ONE1 Oy RISTINKALLION UUSIUTUVAN ENERGIAN RATKAISUSUUNNITELMA Kotkan Uusiutuvan energian kuntakatselmus -projekti 29.12.2014 Julkinen/Luottamuksellinen versio
2 Sisällys 1. Johdanto 4 2. Energialähteet ratkaisussa 6 2.1 Maalämpö... 6 2.2 Biopolttoaineet... 9 2.3 Aurinkoenergia... 13 3. Ratkaisujen kannattavuus 16 3.1 Lähtötiedot... 16 3.2 Vaihtoehtojen vertailu... 19 3.3 Teknistaloudellinen vertailu... 21 3.4 Tulokset... 22 4. Tekninen ja toiminnallinen tarkastelu 24 4.1 Vaihtoehtojen teknillinen tarkastelu... 24 4.2 Vaihtoehtojen toiminnallinen tarkastelu... 25 4.3 Vaihtoehtojen CO2- tarkastelu... 27 5. Ratkaisuehdotus 29 5.1 Toiminnallinen tarkastelu... 29 5.2 Teknillinen tarkastelu... 30 5.2.1 Prosessi... 30 5.2.2 Rakennettavat tilat... 31 5.2.3 Layout... 31 5.2.4 Sähkö-, instrumentointi ja automaatio... 31 5.2.5 Infra ja verkostot... 32 5.2.6 Työmaanaikainen toiminta... 32 5.2.7 Turvallisuus... 33 6. Yhteenveto ja johtopäätökset 34
3 Liiteluettelo LIITE I Ristinkallion kustannuslaskelmat LIITE I.I Ristinkallion investointijakauma LIITE I.II Ristinkallion kustannusjakauma LIITE II Ristinkallion asemapiirustus
4 1. JOHDANTO Tämä selvitys on osa Etelä-Kymenlaakson Uusiutuvan energian kuntakatselmus-projektin Kotkan osiota. Selvityksen tilaaja on projektia koordinoiva Kotkan kaupunki. Tilaajan edustajana toimi kuntakatselmusprojektin projektipäällikkö sekä vastuullinen katselmoija, energia- ja ilmastoasiantuntija Esa Partanen Kotkan kaupungilta. Selvityksen toteutti projektipäällikkö Jari-Matti Satosalmi ONE1 Oy:stä ja työn ohjaajana toteuttajan puolelta oli Tekninen johtaja Lauri Malinen ONE1 Oy:stä. Selvityksen ohjaukseen osallistuivat myös edustajat Kotkan Energia Oy:stä sekä Kotkan kaavoituksesta. Ristinkallion alueelle etsitään kannattavaa, uusiutuvaan energiaan perustuvaa keskitettyä lämmitysratkaisua, joka korvaisi kiinteistökohtaisen lämmityksen, ja siten nostaisi uusiutuvan energian osuutta alueella. Tarkastelussa otettiin huomioon sekä nykyisten, pääosin asuinkäytössä olevien rakennusten lämmitys sekä mahdollinen teollisuusalueen laajentuminen. Lämmitysteknologioina tarkastellaan maalämpöä, pellettiä sekä haketta alueellisena lämmitysratkaisuna. Aurinkolämpöä tarkastellaan pellettilaitoksen yhteydessä. Maalämmön yhteydessä toimii kaasupoltin priimauksessa. Tarkasteluun otetaan vaihtoehdoksi myös kaukolämmön tuominen alueelle. Kannattavuustarkastelu suoritetaan toteuttamalla jokaisella vaihtoehdolla skenaariotarkastelu, pois lukien aurinkolämpövaihtoehto. Skenaariotarkastelussa havaitaan tuotantotehon ja määrän kasvun vaikutukset kannattavuuksiin. Lisäksi havaitaan kohteiden sijainnin vaikutukset verkostokustannuksiin ja tätä kautta tuotantokustannuksiin. Alla olevassa kuvassa on esitetty tarkasteltava alue.
5 Kuva 1. Ristinkallion tarkastelualue. (Pohjakartta: Kotkan kaupunki)
6 2. ENERGIALÄHTEET RATKAISUSSA Tilaajan kanssa käytyjen keskustelujen pohjalta tässä raportissa kehitimme ratkaisua lämpöpumpputeknologian ja bioenergiateknologian näkökulmasta. Hyödynnettävien energialähteiden käyttöä rajaa mm. monet ympäristön ominaisuudet sekä lupaprosesseihin liittyvät säädökset. Seuraavissa kappaleissa on tuotu esille näitä em. primäärienergialähteisiin; maalämpökaivoihin sekä bio- ja aurinkoenergiaan liittyviä rajauksia ja lähtökohtia. 2.1 Maalämpö Maalämpöteknologiassa maahan tai/ja kallioon, auringosta peräisin olevaa, varastoitunutta energiaa hyödynnetään lämpöpumppujen avulla. Maaperässä kierrätetään liuosta, joka ottaa vastaan energiaa ja lämpenee. Lämmennyt maaliuos pumpataan maalämpöpumpun lämmönvaihtimille, jossa lämpö siirretään varsinaiseen lämmityspiiriin. Jäähtynyt maaliuos kierrätetään takaisin maaperään lämpenemään. Maalämpöpumppujen teknologiat ja prosessiratkaisut vaihtelevat valmistajien ja maalämpöpumppujen tehoista riippuen. Seuraavaksi on esitetty kaksi erityyppistä laitevaihtoehtoa maalämpöteknologiasta. Lämpöpumppujen mäntäkompressori Mäntäkompressori on yleinen pienemmissä lämpöpumppusovelluksissa. Sen vahvuudet ovat tunnettuus ja yksinkertaisuus, toisaalta myös hyvä hyötysuhde ja mahdollisuus saavuttaa korkeampia lämpötiloja. Alla on esitetty tyypillinen mäntäkompressorilla (harmaa) toimiva lämpöpumppuyksikkö.
