ENETE ENETE. MATTI LEHTONEN Aalto yliopisto, Sähkötekniikan laitos ST poolin tutkimusseminaari

Transkriptio

1 MATTI LEHTONEN Aalto yliopisto, Sähkötekniikan laitos ST poolin tutkimusseminaari

2 Taustaa EU:n energiapaketti 1/2007: Kasvihuonepäästöjä vähennettävä, uusiutuvan energian käyttöä lisättävä, ja energiantuotantoa ja käyttöä tehostettava, kaikkia näitä 20% vuoteen 2020 mennessä EU:n energiapalveludirektiivin asettamat velvoitteet Energiayhtiöt ja palveluntuottajat avainasemassa yhdyskuntien energiankäytön tehostamisessa, koska: ne hallitsevat koko energiaketjua primäärienergiasta asiakasrajapintaan saakka ne investoivat tällä hetkellä voimakkaasti energiamittausten kaukoluentaan sekä niihin liittyviin tietojärjestelmiin

3 Tutkimuksen tavoitteet Laaja yhteishanke energiatehokkuuden kehittämiseksi sähköyhtiön toimin, osapuolina: neljä tutkimustahoa (VTT, Aalto, LUT, ISY) viranomaistahoja (KTM, Motiva, EMV) energiateollisuutta, AMM järjestelmien toimittajia ja erilaisia järjestelmä ja palveluntuottajia

4 Tutkimuksen osaprojektit 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

5 Sisältö Sähköenergiansäästön potentiaali lämmityssähkö kotitaloussähkö Skenaariot: perus pessimistinen optimistinen Sähköenergian ja öljyn käytön muutokset Vaikutus CO2 päästöihin Lähtökohtana kyselytutkimus ja noin 4500 asiakkaan sähkönkulutustiedot Kainuusta, Savosta ja Vantaalta

6 Sähköenergiansäästöjen laskenta Tyyppitalo Stand-by säästö, valaistus, yms. - hukkalämpö Lämmitysjärjestelmän säästö Rakennuskannan säästöt Kokonaissäästö tyyppitalossa Säästötoimenpiteet analysoitu mittaustietokannasta jakamalla asiakkaat vertailuryhmiin kyselyllä saatujen taustatietojen avulla.

7 Yhteenveto mahdollisista säästökohteista Käyttökohde Toimenpide Sähkön säästö arvio Maalämpöpumppu Ilmalämpöpumppu Ilmanvaihto Termostaattityyppi Termostaatin asetus Vaihdetaan sähkölämmitys maalämpöön Käytetään ilmalämpöpumppua tukemaan sähkölämmitystä Hyödynnetään lämmöntalteenottoa koneellisessa ilmanvaihdossa Asennetaan ohjelmoitavat termostaatit Lasketaan sisälämpötilaa asteella lämmityskaudella Säästö lämmityskulutuksessa on 27,45 47 % verrattuna suoraan sähkölämmitykseen Säästää 7,8 25,6 % lämmityskulutuksessa Keskimäärin 13,6 % säästö sähkön kokonaiskulutuksessa Keskimääräinen säästö 14,7 % lämmitysenergiassa (teoreettinen arvio) Keskimääräinen säästö 3,43 % kokonaissähkön kulutuksessa Stand-by kulutus NA Keskimäärin 46,2 W säästöä taloutta kohti Energiansäästölamppu Tukilämmitysmuoto Vaihdetaan hehkulamput energiansäästölamppuihin Käytetään puuta tukilämmitysmuotona Sähkön säästö oli 13,62 17,06 % sähkön kokonaiskulutuksesta muussa kuin sähkölämmitystaloudessa Sähköä säästyi 2,32 kwh talvipäivän aikana, jokaista vuoden aikana poltettua kuutiometriä kohden

8 Maalämpöpumpuilla GSHP saavutettava energiansäästö Maalämpöpumpun tehokkuutta verrattiin suoraan sähkölämpöön jakamalla kuormat vertailuryhmiin. GSHP säästi keskimäärin 27.45% 47.0% lämmitysenergiasta. Pintaala(sqm) Minimisäästö (90%) Maximisäästö (90%) % 49.00% % 70.10% 8

