Sähkön ja kaukolämmön rooli energiatehokkuudessa ja energian säästössä

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Raportti, 12.10.2009 Sähkön ja kaukolämmön rooli energiatehokkuudessa ja energian säästössä Samuli Honkapuro, LUT Niko Jauhiainen, LUT Jarmo Partanen, LUT Seppo Valkealahti, TTY

2 Tiivistelmä Tässä tutkimuksessa on analysoitu sähkön ja lämmön loppukäytön ja tuotannon energiatehokkuuden lisäämisen kokonaisvaikutuksia energiajärjestelmän päästöjen kannalta. Tarkasteltavia kohteita ovat olleet rakennusten lämmitys ja jäähdytys, kotitalouksien, palveluiden ja teollisuuden sähkön käyttö sekä liikenteen päästövaikutukset. Tässä tutkimuksessa tarkastelluissa käyttökohteissa arvioidaan olevan huomattavaa tehostamispotentiaalia siten, että energian loppukäyttöä voidaan näiden avulla pienentää yhteensä 19 % vuoteen 2050 mennessä. Vuoteen 2020 mennessä tehostamispotentiaalia on 5 % kaikesta loppuenergiankäytöstä. Tehostamispotentiaalia on erityisesti rakennusten lämmityksessä sekä liikenteessä, kuten myös teollisuuden ja kotitalouksien energiankäytössä. Tässä esitetyssä skenaariossa sähköllä ja kaukolämmöllä korvataan muita energiamuotoja, kuten liikenteen polttoaineita ja lämmitysöljyä. Siten sähkön osuus loppuenergiasta kasvaa nykyisestä 27 %:sta 29 %:iin vuoteen 2050 mennessä, mikäli suoritemäärät ovat nykyiset. Koska rakennusten lämmöntarpeen odotetaan pienentyvän selvästi, ei kaukolämmön osuuteen loppuenergiasta ole tämän skenaarion mukaan odotettavissa merkittäviä muutoksia. Suoritemäärien muutokset, joita ei tässä tutkimuksessa ole tarkasteltu, vaikuttavat oleellisesti loppuenergian käyttöön ja eri energiamuotojen osuuteen. Energiankäytön ja tuotannon tehostumisen avulla on saavutettavissa merkittäviä päästövähennyksiä. Mikäli oletetaan, että sähkön tuotanto on hiilidioksidivapaata vuonna 2050, voidaan Suomen hiilidioksidipäästöjä pienentää tässä raportissa esitetyillä keinoilla 54 % nykyisestä tasosta. Rakennusten lämmittämiseen tarvittava energiamäärä pienentyy rakennusten eristystason kehittymisen sekä lämmitysjärjestelmien hyötysuhteen parantumisen myötä. Näillä keinoin arvioidaan lämmitykseen tarvittavan energiamäärän pienentyvän nykyisestä vuoteen 2020 mennessä 10 % ja vuoteen 2050 mennessä 43 %. Energiatarpeen pienentymisen ohella syntyviin päästöihin vaikuttavat käytettävät lämmitysmuodot. Tällöin merkittävässä roolissa on öljylämmityksen korvaaminen vähäpäästöisemmillä vaihtoehdoilla sekä maa- ja ilmalämpöpumppujen yleistyminen. Ilmalämpöpumpulla voidaan pienentää rakennuksen lämmityksen päästöjä 20-30 %, kun taas maalämpöpumpulla päästään 60-70 % päästövähennykseen, verrattuna öljylämmitykseen. Öljylämmityksen potentiaalisia korvaavia vaihtoehtoja ovat puulämmitys, sähkö ja maalämpöpumput sekä kaukolämpö niillä alueilla, joilla on olemassa oleva kaukolämpöverkko tai se on teknis-taloudellisesti sinne järkevää rakentaa.

