Sähkölämmitys ja lämpöpumput sähkönkäyttäjinä ja päästöjen aiheuttajina Suomessa

Transkriptio

1 TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Rakentamistalouden laitos. Raportti 2005:2 Institute of Construction Economics. Report 2005:2 Juhani Heljo, Hannele Laine Sähkölämmitys ja lämpöpumput sähkönkäyttäjinä ja päästöjen aiheuttajina Suomessa Näkökulma ja malli sähkönkäytön aiheuttamien CO 2 -ekv päästöjen arviointia varten Tampere 2005

2

3 1 Tampereen teknillinen yliopisto. Rakentamistalouden laitos. Raportti 2005:2 Tampere University of Technology. Institute of Construction Economics. Report 2005:2 Juhani Heljo & Hannele Laine Sähkölämmitys ja lämpöpumput sähkönkäyttäjinä ja päästöjen aiheuttajina Suomessa Näkökulma ja malli sähkönkäytön aiheuttamien CO2-ekv päästöjen arviointia varten Tampereen teknillinen yliopisto. Rakentamistalouden laitos Tampere 2005

4 ISBN ISSN

5 3 Esipuhe Tässä raportissa kuvataan sähkölämmitystä ja erilaisia lämpöpumppulämmityksiä sähkönkäyttäjinä Suomessa. Lisäksi on tarkasteltu lämmityssähkön vaikutuksia sähköntuotantoon ja päästöihin. Vaikutuksia voidaan tarkastella useilla eri periaatteilla, jotka johtavat erilaisiin lopputuloksiin. Tässä raportissa on esitetty uusi periaatteellinen tarkastelutapa, joka asettuu marginaalitarkastelun ja keskimääräistarkastelun väliin. Taustalla on tavoite ymmärtää paremmin, miten mm. sähkölämmitystapojen muutokset ja erilaiset sähkönsäästötoimet vaikuttavat sähköntuotannossa. Tästä on apua jos pyritään laittamaan energiansäästötoimia ja lämmitystapoja paremmuusjärjestykseen eri ominaisuuksien suhteen. Kovin tarkkaan tarkasteluun ei tässä raportissa ole pyritty. Se ei käytännössä ole edes mahdollista sähkönkulutuksen ja sähköntuotannon monimutkaisuuden ja pohjoismaisten sähkömarkkinoiden aiheuttaman jatkuvan sähkön hintavaihtelun aiheuttaman tuotantorakenteen elämisen johdosta. Tavoitteena on kuitenkin tuoda lisää ymmärrystä tähän vaikeaan asiaan ja auttaa päätöksentekijöitä näkemään erilaisten sähkönkäyttötapojen todennäköiset vaikutukset. Tutkimus on osa Ympäristöklusterin tutkimusohjelman ohjelmakauden projektia Rakennuskannan ekotehokkaampi energiankäyttö (EKOREM). Yksi tutkimuksen tavoitteista on edesauttaa sitä, että kauppa- ja teollisuusministeriöllä ja ympäristöministeriöllä olisi parempi yhteinen näkemys erilaisten lämmitystapojen ja energiansäästötoimien energiankäyttö- ja päästövaikutuksista. Tutkimuksen on rahoittanut kauppa- ja teollisuusministeriö osana EKO- REM-projektia. Yhteyshenkilönä ministeriössä on toiminut ylitarkastaja Pentti Puhakka. Ohjausryhmänä on toiminut EKOREM projektin ohjausryhmä. Tutkimus on tehty Tampereen teknillisessä yliopistossa Rakentamistalouden laitoksella. Vastuullisena tutkijana on toiminut dipl.ins. Juhani Heljo ja tutkijana dipl.ins. Hannele Laine. Tekijät vastaavat sisällöstä. Tampereella marraskuussa 2005 Juhani Heljo

