Kehittyvä Kaukolämpö- DevDH Kaukolämmön osittainen korvaaminen muulla lämmityksellä Veli-Matti Mäkelä Tero Lintunen Ville Latva Susanna Kuha Arto Hämäläinen Tuomo Asikainen Jukka Pirttinen Mikkelin ammattikorkeakoulu
Tarkasteltava kokonaisuutta = primäärienergian käyttöä Ainoastaan valittavan ratkaisun kokonaisenergian kulutus = energiaresurssien käyttö on merkittävää Osittaisoptimointia ei kannata harrastaa Ei riitä että kiinteistö käyttää vähän energiaa Kiinteistön käyttämän energian on kulutettava mahdollisimman vähän polttoainetta tai raakaenergiaa tai muita luonnonvaroja
Taustaa Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kaukolämmityksen rinnalla käytettävän yhden tai useamman lämmitysmuodon vaikutukset niin kuluttajan kuin yhdyskunnan kannalta. Tutkimus tehtiin neljässä osassa: 1. Nykytilaselvitys omakoti- rivi- ja kerrostaloissa käytettävistä lämmitysjärjestelmistä. 2. Kaukolämmitetyn omakotitalon rinnakkaisen lämmitystavan kannattavuuden tarkastelu 3. Kaukolämmitetyn rivi- ja kerrostalon rinnakkaisen sähköisen lämmitysmuodon kannattavuuden tarkastelu 4. Kaukolämmityksen rinnalla käytettävän sähkölämmityksen yhdyskuntavaikutusten tarkastelu
Yhteenveto nykytilaselvityksen tuloksista - Omakotitalot Ilmalämpöpumppu 7 % Tulisija 96 % Sähköinen iv:n jälkilämmityspatteri 93 % Sähköinen kuivauspatteri 4 % 0 5 10 15 20 25 30 Vastauksien lkm, om akotitaloja yht.27
Yhteenveto nykytilaselvityksen tuloksista - Kerrostalot Sähköinen kuivauspatteri 1 % Sähköinen iv:n jälkilämmityspatteri 7 % Sähköinen lattialämmitys märkätiloissa 76 % 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Vastauksien lkm, kerrostaloja yht.240 (asuntoja 7002)
Yhteenveto nykytilaselvityksen tuloksista - Rivitalot Tulisija Aurinkoenergia, käyttövesi/lämmitys 8 % 6 % Ilmalämpöpumppu 1 % Sähköinen kuivauspatteri 14 % Sähköinen iv:n jälkilämmityspatteri 5 % Sähköinen lattialämmitys märkätiloissa 71 % 0 50 100 150 200 250 300 350 Vastauksien lkm, rivitaloja yht. 34 (asuntoja 428)
Elinkaari Hybridilämmityksen kannattavuutta niin omakoti- rivikuin kerrostalolle tutkittiin elinkaarikustannuslaskennan avulla. Talo LJK Vesi- ja lämmitysjärjestelmä 0 hetki 25 vuotta 50 vuotta Useampia eri eliniän omaavia komponentteja
Kaukolämpöön kytkettyjen lämmityslaitteiden käyttöiät Kaukolämpölaite Lämmitys (patteri&lattia): Käyttöikä (a) lämmönjakokeskus 25 säätöventtiili 25 säätöventtiilin toimilaite 12 pumppu 12,5 paisunta-astia 25 patterit 50 lattialämmitysputket 50 termostaatti+toimilaite (lattialämmitys) 25 termostaatti+runko (patterilämmitys) 25 Lämmin käyttövesi: lämmönjakokeskus 25 säätöventtiili 25 säätöventtiilin toimilaite 12 pumppu 25 iv-koje 25
Energiatariffit Energiatariffit ja liittymismaksut omakotitalossa Kaukolämmön hinta Sähkön hinta Liittymismaksu 2800 Perusmaksu 263 /a Energiamaksu 0,0343 /kwh Liittymismaksu 765 Perusmaksu 8,59 /kk Energiamaksu (sis. Sähkö+siirto) 0,0794 /kwh Energiatariffit ja liittymismaksut kerrostalossa Kaukolämmön hinta Sähkön hinta Liittymismaksu 14989 Perusmaksu 2289 /a Energiamaksu 0,03843 /kwh Liittymismaksu 5453 Energiamaksu (sis.perusmaksu+sä hkö+siirto) 0,1198 /kwh hinnat sis. alv 22% sekä sähköveron ja huoltovarmuusmaksun.