3 Kaukolämmön käyttöä puoltaa sen positiiviset vaikutukset koko energiajärjestelmän kannalta; tuotettaessa sähköä ja lämpöä yhteistuotannolla, kokonaishyötysuhteeksi muodostuu lähes 90 %, kun puolestaan lauhdetuotannossa jäädään n. 40 % tuntumaan. Jotta yhteistuotantosähköä voidaan tuottaa, tarvitaan käyttöpaikka kaukolämmölle. Siten olennaisinta on varmistaa kaukolämmön hyödyntäminen niillä alueilla, joilla kaukolämpöä on saatavilla. Tällöin etusijalla ovat kiinteistöiden oikean lämmönlähteen valitseminen sekä sähköisten lisälämmittimien käytön minimoiminen kaukolämmitetyissä kiinteistöissä. Henkilöautoliikenteen päästöjen vähennyksessä merkittävässä roolissa tulevat olemaan sähköverkosta ladattavat hybridiautot sekä sähköakkuautot. Tällä hetkellä suunnitelmissa olevat sähköiset henkilöautot kuluttavat sähköenergiaa 10 20 kwh/100 km, jolloin nykyisellä Suomen sähköntuotantotapajakaumalla päästöjä syntyy n. 20 45 g/km, joka on huomattavan vähän verrattuna uuteen diesel-autoon, jonka keskipäästö on n. 165 g/km. Myös täysin päästötön liikkuminen sähköautoilla on mahdollista, mikäli nämä ladataan uusiutuvalla energialla, kuten vesitai tuulivoimalla. Mikäli kaikki Suomen nykyinen henkilöautoliikenne hoidettaisiin sähköautoilla, pienentyisivät päästöt nykyisellä liikennemäärällä ja sähkön tuotantojakaumalla laskettuna n. 5,9 MtCO 2 /a, joka vastaa n. 10 % Suomen nykyisistä päästöistä. Sähköenergiaa siirtohäviöt mukaan lukien tarvittaisiin 7 TWh/a. Tässä raportissa esitetyssä sähköautojen yleistymisestä koskevassa skenaariossa on arvioitu, että sähköisten ajonevojen lisääminen pienentäisi vuonna 2020 henkilöautoliikenteen päästöjä 1,7 %, mikä vastaa 0,2 % pienentymistä kaikissa Suomen hiilidioksidipäästöissä. Vastaavasti vuonna 2050 päästövähennys olisi 70 % henkilöautoliikenteen päästöistä ja 8,3 % Suomen kaikista hiilidioksidipäästöistä, mikäli oletetaan että sähköntuotanto ei synnytä vuonna 2050 hiilidioksidipäästöjä. Sähköautojen verkostovaikutusten osalta avainasemassa on älykäs latauksen ohjaus; mikäli akkuja ladataan ilman ohjausta, voi se kasvattaa huomattavasti jakeluverkon huipputehoja, joka johtaa mittaviin verkon vahvistusinvestointeihin ja siten kasvaneisiin siirtohintoihin. Älykkäällä latauksella autojen akkuja voidaan ladata siten, että useimmissa tilanteissa vältytään verkon huipputehon kasvulta, vaikka siirretty energiamäärä kasvaakin. Kotitaloudet käyttävät nk. laitesähköä, joka ei sisällä sähkölämmityksen käyttämää sähköenergiaa, n. 11 TWh vuodessa, joka on n. 13 % Suomessa vuosittain käytettävästä sähköenergiasta. Kulutukseltaan suurimmat laiteryhmät ovat valaistus, kylmälaitteet sekä kodin elektroniikka. Kaikkien kotitalouslaitteiden teknisen säästöpotentiaalin arvioidaan olevan 23 % kotitalouksien sähkön käytöstä vuoteen 2020 mennessä. Samalla kuitenkin rakennusten lämmitysenergian tarve kasvaa, kun sähkölaitteiden rakennukseen luovuttama lämpöenergia pienentyy.

4 Teollisuuden sähkön käyttöä olisi teknisillä tehostamiskeinoilla mahdollista pienentää 14 % vuoteen 2030 mennessä ja 21 % vuoteen 2050 mennessä. Suurimmat yksittäiset säästökohteet ovat tuotantoprosessien optimoinnissa sekä pumppauksissa ja paineilmalaitteistoissa. Nykyisellä Suomen sähköntuotantojakaumalla 21 % tehostaminen teollisuuden sähkönkäytössä tarkoittaisi 3,5 % pienentymistä kokonaishiilidioksidipäästöissä. Mikäli sähköntuotannon vähennys kohdistuisi fossiilisilla polttoaineilla tuotettuun lauhdesähköön, olisi päästövähennys jo 15 % Suomen vuotuisista päästöistä. Sähkönsäästön lisäksi teollisuudessa on paljon energiatehokkuuspotentiaalia hukkalämmön hyödyntämisessä. Tässä tutkimuksessa on arvioitu, että julkisen ja palvelusektorin laitesähkön käytössä, joka vastaa tällä hetkellä n. 17 % kaikesta Suomessa käytetystä sähköstä, olisi n. 18 % säästöpotentiaali, joka saavutetaan erityisesti valaistusta, ilmanvaihtoa ja sähkökäyttöjä tehostamalla. Tähän arvioon sisältyy kuitenkin epävarmuuksia, johtuen sekä tarkkojen tilastotietojen puuttumisesta että sektorin heterogeenisyydestä.

5 Executive summary In this study called Role of the electricity and district heating in energy efficiency and energy saving, the environmental effects of the efficiency improvements in the end-use and production of the electricity and district heating in Finland are studied. The focus is to analyse the possibilities to reduce the carbon dioxide emissions of the fuel combustion by increasing the energy efficiency. Studied areas of the end-use are; heating and cooling of the buildings, electricity usage in households, industry, private and public services, and energy usage in transport sector. The starting point of the analysing process is the need of the energy in the end use (for instance, the heat demand of the buildings). Based on the energy demand and the efficiency of the energy usage (for instance, efficiency of the heating system), the total amount of the used energy is found. Further, the total energy demand is the sum of the end use and losses in transmission and distribution network. Based on the total energy demand, the production mix, and the efficiency of the production technologies, the total amount of the fuels consumed, and thus emissions from the fuel combustion, can be calculated. The analysing process is illustrated further in the Figure 1. DEMAND END USE TRANSMISSION & DISTRIBUTION PRODUCTION EMISSIONS Heating of the buildings (district heat, electricity, heat pumps, oil, wood, etc.) Waste heat from electric devices (e.g. lighting) End use of electricity (in industry, households, services) Total use of district heating Total use of electricity Losses in T & D Losses in T & D Direct use of fuels Total production of electricity and heat -Separate heat production -CHP -Separate electricity production Efficiency of the production Total usage of the fuels (Oil, coal, natural gas, peat, wood, uranium, etc.) CO 2 Transportation (use of oil, biofuels, natural gas, electricity) Direct use of fuels Figure 1. Analysing process.

