Kotkan kantasataman uusiutuvan energian hyödyntämisen selvitys aurinkosähkön käytöstä jäähdytykseen. Uusiutuvan energian kuntakatselmus - Kotka

Transkriptio

1 Kotkan kantasataman uusiutuvan energian hyödyntämisen selvitys aurinkosähkön käytöstä jäähdytykseen Uusiutuvan energian kuntakatselmus - Kotka KYAMK Hannu Sarvelainen VTT Mari Sepponen, Kari Sipilä 12/21 Julkinen versio Kymenlaakson VTT ammattikorkeakoulu ja Kymenlaakson ammattikorkeakoulu /

2 Taustat: Kantasatamassa aurinkoenergian hyödyntäminen jäähdytykseen (sis. hukkalämmön hyödyntämisen) Kotkan Kantasataman kaava valmisteilla keskeisin Kotkan uusi alue lähitulevaisuudessa, alue reilut 2 ha, rakentamisen määrä n. 1 kem2. Tutkittava idea: aurinkosähkön hyödyntäminen jäähdytykseen kiinteistöissä. Energiayhtiö omistaisi lämpöpumput sekä tuottaisi lämmitys- ja jäähdytyspalvelut (Kotkan Energia Oy) Jäähdytyksessä hyödynnettäisiin mahdollisimman paljon aurinkosähköä Jäähdytys kiinteistökohtaisesti ja tuotettu lämpö hyödynnettäisiin paikallisesti/alueella Kysymyksiä: Konseptien vaatimat tekniset laitteet (kylmävesivaraaja) Kaukolämpöverkko matala / normaali lämpötilaa Sopiiko aurinkosähkö jäähdytykseen? Saako jäähdytyksestä saatavan ylilämmön hyödynnettyä järkevästi? Mitä muutoksia järjestelmä vaatii normaaliin kaukolämpöverkkoon verrattuna? = Onko konsepti järkevä? Millaisia ratkaisuja voidaan suositella alueelle?

3 Lähtötiedot ja oletukset Rakennusten energiatiedot tarkastellaan kuukausitasolla Rakennuksien lämpö- ja jäähdytysenergiantarpeet arvioitu Rakennuksiin sijoitettavien aurinkopaneelien tuottopotentiaali arvioitu Lämpöpumpputekniikan avulla mahdollista tuottaa 6 C kaukolämpöä lämpökertoimella (jäähdytyksen kylmäkerroin 3) Kylmäaine: R1A

4 Lähtötiedot ja oletukset Lämmitystarveluvut Kotkassa arvioitu Helsingin ja Lappeenrannan vertailukauden lämmitystarvelukujen [ Cd] perusteella Helsinki Lappeenranta Kotka tammikuu helmikuu , maaliskuu , huhtikuu toukokuu kesäkuu , heinäkuu 1 3 elokuu syyskuu , lokakuu marraskuu 6 6 joulukuu YHTEENSÄ

5 Rakennusten lähtötiedot: 21 (rakennuslupien haku) 212 Nykyiset rakentamismääräykset Ulkoseinä U.17 Katto U.9 Alapohja ulkoilmaa vasten U.9 Ryömintätilainen alapohja U.17 maanvastainen alapohja U.16 Ikkunat U 1 Ovi U 1 Tiiveys n q = 2 IV LTO % Vastaa 21 tasoa

6 Lähtötiedot ja oletukset Jäähdytystarve arvioitu jäähdytyskaudelle toukokuu syyskuu (verrattu VTT:n IDA ICE:lla tehtyihin rakennusten energiasimulointeihin) Aurinkosähköpotentiaali arvioitu auringon vuotuisen säteilyjakauman perusteella Kantasataman tasolla (lähde: PVGIS, JRC). Kattopinta-alasta % käytetään aurinkopaneeleihin Jäähdytysenergian jakauma vuoden aikana Aurinkosähkön jakauma vuoden aikana tammikuu % 1,72 % helmikuu %,8 % maaliskuu % 8,73% huhtikuu % 13,18 % toukokuu 1 % 16,69 % kesäkuu 2 % 1,1 % heinäkuu 3 % 1,9 % elokuu 2 % 11, % syyskuu 1 % 6,8 % lokakuu %,2 % marraskuu % 1,3 % joulukuu %,9 % 1 % 1 % YHTEENSÄ