6 4 Tiivistelmä Raportissa tarkastellaan sähkölämmitystä ja lämpöpumppuja sähkönkäyttäjinä ja päästöjen aiheuttajina Suomessa. Raportin yksi tärkeä tavoite on esittää näkökulma ja malli sähkönkäytön aiheuttamien CO 2 -ekv päästöjen arviointia varten. Aiemmin rikki- ja typpipäästöjen ja nyt ensisijassa kasvihuonekaasupäästöjen takia on monissa selvityksissä pyritty arvioimaan sähkölämmityksen vaikutuksia päästöihin. Yhtä oikeata tapaa tehdä arvioita ei kuitenkaan ole. Aiemmin tarkastelut ovat olleet pääasiassa marginaaliperusteisia tarkasteluja tai keskimääräistarkasteluja. Kumpikaan näistä ei kuitenkaan anna oikeaa kuvaa sähkölämmityksen vaikutuksista päästöihin pidemmällä aikajänteellä. Suomen sähköntuotannon erityispiirteenä on yhteistuotannon suuri osuus, millä on oleellinen vaikutus mm. sähkölämmityksen aiheuttamiin päästöihin. Marginaalitarkastelulla voidaan arvioida lyhyellä aikajänteellä tapahtuvia suhteellisen pieniä muutoksia kuten säästötoimien vaikutuksia päästöihin. Pidemmällä aikajänteellä, kuten esim. lämmitysjärjestelmän koko käyttöaikana se todennäköisesti yliarvioi lämmityssähkön käytön aiheuttamia päästömuutoksia. Keskimääräistarkastelulla voidaan tarkastella keskimääräisen sähkönkäytön vaikutuksia päästöihin. Se ei kuitenkaan anna oikeata arviota lämmityssähkön vaikutuksista, koska lämmityssähkön käyttö poikkeaa voimakkaasti muusta sähkönkäytöstä. Keskimääräisen päästökertoimen käyttö näyttäisi aliarvioivan lämmityssähkön päästövaikutusten määrää. Motiva Oy:n teettämässä vuoden 2004 ohjeessa sähkön keskimääräinen hiilidioksidipäästökerroin on 200 kg CO 2 /MWh. Aiemmin tehdyssä energiakatselmusten vaikutusarviointiohjeessa vuodelta 2003 marginaaliperusteinen kerroin on 700 kg CO 2 /MWh. Kaukolämmön keskimääräinen päästökerroin Motivan vuoden 2004 ohjeessa on kg CO 2 /MWh. Kasvihuonekaasukertoimet (CO 2 -ekv) ovat sähkön ja kaukolämmön osalta muutaman prosentin suurempia. Tässä raportissa on esitetty sähkönkäyttöprofiiliin (pysyvyyskäyrään) sekä sähköntuotantorakenteeseen perustuva tarkastelutapa, joka johtaa lopputulokseen, jossa lämmityssähkön päästökertoimen suuruusluokka on suurempi kuin kaukolämmöllä (n kgco2/mwh). Päästökerroin muodostuu eri sähkölämmitystavoissa hieman erilaiseksi. Jotta eri sähkölämmitystapojen vaikutuksia pystyisi arvioimaan, on eri lämmitystapojen sähkönkäyttöä tarkasteltu vuositasolla kuukausittain ja osittain tarkemminkin. Sähkönkäyttöä tarkasteltaessa on pyritty erottelemaan perustehoalueen sähkö, välitehoalueen sähkö ja huipputehoalueen sähkö. Näiden suhteet ovat eri lämmitystavoissa erilaiset. Näille eri osa-alueille on myös pyritty määrittämään omat päästökertoimet. Perussähkön osalta päästökertoimen suuruusluokka voi olla esim. n. 100, välisähkön osalta (riippuen yhteistuotannon polttoaineiden jakomenettelystä) ja huippusähkön osalta Tässä tarkastelumallissa perussähkön kertoimen suuruus voidaan määrittää esim. kesäajan sähköntuotannon päästöistä. Välisähkön kertoimeksi on valittu kaukolämmön yhteistuotannossa tuotetun sähkön päästökerroin ja huippusähkön kerroin on hiililauhdesähkön päästökerroin. Edellä mainitut kolme kulutusosuutta muodostuvat erilaisissa lämmitystavoissa erilaisiksi. Esimerkiksi täydelle teholle mitoitetussa maalämpöpumppulämmityksessä jää huippuosuus vähäisemmäksi kuin osateholle mitoitetussa maalämpöpumppulämmityksessä. Osateholämpöpumppulämmityksen päästökerroin on siten hieman suurempi kuin täysteholle mitoitetun järjestelmän päästökerroin. Menettelyllä on määritettävissä päästökertoimet erikseen eri sähkölämmitystavoille, erilaisille lämpöpumppulämmitystavoille ja erilaisille sähkönsäästötoimenpiteille. Näin saadaan yksi kriteeri, jolla voidaan laittaa erilaiset toimenpiteet CO 2 -päästöjen vähentämisessä tehokkuusjärjestykseen. Tar-

7 5 vetta olisi määrittää päästökerroin erikseen ainakin ns. taloussähkölle (kiinteistö- ja huoneistosähkö), tilojen lämmityssähkölle ja käyttöveden lämmitykselle, koska niitä tarkastellaan erikseen ja ne poikkeavat merkittävästi toisistaan päästöjen aiheuttajina. Rakennusten energiatehokkuusdirektiivin vaatimusten mukaan on laskettava erikseen myös valaistussähkö. Täten myös valaistussähkölle voitaisiin määrittää oma päästökerroin. Päästövähennyksen näkökulmasta pitäisi suosia täysteholle mitoitettuja lämpöpumppuratkaisuja. Ilmalämpöpumppu ei ole kovin tehokas päästöjen vähentäjä. Tehokkaimmat energiansäästötoimet päästöjen vähentämisen kannalta ovat mm. rakennuksen vaipan lämmöneristämiseen kohdistuvat toimet sähkölämmitystalossa ja näistä tehokkaimpana paremmat ikkunat. Lämpimän veden energiankulutuksen säästö esim. aurinkokeräimen avulla sähkölämmityksessä ei ole kovin tehokas päästöjen vähentäjä. Tehokas CO 2 -ekv päästöjen vähentäjä on myös takan käyttö pakkasilla sähkölämmitystalossa. Tehokkuudella tarkoitetaan tässä päästövähennystä energiansäästöyksikköä kohti (eli toimenpidekohtaista päästökerrointa). Tehokkaimmat päästöjen vähennystoimet vähentävät useimmiten myös tehokkaasti lämmitystehon tarvetta, mistä johtuen ne ovat usein myös taloudellisimpia toimia ja niitä siitäkin syystä kannattaa suosia. Ongelmana on kuitenkin, että päästömuutokset ja tehonkäyttömuutokset eivät useinkaan näy kuluttajien energialaskuissa ja siksi ohjaus tehokkaimpiin toimiin ei toimi käytännössä. Selvityksessä on päädytty tässä vaiheessa seuraaviin kasvihuonekaasupäästökertoimiin (kgco 2 /MWh) laskettuna rakennuksen bruttotasolla (rakennukseen hankittu energia): Puu Kevyt polttoöljy 267 Raskas polttoöljy Kaukolämpö, erillistuotanto ; keskimäärin 231 Kaukolämpö, yhteistuotanto 224 Kaukolämpö keskimäärin (yhteistuotantoa 73 %) Sähkö keskimäärin 204 Sähkön marginaalikulutus Sähkön perustehoalueen kulutus 112 Sähkön välitehoalueen kulutus 459 Sähkön huipputehoalueen kulutus Sähkölämmityksen lämmitysenergia (esimerkkiarvo) 400 Kertoimet pohjautuvat pitkälti Motiva Oy:n ohjeissa käyttämiin kertoimiin muiden kuin sähkön perus-, väli-, huippu- ja esimerkkiarvon osalta. Lämmön ja sähkön yhteistuotannon osalta on käytetty hyödynjakomenetelmää jaettaessa polttoaineet ja päästöt lämmölle ja sähkölle. Hyödynjakomenetelmässä yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon polttoaineet ja päästöt jaetaan vaihtoehtoisten hankintamuotojen polttoainekulutusten suhteessa. Menettelyä ja tuloksia on kritisoitu mm. sen takia, että yhteispohjoismaisten sähkömarkkinoiden, päästökaupan tai sähkön viennin ja tuonnin vaikutuksia ei ole tarkasteltu. Näillä ei kuitenkaan ole katsottu olevan oleellista vaikutusta tällä hetkellä tarkasteluun. Kritiikkiä on kohdistunut myös siihen, voiko välitehoalueen päästökertoimen määrittää kaukolämmön yhteistuotannon sähkön päästökertoimen mukaan ja miten kyseinen päästökerroin pitäisi määrittää.