7 Kuva 2. Esimerkki 100 kw:n lämpöpumppuyksiköstä. Lämpöpumppujen ruuvikompressori Ruuvikompressoreita käytetään suuremmissa lämpöpumppusovelluksissa (kuva alla). Ruuvikompressorin (harmaa komponentti) etuja ovat helppo säädettävyys ja pitkäikäisyys sekä fyysinen koko suhteessa tehontarpeeseen. Kuva 3. Esimerkki 300 kw:n lämpöpumppuyksiköstä.
8 Kun suunnitellaan alueellista kaivojärjestelmää, on oleellista huomioida keruujärjestelmän vaatima fyysinen tila. Alla ovat ympäristökeskuksen määrittelemät minimietäisyydet lämpökaivoporauksia suunniteltaessa ja tehdessä. Taulukko 1. Suositeltuja etäisyyksiä. Lämpökaivojen välisestä suositellusta minimietäisyydestä voidaan poiketa, jos yksi tai useampi rei'istä on vinoreikä. Lämpökaivot voidaan porata myös vierekkäin, jos vinoreiät ovat tarpeeksi etäällä toisistaan. Niiden keskinäinen kaltevuuskulma tulee olla riittävän suuri (ks. kuva alla). Sopiva kaltevuuskulma riippuu aina vierekkäisten reikien määrästä ja syvyydestä. Etäisyys kiinteistön rajasta voi myös olla suositeltua pienempi jos lämpökaivo porataan vinoreikänä ja pystytään varmistumaan siitä, että viereisten kiinteistöjen mahdollisuus lämpökaivon poraamiseen tai kiinteistönsä muuhun käyttöön ei esty. Kuva 4. Vinoreikien kulma maalämpökaivossa.
9 Maalämpökaivoja tehdessä on tärkeää, että työ on teknisesti laadukasta ja olemassa olevien kaivostandardien mukaista. Käytännössä isoja kaivokenttiä ei kannata kustannussyistä porata, jos irtomaa-aineksen syvyys on yli 15 20 metriä ennen kallionpintaa. Maa-aineksen osuudelle ennen kallionpintaa asennetaan erillinen teräs- tai muoviputki estämään pintavesien ja irtomaan valuminen kaivoon. Kullekin alueelle tulee hakea lupa maalämpöreikien tekemistä varten. Tarvittaessa paikallinen ELY-Keskus ottaa kantaa kentän tekemiseen ja tekee päätöksen tuleeko myös Aluehallintoviraston antaa lausunto asiasta. Tässä tapauksessa tulee varautua mahdollisesti pitkäänkin hakuprosessiin. Kaivojen poraaminen on tullut luvanvaraiseksi 2011. Luvanvaraisuus koskee myös maaperään tai vesistöön sijoitettavan lämmönkeruuputkiston asentamista. Tätä koskeva maankäyttö- ja rakennusasetuksen muutos tuli voimaan 1.5.2011. Käytännössä toimenpidelupa myönnetään, ellei sille ole estettä. Luvan myöntämisen esteenä voi olla esim. se, että lämpökaivo halutaan porata merkittävälle pohjavesialueelle tai liian lähelle toista lämpökaivoa tai porakaivoa. Pohjavesialueella lupaharkinnassa voidaan ottaa huomioon suunnitellun lämpökaivon sijainti suhteessa esimerkiksi vedenottamoihin. 2.2 Biopolttoaineet Bioenergiaa, tässä tapauksessa puuperäistä biomassaa voidaan hyödyntää polttamalla ja kaasuttamalla. Puuperäistä massaa on hyödynnettävissä murskattuna hakkeeksi, briketoituna tai pelletoituna. Useilla eri biokattilavalmistajilla on soveltuvia teknologioita näiden puupolttoainejakeiden polttamiseen. Jokaisella biokattilavalmistajalla on omat yksityiskohtaiset prosessiratkaisut, mutta seuraavassa esitellään polttoon perustuvan bioteknologian perusperiaate. Alla olevassa kuvassa on tyypillinen lämmöntuotannon biokattila.
10 Kuva 5. Esimerkki biokattilasta. Lisäksi ko. toimittajilla on polttoaineen syöttöteknologiaa. Pääasiassa polttoaine on kuitenkin suurehkossa säiliössä. Säiliöstä polttoaine (hake, pelletti, briketti) siirretään mekaanisesti kattilan polttimelle. Kuva 6. Biopolttoprosessi.