9 Energiantarve ja lämpötilariippuvuus lämpöpumput y = 1.260x R² = y = 3.044x R² = Sekä lämpöpumpun että suoran sähkölämmityksen lämpätilariippuvuus analysoitiin ja tästä laskettiin lämpöpumpun lämpökerroin toiminta alueellaan: Marginaalinen säästö% = ( )*100/3.04 = 58.6% COP = (toiminta-alueella) 9

10 ILMALÄMPÖPUMPUT ASHP Ilmalämpöpumpuista 80% on suoran sähkölämmityksen yhteydessä Säästö lämmitysenergiassa vaihteli välillä7.8% 25.6%. Ilmalämpöpumppu sopii paremmin pienempiin taloihin 10

11 Energiansäästölamput Havainto#1: kauko ja öljylämpötaloissa kaikkien hehkulamppujen korvaaminen energiansäästölampuilla vähentää kotitaloussähkön tarvetta 13.62% 17.06% Havainto#2: sähkölämmitetyissä taloissa lamppujen vaihtamisen hyöty jäi marginaaliseksi. Tämä johtuu hehkulampun hukkalämmöstä, josta valtaosa palautuu huonelämmityksen tueksi. Hukkalämmön vaikutus on otettava huomioon arvioitaessa säästötoimenpiteiden kokonaisvaikutusta! 11

12 Ilmanvaihtoratkaisut Painovoimainen Painovoimainen ja Liesikupu Mekaaninen poisto Mekaaninen poisto ja Lämpöpumppu Mekaaninen tulo ja poisto Tietokanta aineistossa vuoden 2000 jälkeen rakennetuissa taloissa yli 65% käyttää mekaanista ilman poistoa lämmön talteenottolla. Rakennusmääräykset (D2 2003) vaativat vähintään 30% lämmön talteenottoa uusissa taloissa. 12

13 Poistoilman lämmön talteenotto ja säästöpotentiaali Keskimäärin 13.6% säästö talon kokonaissähkönkulutuksessa saavutettavissa lisäämällä poistoilman lämmön talteenotto nykyisiin rakennuksiin. 13

14 Puun käyttö lämmitysenergiana Puun kulutus Sähköenergian käyttö vähenee noin 2.32 KWh päivässä jokaista m 3 polttopuuta kohti vuositasolla. 14

15 Huonelämpötilan alentaminen yhdellä asteella halukkuus? Lowering indoor temperature levels by one degree Halukkuus laskea lämpötilaa yhdellä asteella, ja sen riippuvuus nykyisestä sisälämpötilasta. Keskimäärin olisi 3.43% säästö kokonaisenergiasta saavutettavissa asteen lämpötilan alennuksella. 15

16 Lämpötilan pudottaminen yöllä ja poissa ollessa Ohjelmoitavat termostaatit jakso aika Asettelu (lämmitys) Asettelu (jäähdytys) Wake 6:00 a.m. 21 o C 25 o C Day 8:00 a.m. Setback at least 4.5 o C Setup at least 4 o C Evening 6:00 p.m. 21 o C 25 o C Sleep 10:00 p.m. Setback at least 4.5 o C Setup at least 2 o C Säästö (%) = * 100 Keskimääräinen säästö taulukon asetteluilla olisi 14.7% lämmitysenergiasta. Säästö riippuu voimakkaasti ulkolämpötilasta. 16

17 Skenaarioissa käytetyt tyyppitalot Tyyppitalo lämmitysmuoto Käyttö Pintaala m 2 Käyttövesi kwh Lämmityssähkö/ muu lämmitys energia kwh Kotitaloussähkö kwh Sähkölämmitys Pientalo Rivitalo (huoneisto) 81, Puu/ Öljylämmitys Pientalo (ei sähkö) Rivitalo (huoneisto) 81, (ei sähkö) Lämmitysenergiaoletus kaikille tyyppitaloille 148 kwh/m 2

18 Tyyppitalo Stand-by säästö, valaistus, yms. - hukkalämpö Lämmitysjärjestelmän säästö Rakennuskannan säästöt Kokonaissäästö tyyppitalossa

