkon pituus 0-70 km 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % Verkon pituus, km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 11

12 Lämpötiheys Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. lämpötiheys 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % Lämpötiheys, GWh/km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 12

13 Lämpötiheys (vain CHP-laitokset) Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. lämpötiheys vain yhteistuotantolaitokset 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % Lämpötiheys, GWh/km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 13

14 Tehotiheys (=vrk-huipputeho jaettuna verkoston pituudella) Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. tehotiheys 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % Tehotiheys, MW/km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 14

15 Pienten kuluttajien osuus Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. pienten asiakkaiden osuus Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.7 % 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % Pienten asiakkaiden osuus, % KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 15

16 Huipunkäyttöaika Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. huipunkäyttöaika 1,7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1,5 % 1,3 % 1,1 % 0,9 % 0,7 % 0,5 % 0,3 % 0,1 % Huipunkäyttöaika, h KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 16

17 Verkostohäviöt Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. häviöt 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 5 % 7 % 9 % 11 % 13 % 15 % 17 % 19 % Verkostohäviöt suhteessa kokonaishankintaan KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 17

18 Työkalu Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. lämpötiheys 1.7 % 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % Lämpötiheys, GWh/km 0.1 % KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 18

19 Työkalu sanallisesti Lämpötiheyden ollessa yli 3 MWh/m tulisi pumppaussähkön määrän olla korkeintaan 0,5 % hankitusta lämpömäärästä. Mikäli verkon lämpötiheys tästä laskee, tulisi pumppaussähkön määrän joka tapauksessa olla alle 1 % lämmön hankinnasta. KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 19

20 Rahallinen arvo "Liian" pumppausenergian arvo Lämpötiheys > 3 GWh/km, Sähkön arvo 60 EUR/MWh 300 Esimerkki: Lämmönhankinta GWh/a Pumppausenergian osuus 0,7 % => liian pumppauksen kustannus EUR/a Liian pumppausenergian arvo, EUR/a Pumppausenergian osuus 0.8 % Pumppausenergian osuus 0.7 % Pumppausenergian osuus 0.6 % Lämmönhankinta, GWh/a KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 20

21 CASE IISALMI KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 21

22 Iisalmen kaukolämpöverkon tunnuslukuja Hankinta GWh/a Lämpöhäviöt 17.6 GWh/a 9.8 % Pumppausenergia 500 MWh/a Pumppausenergia / hankinta 0.3 % Verkon pituus 71 km Lämpötiheys 2.5 GWh/km Max. korkeusero 20 m Kaukolämmön pumppaukseen käytetty sähkömäärä on matala, alle 0,3 % <= Iisalmen kaukolämpöverkko on suhteellisen tiheästi rakennettu <= verkon putkidimensiot ovat suhteellisen suuret virtausmääriin nähden KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 22

23 Iisalmen kaukolämpöverkko CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 23

24 Iisalmen kaukolämpöverkon painekuvaaja KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 24

25 Tutkitut tilanteet Iisalmen kaukolämpöverkon käyttäytymistä tutkitaan tekemällä erilaisia muutoksia verkossa. Muutosten vaikutus pumppauksen määrään lasketaan. Tutkittuja tilanteita ovat: 1. Yhden ongelma-asiakkaan vaikutus 2. Välipumppaamon vaikutus 3. Uusi iso asiakas pohjoiseen 4. Uusi iso asiakas pohjoiseen lähelle voimalaitosta 5. Uusi iso asiakas etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 25

26 Yhden ongelma-asiakkaan vaikutus Iisalmen kaukolämpöverkossa oli vielä vuonna 2007 suuri lämpöasiakas, jolle ei kyetty toimittamaan tarvittavaa määrää lämpöä ilman, että paine-ero asiakkaalla nostettiin yli 1 bar (normaali paine-ero olisi ollut 0,6 bar) Asiakas sijaitsee voimalaitokselta katsottuna ennen välipumppaamoa, joten asiakkaalla tarvittava paineero piti pumpata voimalaitoksella ongelma-asiakas lisää pumppausta voimalaitoksella, mutta alentaa pumppausta välipumppaamossa yhteisvaikutus on, että pumppaamiseen tarvitaan lisätehoa 19,2 kw Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 26