11 Polttimella palava aines sekoitetaan ilman kanssa arinalla tai palopäässä, ja polttoaine palaa hallitusti tulipesässä. Yllä on esitetty havainne kuva biopolttoprosessista. Palamisessa vapautuva lämpöenergia siirtyy säteilemällä liekistä kattilan teräspinnoille, josta energia johtuu kattilan vaipassa kiertävään veteen. Savukaasuista energia siirtyy ensin konvektiolla kattilan pinnoille ja edelleen johtumalla veteen. Alla on kuva biopolttimesta ja sen toiminnasta. Hake Kuva 7. Biopoltin. Metsähake koostuu pääasiassa hakkuutähdepuusta, kannoista ja nuorten metsien hoidon yhteydessä kertyvästä pienpuusta tai muista hakkuissa kertyvästä teollisuudelle puunjalostuksessa teollisuudelle kelpaamattomasta puuaineksesta. Metsähakkeen laatuominaisuuksista merkittävin on puuaineen kosteus. Mitä suurempi energiapuupolttoaineen kosteusprosentti on, sitä enemmän siitä on haittaa puun energiakäytössä. Suuri kosteus heikentää puun lämpöarvoa ja polton hyötysuhdetta sekä lisää puunpoltosta aiheutuvia päästöjä. Tuoreesta puusta tehdyn puuhakkeen kosteus on puulajista ja hakkuuajankohdasta riippuen 40 60%. Tavoitteena voi pitää
12 noin 30 %:n kosteutta joka on riittävä useimmille polttolaitoksille. Muita hakkeen laatutekijöitä on mm. energiatiheys, puhtaus, tuhkapitoisuus ja hakkeen palakoko. Näissä puhtaus ja palakoko ovat erityisesti pienissä laitoksissa merkittäviä. Pelletti Puupelletit ovat sahapurusta, kutterinlastusta tai hiontapölystä muotoon puristettua puupolttoainetta, joka pääosin tehdään kotimaisesta raakaainesta ja kotimaisissa tehtaissa. Pelletin tuotanto on ollut suomessa mittavaa jo yli 10 vuotta mutta pelletin käyttö Suomessa on vasta viime vuosina lisääntynyt pienten ja keskisuurten lämpövoimalaitosten polttoaineena. Pelletin tasalaatuisuus ja helppokäyttöisyys ja suhteellisen vakaa hintakehitys on tehnyt siitä kilpailukykyisen polttoaineen erityisesti fossiilisille polttoaineille. Pellettiä saa tilattua eri toimittajilta Suomessa kuten, VAPO, Versowood, Imex Wood Oy, ynnä muilta pienemmiltä ja paikallisemmilta toimittajilta. Pellettitoimittajien kanssa voi sopia vakiotoimituksista ja tilauksista. Toimitusmalleja on useita. Alla on kuva saatavista polttoainejakeista, osa paikallisesti osa valtakunnallisesti. Kuva 8. Polttoainejakeet.
13 2.3 Aurinkoenergia Itä-Suomessa auringonsäteilyn määrä vaakatasolla ja vuositasolla mitattuna on noin 900 kwh/m2, josta yleensä teknisesti noin 50 70 % voidaan hyödyntää. Aurinkokeräimeen osuvaan säteilyyn vaikuttaa säteilyn voimakkuuden lisäksi erittäin merkittävästi laitteen suuntaus ja sijainti. Keräimen suuntauksessa tulee kiinnittää huomiota kahteen tärkeään kulmaan: kallistuskulmaan ja atsimuuttikulmaan eli poikkeamaan etelästä. Kallistuskulmalla tarkoitetaan vaakatason ja laitteiston (keräimien) välistä kulmaa. Aurinkokeräimien sijainniksi tulee valita mahdollisimman varjoton paikka. Järjestelmästä saadaan suurin hyöty suuntauksen kulmilla +-45 asetta etelästä. Tällöin häviöt vuositasolla jäävät noin 7 prosenttiin. Alla olevassa kuvassa on esitetty erään kotimaisen valmistajan aurinkolämpökeräin. Kuva 9. Aurinkokeräin. Aurinkokeräimiä on käytetty jopa kokonaisten alueiden lämmittämiseen. Usein ongelmaksi on kuitenkin muodostunut aurinkokeräimien tilantarve ja asemointi optimaalisesti. Lisäksi aurinkoenergiaa voidaan tuottaa vain osan vuodesta järkevästi. Tämän vuoksi aurinkokeräimiä ei voida suositella alueen lämmitysratkaisun selkärangaksi. Yksinään aurinkokeräimet tulevat kannattamattomiksi Suomen ilmasto-olosuhteissa, mutta hybridiratkaisuksi
14 yhdistettynä pystytään toteuttamaan uusiutuvaan energiaan perustuva kokonaisvaltainen energiaratkaisu, joka täyttää kohteen energiantarpeen. Suurin rahallinen hyöty/tuotto aurinkokeräimistä saadaan, mikäli niiden tuottamalla energialla pystytään mahdollisimman tehokkaasti korvaamaan kalliin energian käyttöä lämmityksessä. Seuraavassa on esitetty esimerkkilaskelmat aurinkolämmityssimulaatiosta. Aurinkolämmityssimulaatio on toteutettu GetSolar-ohjelmistolla. Esimerkkisimulaatio on laadittu laitokselle, jonka vuotuinen energiantuotanto on noin 570 MWh. Simulaation lähtökohdat ovat seuraavat: aurinkokeräimet sijoitettu kohderakennuksen tasakatolle, jonka ilmansuunta on kaakko aurinkokeräimet suunnattu eteläsuuntaan keräin-neliömetrejä 60 m2 keräimiltä saatava huippu(mitoitus)teho n 55 kw auringonsäteilyn määrä Itä-Suomen alueella Kuva 10. Simulaation tulokset. Simulaatiosta voidaan todeta, että aurinkokeräinten tuotto on n. 7 % vuotuisesta tuotannosta. Kesäaikana sen merkitys on suurempi johtuen
15 säteilyn määrästä. Kesällä voidaankin vähentää muun energiantuotannon operointia suhteessa enemmän, johtuen aurinkoenergian tuomasta korkeasta energiatasosta esim. käyttöveden lämmittämiseen. Aurinkojärjestelmän investointi ja käyttöönotto jätetään usein optioksi lämmitysratkaisua rakentaessa. Optio on helposti käytettävissä, sillä se on muista järjestelmistä riippumaton ja toisinpäin. Teknisesti sen lisääminen on helppoa olevaan järjestelmään. Ensiarvoisen tärkeää on kuitenkin suunnitella oikein aurinkokeräimien tuottaman energian käyttö järjestelmätasolla.
