ENERGIATEHOKAS KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUS Tilastotutkimus Helsinki Jarkko Lampinen
Tutkimuksen tavoite Selvittää kaukolämmön pumppaukseen käytetty keskimääräinen sähköenergia Kehittää helppo ja nopea työkalu pumppauksen tehokkuuden arvioimiseen Paljastaa tilastoista tapauksia, joissa näyttäisi olevan tarpeettoman suuri pumppausenergian käyttö KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 2
Toteutus Kaukolämpötilasto vuodelta 2007 Iisalmen kaukolämpöverkon pumppausolosuhteet KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 3
TILASTO-OSUUS KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 4
Pumppauksen suuruuden arvioiminen Pumppauksen tehokkuutta mitataan jakamalla pumppaukseen kulutettu sähkömäärä lämmön kokonaishankinnalla Tätä suhteellista pumppausenergian määrää verrataan seuraaviin tunnuslukuihin: 1. Hankinta (myynti+häviöt) 2. Kl-verkon pituus 3. Lämpötiheys (= lämmön hankinta jaettuna verkon pituudella) 4. Tehotiheys (=vrk-huipputeho jaettuna verkoston pituudella) 5. Pienten kuluttajien osuus (liittymisteho korkeintaan 30 kw) 6. Huipunkäyttöaika 7. Verkostohäviöt KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 5
Hankinta (myynti+häviöt) 1/3 Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. kokonaishankinta 1.6 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.4 % 1.2 % 1.0 % 0.8 % 0.6 % 0.4 % 0.2 % 0.0 % 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Lämmön hankinta, GWh/a KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 6
Hankinta (myynti+häviöt) 2/3 1.6 % Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. kokonaishankinta Hankinta 0-2 500 GWh/a Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.4 % 1.2 % 1.0 % 0.8 % 0.6 % 0.4 % 0.2 % 0.0 % 0 500 1000 1500 2000 2500 Lämmön hankinta, GWh/a KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 7
Hankinta (myynti+häviöt) 3/3 Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.6 % 1.4 % 1.2 % 1.0 % 0.8 % 0.6 % 0.4 % 0.2 % Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. kokonaishankinta Hankinta 0-300 GWh/a 0.0 % 0 50 100 150 200 250 300 Lämmön hankinta, GWh/a KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 8
Verkon pituus 1/3 Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. verkon pituus 1.6 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.4 % 1.2 % 1.0 % 0.8 % 0.6 % 0.4 % 0.2 % 0.0 % 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Verkon pituus, km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 9
Verkon pituus 2/3 Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. verkon pituus verkon pituus 0-500 km 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 0 100 200 300 400 500 Verkon pituus, km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 10
Verkon pituus 3/3 Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. verkon pituus verkon pituus 0-70 km 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 0 10 20 30 40 50 60 70 Verkon pituus, km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 11
Lämpötiheys Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. lämpötiheys 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 0 1 2 3 4 5 6 7 Lämpötiheys, GWh/km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 12
Lämpötiheys (vain CHP-laitokset) Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. lämpötiheys vain yhteistuotantolaitokset 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 0 1 2 3 4 5 6 7 Lämpötiheys, GWh/km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 13
Tehotiheys (=vrk-huipputeho jaettuna verkoston pituudella) Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. tehotiheys 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Tehotiheys, MW/km KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 14