6 The largest efficiency improvement potential revealed to be in the heating of the buildings and in transportation sector. In total, there is potential to reduce the end use of the energy by 19 % from the present situation by the year 2050 in sectors, which were analysed in this research project. This energy saving will result on the decrease of the carbon dioxide emissions of the fuel combustion in Finland by 27 % from current level (61.2 MtCO 2 /a), if energy production mix remains unchanged. However, it is expected that the production mix will change so that greenhouse gas emissions of the energy production will decrease. If the production of the electricity will be CO 2 -free in the year 2050, the previous mentioned reduction of the carbon dioxide emissions would be 54 % from current level. Furthermore, if also production of the district heating would be free from carbon dioxide emissions, the total emission reduction would be 64 % in the year 2050. The heating of the buildings consumes annually 80 TWh energy in Finland. The demand of the heating energy of the Finnish building stock is expected to decrease by 10 % from the current level by the year 2020 and by 43 % by the year 2050. This energy saving potential is achieved by improvements in the heat insulation of the buildings and increase in the efficiency of the heating systems. The renewal rate of the building stock in Finland and normal renovations of the buildings are taken into account in these calculation. In addition to heat demand reduction, the environmental effects of the heating can be reduced by choosing the right heating system. Particularly, replacing the oil-based heating by the less polluting heating systems, like wood, heat pumps, district heating, or electricity, plays dominant role in the greenhouse gas reduction. In Finland, about 20 % of all buildings, which means over 300 000 buildings, are heated by the oil. The carbon dioxide emissions of the heating of an oil heated detached house can be decreased by 20-30 % by installing air-to-air heat pump. In addition, the decrease of the emissions is estimated to be 60-70 %, if ground (or water or rock) source heat pump is used. Furthermore, favouring the district heating in the areas, where the heat distribution network is technically and economically feasible to build, increase the efficiency of the whole energy system. The efficiency of the CHP-power plant, where electricity and heat is co-produced, could be over 90 percent, while the efficiency of the typical condensate power plant is usually about 40 %. If the building stock and energy production mix remain unchanged, it is estimated that annual carbon dioxide emissions of the heating of the buildings can be decreased in total by 2.7 MtCO 2 by year 2020 (4 % of the total fuel combustion emissions in Finland in year 2007) and 7.9 MtCO 2 by the year 2050 (12 % of the emissions in the year 2007). Annual carbon dioxide emissions of the Finnish transport sector were 14 MtCO 2 in year 2007, of which about half (7.4 MtCO 2 ) were caused by passenger cars. Hence, reducing the emission levels of the passenger cars have significant effect on the total emissions, and electric passenger cars, either full range battery vehicles or plug-in hybrids, plays a key role in this process. This is mostly due to the higher energy efficiency of the electric motor, compared to internal com-

7 bustion motor; the energy usage of the electricity driven car is typically 10 20 kwh / 100 km, which is equal to 1 2 litres of the gasoline. This causes 20 45 gco 2 /km emissions, if electricity is generated by the average Finnish production mix. Furthermore, it is possible to achieve emission level 0 g/km, by producing needed electricity from renewable energy sources. Decrease in the emission level is noticeable, when comparing it with modern diesel-fuelled car, of which emissions are typically about 160 g/km. If all passenger cars in Finland were electric cars, and electricity production mix and the amount of the traffic remain unchanged, the annual carbon dioxide emissions would decrease by 5.9 MtCO 2, which is approximately 10 % of the total Finnish fuel combustion CO 2 emissions. If needed electricity were generated by utilising CO 2 free production, the decrease of the emissions would be over 7 MtCO 2. The annual need of the electricity, including losses in transmission and distribution, would increase by 7 TWh, which is about 8 % of the total Finnish electricity consumption. In this research project, the scenario concerning the penetration of the electric cars in the Finland until the year 2050 was made. In that scenario, it is presumed that share of the plug-in hybrid electric vehicles (PHEV) in all new passenger cars will increase from 0 to 60 % during the years 2010 2035, and after that, it will decrease to 40 % by the year 2050. In addition, the share of the full range battery electric vehicles is presumed to increase from 0 to 50 % during the years 2020 2050. Hence, the share of the internal combustion passenger cars will decrease from present 100 % to 10 % from all new cars by the year 2050. When taking into account typical rate of the renewal of the car stocks in Finland, it can be concluded that if this scenario will realise and electricity usage is carbon dioxide free in year 2050, the annual CO 2 emissions, caused by the passenger cars, will decrease 70 % (5.1 MtCO 2 ) by 2050, if the amount of the traffic remains stable. If the penetration of the electric cars is high, and lots of cars are charged simultaneously in the small area, the power demand from distribution network may increase significantly. Demand increase may require reinforcement investments and hence increase the costs of the power distribution. However, the demand increase can be avoided or minimised by adjusting the charging to off-peak hours with the intelligent charging methodology. Hence, it is important to develop and utilise the intelligent charging system for electric cars. Finnish households use the electricity (excluding electric heating) 11 TWh/a, which is 13 % of the all electricity usage in Finland. Most significant device clusters are indoor lighting, cold storage devices, and household and entertainment electronics. Estimated reduction potential in the annual electricity usage of the households in Finland is in total 2.5 TWh, which is 23 % of the total electricity usage of the households. This can be achieved by more efficient electric devices. However, improvement of the energy efficiency of the electric devices increase the