19 Sähkölämmitysenergia Sähkölämmitystyyppitalolle lämmityksellä korvattava hukkalämpön vähentyminen uusi termostaatti KWh asteen vähennys sisälämpötilasta uusi lämmitys Alkutilanne Lämmitys säästötoimien jälkeen Ohjelmoitava termostaatti ja asteen lasku sisälämpötilassa Lisätty tarvittavalla hukkalämpön korvausenergialla Hukkalämmön pienenemisen vaikutus lämmitykseen, (kerroin 0,5) alkutilanne 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Säästö kotitaloussähkössä Kotitaloussähkö säästö lamput säästö stand-by uusi kotitaloussähkö

20 Sähkölämmitteinen rivitalo Rivitalon sähkölämmitys lämmityksellä korvattava hukkalämpön vähentyminen uusi termostaatti kwh asteen vähennys sisälämpötilasta uusi lämmitys alkutilanne Rivitalon kotitaloussähkö Alkutilanne Lämmitys säästötoimien jälkeen Lisätty tarvittavalla hukkalämpön korvausenergialla 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % lamput stand-by uusi kotitaloussähkö Kotitaloussähkö

21 Puu / Öljylämmitys Puu-/Öljylämmitys 100 % 90 % 1071 Rivitalon kotitaloussähkö 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Kotitaloussähkö lamput stand-by uusi kotitaloussähkö 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Kotitaloussähkö lamput stand-by uusi kotitaloussähkö Säästö omakotitalon kotitaloussähkössä Säästö rivitalon kotitaloussähkössä

22 Tyyppitalo Stand-by säästö, valaistus, yms. - hukkalämpö Lämmitysjärjestelmän säästö Rakennuskan nan säästöt Kokonaissäästö tyyppitalossa

23 Saavutettavat säästöt tyyppitalossa Talo Muutos Säästö(-)/Lisäys(+) kwh (tehostus+lämpöpumppu) Pientalo sähköl. ilmalämpöpumppu ,6 Säästö/Lisäys käyttövedessä kwh Rivitalo sähköl. ilmalämpöpumppu ,5 Pientalo vesikiertoinen sähköl. Rivitalo vesikiertoinen sähköl. maalämpöpumppu , maalämpöpumppu , Pientalo öljylämmitys maalämpöpumppu Rivitalo öljylämmitys maalämpöpumppu , Puu/öljylämmitys Ilma/ vesilämpöpumppu (puoleen lämmitystarpeesta) Säästöissä on mukana asteen lämpötilanlasku ja ohjelmoitava termostaatti -Rivitaloille lämpöpumpuissa sama säästöprosentti kuin omakotitaloille, koska niille ei tutkittu omaa arvoa. (maal. 35%, ilmal.22,5%) -ilma/vesilämpöpumpun säästöprosentti on arvio - Ei mukana vielä kotitaloussähköä (valaistus, stand-by)

24 Kohteiden lukumäärä Talotyyppi Talotyyppi Kohteiden lkm. Pientalo huoneistokohtainen sähköl Rivitalo huoneistokohtainen sähköl. 5 x Pientalo vesikiertoinen sähköl Rivitalo vesikiertoinen sähköl. 5 x 1454 Pientalo öljylämmitys Rivitalo öljylämmitys 5 x

25 TULOKSET / Lämmitysratkaisut: perusskenaario Ilmalämpöpumppuun vaihtaa: 50 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys ( kpl) 50 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (10900 x 5) Maalämpöpumppuun vaihtaa: 40 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys ( kpl) 40 % rivitaloista (580 x 5) 25 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys ( kpl) 30 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (4900 kpl) Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy tai muu lämmitys ( kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitys tarpeesta Yhteensä: sähkön kulutus kasvaa MWh Öljyn kulutus pienenee MWh Öljylämmityksen siirtyminen maalämpöön aiheuttaa sähkön kasvun

26 Optimistinen skenaario Ilmalämpöpumppuun vaihtaa: 80 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys ( kpl) 80 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (17400 x 5) Maalämpöpumppuun vaihtaa: 60 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys ( kpl) 60 % rivitaloista (872 x 5) 50 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys ( kpl) 50 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (8300 kpl) Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy tai muu lämmitys ( kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitys tarpeesta Yhteensä: sähkön kulutus kasvaa MWh Öljyn kulutus pienenee MWh