8 6 Abstract The report deals with electric heating and heat pumps as electricity consuming devices and sources of emissions in Finland. One important goal of the report is to provide an approach and model for assessing CO 2 -eq. emissions. Earlier, sulphur and nitrogen emissions, and now primarily greenhouse gas emissions, are the reason for many surveys attempting to assess the impacts of electric heating on emissions. Yet, no single correct way of assessment exists. Earlier studies have been mainly margin- or averagebased. However, neither describe correctly the impacts of electric heating on emissions over the longer term. A special feature of Finnish electricity generation is the large share of combined heat and power production which affects essentially, for instance, the emissions from electric heating. Margin-based surveys can detect relatively small changes on emissions over the short term, such as the effects of conservation measures. Over the longer term, such as the service life of the heating system, they probably overestimate changes in emissions due to the use of heating electricity. Average-based surveys assess the impacts of average electricity consumption on emissions. However, they do not measure correctly the impacts of heating electricity since its consumption differs radically from other electricity consumption. Use of an average emission factor would seem to underestimate the emission impacts of heating electricity. The 2004 guideline prepared for Motiva Oy uses an average carbon dioxide emission factor of 200 kg CO 2 /MWh. The margin-based factor of an earlier impact assessment guideline for energy audits (2003) is 700 kg CO 2 /MWh. The average emission factor for district heat in Motiva's 2004 guideline is kg CO 2 /MWh. Greenhouse gas factors (CO 2 -eq.) for electricity and district heat are a few percent higher. This report presents an approach based on an electricity consumption profile and an electricity generation structure which leads to an end result where the emission factor for heating electricity is larger than that for district heat (about kg CO 2 /MWh). The emission factors of various electrical heating methods differ slightly. In order to be able to assess the impacts of different electric heating methods, their annual consumption has been monitored by month or an even shorter period. As concerns electricity consumption, an effort has been made to distinguish between basic, intermediate and peak power consumptions. Their shares in different heating methods vary. The aim has also been to determine individual emission factors for each. The emission factor for basic electricity may be about 100, for intermediate electricity (depending on fuel shares in combined heat and power production) and for peak electricity This way the magnitude of the basic electricity factor can be determined, for instance, on the basis of summertime production emissions. The factor selected for intermediate electricity is that of combined district heat production while the factor for peak electricity is that of conventional coal power plants. The method allows determining emission factors for different electric heating methods, different heat-pump heating methods and various electricity conservation measures. That provides a criterion for ranking various measures based on their effectiveness in reducing CO 2 -eq. emissions. From the viewpoint of emission reduction, heat-pump solutions dimensioned for the full required power should be favoured. The air-to-air heat pump is not very effective in reducing emissions. The most effective energy conserving measures related to emission reduction include measures that improve thermal insulation of the envelope, better windows topping the list. Conservation of the energy used to heat water, for example, by using a solar collector in the electric heating system is not very effective in reducing emissions. Using the fireplace during subzero weather in an electrically heated house reduces CO 2 -eq. emission effectively. Here, effectiveness refers to reduction of emissions per energy conservation unit (measure-specific emission factor).

9 7 The most effective emission reduction measures generally also cut the need of heating power which is why they are often also the most economical measures and should thus be favoured. The problem is, however, that changes in emissions and power consumption seldom affect consumers' energy bills, which is why they do not heed the advice to introduce more effective measures. The survey came up with the following preliminary greenhouse gas emission factors (kg CO 2 -eq. /MWh) for the entire building (energy supplied to building): Wood Light fuel oil 267 Heavy fuel oil District heat, separate prod ; average 231 District heat, combined production 224 District heat, average (73% combined prod.) Electricity on average 204 Marginal electricity consumption Basic electricity consumption 112 Intermediate electricity consumption 459 Peak electricity consumption Heating energy of electrical heating (example value) 400 The factors are largely based on those of the Motiva Oy guidelines except for the basic, intermediate, peak and example values for electricity. In the case of combined heat and power production, the benefit allocation method is applied where the fuels and emissions of production are allocated in proportion to fuel consumptions of alternate procurement methods. The method and yielded results have been criticised, for instance, because the effects of the joint Nordic electricity market, emissions trading, and export and import of electricity have not been considered. The reason is that they were not deemed to have a major effect on the results at this point. The greatest uncertainty lies in whether the intermediate consumption emission factor can be determined on the basis of the emission factor for the electricity generation component in combined heat and power plants of district heating and how to determine it.

