MATTI LEHTONEN Aalto yliopisto, Sähkötekniikan laitos ST poolin tutkimusseminaari 7.10.2010
Taustaa EU:n energiapaketti 1/2007: Kasvihuonepäästöjä vähennettävä, uusiutuvan energian käyttöä lisättävä, ja energiantuotantoa ja käyttöä tehostettava, kaikkia näitä 20% vuoteen 2020 mennessä EU:n energiapalveludirektiivin asettamat velvoitteet Energiayhtiöt ja palveluntuottajat avainasemassa yhdyskuntien energiankäytön tehostamisessa, koska: ne hallitsevat koko energiaketjua primäärienergiasta asiakasrajapintaan saakka ne investoivat tällä hetkellä voimakkaasti energiamittausten kaukoluentaan sekä niihin liittyviin tietojärjestelmiin
Tutkimuksen tavoitteet Laaja yhteishanke energiatehokkuuden kehittämiseksi sähköyhtiön toimin, osapuolina: neljä tutkimustahoa (VTT, Aalto, LUT, ISY) viranomaistahoja (KTM, Motiva, EMV) energiateollisuutta, AMM järjestelmien toimittajia ja erilaisia järjestelmä ja palveluntuottajia
Tutkimuksen osaprojektit Kulutuksen ohjaus kustannustehokkaasti Kulutusvertailujen ja energiankäytön seurantapalveluiden tuottaminen asiakkaalle Energiansäästötoimien tehokkuuden arviointi Energiatehokkuutta parantavien toimien alueellisten vaikutusten mallintaminen Energiansäästötoimien vaikutukset väestön terveyteen ja terveelliseen asumiseen Liiketoimintamallit ja energiansäästön vaikutus energiayhtiöiden liiketoimintaan
Sisältö Sähköenergiansäästön potentiaali lämmityssähkö kotitaloussähkö Skenaariot: perus pessimistinen optimistinen Sähköenergian ja öljyn käytön muutokset Vaikutus CO2 päästöihin Lähtökohtana kyselytutkimus ja noin 4500 asiakkaan sähkönkulutustiedot Kainuusta, Savosta ja Vantaalta
Sähköenergiansäästöjen laskenta Tyyppitalo Stand-by säästö, valaistus, yms. - hukkalämpö Lämmitysjärjestelmän säästö Rakennuskannan säästöt Kokonaissäästö tyyppitalossa Säästötoimenpiteet analysoitu mittaustietokannasta jakamalla asiakkaat vertailuryhmiin kyselyllä saatujen taustatietojen avulla.
Yhteenveto mahdollisista säästökohteista Käyttökohde Toimenpide Sähkön säästö arvio Maalämpöpumppu Ilmalämpöpumppu Ilmanvaihto Termostaattityyppi Termostaatin asetus Vaihdetaan sähkölämmitys maalämpöön Käytetään ilmalämpöpumppua tukemaan sähkölämmitystä Hyödynnetään lämmöntalteenottoa koneellisessa ilmanvaihdossa Asennetaan ohjelmoitavat termostaatit Lasketaan sisälämpötilaa asteella lämmityskaudella Säästö lämmityskulutuksessa on 27,45 47 % verrattuna suoraan sähkölämmitykseen Säästää 7,8 25,6 % lämmityskulutuksessa Keskimäärin 13,6 % säästö sähkön kokonaiskulutuksessa Keskimääräinen säästö 14,7 % lämmitysenergiassa (teoreettinen arvio) Keskimääräinen säästö 3,43 % kokonaissähkön kulutuksessa Stand-by kulutus NA Keskimäärin 46,2 W säästöä taloutta kohti Energiansäästölamppu Tukilämmitysmuoto Vaihdetaan hehkulamput energiansäästölamppuihin Käytetään puuta tukilämmitysmuotona Sähkön säästö oli 13,62 17,06 % sähkön kokonaiskulutuksesta muussa kuin sähkölämmitystaloudessa Sähköä säästyi 2,32 kwh talvipäivän aikana, jokaista vuoden aikana poltettua kuutiometriä kohden
Maalämpöpumpuilla GSHP saavutettava energiansäästö Maalämpöpumpun tehokkuutta verrattiin suoraan sähkölämpöön jakamalla kuormat vertailuryhmiin. GSHP säästi keskimäärin 27.45% 47.0% lämmitysenergiasta. Pintaala(sqm) Minimisäästö (90%) Maximisäästö (90%) 121 150 13.43% 49.00% 151 200 38.97% 70.10% 8