8 heat demand of the buildings, since smaller amount of the waste heat from the devices is available. In Finland, especially lighting is used mostly at same time as buildings are heated, that is during the winter. It is estimated that previous mentioned 2.5 TWh decrease in the electricity usage increase annual heating demand by 1.6 TWh. However, the amount of the heat that can be taken into use from the electric devices is strongly case specific and depends for instance from the properties of the heating system and location of the electric devices. Electricity usage in the Finnish industrial sector in year 2007 was 48 TWh, which is 53 % of the all electricity usage in Finland. Major sectors from the electricity usage viewpoint are pulp and paper industry, metal industry and chemical industry. The electricity use in the industrial sector can be decreased by increasing the energy efficiency particularly in the pumps and compressed air systems and by optimising the manufacturing process. Decrease potential in the annual industrial electricity usage in Finland is estimated to be 14 % (6.7 TWh) by the year 2030 and 21 % (10 TWh) by the year 2050 compared with the electricity usage in the year 2007. If the electricity production mix is unchanged, the reduction in the annual carbon dioxide emissions would be 2.3 MtCO 2 in year 2050. If the reduction in the production of the electricity is focused on the fossil fuel produced electricity, the decrease in the CO 2 emissions would be 9.4 MtCO 2. Annual electricity usage (excluding electricity heating) in private and public services in Finland is 15.5 TWh, which is 17 % of the total electricity usage in Finland. It is estimated that this electricity usage can be decreased by 18 % by increasing the energy efficiency of the lighting, ventilation, and electricity drives. However, efficiency potential estimate in service sector contains some uncertainties, since service sector is highly heterogenic and there is also lack of the accurate energy statistics from this sector.

9 Alkusanat Tämä tutkimus on tehty Energiateollisuus ry:n toimeksiannosta kesän 2008 ja kevään 2009 välisenä aikana. Tutkimuksen toteuttamiseen ovat osallistuneet Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta TkT Samuli Honkapuro, dipl.ins. Niko Jauhiainen ja prof. Jarmo Partanen sekä Tampereen teknillisestä yliopistosta prof. Seppo Valkealahti. Lisäksi asiantuntijanäkemyksiä erityisesti rakennusten lämmitykseen liittyen ovat antaneet Tampereen teknillisestä yliopistosta prof. Antero Aittomäki sekä dipl.ins. Juhani Heljo. Projektin johtoryhmään on kuulunut Energiateollisuus ry:n sekä tutkijoiden edustajia. Tekijät tahtovat kiittää sekä johtoryhmää että edellä mainittuja asiantuntijoita työpanoksesta ja hyvistä kommenteista ja näkemyksistä. Lappeenrannassa ja Tampereella elokuussa 2009 Tekijät

10 Sisällysluettelo Tiivistelmä...2 Executive summary...5 Alkusanat...9 Sisällysluettelo...10 Käytetyt merkinnät ja lyhenteet...14 1 Johdanto...15 2 Tavoitteet ja analysointiperiaatteet...16 2.1 Analysointiperiaate...16 2.2 Analysointityökalu...19 2.2.1 Teollisuuden sähkön käyttö...19 2.2.2 Kotitalouksien laitesähkö...19 2.2.3 Palvelu- ja julkinen sektori...20 2.2.4 Rakennusten lämmitys ja jäähdytys...20 2.2.5 Liikenteen energian käyttö...21 2.2.6 Sähkön ja lämmön tuotanto...22 2.3 Elinkaarianalyysi Gemis-työkalulla...23 3 Rakennusten lämmitys ja jäähdytys...27 3.1 Rakennusten lämmöntarve...28 3.2 Lämmitystekniikat...30 3.2.1 Sähkölämmitys...32 3.2.2 Kaukolämpö...33 3.2.3 Öljylämmitys...35 3.2.4 Puu...36 3.2.5 Lämpöpumput...37 3.2.6 Korvaustarkastelut...42 3.3 Rakennusten jäähdytys...48

11 3.3.1 Jäähdytysenergian tarve...48 3.3.2 Jäähdytystekniikat...51 3.3.3 Jäähdytyksen vaikutukset energiajärjestelmän kannalta...53 3.4 Yhteenveto...56 3.4.1 Rakennusten lämmitysenergian tarve...56 3.4.2 Lämmitystapojen muutosten vaikutukset...58 3.4.3 Jäähdytys...59 4 Kotitalouksien sähkönkäyttö...61 4.1 Valaistus...61 4.2 Kylmälaitteet...64 4.3 Kodinelektroniikka...65 4.4 Muut laitteet...66 4.5 Yhteenveto...67 5 Julkisen- ja palvelusektorin sähkönkäyttö...70 5.1 Sähkön käytön nykytila...70 5.2 Valaistus...71 5.3 Ilmanvaihto...71 5.4 Sähkömoottorit...71 5.5 Toimistolaitteet...72 5.6 Yhteenveto...72 6 Teollisuuden sähkönkäyttö...74 6.1 Teollisuuden sähkönkäyttö toiminnoittain...74 6.2 Pumppaukset...77 6.3 Paineilma...78 6.4 Muut tehostamismahdollisuudet...79 6.4.1 Puhaltimet...79 6.4.2 Korkeahyötysuhteiset moottori...79