16 3. RATKAISUJEN KANNATTAVUUS 3.1 Lähtötiedot Lähtötietoina vertailulle käytetään tilaajalta saatuja kiinteistötietoja sekä kulutusdataa. Kokonaistehontarve arvioitiin käyttämällä tyypillisiä kiinteistöjen tehontarvelukuja ja kokonaistuotantomäärän arvioinnissa tyypillisiä huipunkäyttöaikoja. Kyseiset arvot perustuvat asiantuntijaarvioihin, jotka nojaavat tilastollisiin ja kokemusperäisiin tietoihin. Alueen kokonaistehontarpeeksi muodostui 6,1 MW ja tuotantomääräksi 13 000 MWh. Tarkastelussa päätettiin edetä jakamalla alue ja sen kohteet eri skenaarioihin. Tällöin voidaan selvittää kannattavuuksia eri teholuokilla. Alue jaettiin alla olevan kuvan mukaisesti kolmeen eri skenaarioon. Kuvassa on myös esimerkki lämpölaitoksen mahdollisesta sijainnista alueella.
17 Kuva 11. Ristinkallion skenaariojako. (Pohjakuva: Kotkan kaupunki) Skenaarioiden teho ja tuotantomäärät on esitetty alla olevassa taulukossa. Skenaariomerkinnässä x kuvaa tarkasteltavaa tuotantoteknologiaa ja numeroarvo skenaariota. Skenaarioluvun kasvaessa kohteiden lukumäärä kasvaa uuden alueen kohteiden määrällä.
18 Taulukko 2. Skenaarioiden teho ja tuotantomäärät. Skenaario Skenaariokuvaus Tuotantoteho [kw] Tuotantomäärä [MWh] x.1 Alueen 1 kohteet 219 459 x.2 Alueiden 1 ja 2 3 121 6 553 kohteet x.3 Alueiden 1, 2 ja 3 kohteet 6 055 13 023 Alueen kohteisiin lämpö jaetaan lämpökeskukselta lämmönjakeluverkostolla perinteisen kaukolämmön tapaan. Jakeluverkosto kasvaa skenaarioiden mukaan yhdistäen kaikki kohteet toisiinsa. Alla olevassa kuvassa on esitetty mahdollinen jakeluverkoston sijoittuminen alueelle täydessä mittakaavassa.
19 Kuva 12. Esimerkki jakeluverkoston sijoittumisesta alueelle täydessä mittakaavassa. (Pohjakuva: Kotkan kaupunki) 3.2 Vaihtoehtojen vertailu Tarkasteltavat vaihtoehdot valittiin :n kokemuksen ja asiakkaan kanssa läpikäytyjen palaverien ja keskustelujen perusteella. Vertailu on tehty teknillistaloudellisesta näkökulmasta huomioiden ratkaisun käytettävyyteen ja asiakkaan tahtotilaan liittyvät näkökulmat. Vaihtoehdot ja laskelmat ovat esitettynä raportin liitteessä I. Tässä ratkaisusuunnitelmassa läpikäydyt ja lasketut skenaariot on esitetty alla olevassa taulukossa.