Energiantarve ja lämpötilariippuvuus lämpöpumput y = 1.260x + 37.02 R² = 0.882 y = 3.044x + 75.32 R² = 0.835 Sekä lämpöpumpun että suoran sähkölämmityksen lämpätilariippuvuus analysoitiin ja tästä laskettiin lämpöpumpun lämpökerroin toiminta alueellaan: Marginaalinen säästö% = (3.044-1.260)*100/3.04 = 58.6% COP = 2.42. (toiminta-alueella) 9
ILMALÄMPÖPUMPUT ASHP Ilmalämpöpumpuista 80% on suoran sähkölämmityksen yhteydessä Säästö lämmitysenergiassa vaihteli välillä7.8% 25.6%. Ilmalämpöpumppu sopii paremmin pienempiin taloihin 10
Energiansäästölamput Havainto#1: kauko ja öljylämpötaloissa kaikkien hehkulamppujen korvaaminen energiansäästölampuilla vähentää kotitaloussähkön tarvetta 13.62% 17.06% Havainto#2: sähkölämmitetyissä taloissa lamppujen vaihtamisen hyöty jäi marginaaliseksi. Tämä johtuu hehkulampun hukkalämmöstä, josta valtaosa palautuu huonelämmityksen tueksi. Hukkalämmön vaikutus on otettava huomioon arvioitaessa säästötoimenpiteiden kokonaisvaikutusta! 11
Ilmanvaihtoratkaisut Painovoimainen Painovoimainen ja Liesikupu Mekaaninen poisto Mekaaninen poisto ja Lämpöpumppu Mekaaninen tulo ja poisto Tietokanta aineistossa vuoden 2000 jälkeen rakennetuissa taloissa yli 65% käyttää mekaanista ilman poistoa lämmön talteenottolla. Rakennusmääräykset (D2 2003) vaativat vähintään 30% lämmön talteenottoa uusissa taloissa. 12
Poistoilman lämmön talteenotto ja säästöpotentiaali Keskimäärin 13.6% säästö talon kokonaissähkönkulutuksessa saavutettavissa lisäämällä poistoilman lämmön talteenotto nykyisiin rakennuksiin. 13
Puun käyttö lämmitysenergiana Puun kulutus Sähköenergian käyttö vähenee noin 2.32 KWh päivässä jokaista m 3 polttopuuta kohti vuositasolla. 14
Huonelämpötilan alentaminen yhdellä asteella halukkuus? Lowering indoor temperature levels by one degree Halukkuus laskea lämpötilaa yhdellä asteella, ja sen riippuvuus nykyisestä sisälämpötilasta. Keskimäärin olisi 3.43% säästö kokonaisenergiasta saavutettavissa asteen lämpötilan alennuksella. 15
Lämpötilan pudottaminen yöllä ja poissa ollessa Ohjelmoitavat termostaatit jakso aika Asettelu (lämmitys) Asettelu (jäähdytys) Wake 6:00 a.m. 21 o C 25 o C Day 8:00 a.m. Setback at least 4.5 o C Setup at least 4 o C Evening 6:00 p.m. 21 o C 25 o C Sleep 10:00 p.m. Setback at least 4.5 o C Setup at least 2 o C Säästö (%) = * 100 Keskimääräinen säästö taulukon asetteluilla olisi 14.7% lämmitysenergiasta. Säästö riippuu voimakkaasti ulkolämpötilasta. 16
Skenaarioissa käytetyt tyyppitalot Tyyppitalo lämmitysmuoto Käyttö Pintaala m 2 Käyttövesi kwh Lämmityssähkö/ muu lämmitys energia kwh Kotitaloussähkö kwh Sähkölämmitys Pientalo 100 4000 14800 6000 Rivitalo (huoneisto) 81,8 3000 12106 4000 Puu/ Öljylämmitys Pientalo 150 4000 22200 (ei sähkö) Rivitalo (huoneisto) 81,8 3000 12106 (ei sähkö) 7000 4000 Lämmitysenergiaoletus kaikille tyyppitaloille 148 kwh/m 2
Tyyppitalo Stand-by säästö, valaistus, yms. - hukkalämpö Lämmitysjärjestelmän säästö Rakennuskannan säästöt Kokonaissäästö tyyppitalossa
Sähkölämmitysenergia Sähkölämmitystyyppitalolle 16000 14000 12000 10000 2175.6 503.2 627.7 lämmityksellä korvattava hukkalämpön vähentyminen uusi termostaatti KWh 8000 6000 14800 12121.2 12121.2 asteen vähennys sisälämpötilasta uusi lämmitys 4000 2000 0 Alkutilanne Lämmitys säästötoimien jälkeen Ohjelmoitava termostaatti ja asteen lasku sisälämpötilassa Lisätty tarvittavalla hukkalämpön korvausenergialla Hukkalämmön pienenemisen vaikutus lämmitykseen, (kerroin 0,5) alkutilanne 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Säästö kotitaloussähkössä 918 337.3 4744.7 Kotitaloussähkö säästö lamput säästö stand-by uusi kotitaloussähkö