12 6.4.3 Valaistus...80 6.5 Valmistusprosessin tehostaminen...80 6.6 Yhteenveto...81 7 Liikenteen energiankäyttö...83 7.1 Henkilöautoliikenne...83 7.1.1 Sähköautojen potentiaali päästöjen vähennyksessä...83 7.1.2 Sähköautojen ja ladattavien hybridien teknologinen kehitysskenaario...85 7.1.3 Ladattavien hybridien kustannusanalyysi...87 7.1.4 Skenaario ladattavien hybridien ja sähköakkuautojen yleistymisestä...92 7.1.5 Sähköautojen verkostovaikutukset...97 7.2 Raideliikenne...99 7.3 Yhteenveto...99 8 Markkinapaikan eli verkkoliitynnän kehittyminen...101 9 Sähkön ja lämmön tuotanto...102 9.1 Tuotantomuodot...102 9.1.1 Höyryvoimalaitokset...102 9.1.2 Vastapainevoimalaitos...105 9.1.3 Kaasuturbiinilaitos...106 9.1.4 Dieselvoimalaitokset...107 9.1.5 Kombivoimalaitokset...107 9.1.6 Tuulivoima...108 9.1.7 Vesivoima...109 9.1.8 Aurinkoenergia...110 9.1.9 Polttokenno...112 9.2 Pienen kokoluokan CHP-tuotanto...113 9.3 Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS)...115 9.4 Yhteenveto...119 10 Yhteenveto ja suositukset...121 10.1 Loppukäytön tehostamispotentiaali...121

13 10.1.1 Rakennusten lämmitys ja jäähdytys...121 10.1.2 Liikenne...124 10.1.3 Kotitalouksien sähkönkäyttö...125 10.1.4 Teollisuus...126 10.1.5 Julkiset ja yksityiset palvelut...126 10.2 Energiatehokkuuden lisäämisen kokonaisvaikutukset...127 Lähdeluettelo...130

14 Käytetyt merkinnät ja lyhenteet BAT BAU BWR CCGT CCS CEV CFL CHP EPR FBR FCAPUV FCEV FPBEV GEMIS GIF H2ICV HEV HTR IGCC ILP IPCC LCA LPG MLP NEV PHEV PWR ZEV Best Available Technology Business as Usual Boiled Water Reactor Combined Cycle Gas Turbine Carbon Capture and Storage City Electric Vehicle Compact fluorescent Combined Heat and Power, yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto European Pressurised Water Reactor Fast Breeder Reactor Fuel Cell Auxiliary Power Unit Fuel Cell Electric Vehicle Full Performance Battery Electric Vehicle Global Emissions Model for Integrated Systems Generation IV International Forum Hydrogen Internal Combustion Vehicle Hybrid Electric Vehicle High Temperature Reactor Integrated Gasification Combined Cycle Ilmalämpöpumppu Intergovernmental Panel on Climate Change Life-Cycle Analysis, elinkaarianalyysi Liquefied Petroleum Gas Maalämpöpumppu Neighbourhood Electric Vehicle Plug-in Hybrid Electric Vehicle Pressurised Water Reactor Zero Emission Vehicle

15 1 Johdanto Energiatehokkuus ja energiansäästö ovat merkittävimpiä keinoja vähentää öljyriippuvuutta ja ilmastomuutokseen vaikuttavia CO 2 -päästöjä. Energiajärjestelmän energiatehokkuuden parantamisessa sähköllä ja CHP-laitoksissa tuotetulla kaukolämmöllä on ollut ja tulee olemaan erittäin keskeinen rooli. Vanha sanonta sähkön käytön lisääminen vähentää kokonaisenergian käyttöä on entistä vahvempana voimassa. Myös Suomelle on asetettu haasteelliset tavoitteet energiansäästöön ja CO 2 -päästöjen vähentämiseen liittyvissä talkoissa. Sähkö- ja kaukolämpöalan kannalta keskeinen kysymys liittyy siihen, mikä on alan rooli kyseisten tavoitteiden saavuttamiseen liittyvissä toimissa. Tässä tutkimushankkeessa analysoidaan energian käytön tehostamisen vaikutuksia sellaisissa kohteissa, joissa sähköllä ja/tai kaukolämmöllä on merkittävä rooli. Siten tarkasteltavia kohteita ovat rakennusten lämmitys ja jäähdytys, kotitalouksien, julkisen- ja palvelusektorin sekä teollisuuden sähkön käyttö, liikenteen sähkön käytön lisäämisen mahdollisuudet sekä sähkön ja lämmön tuotanto. Lisäksi tarkastellaan lyhyesti sähkön osalta markkinapaikan, eli verkkoliittymän roolia. Tutkimushankkeessa tarkastellaan energiansäästöpotentiaalia vuosille 2020 ja 2050. Energian käytön vaikutuksien analysointi alkaa energian tarpeesta, josta päästään loppukäytön hyötysuhteen perusteella energian kokonaiskäyttöön. Kun tähän lisätään siirto- ja jakelujärjestelmän häviöt, on lopputuloksena kokonaistuotanto, josta tuotantotapajakauman sekä tuotantomuotojen hyötysuhteiden perusteella määritetään polttoaineiden käyttö sekä niiden aiheuttamat päästöt. Ketjussa kokonaisuutta katsotaan siis käyttöpäästä lähtien. Siten myös raportissa käsittely aloitetaan loppukäytöstä ja edetään siitä tuotantoon. Prosessi on iteratiivinen siten, että loppukäytön tehostamisen ympäristövaikutukset riippuvat tuotannon hyötysuhteista. Joten, jos tarkastellaan sekä tuotannon että loppukäytön energiatehokkuuden lisäämisen kokonaisvaikutuksia, täytyy molemmat analysoida saman aikaisesti. Tutkimusraportin alussa on kerrottu tutkimuksen tavoitteet sekä käytetyt analysointiperiaatteet ja menetelmät. Tästä edetään energian loppukäyttöön, käsittäen rakennusten lämmityksen ja jäähdytyksen sekä sähkön käytön kotitalouksissa, julkisella ja palvelusektorilla ja teollisuudessa sekä liikenteen energiankäytön. Loppukäytön energiatehokkuudet analysoidaan kohteittain, sekä arvioidaan niiden kokonaisvaikutukset nykyisellä tuotantotekniikalla. Loppuosassa raporttia käsitellään tuotantomenetelmien kehitysnäkymiä sekä markkinapaikan eli verkkoliitynnän kehittymistä. Raportin lopussa esitetään yhteenveto sähkön ja kaukolämmön energiatehokkuuden lisäämisen kokonaisvaikutuksista, huomioiden loppukäyttö, siirtotie sekä tuotanto. Suosituksina esitetään merkittävimmät tekniikat ja menetelmät, joiden yleistymistä edistämällä voidaan parantaa energiajärjestelmän energiatehokkuutta ja pienentää kokonaispäästöjä. Raportissa esitetyt analyysit on tehty pääosin elokuun 2008 ja maaliskuun 2009 välisenä aikana.