27 Pessimistinen skenaario Ilmalämpöpumppuun vaihtaa: 25 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (79600 kpl) 25 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (5450 x 5) Maalämpöpumppuun vaihtaa: 20 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys ( kpl) 20 % rivitaloista (290 x 5) 15 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys ( kpl) 10 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (2490 kpl) Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy tai muu lämmitys ( kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitys tarpeesta Yhteensä: sähkön kulutus kasvaa MWh Öljyn kulutus pienenee MWh

28 Päästöt CO2 Sähkölle tulevaisuuden päästökerroin 140 kgco2/mwh. Vuoden 2020 arvo raportista Sähköntuotanto skenaariot vuoteen 2030 Öljylle 300 kgco2/mwh. Öljy ja kaasualan keskusliitto [ gas.fi/files/344_lammitys.pdf ] Halutessaan voi käyttää myös marginaalista, mutta seuraavat laskut on laskettu keskimääräisellä arvolla

29 LÄMMITYSMUUTOSTEN VAIKUTUS PERUSSKENAARIO Sähköenergia: MWh x 140 kgco2/mwh = kgco2 Öljy: MWh x 300 kgco2/mwh = kgco2 Päästöjen pienennys: kgco2 Muutos lämmityspäästöihin: 19,7 % OPTIMISTINEN SKENAARIO Sähköenergia: MWh x 140 kgco2/mwh= kgco2 Öljy: MWh x 300 kgco2/mwh = kgco2 Päästöjen pienennys: kgco2 Muutos lämmityspäästöihin: 38,2 % PESSIMISTINEN SKENAARIO Sähköenergia: MWh x 140 kgco2/mwh = kgco2 Öljy: MWh x 300 kgco2/mwh = kgco2 Päästöjen pienennys: kgco2 Muutos lämmityspäästöihin: 11,1 % Muutos on vuoden 2006 lämmityspäästöjen arvosta, joka oli 3000 miljoonaa kgco2 ekv (Hallituksen energia ja ilmastostrategia taulukko 8, 2008)

30 Kotitaloussähkön vaikutus skenaarioihin Otettu mukaan valaistuksen ja stand by kulutuksen vaikutus Perusskenaario 80 % asunnoista : MW Optimistinen skenaario 100 % asunnoista: MWh Pessimistinen skenaario 60 % asunnoista: MWh LÄMMITYS JA KOTITALOUSSÄHKÖ SÄÄSTÖT YHTEENSÄ: Perusskenaario: sähköenergia MWh päästöt kgco2 ( 24%) Optimistinen skenaario: sähköenergia MWh päästöt kgco2 ( 40%) Pessimistinen skenaario: sähköenergia MWh päästöt kgco2 ( 14%)

31 Poistoilmalämpöpumput Säästö % m keskiarvo m => m Vuosienergia Säästö Tyyppitalo Asunto kwh kwh neliötä Poistoilmalämpöpumppu 115 m Arvio koko Suomelle ilmanvaihtotietojen perusteella x 3151kWh= 580 GWh Myös muu kuin sähkölämmitys Sähkölämmitystaloudet 0.63 x 580 GWh= 365 GWh Tietokannasta 63 % koneellisen ilmastoinnin merkinneistä pientaloista oli sähkölämmitteisiä

32 Lämmöntalteenotto (muu kuin poistoilmalämpöpumppu) Poistoilmalämpöpumpulla saavutettiin 13,6 % säästö kokonaissähköenergiasta sähkölämmitys taloudessa. Käytetään sitä myös muille lämmönsiirtoratkaisuille. Rakennuspotentiaalia vanhoihin taloihin vaikea arvioida. Otetaan lähtökohdaksi edellä esitetyt skenaariot ja niiden tyyppitalot. PERUSSKENAARIO Oletetaan, että poistoilmalämpöpumpun käyttöön siirtyy sähkölämmittäjistä: 10 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys ( kpl) x 0,13 x kwh = MWh 10 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (2180 x 5) (2180 x 5) x 0,13 x kwh = MWh 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (7900 kpl) 7900 x (0,13 x 17461) kwh = MWh 10 % vesikiertoisista rivitaloista (145 x 5) 145 x 5 x (0,13 x kwh) = 1267 MWh Sähköä säästyy yhteensä: MWh (noin 1,4 % verrattuna 8000 GWh ) Poistoilmalämpöpumpun ja muun lämmönoton vaikutus Sähköenergian päästöt pienenevät: ( ) MWh x 140 kgco2/mwh = kgco2 Muutos CO2-päästöihin: - 2 % Päästöjen pienennystä verrataan vuoden 2006 päästökaupan ulkopuolisten alojen lämmityspäästöihin 3000 miljoonaa kgco2