20 Taulukko 3. Skenaarioiden tuotantoteknologiat. Skenaario Tuotantoteknologia 1.x Maalämpö + Maakaasu 2.x Pelletti 3.x Hake 4.x Kaukolämpö 5.x Pelletti + Aurinko Skenaarioissa 1.x lämpöä tuotetaan maalämmöllä. Maalämpöpumppu tuottaa lämpöä suurimman osan alueen vuotuisesta lämmöntarpeesta. Maakaasukattilalla priimataan tarvittaessa menovedenlämpötilaa vastaamaan alueen lämmöntarvetta. Lämpö jaetaan alueellisella lämmönjakeluverkostolla alueen kohteisiin. Skenaariossa 2.x lämpöä tuotetaan polttamalla pellettiä. Pelletillä pystytään tuottamaan koko alueen lämmöntarve, jolloin maakaasun käytölle ei ole tarvetta. Skenaariossa 3.x lämpö tuotetaan polttamalla haketta. Pelletin tapaan hakkeella pystytään kattamaan koko alueen lämmöntarve. Skenaariossa 4.x alueelle tuodaan kaukolämpöputki, joka yhdistetään alueelle rakennettavaan aluelämpöverkkoon. Alueella käytettävä lämpö tuotetaan Kotkan Energian lämpölaitoksessa. Skenaariossa 5.x lämpöä tuotetaan polttamalla pellettiä. Lisäksi lämpöä tuotetaan alueelle sijoitettavan aurinkolämpökeräinkentän avulla. Pellettikattila mitoitetaan kattamaan koko alueen lämmöntarve, jolloin lämmöntuotanto ei ole riippuvainen aurinkolämmöstä. Aurinkolämmöllä voidaan kuitenkin vähentää pelletinkäyttöä ja täten alentaa polttoainekustannuksia.
21 3.3 Teknistaloudellinen vertailu Teknillistaloudellinen vertailu tehtiin seuraavin lähtötietojen ja oletusten perusteella: - Korkotaso 3 % (valittu) - Ostoenergian/polttoaineen hinnat (valitut): o Ostosähkö 80 /MWh (alv 0 %) o Maakaasu 55 /MWh (alv 0 %) o Pelletti 40 /MWh (alv 0 %) o Hake 22 /MWh (alv 0 %) o Kaukolämmön tuotantokustannuksina laskelmissa käytetty arvo ei-julkinen Teknistaloudellinen vertailu on ulotettu koskemaan projektikuluja, prosessilaitteita, rakennustekniikkaa ja tarvittavia investointeja infrastruktuuriin. Kaikille vaihtoehdoille laskettiin kokonaisinvestoinnit. Investoinnit ja niiden kustannusarviot perustuvat asiantuntija-arvioihin. jotka nojaavat tilastollisiin ja kokemusperäisiin tietoihin. Tarkastelumenetelmänä käytetään annuiteettimenetelmää, jossa investointi jaetaan annuiteettitekijällä tarkasteluajanjaksoille (investointien käyttöajat). Lisäksi lasketaan tuotannon aiheuttamat vuosittaiset (muuttuvat) kustannukset. Näihin yleensä luetaan käyttöenergiakulut ja huoltokulut. Menetelmä perustuu investoinnin hankintamenon jakamiseen pitoajalle (investointierien käyttöajat) niin, että lähtöomaisuudelle laskettu korko ja poisto muodostavat aina vakion. Näin ollen saadaan tulevan investoinnin pääoma- ja korkokulut jaettua tarkasteluajan vuotta kohden. Laskelmaan on investoinnin lisäksi tuotu muuttuvat kustannukset (tuotannon energiankäyttökustannukset) sekä operointikustannukset (huolto, valvonta).
22 Lopputulokseksi saadaan toisiinsa nähden vertailukelpoiset arviot kustannuksista vuotta kohden tarkasteluajalle sekä tuotantokustannukset /MWh. 3.4 Tulokset Seuraavaksi tarkastellaan eri skenaarioiden välisi tuotantokustannuksia. Laskennassa muodostui kokonaistuotantokustannukset, jotka ovat vertailukelpoisia keskenään. Laskelmat ovat esitettyinä tämän raportin liitteessä I. Kaukolämmön tuotantokustannuksia ei ole esitetty raportin liitteessä, koska tieto ei-julkinen. Tuloksia on käsitelty yleisesti kaukolämmönosalta. Kokonaistuotantokustannuksia vertailtaessa keskenään edullisimmaksi skenaariovaihtoehdoksi muodostui kaukolämmön tuominen alueelle, joka kattaa koko tarkastelualueen lämmöntuotannon (skenaario 4.3). Kaukolämmön etuina ovat alhaiset pääoma- sekä operointikustannukset. Kyseiset kustannukset jäävät alhaisiksi, koska alueelle ei tarvitse rakentaa tuotantolaitteistoa. Muissa kaukolämpövaihtoehdoissa kokonaistuotantokustannukset nousevat merkitsevästi, kun alueen tarvitsema energian kokonaismäärä laskee oleellisesti. Tällöin pääomakustannukset nousevat kaikkein korkeimmiksi muihin verrattuna, koska kaukolämpöverkon rakentamiskustannukset eivät alene suhteessa alueen tarvitsemaan energiamäärään (skenaario 4.1). Aluelämpöratkaisuista hakevaihtoehto osoittautui edullisimmaksi kaukolämmön jälkeen. Hakevaihtoehdoilla energiakustannukset olivat alhaisimmat verrattuna muihin tarkasteltaviin vaihtoehtoihin. Alhaiset energiakustannukset eivät kuitenkaan riitä kattamaan korkeita operointisekä pääomakustannuksia, jolloin kokonaistuotantokustannukset nousevat.