Sähkölämmitteinen rivitalo Rivitalon sähkölämmitys 14000 12000 10000 1780 411.6 474.7 lämmityksellä korvattava hukkalämpön vähentyminen uusi termostaatti kwh 8000 6000 4000 12106 9914.4 9914.4 asteen vähennys sisälämpötilasta uusi lämmitys alkutilanne 2000 0 Rivitalon kotitaloussähkö Alkutilanne Lämmitys säästötoimien jälkeen Lisätty tarvittavalla hukkalämpön korvausenergialla 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 612 337.3 3050.7 lamput stand-by uusi kotitaloussähkö Kotitaloussähkö
Puu / Öljylämmitys Puu-/Öljylämmitys 100 % 90 % 1071 Rivitalon kotitaloussähkö 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 337.3 5591.7 Kotitaloussähkö lamput stand-by uusi kotitaloussähkö 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 612 337.3 3050.7 Kotitaloussähkö lamput stand-by uusi kotitaloussähkö Säästö omakotitalon kotitaloussähkössä Säästö rivitalon kotitaloussähkössä
Tyyppitalo Stand-by säästö, valaistus, yms. - hukkalämpö Lämmitysjärjestelmän säästö Rakennuskan nan säästöt Kokonaissäästö tyyppitalossa
Saavutettavat säästöt tyyppitalossa Talo Muutos Säästö(-)/Lisäys(+) kwh (tehostus+lämpöpumppu) Pientalo sähköl. ilmalämpöpumppu -4 916,6 Säästö/Lisäys käyttövedessä kwh Rivitalo sähköl. ilmalämpöpumppu -4 054,5 Pientalo vesikiertoinen sähköl. Rivitalo vesikiertoinen sähköl. maalämpöpumppu -6 513,2-1400 maalämpöpumppu -5 353,09-1050 Pientalo öljylämmitys maalämpöpumppu + 14 430 + 2 600 Rivitalo öljylämmitys maalämpöpumppu + 7 868,9 +1 950 Puu/öljylämmitys Ilma/ vesilämpöpumppu (puoleen lämmitystarpeesta) + 8103 - -Säästöissä on mukana asteen lämpötilanlasku ja ohjelmoitava termostaatti -Rivitaloille lämpöpumpuissa sama säästöprosentti kuin omakotitaloille, koska niille ei tutkittu omaa arvoa. (maal. 35%, ilmal.22,5%) -ilma/vesilämpöpumpun säästöprosentti on arvio - Ei mukana vielä kotitaloussähköä (valaistus, stand-by)
Kohteiden lukumäärä Talotyyppi Talotyyppi Kohteiden lkm. Pientalo huoneistokohtainen sähköl. 318 466 Rivitalo huoneistokohtainen sähköl. 5 x 21 804 Pientalo vesikiertoinen sähköl. 79 000 Rivitalo vesikiertoinen sähköl. 5 x 1454 Pientalo öljylämmitys 233 845 Rivitalo öljylämmitys 5 x 16 618
TULOKSET / Lämmitysratkaisut: perusskenaario Ilmalämpöpumppuun vaihtaa: 50 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (159233 kpl) 50 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (10900 x 5) Maalämpöpumppuun vaihtaa: 40 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (31 600 kpl) 40 % rivitaloista (580 x 5) 25 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (58 500 kpl) 30 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (4900 kpl) Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy tai muu lämmitys (23 000 kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitys tarpeesta Yhteensä: sähkön kulutus kasvaa + 128 656 MWh Öljyn kulutus pienenee 2 030 447 MWh Öljylämmityksen siirtyminen maalämpöön aiheuttaa sähkön kasvun