27 Välipumppaamon vaikutus Välipumppaamon avulla pumppausta voimalaitoksella voidaan vähentää: Välipumppaamon vesivirta on pienempi, kuin vesivirta voimalaitoksella Nostokorkeus voimalaitoksen lähellä voi muodostua ilman välipumppaamoa kohtuuttoman korkeaksi, jotta verkon hännille saataisiin vaadittava paineero Iisalmen tapauksessa välipumppaamo vähentää pumppaamisen tehoa 74 kw CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo Ongelmapiste CASE: Uusi kuluttaja etelään Kriittinen kuluttaja KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 27

28 Uuden asiakkaan sijoittumisen vaikutus 1/3 Uusi iso asiakas pohjoiseen Uuden asiakkaan liityntäpiste on voimalaitoksen pohjoispuolella, jolloin uusi kuluttaja vaikuttaa ensisijassa voimalaitoksella tapahtuvaan pumppaukseen. Voimalaitoksen ja uuden suurehkon kuluttajan välissä on suhteellisen pitkä DN80 putkiosuus. Tällä osuudella painehäviö kasvaa niin suureksi, että se pakottaa nostamaan voimalaitoksen pumppauskorkeutta 2,3 bar. Tämä vähentää pumppauksen tarvetta välipumppaamossa. Tässä esimerkkitapauksessa uusi asiakas nostaa pumppauksen tehoa 65 kw. Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 28

29 Uuden asiakkaan sijoittumisen vaikutus 2/3 Uusi iso asiakas pohjoiseen lähelle voimalaitosta Tässäkin tapauksessa liityntäpiste on voimalaitoksen pohjoispuolella, jolloin uusi kuluttaja vaikuttaa ensisijassa voimalaitoksella tapahtuvaan pumppaukseen. Liityntäpiste on kuitenkin hyvin lähellä voimalaitosta, ja matkalla olevat putkiyhteydet ovat väljästi mitoitettu, joten uuden asiakkaan vaikutus pumppaukseen on siten pieni, noin 1 kw. Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 29

30 Uuden asiakkaan sijoittumisen vaikutus 3/3 Uusi iso asiakas etelään Uusi asiakas on sijoitettu lähes verkon äärimmäiseen pisteeseen etelässä, mutta kuitenkin niin, että uusi asiakas voi liittyä DN125 siirtojohtoon. Uuden asiakkaan kuluttama lämpö joudutaan pumppaamaan koko kaupungin läpi. Suurimmat pumppauskustannukset aiheutuvat kaupungin keskustan läpäisystä. Välipumppaamossa uuden kuluttajan aiheuttama tarvittavan nostokorkeuden lisäys on pieni. Tässä tapauksessa uusi kuluttaja lisää pumppauksen tarvetta 9 kw Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 30

31 Yhteenveto esimerkkilaskelmien kustannusvaikutuksista Pumppauksen huipunkäyttöaika 5000 h Uuden asiakkaan vuosienergia 780 MWh t Sähkön arvo 60 EUR/MWh e Kustannusvaikutukset Ongelmapisteen vaikutus Välipumppaamon vaikutus EUR/a EUR/a Uusi iso asiakas pohjoiseen 25.0 EUR/MWh t Uusi iso asiakas pohjoiseen lähelle voimalaitosta 0.4 EUR/MWh t Uusi iso asiakas etelään 3.4 EUR/MWh t KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 31

32 Johtopäätöksiä Iisalmen esimerkeistä Yhden asiakkaan ongelmat lämmönsiirrossa voi pakottaa nostamaan paine-eroa koko verkossa. Tämä voi merkitä tuhansien eurojen lisäkulua kaukolämmön toimittajalle. Iisalmen tapauksessa välipumppaamo säästää pumppauskustannuksissa yli EUR. Ollakseen kannattava hanke, ei välipumppaamon investointi saisi olla juurikaan yli EUR. Kaukolämmön lisäasiakkaiden aiheuttama pumppaus tarpeen lisä on hyvin tapauskohtainen. Parhaimmillaan se nostaa lämmön hankintakustannuksia alle 1 EUR/MWh. Pahimmillaan lisäpumppauksen kustannusvaikutus on samaa luokkaa polttoainekustannusten kanssa. KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 32

33 Pöyry Finland Oy, Energy Jarkko Lampinen KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 33