Esimerkkitalot Esimerkkiomakotitalo Huoneistoalaa 144 m 2 Tilavuus 418 m 3 Kaukolämmön tilausvesivirta joka vaihtoehdossa 0,14 m 3 /h Esimerkkikerrostalo 4 kerrosta ja 3 rappua, 33 kpl asuinhuoneistoja Huoneistoalaa 1845 m 2 Kerrosalaa 2850 m 2 Tilavuus 8325 m³ Esimerkkirivitalo Yksi kerros, 10 kpl asuinhuoneistoja huoneistoalaa 747 m² Kerrosalaa 825 m² Tilavuus 2475 m³ Pinta-alat on laskettu Rakennustietosäätiön ohjekortin RT-12 10277 ja tilavuus RT.120.12 mukaisesti.
Omakotitalon pohjapiirros.
Kerrostalon pohjakerros Alapohja muodostuu sekä ulkoilmaa vasten olevasta että maanvaraisesta rakenteesta.
Kerrostalon 2-4 krs Jokaisessa huoneistossa on oma huoneistosauna
Rivitalon pohjapiirros Jokaisessa huoneistossa on oma huoneistosauna.
Omakotitalon energiankulutus ja -tarve Energian kulutus Lämmitysenergian kulutus 131 kwh/m 2 Käyttöveden lämmitys 1 000 kwh/as/a Huoneistosähkön kulutus 40 kwh/m 2 /a Kiinteistösähkön kulutus 6 kwh/m 2 /a Vuosittainen energian tarve Käyttövesi Lämmitys Huoneistosähkö Kiinteistösähkö YHT 4 000 kwh 18 800 kwh 5 760 kwh 864 kwh 29 424 kwh
Kerrostalon vuosittainen nettoenergiantarve Energiantarpeen laskenta (vuoden nettokulutus) kwh/a Q u-seinä 35 150 Q ikkunat 32 632 Q yläpohja 12 931 Q yläpohja, märkätilat 1 301 Q alapohja 13 800 Q alapohja, ulkoilmavasteinen 4 777 Q märkätilat, lattialämmitys 8847 Q ovet 10 850 Q vuotoiv nv= 0,2 56373 Qilmanv. n. 0,6 79059 Lämpövuoto yhteensä 255 720 Qkäyttövesi 89910 Kokonaiskulutus 345 630
Rivitalon vuosittainen nettoenergiantarve Energiantarpeen laskenta (vuoden nettokulutus) kwh/a Q u-seinä 11 730 Q ikkunat 13 099 Q yläpohja 14 052 Q yläpohja, märkätilat 1 614 Q alapohja 17 020 Q alapohja, märkätilat 6 083 Q ovet 6 945 Q vuotoiv nv= 0,2 16319 Qilmanv. n. 0,6 22886 Lämpövuoto yhteensä 109 747 Qkäyttövesi 26730 Kokonaiskulutus 136 477
Kerrostalon energian bruttokulutus kaukolämmitysvaihtoehdossa Energiankulutus kaukolämpö KL Sähkö Käyttövesi, kwh 135 441 570 Lämmitys, patteri kwh 245 763 2850 Lämmitys, Lattia kwh 56 062 580 Lämmitys, IV kwh 81 504 14030 Huoneistosähkö, kwh 76 950 YHT, kwh 518 770 94 979 YHT total, kwh/a 613 749
Kerrostalon energian bruttokulutus kaukolämmitys + sähköinen lattialämmitys vaihtoehdossa Energiankulutus kaukolämpö + sähkölattialämmitys KL Sähkö Käyttövesi, kwh 135 441 570 Lämmitys, patteri kwh 245 763 2850 Lämmitys, Lattia kwh 50 060 Lämmitys, IV kwh 81 504 14030 Huoneistosähkö, kwh 76 950 YHT, kwh 462 708 144 460 YHT total, kwh/a 607 168
Kerrostalon energian bruttokulutus kaukolämmitys + sähköinen lattialämmitys + sähköinen tuloilmanjälkilämmitys vaihtoehdossa Energiankulutus kaukolämpö + sähkölattiaja IV-jälkilämmitys KL Sähkö Käyttövesi, kwh 135 441 570 Lämmitys, patteri kwh 245 763 2850 Lämmitys, Lattia kwh 50 060 Lämmitys, IV kwh 93089 Huoneistosähkö, kwh 76 950 YHT, kwh 381 204 223 519 YHT total, kwh/a 604 723