Optimistinen skenaario Ilmalämpöpumppuun vaihtaa: 80 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (254 700 kpl) 80 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (17400 x 5) Maalämpöpumppuun vaihtaa: 60 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (47 400 kpl) 60 % rivitaloista (872 x 5) 50 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (116 900 kpl) 50 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (8300 kpl) Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy tai muu lämmitys (23 000 kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitys tarpeesta Yhteensä: sähkön kulutus kasvaa + 539 306 MWh Öljyn kulutus pienenee 3 817 329 MWh
Pessimistinen skenaario Ilmalämpöpumppuun vaihtaa: 25 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (79600 kpl) 25 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (5450 x 5) Maalämpöpumppuun vaihtaa: 20 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (15 800 kpl) 20 % rivitaloista (290 x 5) 15 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (35 000 kpl) 10 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (2490 kpl) Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy tai muu lämmitys (23 000 kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitys tarpeesta Yhteensä: sähkön kulutus kasvaa + 257 300 MWh Öljyn kulutus pienenee 1 232 720 MWh
Päästöt CO2 Sähkölle tulevaisuuden päästökerroin 140 kgco2/mwh. Vuoden 2020 arvo raportista Sähköntuotanto skenaariot vuoteen 2030 Öljylle 300 kgco2/mwh. Öljy ja kaasualan keskusliitto [http://www.oil gas.fi/files/344_lammitys.pdf ] Halutessaan voi käyttää myös marginaalista, mutta seuraavat laskut on laskettu keskimääräisellä arvolla
LÄMMITYSMUUTOSTEN VAIKUTUS PERUSSKENAARIO Sähköenergia: 128 656 MWh x 140 kgco2/mwh = +18 011 840 kgco2 Öljy: 2 030 447 MWh x 300 kgco2/mwh = 609 134 100 kgco2 Päästöjen pienennys: 591 122 260 kgco2 Muutos lämmityspäästöihin: 19,7 % OPTIMISTINEN SKENAARIO Sähköenergia: 539 306 MWh x 140 kgco2/mwh= +75 502 840 kgco2 Öljy: 3 817 329 MWh x 300 kgco2/mwh = 1 145 198 700 kgco2 Päästöjen pienennys: 1 069 695 860 kgco2 Muutos lämmityspäästöihin: 38,2 % PESSIMISTINEN SKENAARIO Sähköenergia: 257 300 MWh x 140 kgco2/mwh = +36 022 000 kgco2 Öljy: 1 232 720 MWh x 300 kgco2/mwh = 369 816 000 kgco2 Päästöjen pienennys: 333 794 000 kgco2 Muutos lämmityspäästöihin: 11,1 % Muutos on vuoden 2006 lämmityspäästöjen arvosta, joka oli 3000 miljoonaa kgco2 ekv (Hallituksen energia ja ilmastostrategia taulukko 8, 2008)
Kotitaloussähkön vaikutus skenaarioihin Otettu mukaan valaistuksen ja stand by kulutuksen vaikutus Perusskenaario 80 % asunnoista : 813 976 MW Optimistinen skenaario 100 % asunnoista: 1 017 534 MWh Pessimistinen skenaario 60 % asunnoista: 610 513 MWh LÄMMITYS JA KOTITALOUSSÄHKÖ SÄÄSTÖT YHTEENSÄ: Perusskenaario: sähköenergia 685 320 MWh päästöt 705 078 900 kgco2 ( 24%) Optimistinen skenaario: sähköenergia 478 288 MWh päästöt 1212150 620 kgco2 ( 40%) Pessimistinen skenaario: sähköenergia 353 213 MWh päästöt 419 265 820 kgco2 ( 14%)
Poistoilmalämpöpumput Säästö % 81-100 m 2 12.09 keskiarvo 101-120 m 2 13.1 => 13.69 121-150 m 2 15.87 Vuosienergia Säästö Tyyppitalo Asunto kwh kwh neliötä Poistoilmalämpöpumppu 115 m 2 23 020 3151 Arvio koko Suomelle ilmanvaihtotietojen perusteella 184 170 x 3151kWh= 580 GWh Myös muu kuin sähkölämmitys Sähkölämmitystaloudet 0.63 x 580 GWh= 365 GWh Tietokannasta 63 % koneellisen ilmastoinnin merkinneistä pientaloista oli sähkölämmitteisiä