Pienten kuluttajien osuus Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. pienten asiakkaiden osuus Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.7 % 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 0 5 10 15 20 25 30 35 Pienten asiakkaiden osuus, % KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 15
Huipunkäyttöaika Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. huipunkäyttöaika 1,7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1,5 % 1,3 % 1,1 % 0,9 % 0,7 % 0,5 % 0,3 % 0,1 % 2 300 2 500 2 700 2 900 3 100 3 300 3 500 3 700 3 900 4 100 4 300 Huipunkäyttöaika, h KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 16
Verkostohäviöt Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. häviöt 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 5 % 7 % 9 % 11 % 13 % 15 % 17 % 19 % Verkostohäviöt suhteessa kokonaishankintaan KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 17
Työkalu Pumppausenergian osuus hankinnasta vs. lämpötiheys 1.7 % 1.7 % Pumppausenergian osuus (sähköenergia / lämmön hankinta) 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 1.5 % 1.3 % 1.1 % 0.9 % 0.7 % 0.5 % 0.3 % 0.1 % 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Lämpötiheys, GWh/km 0.1 % KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 18
Työkalu sanallisesti Lämpötiheyden ollessa yli 3 MWh/m tulisi pumppaussähkön määrän olla korkeintaan 0,5 % hankitusta lämpömäärästä. Mikäli verkon lämpötiheys tästä laskee, tulisi pumppaussähkön määrän joka tapauksessa olla alle 1 % lämmön hankinnasta. KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 19
Rahallinen arvo "Liian" pumppausenergian arvo Lämpötiheys > 3 GWh/km, Sähkön arvo 60 EUR/MWh 300 Esimerkki: Lämmönhankinta 1 100 GWh/a Pumppausenergian osuus 0,7 % => liian pumppauksen kustannus 130 000 EUR/a Liian pumppausenergian arvo, 1 000 EUR/a 250 200 150 100 Pumppausenergian osuus 0.8 % Pumppausenergian osuus 0.7 % Pumppausenergian osuus 0.6 % 50 0 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 Lämmönhankinta, GWh/a KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 20
CASE IISALMI KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 21
Iisalmen kaukolämpöverkon tunnuslukuja Hankinta 179.9 GWh/a Lämpöhäviöt 17.6 GWh/a 9.8 % Pumppausenergia 500 MWh/a Pumppausenergia / hankinta 0.3 % Verkon pituus 71 km Lämpötiheys 2.5 GWh/km Max. korkeusero 20 m Kaukolämmön pumppaukseen käytetty sähkömäärä on matala, alle 0,3 % <= Iisalmen kaukolämpöverkko on suhteellisen tiheästi rakennettu <= verkon putkidimensiot ovat suhteellisen suuret virtausmääriin nähden KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 22
Iisalmen kaukolämpöverkko CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 23
Iisalmen kaukolämpöverkon painekuvaaja KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 24
Tutkitut tilanteet Iisalmen kaukolämpöverkon käyttäytymistä tutkitaan tekemällä erilaisia muutoksia verkossa. Muutosten vaikutus pumppauksen määrään lasketaan. Tutkittuja tilanteita ovat: 1. Yhden ongelma-asiakkaan vaikutus 2. Välipumppaamon vaikutus 3. Uusi iso asiakas pohjoiseen 4. Uusi iso asiakas pohjoiseen lähelle voimalaitosta 5. Uusi iso asiakas etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 25
Yhden ongelma-asiakkaan vaikutus Iisalmen kaukolämpöverkossa oli vielä vuonna 2007 suuri lämpöasiakas, jolle ei kyetty toimittamaan tarvittavaa määrää lämpöä ilman, että paine-ero asiakkaalla nostettiin yli 1 bar (normaali paine-ero olisi ollut 0,6 bar) Asiakas sijaitsee voimalaitokselta katsottuna ennen välipumppaamoa, joten asiakkaalla tarvittava paineero piti pumpata voimalaitoksella ongelma-asiakas lisää pumppausta voimalaitoksella, mutta alentaa pumppausta välipumppaamossa yhteisvaikutus on, että pumppaamiseen tarvitaan lisätehoa 19,2 kw Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 26