16 2 Tavoitteet ja analysointiperiaatteet Tutkimushankkeen tavoitteena on analysoida sähkön ja kaukolämmön roolia energiatehokkuuden parantamisessa ja hiilidioksidipäästöjen pienentämisessä. Tutkimuksessa määritetään sähkön ja kaukolämmön energiatehokkuus- ja säästöpotentiaali käyttökohteittain. Lisäksi analysoidaan muiden energiamuotojen korvaamista sähköllä ja kaukolämmöllä ja sen vaikutuksia hiilidioksidipäästöihin ja energiatehokkuuteen. Analyysien perusteella kartoitetaan tärkeimmät kohteet, joissa energiatehokkuutta pystytään oleellisesti parantamaan sähkön ja kaukolämmön käytöllä. Tutkimuksessa keskitytään kohteisiin, joissa energiatehokkuus parantuu oleellisesti sähkön tai kaukolämmön käytön avulla, joko tehostamalla sähkön ja lämmön käyttöä tai siirtymällä muista energiamuodoista em. vaihtoehtoihin. On huomattava, että monissa kohteissa on useita muitakin keinoja parantaa energiatehokkuutta, mutta niitä ei ole tässä yhteydessä analysoitu tarkemmin. Loppuenergian käyttöön vaikuttavat luonnollisesti myös monet muut asiat kuin pelkkä teknologinen kehitys. Esimerkiksi teollisuuden energiankäytössä on rakennemuutoksilla ja suhdannevaihteluilla merkittävä rooli. Tässä raportissa lähtökohtana on kuitenkin kartoittaa teknisiä mahdollisuuksia energiansäästössä. Siten muiden tekijöiden vaikutuksia ei ole tässä yhteydessä tarkasteltu. Lopputuloksena saadaan kuitenkin prosentuaalinen arvo tehostamispotentiaalista, joka voidaan suhteuttaa myös muiden seikkojen vuoksi muuttuneeseen energiankäytön tilanteeseen. 2.1 Analysointiperiaate Tutkimuksessa on analysoitu koko energiajärjestelmän energiatehokkuutta lähtien energian loppukulutuksesta. Periaatteena on analysoida ensimmäiseksi energian tarve, esimerkiksi rakennusten lämmityksessä lämmön tarve, lähtien eri rakennustyyppien ominaiskulutuksesta (kwh/m 2,a) ja kokonaismäärästä (m 2 ). Kun huomioidaan energian loppukäytön hyötysuhde, lämmityksen tapauksessa lämmitysjärjestelmän hyötysuhde, saadaan tulokseksi energian loppukäyttö. Lisäämällä tähän siirrossa ja jakelussa tapahtuvat häviöt, tässä tapauksessa sähkö- ja kaukolämpöverkon häviöt, saadaan tuotannon kokonaismäärä. Tästä puolestaan päästään polttoaineiden kulutukseen, huomioimalla tuotantotapajakauma sekä eri tuotantomuotojen hyötysuhteet. Polttoaineiden käytön perusteella voidaan laskea tuotannon aiheuttamat päästöt. Analysointiperiaate on esitetty kuvassa 2.1.