33 Sähköautot Käytetään esimerkkilaskussa Mitsubishin MiEV mallia, jonka sähkönkulutus on noin 16 kwh/ 100 km. Pelkällä sähköllä kulkeva Mitsubishi kuluttaa vuoden liikennesuoritteen (17700 km) aikana noin 2832 kwh. Sähkön päästökertoimen ollessa 140 gco 2 / kwh päästöjä syntyy noin 396 kgco 2 liikennesuoritetta kohti. Polttomoottorille päästöjä syntyisi liikennesuoritetta kohti noin 2301 kgco2, kun käytetään kertoimena EU:n henkilöautoille haluamaa päästötavoitetta 130gCO2/km. Henkilöautoja on noin 2,7 miljoonan rekisterissä. Sähköautojen sähkön kulutus per vuosi olisi kpl x 2832 kwh = 283 GWh kasvua kasvua 3,5 % verrattuna 8000 GWh Säästö hiilidioksidissa x (2301 kgco kgco 2 ) = kgco 2 Muutos CO2 päästöihin: 6 %

34 Sähköautojen, perusskenaarion ja lämmön talteenoton yhteisvaikutus Poistoilmalämpöpumput 365 GWh, Lämmöntalteenotto 110 GWh ja sähköautot +283 GWh. Yhteisvaikutus on 192 GWh Kun vielä otetaan perusskenaario 685 GWh Säästöä 11 % verrattuna 8000 GWh Päästöjen pienennys: kgco kgco kgco2 Säästöä CO2 päästöihin: 32 %

35 Laskentakaavat sähköenergian säästöön Tekijä Merkki Kerroin tyyppi Lamppujen vaihto Lv 0,1534 p.u. Termostaatti Te 0,1470 p.u. Lämpötilanlasku Tlasku 0,0343 p.u. Stand-by Stby 0,0462 * t kwh Maalämpöpumppu Lpm 0,3722 p.u. Ilmalämpöpumppu Lpo 0,2011 p.u. Lämmöntalteenotto LTO 0,136 p.u. Hyötykerroin hukkalämmölle Hyö 0,5 p.u. Kotitaloussähkö Ks kwh Lämmityssähkö Ls kwh Sähköenergiansäästöei sähkölämmitteisessä talossa kwh: Sähköenergian säästöpotentiaali = Lv x Ks +Stby Se mistä sähköenergiasta (lämmitys, kotitalous) säästö lasketaan riippui tutkimuksessa käytetystämenetelmästä.

36 Sähkölämmitteisessä talossa saatava sähköenergiansäästöpotentiaali kwh: (kaavassa on yhdistetty muut säästötoimenpiteet ja lämpöpumput) Muu kuin lämmitysjärjestelmä: MUU = (Te+Tlasku )Ls + (Lv x Ks +Stby) Lämmöntalteenotto: LTO = Lt x { [Ls (Te+Tlasku) Ls+ Hyö x (Lv x Ks +Stby) ] + [Ks - (Lv x Ks +Stby)] } Säästö lämpöpumpulla: LÄM = Lp x [Ls (Te+Tlasku )Ls+ Hyö x (Lv x Ks +Stby)-LTO] Kokonaissäästö: SÄÄSTÖ= MUU +LTO + LÄM Tehdäksemme esitystä selvemmäksi merkitään termit seuraavasti: LÄM_säästö=(Te+Tlasku )Ls, ja KTsäästö= Lv x Ks +Stby. Nyt sähköenergiansäästö voitaisiin merkitä muotoon: MUU= LÄM_säästö + KT_säästö LTO=Lt x [(Ls Läm_säästö + Hyö x KT_säästö)+ (Ks KT_säästö)] LÄM= Lp x [(Ls Läm_säästö) + Hyö x KT_säästö LTO]