10 8 Sisällysluettelo ESIPUHE...3 TIIVISTELMÄ...4 ABSTRACT...6 SISÄLLYSLUETTELO SÄHKÖN TUOTANTO JA LÄMMITYSSÄHKÖN KÄYTTÖ Sähkölämmityksen merkitys sähköntuotannossa Lämmityssähkön tuottaminen LÄMPÖPUMPPULÄMMITYS Maalämpöpumppu Poistoilmalämpöpumppu Ilmalämpöpumppu Split-lämpöpumppu LÄMPÖPUMPPUJEN ENERGIATALOUS Lämpöpumppulämmitys ja suoran sähkölämmityksen vertailu kuormitusmittausten pohjalta Lämpöpumppujen energiankulutus tyyppitalossa Tyyppitalon kuvaus Maalämpöpumppu Maalämpöpumppu, mitoitus 60% teholle Maalämpöpumppu, mitoitus 100 % teholle Poistoilmalämpöpumppu (PILP) Poistoilmanvaihto 0,2 1/h Poistoilmanvaihto 0,5 1/h Ilmalämpöpumppu Eri lämpöpumpputyyppien sähkönkulutusvertailu Pakkashuippujen vaikutus lämpöpumppulämmitteisten omakotitalojen sähkönkulutukseen RAKENNUSTEN LÄMMITYKSEN VAIKUTUKSET CO 2 PÄÄSTÖIHIN ENERGIANTUOTANTOTAVOITTAIN CO 2 päästöjen määrittäminen eri energiantuotantotavoissa Kuormitukseen perustuva sähkölämmityksen päästöjen määrittäminen Sähkönkulutus ja kulutuksen jakautuminen Oulun säätiedoilla PÄÄSTÖKERTOIMET ERI LÄMMITYSTAVOILLA HERKKYYSTARKASTELU JA KRITIIKKI...57 KIRJALLISUUS...60

11 9 1. Sähkön tuotanto ja lämmityssähkön käyttö 1.1. Sähkölämmityksen merkitys sähköntuotannossa Oheisissa kuvissa on pyritty hahmottamaan sähkölämmityksen osuutta ja merkitystä Suomen sähköntuotannossa. Usein kiistellään siitä, millä tuotantomuodoilla tuotettua sähköä sähkölämmittäjä käyttää. Tähän ei ole selkeätä vastausta, mutta oheisten kuvien perusteella voi päätellä, että löytyy hyvät perustelut ajatella lämmityssähkön tuotettavan pitkälti yhteistuotantolaitoksissa. Ydinvoiman voisi ajatella hoitavan pitkälti teollisuuden ja muunkin toiminnan tasaisena pysyvän sähköntarpeen. Vesivoima toimii pitkälti myös perusvoimana ja lisäksi säätövoimana hoitamassa esim. sähkönkäytön vuorokausivaihtelua. Lauhdevoimaa tarvitaan mm. tasaamaan tuontivaihteluita, hoitamaan sähkön huipputuotantoa kovilla pakkasilla ja lisäksi lauhdevoimalaitokset toimivat varavoimalaitoksina (kuvat 1.1 ja 1.2). Lauhdevoimalla tuotettua sähköä voidaan myös viedä esim. Pohjoismaihin vähäsateisina vuosina. Sähkön tuotanto Suomessa 2002 (Huipputeho lähes 12 GW) GWh/kk tammikuu helmikuu maaliskuu huhtikuu toukokuu kesäkuu heinäkuu elokuu syyskuu lokakuu marraskuu joulukuu Tuonti Lauhdutus Yhteistuotanto Vesi- ja tuulivoima Ydinvoima Kuva 1.1 Sähkön tuotanto Suomessa vuonna Tammikuussa sähkölämmitystalojen lämmityssähkön käyttö oli arviolta n GWh eli n. 18 % sähkönkulutuksesta. Sähkölämmitystalojen lisäksi sähkölisälämmittimillä lämmitetään muita taloja ja autoja merkittävissä määrin. Tuotannon huipputeho oli lähes 12 GW. Sähkölämmitystalojen sähkölämmityksen tehontarve oletetulla 30 asteen pakkasella olisi ollut lähes 4 GW. Sähkölämmityksen teho-osuus sähköntuotannossa on siten selvästi suurempi kuin energiaosuus. Kuvasta näkyy selvästi, miten ydin- ja vesivoima hoitavat perustehon. Yhteistuotantoa on sitä enemmän, mitä kylmempää on (ks. kuva 1.2). Lauhdevoima lisääntyy myös ilmojen kylmetessä. Lauhdevoiman käyttö vaihtelee kuitenkin paljon, koska sillä tasataan mm. vesivoiman ja tuonnin vaihteluja.