17 TARVE LOPPUKÄYTTÖ SIIRTO & JAKELU TUOTANTO PÄÄSTÖT Polttoaineiden suora käyttö Rakennusten lämmitys (kaukolämpö, sähkö, lämpöpumput, öljy, puu ) Kaukolämmön kokonaiskulutus Sähkön ja lämmön tuotanto Hukkalämpö sähkölaitteista (esim. valaistus) Sähkön loppukäyttö (teollisuus, kotitaloudet, julkinen, palvelu) Sähkön kokonaiskulutus Siirron ja jakelun häviöt Siirron ja jakelun häviöt -Lämmön erillistuotanto -Yhteistuotanto -Sähkön erillistuotanto Tuotannon hyötysuhde Polttoaineiden kokonaiskäyttö (Öljy, hiili, maakaasu, turve, puu, uraani ) CO 2 Liikenne (öljy, biopolttoaineet, maakaasu, sähkö) Polttoaineiden suora käyttö Kuva 2.1. Analysointiperiaate. Kuten kuvaan 2.1 on merkitty, on sähkölaitteilla usein lämmittävä vaikutus, jolloin laitteiden hukkalämpö vähentää mahdollisesti rakennusten lämmitystarvetta. Suomen olosuhteissa etenkin valaistuksessa tällä on merkitystä, koska rakennusten lämmitys kohdistuu pimeään vuodenaikaan. Hukkalämmön hyödyntämispotentiaalin arvioimista vaikeuttaa kuitenkin se, että hyödyn suuruus vaihtelee tapauskohtaisesti, riippuen mm. lämmitysjärjestelmän ominaisuuksista. Laitteiden hukkalämmön vaikutukset otetaan analyyseissä huomioon siltä osin kuin niistä on tietoa. Sähkön ja lämmön loppukäytön muutosten vaikutuksia tuotannon päästöihin voidaan analysoida kahdella eri periaatteella. Tuotantotapajakauma voidaan olettaa vakioksi, jolloin tuotannon ominaispäästöt (g/kwh) pysyvät vakiona. Näin voidaan tarkastella muutosten marginaalivaikutuksia. Toisaalta, mikäli energian loppukäytössä tapahtuu suuria muutoksia, voi sillä olla vaikutuksia myös tuotantotapajakaumaan. Esimerkiksi sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitosten ajotapa määräytyy yleensä lämpökuorman perusteella. Tällöin muutokset kaukolämmön loppukäytössä vaikuttavat yhteistuotannolla tuotettavan sähkön määrään, ja siten myös tuotannon ominaispäästöihin. Päästövaikutukset puolestaan riippuvat voimakkaasti siitä, mitä tuotantomuotoa lisätään tai vähennetään, eli mikä on marginaalituotantomuoto. Tässä tutkimuksessa tehdyissä tarkasteluissa on analysoitu toimenpiteiden vaikutuksia molemmilla tavoilla, jolloin nähdään sekä marginaalivaikutus että tuotantotapamuutokset huomioiva kokonaisvaikutus. Käytännössä analysointia on tehty tutkimuksen aikana kehitetyllä Excel-pohjaisella työkalulla sekä elinkaarianalyyseihin tarkoitetulla Gemis-ohjelmistolla. Näistä jälkimmäisellä on tehty tietyistä kohteista tarkempia elinkaarianalyysejä, joissa on vertailtu eri vaihtoehtojen kokonais-

18 vaikutuksia, huomioiden sekä suorat että epäsuorat vaikutukset. Tutkimuksessa kehitetyllä työkalulla puolestaan mallinnetaan koko energiajärjestelmä siten, että sähkön ja kaukolämmön loppukäytön muutosten suuren mittakaavan vaikutukset syntyviin päästöihin voidaan analysoida. Näistä molemmista työkaluista on jäljempänä tarkempi kuvaus. Johtuen tutkimuskysymysten laajuudesta, kuten koko energiajärjestelmän analysointi, sekä aikataulusta, on laskennassa keskitytty ainoastaan oleellisimpiin seikkoihin ja jouduttu tekemään joitakin yksinkertaistuksia. Siten kokonaisuuden kannalta vähäisen merkityksen omaavat seikat on jätetty analysoinnissa huomioimatta. Analyyseissä on keskitytty nimenomaan energiamääriin, siten tuotantokapasiteetin tarpeita ei ole mallinnettu syvällisesti. Päästöjen osalta tässä analysoinnissa keskitytään hiilidioksidipäästöihin. Päähuomio analyyseissä on tuotannon suorissa päästöissä (ns. piippupäästöt), koska niiden osuus kokonaispäästöistä on hallitseva. Suomen kasvihuonekaasupäästöt olivat 78,5 miljoonaa hiilidioksiditonnia vuonna 2007. Polttoaineen käytön hiilidioksidipäästöt puolestaan olivat 61,2 miljoonaa hiilidioksiditonnia, joka on 79 % kokonaiskasvihuonekaasupäästöistä. Kioton tavoitetaso vuosille 2008 2012 puolestaan on 71 miljoonaa tonnia, kuten kuvassa 2.2 on esitetty (Tilastokeskus 2009). Kuva 2.2 Suomen kasvihuonekaasupäästöt vuosina 1990 2007 (Tilastokeskus 2009). * = ennakkotieto. Sähkön ja lämmön tuotannon osalta lähtökohtana on Suomen nykyinen tuotantotapajakauma, jonka oletetaan kehittyvän päästöttömään suuntaan siten, että vuonna 2050 tuotannon oletetaan olevan täysin hiilidioksidivapaata. Nykyisellään Suomen sähköntuotannosta noin 65 % on hiilidioksidivapaata. Jotta voidaan keskittyä tarkastelemaan Suomen tuotantokapasiteetin muutosten vaikutuksia, käytetään analyyseissä kotimaista tuotantorakennetta. Käytännössä Suomeen tuodaan n. 15 % vuotuisesta sähköenergiankulutuksesta.