7 Yhteenveto rakennuksien tiedoista, energiankulutukset vuositasolla Rakennus + valmistuminen kerrosala kattoala kerroskorkeus tilavuus lämmitys yht LKV jäähdytys aurinkosähkö Outlet , 119,2 162, 99,2 Rantapromenadi , , 8, 116,1 7,9 Kerrostalo ,1 27, 17,, Hotelli ,3 36,3 288, 39,1 Kasino ,6 2, 169,3 6, Marina-rakennus ,2 6,9,9 12, Museo , 3, 229, 62,2 Outlet , 119,2 162, 99,2 Rantapromenadi , , 8, 116,1 7,9 Kerrostalo , 38,6 168,,3 Hotelli , 21,6 3,6 7,6 Laivaterminaali ,6 8,1, 1,7 Elokuvateatteri , 28, 189, 1,3 Big box , 2,7 39,2 213, Kerrostalo ,3 38,7 189,8 6,8 m2 m2 m m3 Rakennusten kerrosalat ja korkeudet arvioitu selvityksen alkuhetkellä käytössä olleesta suunnitelmasta (marraskuun alku 21). Nämä poikkeavat vähän kaavaluonnoksesta VTT:n asiantuntija-arvion mukaan muutokset eivät muuta olennaisesti energiaratkaisun toimivuutta.

8 Energian kulutus- ja tuotantotiedot rakennusvaiheiden valmistumisen jälkeen Tilanne Vuoden 217 jälkeen Vuoden 221 jälkeen Vuoden 22 jälkeen lämmitys yht LKV jäähdytys aurinkosähkö

9 Lauhdelämmön hyödyntäminen Alueella ei ole riittävästi lämpimän käyttöveden (LKV) kuormaa koko lauhdelämmön hyödyntämiseen, mutta ylimääräinen lauhdelämpö voitaisiin siirtää kaukolämmön paluuveteen Lämpötilataso [ C] Lämpöpumpun teoreettisen tarkastelun mukaan lauhduttimella voitaisiin lämmittää 1 C käyttövettä 6 C lämpötilaan. 7 R1A jäähtyminen (1, kg) 6 3 Veden lämmitys (,93 kg) Siirtyvä energia R1A-kiloa kohti [kj/kg]

10 Lauhdelämmön käyttö ja ylimäärä koko alueella yhteensä vuonna 22 Lauhdelämpöenergia vuositasolla Läuhdelämpöenergia [] Ylimäärä 1 Käytettävyys Kaukolämmön verkostohäviöitä ei ole huomioitu, perustuu rakennusten tarpeeseen. (pääosa lämmön käytöstä lämmintä käyttövettä, touko- ja syyskuussa myös lämmitystä)

11 Lauhdelämmön ylimäärä jäähdytyskaudella eri rakennuksissa rakennus toukokuu kesäkuu heinäkuu elokuu syyskuu 136,6 23, 636,9 21, 138, Rantapromenadi 217 9,8 37,,6 37, 9,9 Kerrostalo 217, 2, 36,1 2,2, Hotelli 217, 62,9 8,6 62,, Kasino 217 1,1 3,2 6, 3, 1, Marina-rakennus 217 2,7 1, 17,7 1, 2,8 Museo ,6 72, 88, 71,7 1, Outlet ,6 23, 636,9 21, 138, Rantapromenadi 221 9,8 37,,6 37, 9,9 Kerrostalo 221, 29,1 1,3 28,8, Hotelli 221, 76, 1,2 7,, Laivaterminaali 221 3,2 17, 2,9 16,9 3,3 Elokuvateatteri ,2 9, 73, 9,2 11,6 Big box 22 29, 112,7 137,3 112, 29,9 Kerrostalo 22, 32,9 6,6 32,6, Outlet 217

12 Lauhdelämmön ylimäärä rakennusvaiheiden valmistumisen jälkeen Tilanne Vuoden 217 jälkeen Vuoden 221 jälkeen Vuoden 22 jälkeen toukokuu kesäkuu heinäkuu elokuu syyskuu

13 Outlet 217 kuukausitason energiajakaumat (esimerkki rakennuksesta, jossa aurinkosähkö kattaa hyvin jäähdytyssähkön tarpeen) Aurinkosähköpotentiaali vuositasolla Lämmitys 1 LKV Aurinkosähköenergia [] Lämpöenergia [] Lämpöenergiantarve vuositasolla Ylimäärä 2 Käytettävyys 1 Jäähdytyssähkön tarve vuositasolla Jäähdytyssähkö yhteensä [] Lauhdelämpöenergia [] Lauhdelämpöenergia vuositasolla Aurinkosähkö Lisäsähkö Aurinkosähkö

14 Hotelli 217 kuukausitason energiajakaumat (esimerkki rakennuksesta, jossa aurinkosähköllä saadaan tuotettua vain pieni osa jäähdytyssähköstä) Aurinkosähköpotentiaali vuositasolla Lämmitys 1 LKV Aurinkosähköenergia [] Lämpöenergia [] Lämpöenergiantarve vuositasolla Aurinkosähkö Ylimäärä Käytettävyys 2 Jäähdytyssähkön tarve vuositasolla Jäähdytyssähkö yhteensä [] Lauhdelämpöenergia [] Lauhdelämpöenergia vuositasolla Lisäsähkö 1 Aurinkosähkö