12 10 Sähkön tuotanto Suomessa tuotantomuodoittain GWh Astepäiväluku (3*) Ydinvoima Vesi- ja tuulivoima Yhteistuotanto Lauhdutus Tuonti tammikuu helmikuu maaliskuu huhtikuu toukokuu kesäkuu heinäkuu elokuu syyskuu lokakuu marraskuu joulukuu Kuva 1.2 Lämmön ja sähkön yhteistuotannolla on merkittävä rooli Suomen sähköntuotannossa. Yhteistuotanto seuraa melko tarkasti lämmityksen tarvetta, koska sähköä ja lämpöä tuotetaan lähes vakiosuhteella. Poikkeuksen tekee kovemmat pakkaskaudet, jolloin yhteistuotanto on jo täysin käytössä ja lämmöntuotannossa otetaan huippulaitokset käyttöön. Tämä näkyy kun verrataan kuvassa astepäiväluvun kehitystä marras-joulukuussa yhteistuotantoon. Astepäiväluvun skaalaus on sovitettu kuvaan kertomalla astepäiväluku kolmella. Ilmastosopimuksen päästövähennystavoitteiden takia on tärkeätä pyrkiä arvioimaan, minkälaisia päästövaikutuksia erilaisilla toimenpiteillä aiheutetaan. Siksi on tärkeätä arvioida, mitä todellisuudessa tapahtuu kun esim. sähkölämmitys yleistyy tai sähkönkäyttöä lämmityksessä lisätään tai vähennetään. Lyhyellä tähtäimellä voi johtopäätöksiä tehdä melko pitkälle, mutta pidemmällä tähtäimellä energiatuotantorakenteen muuttuessa arvioiden tekeminen on hankalampaa. Usein tarkastelujen yhteydessä puhutaan marginaalisähköstä ja keskimääräisestä sähköstä. Rakennusten lämmityssähkö sisältää molempia. Lämmin käyttövesi aiheuttaa melko tasaisen kuormituksen ympäri vuoden. Tämän osuuden voi ajatella oleva lähellä sitä keskimääräistä sähköä. Ilmanvaihdon ja tilojen lämmitys riippuu ulkolämpötilasta ja suuren osan tähän tarvittavasta sähköstä voidaan ajatella tuotettavan suomessa yhteistuotannossa. Yli 5 asteen pakkasilla tarvitaan lisäksi mm. lauhdevoimalaitoksia tuottamaan tarvittavaa lisäsähköä. Kaukolämmön ja sähkönkäytön vaikutuksia päästöihin ei pysty yksikäsitteisesti määrittämään. Molemmille voidaan määrittää ns. peruskerroin ja ns. marginaalikerroin. Kaukolämmön osalta ei ole vielä eroteltu peruskerrointa ja marginaalikerrointa, koska ero on melko pieni. Sähkölämmityksen osalta voidaan keskimääräisenä kertoimena käyttää esim. kerrointa noin 200 kgco 2 -ekv/mwh ja marginaalikertoimena noin 700 kgco 2 -ekv/mwh. Suurimmat ongelmat päästökertoimia arvioitaessa tulevat siitä, että kaukolämmön ja sähkön yhteistuotannossa (CHP) ei ole saatu sovittua yhteisesti hyväksyttyä tapaa jakaa päästöjä sähkön ja lämmön osalle. Kaukolämmön käyttö vaikuttaa melko suoraan kaukolämmön (CHP) sähköntuotantoon ja esim. vähentynyt sähköntuotanto

13 11 kaukolämmön yhteydessä joudutaan korvaamaan muulla tuotannolla, joka voi usein olla hiililauhdetuotantoa. Tämän takia joissakin rajallisissa tapauksissa voi esimerikiksi kaukolämmön 100 yksikön säästö aiheuttaa energiantuotannossa polttoaineen bruttotasolla vain 50 yksikön säästön. Käytännössä säästö on suurempi. Todellisuutta on kuitenkin melko vaikea arvioida. Taloudellisena tavoitteena sähköhuollossa on mahdollisimman tasainen sähkönkäyttö. Lisääntyvä sähkölämmitys aiheuttaa kuitenkin jatkuvasti kasvavan huipputehon tarpeen kovilla pakkasilla. Yleistyvä lämpöpumppulämmitys ei välttämättä tuo tähän kovin paljon helpotusta, jos lämpöpumput on mitoitettu osateholle. Näyttää siltä, että lämpöpumput korvaavat ainakin lyhyellä tähtäimellä pitkälti esimerkiksi öljylämmitystä eikä sähkölämmitystä (Kuva 1.3). Lisäksi osateholle mitoitetut lämpöpumppulämmitykset terävöittävät sähkön tehontarvehuippua. 100 %-m Uusien omakotitalojen lämmönlähdevalinnat (pääasiallinen polttoaine) Maalämpö Sähkö Muu, ei lämmitystä Maalämpö Sähkö Kaukolämpö Öljy Kiinteä 20 0 Kaukolämpö Öljy Kiinteä Lähde: Tilastokeskus, Väestörekisterikeskus, ennuste: Heljo, Nippala Kuva 1.3 Kuvan perusteella näyttää siltä, että maalämpöpumput ovat korvanneet pääasiassa öljylämmitystä ja ehkä myös puulämmitystä. Pelkästään kuvan perusteella ei kuitenkaan voi tehdä kovin pitkälle meneviä johtopäätöksiä. Huolestuttavaa on, että kova pakkasjakso (esim. viikon kestävä -35 asteen pakkanen) voi aiheuttaa ongelmia sähköhuollossa tulevaisuudessa? Ongelmaa lisää se, että kovilla pakkasilla otetaan kaikissa rakennuksissa käyttöön sähköllä toimivia lisälämmittimiä. Kovan pakkasjakson aikana toistakymmentä vuotta sitten arvioitiin lisälämmittimien aiheuttaneen 600 MW lisätehon tarpeen. Tulevaisuudessa se on todennäköisesti vielä selvästi suurempi? Ilmaston lämpenemisen takia on jossain ehdotettu rakennusten mitoitustehon alentamista. Jos näin tehtäisiin,