23 Pellettivaihtoehto osoittautui kaukolämmön sekä hakkeen jälkeen edullisimmaksi vaihtoehdoksi. Pellettivaihtoehdossa verrattuna hakkeeseen on korkeammat energiakustannukset, mutta edullisemmat operointi- sekä pääomakustannukset. Alhaiset operointi- sekä pääomakustannukset johtuvat paremmista polttoaineominaisuuksista. Maalämmön ja maakaasun hybridiratkaisu sekä niiden skenaariot olivat biolaitosratkaisuja kalliimpia. Pääoma- sekä energiakustannukset nousivat korkeimmiksi kaikista vaihtoehdoista (pl. skenaario 5.2). Korkeimmat kustannukset johtuvat maalämmön tarvitseman energiakaivokentän investoinneista sekä maakaasuputken tuomisesta laitokselle. Maalämmön sekä maakaasun hybridillä on kuitenkin edullisimmat operointikustannukset, jotka eivät riitä alentamaan kokonaiskustannuksia riittävästi muihin nähden. Aurinkolämmön sekä pelletin yhdistelmä osoittautui kaikkein kalleimmaksi vaihtoehdoksi (skenaario 5.2). Verrattaessa samaan vaihtoehtoon ilman aurinkolämpöä (skenaario 2.2), niin operointi- sekä pääomakustannukset nousevat reilusti. Aurinkolämmön tarkoituksena on alentaa energiakustannuksia, mutta tässä tapauksessa energiakustannukset eivät alene tarpeeksi
24 4. TEKNINEN JA TOIMINNALLINEN TARKASTELU 4.1 Vaihtoehtojen teknillinen tarkastelu Vaihtoehtoja tarkastellaan niiden teknillisestä näkökulmasta alueella. Tarkastelussa huomioidaan alueen mahdollisia rajoitteita, valittujen vaihtoehtojen teknisessä toteuttamisessa mahdollisesti koituvia ongelmia tai haasteita. Seuraavaksi käsitellään tarkemmin tässä selvityksessä tarkasteltuja vaihtoehtoja ja niiden teknisiä soveltuvuuksia alueelle. Maalämmön sekä maakaasun yhdistelmäratkaisua tarkasteltaessa ei havaittu teknisiä esteitä toteutukselle. Lähtökohtaisesti maaperässä ei havaittu esteitä maalämmön keruulle. Maalämpöratkaisun kohdalla tulee kuitenkin tehdä tarkempia maaperätutkimuksia sekä koeporauksia. Maakaasun käytölle ei ole teknisiä esteitä, sillä alueella on laajalti jo käytössä maakaasulämmittämistä. Suuremmassa mittakaavassa toteutettu keskitettylämmöntuotanto on teknisesti toteutettavissa. Bioratkaisuja tarkasteltaessa ei havaittu teknisiä ongelmia. Alueella on tilaa lämpölaitokselle ja tarvittaville polttoainevarastoille. Laitos ei tarvitse ympäristölupaa. Polttoainetoimitukset on mahdollista toteuttaa alueelle, koska tieverkosto on jo olemassa ja suuri päätie ohittaa alueen läheltä. Aurinkolämmön rakentamiselle alueelle tai liittämiselle lämmöntuotantolaitoksen yhteyteen ei ole teknisiä esteitä. Kaukolämmön tuominen alueelle on teknisesti mahdollista, koska kaukolämpöverkko sijaitsee lähellä tarkastelualuetta. Alueen ja kaukolämpöverkon välissä ei ole teknisiä esteitä, kuten suuria jokia tai järviä.
25 4.2 Vaihtoehtojen toiminnallinen tarkastelu Vaihtoehtoja tarkastellaan niiden toiminnallisesta näkökulmasta alueella. Tarkastelussa huomioidaan alueen mahdollisia rajoitteita, valittujen vaihtoehtojen toteuttamisessa mahdollisesti koituvia ongelmia tai haasteita sekä käytännön toteuttamista. Seuraavaksi käsitellään tarkemmin tässä selvityksessä tarkasteltuja vaihtoehtoja ja niiden soveltuvuuksia alueelle. Maalämmön sekä maakaasun yhdistelmäratkaisua tarkasteltaessa maalämpökeruupiirin vaatima pinta-ala osoittautui laajaksi. Soviteltaessa keruupiiriä tarkastelualueelle ilmeni, että keruupiiri jouduttaisiin rakentamaan alueelle, jossa sijaitsee useita eri omistuksissa olevia tontteja. Tämä vaatii paljon sopimusteknisiä ratkaisuja tai vaihtoehtoisesti osuuskunnan luomista maanomistajien välille. Keruupiiri aiheuttaa tontille rasitteen, joka voi olla vaikea esittää maanomistajille. Vaihtoehtona tila ongelmaan on esimerkiksi mitoittaa maalämpöpumppu pienemmälle teholle, jolloin keruukentän pinta-ala vaade pienenee. Osamitoitettuna maalämpöratkaisu tulisi tarkastella uudestaan sen tuotantokustannusten osalta, kun maakaasun käytönosuus kasvaisi keruukentän jäädessä osamitoitukselle. Bioratkaisua tarkasteltaessa alueen katukuvaan tulee muutoksia lämpölaitoksen piipun osalta. Tämä voi aiheuttaa vastustusta alueen ihmisissä. Bioratkaisu tuo myös kuorma-auto liikennettä alueelle. Varsinkin hakeratkaisussa liikenne voi lisääntyä runsaaksi, jollei polttoainevarastoa mitoiteta tarpeeksi suureksi täyttövälin pidentämiseksi. Pelletin osalta täyttöväli saadaan helpommin ja edullisemmin pidemmäksi sen runsaamman energiasisällön takia.