15 Yhteenveto aluetason energiaratkaisusta Kattopinta = m2 % --> PV panelia Aurinkosähkö yhteensä Jäähdytystarve yht. Jäähdytykseen tarvittava sähkö Jäähdytykseen tavittava teho COP Jäähdytys huippu [h] 2 692m ,6MW 3, 1 --> --> --> --> 2 826,a,11/m2,a 2 692m2 92 jää yli 1,9MW sähköteho Kymenlaakson VTT ammattikorkeakoulu ja Kymenlaakson ammattikorkeakoulu /

16 Kaukolämpöverkon lämpötilatasojen arviointi ja ratkaisut Kantasatamassa Meno talvi/kesä lämpötila Paluulämpötila 11/8 C Pääverkko (normaali) 8/6 C Alueverkko (matalalämpötila) 7/6 C Alueverkko / C /3 C 3 C Huom! Jäähdytyskone(1 + aurinkosähkö kytkentä meno paluu + meno + paluu ++ meno ++ paluu ++ COP 3 Lämpöpumppu talvella(2 (+ aurinkosähkö) kytkentä Meno paluu + Meno ++ Paluu + Meno +++ Paluu ++ COP + pros - cons (1 JäähdytysKone; jäähdyttää kesällä; aurinkosähkö, tarvittaessa verkkosähkö (2 LämpöPumppu; talvella; aurinkosähkö esisijaisesti rakennuksissa + KL

17 Hannu/Kari: todellisen lämpökertoimen arvio Lämpötilan vaikutus teoreettiseen Carnot hyötysuhteeseen (max. COP) n Thn/(Tln-Thn) hn-hn+1/hn h1-hn/h1 [%] [%] -6,7-38, -32, -27,6-67, -77,6-83,8-7,8-38,8-32, -28, -68,1-78, -8, -39, -33,1-28, -9, -71, -,3-33,6-28,8-6, -71,8 Höyrystin [ C] Lauhde [ C] hcarnot max COP ,3, 3,1 2,1 1, 1,, 3, 2,3 1,6 11,9 6,1 3,7 2, 1,8 13, 6,7, 2,7 1,9

18 Laajamittaisen aurinkosähkötuotannon maksimaalinen kiinteistökohtainen hyödyntäminen - yhteenveto mahdollisesta konseptista Laskenta: Rakennusten energiankulutus mallinnettu 21-tasolla (vastaa nykyistä rakennustasoa) Konsepti, joka voisi olla mahdollinen Aluekaukolämpöverkko alennetulla lämpötilatasolla (7/6 C), lämmönsiirtimellä erotettuna pääverkosta Jäähdytyksessä käytetään kiinteistökohtaisia kompressoreja, joihin liitetään kiinteistökohtaisesti aurinkopaneeleja sähkönsyöttöön. Tässä ylilämpö + muu alueen hukkalämpö lauhdutetaan kaukolämmön paluuveteen, joka hyödynnetään mahdollisimman paljolti alueella Lämmityskaudella kone toimii lämpöpumppuna aurinkosähköllä rakennuksessa; kaukolämmön paluulämmöllä + prim. kaukolämpö. Rakennuksen lämpöylijäämä siirretään kaukolämpöverkkoon paluupuolelle Lämpö siirretään alueelta pääverkkoon, jos lämpötilataso paikallisverkossa nousee yli jakelulämpötilan 7 C (tarvittaessa lämpöpumpun avulla) Aurinkosähkön ylijäämä käytetään ensisijaisesti rakennuksessa, toissijaisesti syötetään sähköverkkoon

19 LIITE 1: Laskentatuloksia, koko alue /vuosi /vuosi /vuosi Lämmitysenergian kulutus yht Lämpimän käyttöveden lämmitys (LKV) yht /vuosi /vuosi /vuosi Ylimääräinen lauhdelämpö (ei hyödynnettävissä alueella) 932 /vuosi Lisäsähkön kokonaistarve jäähdytykseen aurinkosähkön lisäksi 31 /vuosi Lämmitys joulu LKV elo syys loka marras joulu marras loka syys elo heinä kesä touko huhti maalis helmi tammi Aurinkosähkö maalis huhti touko kesä heinä Lämpöenergiantarve vuositasolla tammi helmi Aurinkosähköpotentiaali vuositasolla Lämpöenergia [] Aurinkosähköenergia [] Tuotettu aurinkosähkö yht Jäähdytysenergian kulutus yht Jäähdytykseen tarvittava sähkö yht (COP 3,)