KL KL+sähkö KL+aurinko KL+poistoLP KL+takka kok.kust.na, EUR Omakotitalon lämmitysratkaisujen elinkaarikustannusten nykyarvo, 50 vuotta 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0
kok.kust. NA, EUR Elinkaarikustannusten kumulatiivinen nykyarvo omakotitalossa laskentakorko 4% ja pitoaika 50 vuotta 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 aika, vuotta KL KL+sähkö KL+aurinko KL+takka KL+poistoLP
Kok.kust.NA, EUR Kerrostalon lämmitysratkaisujen elinkaarikustannusten nykyarvo, 50 vuotta Kerrostalon lämmitysratkaisujen elinkaarikustannusten nykyarvo 1 200 000 1 000 000 800 000 600 000 400 000 200 000 0 KL KL+SLL KL+SLL+SIV
kok.kust. NA, EUR Elinkaarikustannusten kumulatiivinen nykyarvo, kerrostalo, laskentakorko 4% ja pitoaika 50 vuotta 1 200 000 1 000 000 800 000 600 000 400 000 200 000 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 aika, vuotta KL KL+SLL KL+SLL+SIV
Kok.kust.NA, EUR Rivitalon lämmitysratkaisujen elinkaarikustannusten nykyarvo, 50 vuotta Rivitalon lämmitysratkaisujen elinkaarikustannusten nykyarvo 440 000 430 000 420 000 410 000 400 000 390 000 380 000 370 000 360 000 350 000 340 000 330 000 KL KL+SLL KL+SLL+SIV
kok.kust. NA, EUR Elinkaarikustannusten kumulatiivinen nykyarvo, rivitalo laskentakorko 4% ja pitoaika 50 vuotta 500 000 450 000 400 000 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 aika, vuotta KL KL+SLL KL+SLL+SIV
Herkkyysanalyysi omakotitalotapauksessa energianhinnan suhteen Skenaario 1: Kaukolämmön energiamaksu kasvaa 5 % joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 2: Sähkön energiamaksun kokonaishinta (sis. sähkö ja siirto) kasvaa 5 % joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 3: Sekä kaukolämmön energiamaksu että sähkön energiamaksun kokonaishinta kasvaa 5 % joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina.
Ero KL-vaihtoehtoon, % Energiahinnan muutoksen vaikutukset suhteessa kaukolämpövaihtoehtoon 30 25 Sähkö +5 % 20 15 10 5 0-5 -10 KL KL+sähkö KL+aurinko KL+poistoLP KL+takka KL +5 % lähtötilanne Skenaario 1 Skenaario 2 Skenaario 3
Herkkyysanalyysi kerros- ja rivitalotapauksessa energian hintojen suhteen Skenaario 1: Kaukolämmön perus- ja energiamaksut kasvavat 4 % joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 2: Kaukolämmön perus- ja energiamaksut kasvavat 8 % joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 3: Sähkön energiamaksun kokonaishinta (sis. sähkö ja siirto) kasvavat 4 % joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 4: Sähkön energiamaksun kokonaishinta (sis. sähkö ja siirto) kasvavat 8 % joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 5: Kaukolämmön perus- ja energiamaksu sekä sähkön energiamaksun kokonaishinta (sis. sähkö ja siirto) kasvavat 4 % joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta).