14 12 niin esim. kaukolämmössä lisälämmittimien käyttö kovimmilla pakkasilla lisääntyisi. Sähkölämmityksen tehontarpeen suuruusluokka karkeiden laskelmien perusteella vuonna 2025 voi olla -35 asteen pakkasessa lähelle 6 GW. Lisälämmittimien kanssa tehontarve voi olla 7 GW. Se on huomattava tehontarve kun vertaa nykyiseen 12 GW toteutuneeseen huipputehoon sähköntuotannossa. Lämpöpumppujen määrä Suomessa on vielä melko vähäinen ja nykyisellä kasvuvauhdilla niiden osuus lämmityssähkön kuluttajina on vuonna 2025 arviolta alle 20 %. Osateholle mitoitetut lämpöpumput aiheuttavat terävän sähköntarvepiikin kovilla pakkasilla. Piikin suuruusluokka vuonna 2025 voisi tehdyillä oletuksilla olla n. 0,1 GW. Tämä riippuu paljon siitä, minkä tyyppisiä lämpöpumppuja valitaan. Lämpöpumput vähentävät sähkönkäyttöä tavalliseen sähkölämmitykseen verrattuna, mutta rakennuskantatasolla vaikutus riippuu oleellisesti siitä, mitä lämmitystapoja ne tulevat korvaamaan. Tällä hetkellä ne korvaavat uudistuotannossa usein öljylämmitystä, mutta tilanne muuttuu, jos öljylämmitys vähenee ja lämpöpumppujen suosio edelleen kasvaa. Arvailujen varassa on myös, minkä lämmitysjärjestelmän valitsevat ne, jotka tulevaisuudessa vaihtavat pois öljylämmityksestä. Vaihtoehtoina ovat mm. pellettilämmitys ja maalämpöpumppu. Kasvihuonekaasupäästöjen kannalta ei maalämpöpumppua kannattaisi suosia, jos vaihtoehtona todella olisi pellettilämmitys eikä sähkölämmitys. 1.2 Lämmityssähkön tuottaminen Sähköntuotannon eri tuotantomuotojen osallistumista lämmityssähkön tuottamiseen on arvioitu kolmella tavalla. Ensin on verrattu kuukausitason tarkastelua vuositason tarkasteluun. Seuraavaksi on verrattu lämmityssähkön käyttöä yhteistuotannon sähköntuotantoon kuukausitasolla. Viimeiseksi on vielä tarkasteltu sähkön eri tuotantomuotojen riippuvuutta lämmöntarveluvusta. Kuukausitason ja vuositason tarkastelulla ei tule kovin suurta eroa eri tuotantomuotojen osalta (kuva 1.4). Kuukausitasotarkastelu on tehty siten, että kuukausittaisia tuotantojakaumia on painotettu kuukausittaisilla lämmityssähkön käyttömäärillä. Kuukausitasotarkastelu antaa hieman tarkemman keskimääräisen arvion eri tuotantomuotojen käytöstä kuin vuositason tarkastelu. Kumpikaan tarkastelu ei kuitenkaan anna vastausta siihen, mihin tuotantomuotoihin sähkölämmitysmuutokset vaikuttavat tai millä tuotantomuodoilla voitaisiin ajatella lämmityssähkö tuotettavan.

15 13 Sähkölämmityksen käyttämät sähköntuotantomuodot v vuositasolla ja kuukausitasolla laskettuna kun oletetaan, että käyttö on tuotantomuotojen suhteessa Vuositason tarkastelu Kuukausitason tarkastelu 40 % 35 % 30 % 25 % 20 % 15 % 10 % 5 % 0 % Ydinvoima Vesi- ja tuulivoima Yhteistuotanto Lauhdutus Tuonti Kuva 1.4 Sähkölämmityksen oletetaan usein käyttävän sähköä samassa suhteessa kuin mitä sähköä tuotetaan. Oletusta käytetään, koska tarkempiakaan yleisesti hyväksyttyjä menettelyjä ei ole kehitetty. Kuvassa on verrattu vuositason jakaumaa ja kuukausittain laskettua jakaumaa. Suurta eroa ei näillä laskentatavoilla kuitenkaan synny. Kuukausitason laskenta on hieman oikeampi tarkastelutapa ja se painottaakin yhteistuotantoa enemmän kuin vuositason laskenta. Arviota sähkölämmityksestä vuonna 2002 on verrattu yhteistuotannon sähköntuotantoon. Koko yhteistuotantoa on käsitelty kuvassa 1.5 ja kaukolämmön yhteistuotantoa kuvassa 1.6. Kaukolämmön yhteistuotanto näyttää vielä riittävän kattamaan koko sähkölämmityksen sähköntarpeen. Teollisuuden yhteistuotanto, joka on kuvassa 1.5 mukana, tuottaa sähköä pitkälti teollisuuden omaan käyttöön, eikä siten oletettavasti riipu suoraan lämmitystarpeesta, muuten kuin teollisuusrakennusten lämmityksen osalta. Koska teollisuusrakennusten lämmitystä ei yleensä tarkastella rakennusten energiankäyttötarkasteluissa, on mielenkiintoisinta verrata rakennusten sähkölämmitystä kaukolämmön yhteistuotannon sähköntuotantoon. Kuvasta 1.6 voi päätellä, että Suomessa tällä hetkellä rakennusten sähkönkäyttö ja kaukolämmön yhteistuotannon sähköntuotanto ovat järkevässä suhteessa toisiinsa. Jos sähkölämmityksen määrä kasvaisi tulevaisuudessa voimakkaammin kuin kaukolämmön yhteistuotannon määrä, pitäisi lauhdetuotantoa tai muuta korvaavaa tuotantoa lisätä. Tässä esitetty tarkastelu ei tarkoita sitä, että yhteistuotannon sähkö jotenkin myytäisiin ja ohjattaisiin sähkölämmitykseen. Näinhän ei vapailla sähkömarkkinoilla tapahdu. Tarkastelu kuitenkin osoittaa, että Suomessa sähkön tuotantorakenne ja kulutusrakenne on suurelta osin sopusoinnussa keskenään ja se voi olla yksi syy edulliseen sähkön hintaan.