26 Pelletin sekä aurinkolämmön yhdistelmäratkaisussa pelletin osalta huomioitavia asioita käsiteltiin edellä. Aurinkolämmön osalta on hyvä huomioida keruukentän vaatima pinta-ala tontilta. Keräinten pinta-alan ollessa 1 000 m 2 on varsinainen tilavaade huomattavasti suurempi, joka aiheuttaa maalämpövaihtoehdossa käsiteltyjä ongelmia. Lisäksi tarvittavan alueen raivaaminen tuottaa ongelmia. Kaukolämmön osalta esteitä tai pysyviä rasitteita ei havaittu tarkastelussa. Hetkellistä haittaa alueella voi syntyä kaukolämpöputken rakentamisen aikana. Alla olevaan taulukkoon on vielä koottu eri vaihtoehtojen etuja ja haittoja. Taulukko 4. Vaihtoehtojen etuja sekä haittoja. Skenaario Edut Haitat SK 1.x: Maalämpö + maakaasu SK 2.x: Pelletti SK 3.x: Hake - Täysin alueellinen energiaratkaisu - Vaiheittainen investointi rakentumisen tahdissa - Vähäinen operointitarve - Täysin alueellinen energiaratkaisu - Vaiheittainen investointi rakentumisen tahdissa - Täysin uusiutuvaa - Vaiheittainen investointi rakentumisen tahdissa - Edulliset energian kokonaistuotantokustannukset - Täysin uusiutuvaa - Maakaasu kallis priimaus- /varaenergia - Vaatii laajat lämmönkeruuputkitukset alueelle - Suuri kokonaisinvestointi - Rajallinen tila maalämpökaivoille - Kallein tuotantokustannus - Mukana uusiutumatonta energiaa (maakaasu + sähkö) - Lisääntyvä liikenne katukuvassa - Laitos vaatii savupiipun - Lisääntyvä liikenne katukuvassa - Laitos vaatii savupiipun
27 Skenaario Edut Haitat SK 4.x: Kaukolämpö - Vähäinen operointitarve - Edulliset energian kokonaistuotantokustannukset täysmitoituksena - Katukuvaan ei muutoksia - Vaatii kaukolämpölinjan vetämisen lämpölaitokselle - Kaukolämpölinja suuri yksittäinen investointi SK 5.x: Pelletti + Aurinkolämpö - Täysin uusiutuvaa - Imagollinen hyöty aurinkolämmöstä - Aurinkokeruukentän vaatima tila - Auringon vähäiset vaikutukset tuotantokustannuksiin tarvittaviin investointeihin nähden 4.3 Vaihtoehtojen CO2- tarkastelu Valitulla ratkaisulla pyritään vähentämään alueella syntyviä CO2-päästöjen määrää. Alue käyttää tällä hetkellä öljyä tai maakaasua kiinteistökohtaisessa lämmön tuotannossa, joka synnyttää hiilidioksidipäästöjä. Seuraavaksi on laskettu eri skenaarioiden ja niissä hyödynnettävien teknologioiden vaikutukset päästöjen vähentymiseen. Jokaiselle skenaariolle määriteltiin lämmöntuotantomäärää vastaava CO2- päästömäärä (tco2/a), joka vastaa tämän hetkistä tilannetta maakaasun käytöllä tarkastelukohteissa. Kyseiset määrät on esitetty tämän kappaleen lopussa olevassa koontitaulukossa. Lämmöntuotantotavan muuttuessa tulee jokainen skenaario ja teknologiavaihtoehto tarkastella uudestaan ja laskea mahdolliset vaikutukset nykytilanteeseen.