Välipumppaamon vaikutus Välipumppaamon avulla pumppausta voimalaitoksella voidaan vähentää: Välipumppaamon vesivirta on pienempi, kuin vesivirta voimalaitoksella Nostokorkeus voimalaitoksen lähellä voi muodostua ilman välipumppaamoa kohtuuttoman korkeaksi, jotta verkon hännille saataisiin vaadittava paineero Iisalmen tapauksessa välipumppaamo vähentää pumppaamisen tehoa 74 kw CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo Ongelmapiste CASE: Uusi kuluttaja etelään Kriittinen kuluttaja KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 27
Uuden asiakkaan sijoittumisen vaikutus 1/3 Uusi iso asiakas pohjoiseen Uuden asiakkaan liityntäpiste on voimalaitoksen pohjoispuolella, jolloin uusi kuluttaja vaikuttaa ensisijassa voimalaitoksella tapahtuvaan pumppaukseen. Voimalaitoksen ja uuden suurehkon kuluttajan välissä on suhteellisen pitkä DN80 putkiosuus. Tällä osuudella painehäviö kasvaa niin suureksi, että se pakottaa nostamaan voimalaitoksen pumppauskorkeutta 2,3 bar. Tämä vähentää pumppauksen tarvetta välipumppaamossa. Tässä esimerkkitapauksessa uusi asiakas nostaa pumppauksen tehoa 65 kw. Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 28
Uuden asiakkaan sijoittumisen vaikutus 2/3 Uusi iso asiakas pohjoiseen lähelle voimalaitosta Tässäkin tapauksessa liityntäpiste on voimalaitoksen pohjoispuolella, jolloin uusi kuluttaja vaikuttaa ensisijassa voimalaitoksella tapahtuvaan pumppaukseen. Liityntäpiste on kuitenkin hyvin lähellä voimalaitosta, ja matkalla olevat putkiyhteydet ovat väljästi mitoitettu, joten uuden asiakkaan vaikutus pumppaukseen on siten pieni, noin 1 kw. Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 29
Uuden asiakkaan sijoittumisen vaikutus 3/3 Uusi iso asiakas etelään Uusi asiakas on sijoitettu lähes verkon äärimmäiseen pisteeseen etelässä, mutta kuitenkin niin, että uusi asiakas voi liittyä DN125 siirtojohtoon. Uuden asiakkaan kuluttama lämpö joudutaan pumppaamaan koko kaupungin läpi. Suurimmat pumppauskustannukset aiheutuvat kaupungin keskustan läpäisystä. Välipumppaamossa uuden kuluttajan aiheuttama tarvittavan nostokorkeuden lisäys on pieni. Tässä tapauksessa uusi kuluttaja lisää pumppauksen tarvetta 9 kw Ongelmapiste Kriittinen kuluttaja CASE: Uusi kuluttaja pohjoiseen Voimalaitos Välipumppaamo CASE: Uusi kuluttaja etelään KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 30
Yhteenveto esimerkkilaskelmien kustannusvaikutuksista Pumppauksen huipunkäyttöaika 5000 h Uuden asiakkaan vuosienergia 780 MWh t Sähkön arvo 60 EUR/MWh e Kustannusvaikutukset Ongelmapisteen vaikutus Välipumppaamon vaikutus 5 800 EUR/a 22 200 EUR/a Uusi iso asiakas pohjoiseen 25.0 EUR/MWh t Uusi iso asiakas pohjoiseen lähelle voimalaitosta 0.4 EUR/MWh t Uusi iso asiakas etelään 3.4 EUR/MWh t KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 31
Johtopäätöksiä Iisalmen esimerkeistä Yhden asiakkaan ongelmat lämmönsiirrossa voi pakottaa nostamaan paine-eroa koko verkossa. Tämä voi merkitä tuhansien eurojen lisäkulua kaukolämmön toimittajalle. Iisalmen tapauksessa välipumppaamo säästää pumppauskustannuksissa yli 20 000 EUR. Ollakseen kannattava hanke, ei välipumppaamon investointi saisi olla juurikaan yli 200 000 EUR. Kaukolämmön lisäasiakkaiden aiheuttama pumppaus tarpeen lisä on hyvin tapauskohtainen. Parhaimmillaan se nostaa lämmön hankintakustannuksia alle 1 EUR/MWh. Pahimmillaan lisäpumppauksen kustannusvaikutus on samaa luokkaa polttoainekustannusten kanssa. KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 32
Pöyry Finland Oy, Energy Jarkko Lampinen jarkko.lampinen@poyry.com KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUSENERGIAN SUURUUS 33