Lämmöntalteenotto (muu kuin poistoilmalämpöpumppu) Poistoilmalämpöpumpulla saavutettiin 13,6 % säästö kokonaissähköenergiasta sähkölämmitys taloudessa. Käytetään sitä myös muille lämmönsiirtoratkaisuille. Rakennuspotentiaalia vanhoihin taloihin vaikea arvioida. Otetaan lähtökohdaksi edellä esitetyt skenaariot ja niiden tyyppitalot. PERUSSKENAARIO Oletetaan, että poistoilmalämpöpumpun käyttöön siirtyy sähkölämmittäjistä: 10 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (31 846 kpl) 31846 x 0,13 x 17461 kwh = 72288 MWh 10 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (2180 x 5) (2180 x 5) x 0,13 x 13440 kwh = 19044 MWh 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (7900 kpl) 7900 x (0,13 x 17461) kwh = 17932 MWh 10 % vesikiertoisista rivitaloista (145 x 5) 145 x 5 x (0,13 x 13440 kwh) = 1267 MWh Sähköä säästyy yhteensä: +110 531 MWh (noin 1,4 % verrattuna 8000 GWh ) Poistoilmalämpöpumpun ja muun lämmönoton vaikutus Sähköenergian päästöt pienenevät: (365 000 +110 531) MWh x 140 kgco2/mwh = 66 574 340 kgco2 Muutos CO2-päästöihin: - 2 % Päästöjen pienennystä verrataan vuoden 2006 päästökaupan ulkopuolisten alojen lämmityspäästöihin 3000 miljoonaa kgco2
Sähköautot Käytetään esimerkkilaskussa Mitsubishin MiEV mallia, jonka sähkönkulutus on noin 16 kwh/ 100 km. Pelkällä sähköllä kulkeva Mitsubishi kuluttaa vuoden liikennesuoritteen (17700 km) aikana noin 2832 kwh. Sähkön päästökertoimen ollessa 140 gco 2 / kwh päästöjä syntyy noin 396 kgco 2 liikennesuoritetta kohti. Polttomoottorille päästöjä syntyisi liikennesuoritetta kohti noin 2301 kgco2, kun käytetään kertoimena EU:n henkilöautoille haluamaa päästötavoitetta 130gCO2/km. Henkilöautoja on noin 2,7 miljoonan rekisterissä. Sähköautojen sähkön kulutus per vuosi olisi 100 000 kpl x 2832 kwh = 283 GWh kasvua kasvua 3,5 % verrattuna 8000 GWh Säästö hiilidioksidissa 100 000 x (2301 kgco 2 396 kgco 2 ) = 190 500 000 kgco 2 Muutos CO2 päästöihin: 6 %
Sähköautojen, perusskenaarion ja lämmön talteenoton yhteisvaikutus Poistoilmalämpöpumput 365 GWh, Lämmöntalteenotto 110 GWh ja sähköautot +283 GWh. Yhteisvaikutus on 192 GWh Kun vielä otetaan perusskenaario 685 GWh Säästöä 11 % verrattuna 8000 GWh Päästöjen pienennys: 705 078 900 kgco2 +190 500 000 kgco2 +66 574 340 kgco2 Säästöä CO2 päästöihin: 32 %
Laskentakaavat sähköenergian säästöön Tekijä Merkki Kerroin tyyppi Lamppujen vaihto Lv 0,1534 p.u. Termostaatti Te 0,1470 p.u. Lämpötilanlasku Tlasku 0,0343 p.u. Stand-by Stby 0,0462 * t kwh Maalämpöpumppu Lpm 0,3722 p.u. Ilmalämpöpumppu Lpo 0,2011 p.u. Lämmöntalteenotto LTO 0,136 p.u. Hyötykerroin hukkalämmölle Hyö 0,5 p.u. Kotitaloussähkö Ks kwh Lämmityssähkö Ls kwh Sähköenergiansäästöei sähkölämmitteisessä talossa kwh: Sähköenergian säästöpotentiaali = Lv x Ks +Stby Se mistä sähköenergiasta (lämmitys, kotitalous) säästö lasketaan riippui tutkimuksessa käytetystämenetelmästä.
Sähkölämmitteisessä talossa saatava sähköenergiansäästöpotentiaali kwh: (kaavassa on yhdistetty muut säästötoimenpiteet ja lämpöpumput) Muu kuin lämmitysjärjestelmä: MUU = (Te+Tlasku )Ls + (Lv x Ks +Stby) Lämmöntalteenotto: LTO = Lt x { [Ls (Te+Tlasku) Ls+ Hyö x (Lv x Ks +Stby) ] + [Ks - (Lv x Ks +Stby)] } Säästö lämpöpumpulla: LÄM = Lp x [Ls (Te+Tlasku )Ls+ Hyö x (Lv x Ks +Stby)-LTO] Kokonaissäästö: SÄÄSTÖ= MUU +LTO + LÄM Tehdäksemme esitystä selvemmäksi merkitään termit seuraavasti: LÄM_säästö=(Te+Tlasku )Ls, ja KTsäästö= Lv x Ks +Stby. Nyt sähköenergiansäästö voitaisiin merkitä muotoon: MUU= LÄM_säästö + KT_säästö LTO=Lt x [(Ls Läm_säästö + Hyö x KT_säästö)+ (Ks KT_säästö)] LÄM= Lp x [(Ls Läm_säästö) + Hyö x KT_säästö LTO]