Herkkyysanalyysi, kerrostalo 5 000 000 4 500 000 4 000 000 3 500 000 3 000 000 2 500 000 2 000 000 1 500 000 1 000 000 500 000 Lähtötilanne Skenaario 1 Skenaario 2 Skenaario 3 Skenaario 4 Skenaario 5 0 KL KL+SLL KL+SLL+SIV
Herkkyysanalyysi, rivitalo 1 600 000 1 400 000 1 200 000 1 000 000 800 000 600 000 400 000 Lähtötilanne Skenaario 1 Skenaario 2 Skenaario 3 Skenaario 4 Skenaario 5 200 000 0 KL KL+SLL KL+SLL+SIV
Yhdyskuntavaikutusten tarkastelu, yhdyskunnan rakenne Kiinteistötyyppi Kiinteistöjen lkm Lämmitysenergian kulutus YHT [GWh/a] Omakotitalo 833 19 Rivitalo 515 54 Kerrostalo 1234 375 Virastot, liike- ja julk. rak. 241 183 Koulut, päiväkodit 87 71 Teollisuuslaitokset, varastot 178 96 Yht 3088 798
Yhdyskuntavaikutusten tarkastelun tavoitteet ja rajaukset Kaksi skenaariota 1) sähkölämmityksellä korvataan 10 % kaukolämmityksen tarpeesta 2) sähkölämmityksellä korvataan 20 % kaukolämmityksen tarpeesta Referenssikaupungin lähtötiedot lämmitysenergian tarve 798,0 GWh, tilausteho 306 MW sähköenergian tarve 420,6 GWh mitoitettu ainoastaan yhteistuotannosta saatavan määrän suhteen
Yhdyskuntavaikutusten tarkastelu, energian tuotantorakenne Tuotanto Polttoaine Teho CHP 1. Puu 50% / turve 50 % 2. maakaasu Päälämpökeskus 1. Puu 50% / turve 50 % 2. maakaasu 270 MW 65 MW Vara- ja huippukuormalaitokset POR YHT 160 MW Lisäsähköntuotanto 1. Kivihiili 2. Tuotantomix (keskimääräinen sähkön erillistuotanto v.2006, sis. lauhdetuotanto) 228 MW
Laskentaesimerkki yhdyskuntatarkastelusta, biopolttoaineet pääpolttoaineena Tuotantorakenne, biopolttoaineet pääpolttoaineena (puu/turve) CHP 270 MW =0,90 Pe=81 MW Pth=162 MW (kattaa noin 50 % täydestä kaukolämmön tehontarpeesta ja noin 90 % lämmitysenergiantuotannosta) Päälämpökeskus 60 MW =0,90 Vara-/huippukuormalämpökeskukset =0,90 Vara (6+6+12+12)MW Huippu (24+30+30+40)MW Kivihiililauhdevoimala 228 MW =0,44
Energian kulutus Vuotuinen energian kulutus Nykytila Skenaario 1 Skenaario 2 Lämmitysenergia (kl) 798,0 718,2 638,4 GWh Sähköenergia 420,6 552,7 684,9 GWh
Energiantuotanto ja -kulutus Vuotuiset käyttötunnit Nykytila Skenaario 1 Skenaario 2 CHP 4819 4284 3749 h Päälämpökeskus 1100 1100 1100 h Lämpökeskukset 200 200 200 h Erillinen sähkön tuotanto 476 2549 4388 h Vuotuinen energian kulutus Nykytila Skenaario 1 Skenaario 2 Lämmitysenergia 798,0 718,2 638,4 GWh Sähköenergia 420,6 552,7 684,9 GWh
Päästöindeksi (2006=100) Päästöjen kehitys tco2 tso2 tno2 Tuhka (t) Nykytila 306 175,8 880,9 955,1 11127,8 Skenaario 1 439 549,5 2021,9 1640,2 16733,7 Skenaario 2 554 753,6 3027,6 2238,9 21592,6 400 350 300 250 Syntyvä hiilidioksidimäärä (CO2) Syntyvä typpidioksidimäärä (NO2) Syntyvä kuiva tuhkamäärä 200 150 Syntyvä rikkidioksidimäärä (SO2) 100 NYKYTILA SKENAARIO 1 SKENAARIO 2