16 14 Yhteistuotannon sähköntuotanto ja arvio sähkölämmityksen sähkönkäytöstä v GWh/kk Yhteistuotanto Sähkölämmitys 2002 tammikuu helmikuu maaliskuu huhtikuu toukokuu kesäkuu heinäkuu elokuu syyskuu lokakuu marraskuu joulukuu Kuva 1.5 Kuvassa on verrattu sähkölämmityksen arvioitua sähkönkäyttöä yhteistuotannon sähköntuotantoon. Yksi ajatusmalli on, että yhteistuotanto tuottaa pitkälti sähkölämmityksen tarvitseman sähkön. Kuvassa 1.6 on esitetty vain kaukolämmön yhteistuotannon sähkö. Teollisuuden yhteistuotanto tuottaa sähköä ensisijaisesti teollisuuden omiin tarpeisiin. Kaukolämmön yhteistuotannon sähköntuotanto ja arvio sähkölämmityksen sähkönkäytöstä v GWh/kk KL:n yhteistuotanto Sähkölämmitys tammikuu helmikuu maaliskuu huhtikuu toukokuu elokuu syyskuu lokakuu marraskuu joulukuu Kuva 1.6 Kuvassa on verrattu sähkölämmityksen arvioitua sähkönkäyttöä kaukolämmön yhteistuotannon sähköntuotantoon. Yksi ajatusmalli on, että varsinkin kaukolämmön yhteistuotanto tuottaa pitkälti sähkölämmityksen tarvitseman sähkön. Jos sähkölämmitys kasvaisi voimakkaasti yhteistuotantoon verrattuna, aiheuttaisi se todennäköisesti esim. lauhdetuotannon lisäystä.

17 15 Sähkön eri tuotantotapojen riippuvuutta lämmöntarveluvusta (astepäiväluvusta) on tarkasteltu kuvissa 1.7 ja 1.8. Yhteistuotanto riippuu melko lineaarisesti lämmöntarveluvusta. Kovimmilla pakkasilla riippuvuutta ei ole, koska yhteistuotanto on kokonaan käytössä jo arviolta n. -5 asteen pakkasella. Pakkasrajaa ei ole tässä tutkimuksessa selvitetty tarkemmin. Ydinvoimakin riippuu hieman lämmöntarveluvusta, koska huoltoseisokit pyritään ajoittamaan kesäaikaan. Lauhdetuotanto näyttäisi myös riippuvan lämmöntarveluvusta, mutta ilmiö ei ole kovin selkeä, sillä lauhdetuotannolla hoidetaan pitkälti tuonnin vaihtelut. Sähkön tuonti on tarkasteluvuosina ollut talvella vähäisempää kuin kesällä. Tuontivaihtelut johtuvat mm. hintavaihteluista ja vesivoiman määrästä yhteispohjoismaisilla sähkömarkkinoilla. Sähkön tuotantotapojen riippuvuus astepäiväluvuista 2002 Tarkastelu on tehty kuukausitasolla Sähkön tuotanto GWh Astepäivä Kd Ydinvoima Vesi- ja tuulivoima Yhteistuotanto Lauhdutus Tuonti Lin. (Yhteistuotanto) Lin. (Ydinvoima) Lin. (Vesi- ja tuulivoima) Lin. (Lauhdutus) Lin. (Tuonti) Kuva 1.7 Kuvassa on tarkasteltu vuonna 2002 sähköntuotantomuotojen riippuvuutta astepäiväluvusta (lämmöntarveluvusta). Yhteistuotanto riippuu voimakkaasti astepäiväluvusta eli ulkolämpötilasta ja lämmitystarpeesta. Muut sähköntuotantotavat eivät riipu yhtä voimakkaasti astepäiväluvusta. Ydinvoiman tuotanto on käytännössä tasaista, mutta kesäaikaan ajoittuvat huoltoseisokit aiheuttavat kuvan lineaarisen regressiosuoran kaltevuuden. Joinakin vuosina on havaittavissa lauhdesähkön riippuvuutta astepäiväluvusta, mutta se ei ole säännönmukaista.

18 16 Sähkön tuotanto GWh Sähkön tuotantotapojen riippuvuus astepäiväluvuista 1995, 1996, 1997 sekä 1998 Tarkastelu on tehty kuukausitasolla Astepäiväluku Kd Ydinvoima Vesi- ja tuulivoima Yhteistuotanto Lauhdutus Tuonti Lin. (Ydinvoima) Lin. (Vesi- ja tuulivoima) Lin. (Yhteistuotanto) Lin. (Lauhdutus) Lin. (Tuonti) Kuva 1.8 Kuvassa on tarkasteltu sähköntuotantomuotojen riippuvuutta astepäiväluvusta (lämmöntarveluvusta) ajanjaksolla Sama ilmiö on näkyvissä kuin edellisessä kuvassakin. Kuvasta näkyy, että astepäiväluvun kohotessa yli 700 ei sähköntuotanto enää kasva, koska CHPlaitokset käyvät jo silloin täydellä teholla. Astepäiväluku 700 vastaa n. 4 asteen keskimääräistä pakkasta. Tarkastelu osoittaa, että ulkoilman kylmenemisen aiheuttama sähkönkulutuksen kasvu sähkölämmitystaloissa tuotetaan pitkälti kaukolämmön yhteistuotannossa. Uusien sähkölämmitystalojen aiheuttama sähkönkulutuksen lisäys kohdistuu kuitenkin lyhyellä tähtäimellä pitkälti lauhdetuotantoon ellei kaukolämmityksen suosio samalla kasva.