19 2.2 Analysointityökalu Tutkimuksen aikana on kehitetty laskennan avuksi Excel-pohjainen analysointityökalu. Pääperiaate siinä on kuvassa 2.1 esitetyn kaltainen, energian loppukäytöstä lähtevä analysointi. Laskentatyökalussa loppukäyttö jaetaan kuuteen alakohtaan: rakennusten lämmitys ja jäähdytys, kotitalouksien sähkönkäyttö, julkisen sektorin sähkönkäyttö, yksityisen palvelusektorin sähkönkäyttö, teollisuuden energiankäyttö sekä liikenteen energiankäyttö. Energian loppukäyttö sektoreittain ja käyttömuodoittain (sähkö, kaukolämpö, polttoaineet) lasketaan energian tarpeen sekä loppukäytön hyötysuhteen perusteella. Laskentatapa vaihtelee käytännössä sen mukaan, mikä on kullekin sektorille luontevin tapa analysoida energian käyttöä. Kaikkien sektorien energiankäyttö lasketaan yhteen käyttömuodoittain, jolloin saadaan energian kokonaiskäyttö. Lisättäessä tähän siirron ja jakelun energiahäviöt, päästään tuotannon kokonaismäärään. Tästä saadaan polttoaineiden aiheuttamat päästöt ja kustannukset huomioimalla tuotantotapajakauma sekä tuotannon hyötysuhteet. 2.2.1 Teollisuuden sähkön käyttö Teollisuuden sähkön käyttö on jaettu toimialoittain ja toiminnoittain, siten että eri toimintojen tehostamisen vaikutuksia analysoitaessa huomioidaan toiminnon laajuus kullakin toimialalla. Sähkön käyttö on jaoteltu seuraaviin toimintoihin: pumput, puhaltimet, paineilma, jäähdytys, kuljettimet, muut moottorit, valaistus sekä muu kulutus. Toimialajaottelussa on puolestaan käytetty seuraavia toimialaluokkia: mineraalien kaivu, elintarviketeollisuus, tekstiili ja vaateteollisuus, metsäteollisuus, kemianteollisuus, metallien jalostus, kone- ja metallituoteteollisuus, elektroniikka- ja sähköteollisuus sekä muu tehdasteollisuus. Sähkön käytön tehostuminen voidaan kohdistaa joko tietyille toiminnoille tai tietyille toimialoille, myös molempia lähestymistapoja voidaan käyttää samanaikaisesti. Ensin mainitussa voidaan esimerkiksi analysoida pumppauksen energiatehokkuuden kasvamisen vaikutukset siten, että analyysissä huomioidaan, kuinka suuri osuus sähköstä käytetään pumppaukseen kullakin toimialalla. Sähkön käytöstä kiinteistön lämmityksessä hyödynnettävä energiaosuus syötetään toimialoittain. Kyseinen energiamäärä vähennetään teollisuusrakennusten lämmöntarpeesta. 2.2.2 Kotitalouksien laitesähkö Kotitalouksien laitesähkö on jaoteltu Adaton (2008) tutkimuksessa käytettyihin toimintoihin (kylmälaitteet, ruuan valmistus, astianpesu, pyykinpesu ja kuivaus, TV ja lisälaitteet, tietotekniikka, sähkökiukaat, LVI, sähkölattialämmitys, autonlämmitys, sisävalaistus, ulkovalaistus, muut). Näiden toimintojen osalta voidaan syöttää kunkin toiminnon osuus kokonaiskulutuksesta, kulutuksen muutos sekä hyödynnettävä hukkalämpö toiminnoittain. Näin voidaan analysoida tietyn toiminnon tehostumisen kokonaisvaikutuksia, huomioiden myös kiinteistön lämmityk-

20 sessä hyödynnettävän hukkaenergian vaikutus. Lämmittävä hukkaenergia vähennetään kotitalouksien lämmitystarpeesta. 2.2.3 Palvelu- ja julkinen sektori Palvelusektori on jaoteltu hotelleihin ja ravintoloihin, kauppaan sekä toimistoihin ja hallintoon. Julkinen sektori puolestaan sisältää terveydenhuolto- ja sosiaalipalvelut, koulutuspalvelut sekä muut julkiset, yhteiskunnalliset ja henkilökohtaiset palvelut. Laitesähkön käyttö on jaoteltu näiden sisällä valaistukseen, ilmanvaihtoon sekä muuhun kulutukseen. Kullekin toiminnolle voidaan toimialakohtaisesti määrittää sähkön käytöstä kiinteistön lämmityksessä hyödynnettävä osuus, joka vähennetään palvelurakennusten lämmöntarpeesta. Sähkön käytön tehostuminen voidaan antaa toiminnoittain, jolloin kokonaisvaikutusten analysoinnissa tulee huomioiduksi toimialakohtaiset erot toimintojen osuudessa kokonaissähkönkulutuksesta. 2.2.4 Rakennusten lämmitys ja jäähdytys Rakennusten lämmitys -osiossa syötetään lähtötiedoiksi rakennusten lukumäärä, pinta-ala, lämmitettävä osuus pinta-alasta, rakennuksen vuotuinen lämmöntarve (kwh/m 2 ), sekä lämmitystapajakauma rakennustyypeittäin. Näiden perusteella saadaan käytettävä lämmitysenergia lämmitysmuodoittain (öljy, sähkö, kaukolämpö, puu, lämpöpumput). Kun huomioidaan lämmitysjärjestelmien hyötysuhteet, päästään tästä energian tarpeeseen. Käyttövesi oletetaan lämmitettävän samalla lämmitysmuodolla kuin rakennuskin, mutta veden lämmitykselle voidaan antaa oma hyötysuhde. Lisäksi osa veden lämmitykseen kuluvasta energiasta oletetaan voitavan käyttää rakennuksen lämmitykseen. Kuvassa 2.3 on esitetty yksinkertaistettu periaate rakennusten lämmitykseen tarvittavan energian laskennasta.