28 Eri teknologioille on määritelty omat CO2 määrät jokaista kwh kohden. Seuraavassa taulukossa on esitetty eri skenaarioissa hyödynnettävien energialähteiden päästökertoimet. Kaukolämmössä on huomioitu Kotkan Energian uusiutuvien osuus kaukolämmöntuotannossa, joka vastasi 57 %:a vuonna 2013. Pelletti, hake sekä aurinko luetaan päästöneutraaleiksi. Taulukko 5. Päästökertoimia. Energialähde Päästökerroin [gco2/kwh] Sähkö 269 Maakaasu 198 Kaukolämpö 123 Yllä olevia kertoimia hyväksi käyttäen on jokaiselle skenaariolle laskettu hiilidioksidintuotantomäärä. Maalämmön tapauksessa, jossa maakaasua käytetään priimaukseen, on oletettu, että maakaasun osuus lämmöntuotannossa on 20 % kokonaistuotantomäärästä. Alla olevassa taulukossa on esitettynä jokaisen skenaarion päästömäärä. Lisäksi taulukkoon on laskettu päästövähenemä eri skenaarioissa. Taulukko 6. Skenaarioiden vaikutukset syntyvien päästöjen määrään. Toimenpiteet Toimenpiteen vaikutukset Ske Korjattava energianlähde Ehdotettu toimenpide Uusiutuvan energian-lähteiden lisäys GWh/a Syntyvä päästömäärä [tco2/a] Nykytilanne/ perusskenaa rio [tco2/a] Päästövähenemä nykytilanteeseen [tco2/a] 1.1 Öljy/maakaasu Maalämpö+kaasu 0,22 58 91 33 1.2 Öljy/maakaasu Maalämpö+kaasu 3,146 824 1 298 475 1.3 Öljy/maakaasu Maalämpö+kaasu 6,251 1637 2 580 943 2.1 Öljy/maakaasu Pelletti 0,459 0 91 91 2.2 Öljy/maakaasu Pelletti 6,553 0 1 298 1 298 2.3 Öljy/maakaasu Pelletti 13,023 0 2 580 2 580 3.1 Öljy/maakaasu Hake 0,459 0 91 91 3.2 Öljy/maakaasu Hake 6,553 0 1 298 1 298 3.3 Öljy/maakaasu Hake 13,023 0 2 580 2 580 4.1 Öljy/maakaasu Kaukolämpö 0,262 57 91 34 4.2 Öljy/maakaasu Kaukolämpö 3,735 807 1 298 491 4.3 Öljy/maakaasu Kaukolämpö 7,423 1603 2 580 977 5.2 Öljy/maakaasu Pelletti + aurinko 6,553 0 1 298 1 298
29 5. RATKAISUEHDOTUS 5.1 Toiminnallinen tarkastelu Ratkaisuehdotukseksi esitetään pellettikattilaa, joka korvataan alueelle rakennettavalla kaukolämmöllä lämpöasiakasmäärän kasvaessa. Pelletti on haketta varteenotettavampi polttoaine biovaihtoehdoista lämmöntuotantoon. Syynä tähän on pelletin polttoainevaraston ja sen varastoinnin yksinkertaisuus. Hake vaatii useimmissa tapauksissa polttoaineen purkamiselle kiinteän ratkaisun. Tällöin aluelämpöverkon liittyessä kaukolämpöön kiinteää purkupaikkaa ei voida siirtää jatkokäyttöön. Lisäksi kiinteän polttoaineen purkupaikan rakentamiskustannukset ovat korkeat. Pelletin osalta polttoainevarasto voidaan siirtää helposti uusiokäyttöön. Itse lämpölaitoksen osalta eroavaisuuksia ei ole. Polttoainetoimitukset tuovat lisää liikennettä lämpölaitoksen läheisyyteen. Pelletin osalta polttoainetoimitukset ovat harvemmassa kuin hakkeella sen paremman energiasisällön takia. Huipputehojen aikana varaston mitoituksesta riippuen pellettiä ei tarvitse toimittaa kuin kerran viikossa, kun haketta tulisi toimittaa 2-3 kertaa. Hakkeen kohdalla on tietysti mahdollista rakentaa suurempi polttoainevarasto, mutta tämä kasvattaa investointikustannuksia merkittävästi saatavaan hyötyyn nähden. Kaukolämpö osoittautui edullisimmaksi ratkaisuksi alueella, kun lämpöasiakasmäärä kasvoi täysimittaiseksi. Kaukolämmön tuominen alueelle voidaan aloittaa, kun asiakasrajamäärä ylittää kannattavuusrajan.
30 5.2 Teknillinen tarkastelu Kohteeseen on laadittu lämmöntuotannon tekninen esisuunnitelma, joka sisältää tyypitykset mm. pääkomponenteille. Suunnitelma toimii yksityiskohtaisemman toteutussuunnitelman lähtötietona. Ratkaisuehdotus esitellään pellettilaitoksesta, jolla katetaan tarkastelualueen lämmöntarve. Toteutussuunnitelmia käytetään urakan suorittamisen ohjeena ja kilpailutusdokumentteina, tähän tarkoitukseen ratkaisusuunnitelman tiedot eivät pelkästään riitä. 5.2.1 Prosessi Lämpölaitos rakennetaan ja mitoitetaan pellettikattilateknologian pohjalle. Alueen polttoainehuolto tapahtuu pellettikuljetuksin alueelle. Tämä lisää liikennettä lämpölaitoksen läheisyydessä. Pellettikuljetusten tiheys vaihtelee polttoaineen kulutuksen mukaan. Huipputehon eli kovien pakkasjaksojen aikana kuljetustiheys voi olla 1 2 täyttökertaa viikossa. Pellettivarasto voidaan mitoittaa kuitenkin suuremmaksi, jolloin kuljetustiheyttä saadaan pienemmäksi. Kaukolämpöverkosto alueella mitoitetaan toimimaan perinteisillä meno- ja paluuveden lämpötiloilla, joita säädetään vuodenaikalämpötilojen mukaan. Tällä mitoituksella kaikki kiinteistöjen ja käyttöveden lämmitys saadaan toteutettua ympäri vuoden. Esimerkki käytettävistä päälaitteista: Pellettiprosessi: Malli: Renewan, Nakkila boilersin tms. arinakattila myös Aritermin kattilat rinnan kytkettyinä, polttoaineena pelletti Mitoitusteho: n. 1,5 MW tai 1+0,5 MW Mitoitus LT verkkoon: Meno +65 95 C, Paluu +30 65 C