19 17 2. Lämpöpumppulämmitys Auringon lämpö on varastoitunut ympärillemme runsaasti mm. maahan, veteen ja ilmaan. Lämpöpumppu on laite, jolla tätä lämpöä saadaan siirrettyä lämmitettävään rakennukseen. Lämpöpumput hyödyntävät auringon lämmittämää ilmaa, vettä ja maata. Geotermistä lämpöä normaalit lämpöpumput eivät hyödynnä. Geotermisellä energialla on merkittävä asema toistaiseksi vain Islannissa. Poistoilmalämpöpumppu hyödyntää poistoilman lämpöä ja korvaa siten osittain ilmanvaihdon lämmöntalteenottolaitteen. Lämpöpumpun toiminta perustuu sopivan väliaineen eli kylmäaineen vuorottaiseen höyrystämiseen ja lauhduttamiseen. Höyrystimeen lämmönlähteestä otetulla lämmöllä höyrystetään kylmäaine, jolloin lämmönlähde jäähtyy. Höyry imetään kompressoriin ja puristetaan korkeampaan paineeseen. Puristuksessa höyry lämpiää. Paine ja lämpötila nousevat automaattisesti tasolle, jolla höyry pystyy lauhtumaan lauhduttimessa. /Aittomäki 1996/ Lämpöpumpun lämmönlähteinä voivat toimia - ulko- ja poistoilma - maaperä - auringon säteily - teollisuuden ja yhdyskuntien jätevedet - pohjavesi - pintavesi. Kompressori Höyrystin Lauhdutin Käyttövesi Lämmitys Vesivaraaja Lämmönottoputket Kuva 2.1. Lämpöpumppukoneiston toimintakaavio /Lämpöpumppu-opas/ Lämpöpumpun tuottaman lämmön hyödyntämisen edellytyksenä on riittävän korkea lämpötilataso. Tuotetun lämmön riittävyys riippuu sovelluskohteesta ja lämmitystavasta. Lämpöpumpun käyttö on sitä edullisempaa, mitä alempi lämmitysmuodon lämpötilataso on. Lämpöpumpulla tuotettua energiaa voidaan käyttää käyttöveden lämmittämiseen, patteri-

20 18 verkoston tai lattialämmitysverkoston kiertoveden lämmittämiseen, sisäilman lämmittämiseen tai tuloilman lämmittämiseen. Lämpöpumppujen lämpökerroin riippuu lämpöpumpputyypistä ja käyttöolosuhteista. Normaaleissa käyttöolosuhteissa lämpökerroin vaihtelee arvon 3 molemmin puoli Edullista on mahdollisimman korkea lämmönoton lämpötila ja matala käytön lämpötila. Lämpöpumpun kannalta parhaat lämmönjakotavat ovat siten lattialämmitys ja ilmalämmitys. /Lämpöpumppu-opas/ Taulukko 2.1. Eri lämmitysmuotojen lämpötilatasot. /Seppänen 2001/ Ilmalämmitys Lattialämmitys Patterilämmitys Kaukolämmitys C C C C Lämpöpumpun mitoitusperusteet Maalämpöpumppu voi toimia Suomen olosuhteissa päälämmitysmuotona. Poistoilmalämpöpumppu tarvitsee rinnakkaisen lämmitystavan lähinnä talvikauden lämmitystarpeisiin. Ilmalämpöpumpun (ilmailmalämpöpumppu) avulla voidaan säästää energiankulutuksessa lähinnä keväisin ja syksyisin. Ilmalämpöpumpun lisäksi rakennus tarvitsee toisen koko rakennuksen energian tarpeen kattavan lämmitystavan, koska alle -15 asteen pakkasella ilmalämpöpumppua ei kannata käyttää. Lämpöpumpun kustannustehokkuuden kannalta on otettava huomioon että lämpöpumppu on hankintakustannuksiltaan kallis investointi ja energiakustannuksiltaan halpa lämmitysratkaisu. Lämpöpumpun mitoitus kattamaan koko energian tarpeen ei ole yksityistaloudellisesti perusteltua. /Aittomäki 1995/. Sähköntuotannon ja päästöjen kannalta se voisi kuitenkin olla perusteltua. Lämpöpumppu on perinteisesti mitoitettu kattamaan rakennuksen vuotuinen energiatarve. Huippulämmitystehoa tarvitaan kuitenkin ainoastaan lyhyinä ajanjaksoina talvikuukausina, jolloin lämpöpumpuilla on ylikapasiteettia suurimman osan vuotta. Koska lämpöpumppu on hankintakustannuksiltaan kallis ja energiakustannuksiltaan halpa lämmitysratkaisu, ei sitä kannata mitoittaa suurimmalle lämmöntarpeelle. Lyhytaikainen huipputehontarve voidaan kattaa esim. varaajassa sijaitsevilla sähkövastuksilla. Haittapuolena on liitäntätehon kasvu. /Aittomäki 1995/ VTT:n tekemässä tutkimuksessa 1995 on selvitetty lämpöpumpun ja sähkövastusten optimaalista rinnakkaismitoitusta vuotuisten kokonaiskustannusten minimoimiseksi. Tutkimusten pohjalta on todettavissa, että n. 50 % vuotuisesta huipputehontarpeesta on optimimitoitus lämpöpumpulle. Tällä mitoituksella pystytään kattamaan n. 90 % pientalon lämmitysenergian tarpeesta. /Aittomäki 1995/ Sähköntuotannon kannalta osateholämpöpumppu ei kuitenkaan ole niin hyvä ratkaisu kuin yksityistaloudellisesti, koska se aiheuttaa lyhytaikaisen sähköntarpeen kasvun juuri pahimpaan huipputehoaikaan (kuva 2.2).