Lisäkustannukset eri päästöoikeuksien hinnoilla ja skenaariolla /tco 2 Skenaario 1 Skenaario 2 5-666 868-1 242 889 10-1 333 736-2 485 778 20-2 667 473-4 971 556 30-4 001 210-7 457 334
Säästöt/Kustannukset /a Kokonaiskustannusten muutos 0-2 000 000 Skenaario 1 Skenaario 2-4 000 000-6 000 000-8 000 000 5 /tco2 10 /tco2 20 /tco2 30 /tco2-10 000 000-12 000 000 Kustannuksiin on huomioitu niin tuotantokustannusten muutos kuin päästöoikeudet
Päästöt 1000 tco2/a Tuotantorakenteen vaikutus päästöjen kehitykseen Alla on vertailtu eri tuotantorakenneyhdistelmien välisiä päästöjä eri sähköhybridilämmitysskenaarioilla. Päästöjen muutos, tco2/ vuosi Kaukolämmön kulutuksesta korvautuu sähköllä Nykytila Skenaario 1 (10 %) Skenaario 2 (20 %) 600 500 400 300 200 100 0 CHP (puu50%/turve50%), sähkö (tuotantomix) CHP (puu50%/turve50%), lauhdesähkö (kivihiili) CHP (maakaasu), sähkö (tuotantomix) Oletukset: Tuotantomix: keskimääräinen sähkön erillistuotanto v.2006, sis. lauhdetuotanto
Lisäkustannukset / a Polttoainekustannusten muutos päästöoikeudet huomioon ottaen eri tuotantorakenteilla Polttoainekustannusten muutos Kaukolämmön kulutuksesta korvautuu sähköllä Nykytila Skenaario 1 (10 %) Skenaario 2 (20 %) 6 000 000 5 000 000 4 000 000 3 000 000 2 000 000 1 000 000 0 CHP (puu50%/turve50%), sähkö (tuotantomix) CHP (puu50%/turve50%), lauhdesähkö (kivihiili) CHP (maakaasu), sähkö (tuotantomix) Oletukset: Tuotantomix: keskimääräinen sähkön erillistuotanto v.2006, sis. lauhdetuotanto Päästöoikeuden hinta 10 /tco2
Yhteenveto Hybridilämmitys ei ole kannattavaa niin omakoti-, rivi- kuin kerrostaloasukkaalle. Kaukolämmitetyissä taloissa niin lattia- kuin ilmanvaihdon jälkilämmitys tulisi toteuttaa kaukolämmöllä Hybridilämmityksestä aiheutuu sekä taloudellisia että ympäristöllisiä rasitteita yhdyskunnalle Yhdyskunnan ja kestävän kehityksen kannalta olisi tuettava toimintaa, joka parantaa edellytyksiä lämmöntuotannolle yhteistuotannossa sähkön kanssa.
Yhteenvetoa - Eri lämmitystavat soveltuvat eri kohteisiin, ei ole automaattisesti oikeaa ratkaisua - Kaukolämmitys on taajamien lämmitysmuoto - Siispä kaupungit pitää rakentaa kaupungeiksi - Ja maaseutu voi olla maaseutua - Maalämpöpumppu on paras tällä hetkellä tiedossa oleva sähkölämmitysmuoto - Bioenergia on vihreää energiaa joko talokohtaisesti maaseudulla tai keskitetysti kaupungeissa
Koko tutkimusraportti löytyy: www.energia.fi Kohdasta kaukolämmön tutkimusaineisto: http://www.energia.fi/julkaisut/70?page=2 2 May 2012 Olli Oamkilainen 45