Erkki Hiltunen Maa- ja aurinkolämpö hyvät yhdessä 22.-24.09.2015 tutkimusjohtaja Vaasan yliopisto, Teknillinen tiedekunta Vaasan Energiainstituutti
Millainen energiatulevaisuus Suomen kannattaa valita? Suomessa ovat perinteisesti olleet keskitetyt energiamarkkinat? 1. Tulevaisuudessa on pakko siirtyä uusiutuvan energian käyttöön: ilmastonmuutos seurauksineen, fossiilisen energian hinnan kallistuminen (?), energiapula IPCC:n eli Kansainvälisen ilmastonmuutospaneelin raportti: - seuraavan kymmenen vuoden aikana kasvihuonepäästöjen kasvu on saatava pysäytettyä (+2 o C ->+5 o C, jäätiköt sulaa -> merenpinta nousee) - vuoteen 2100 mennessä tulee luopua kokonaan fossiilisten polttoaineiden käytöstä 2. Energiayrittäjyys muuttuu! - tarvitaan energiapalvelujen tarjoajia - syntyy virtuaalivoimalaitoksia eri energian tuotannon alueille (sähkö, lämpö, polttoaineet, jne) - syntyy uutta yrittäjyyttä uusiutuvan energian hybridiratkaisujen markkinointiin (ei ole olemassa vain yhtä ratkaisua) - kuluttajista tuottajia: kyllä, mutta ei siinä mielessä kuin nyt ymmärretään; energiantuottajat keskittyvät energian tehokkaaseen tuotantoon
Kansainvälisiä trendejä ja Tanskan malli: Brian Vad Mathiesen; bvm@plan.aau.dk Ålborgin yliopisto, Tanska, Renewable Efficient Energy IV, Vaasa 2014
Kaasuteknologian vallankumous IEA:n (International Energy Agency) ennusteen mukaan noin vuonna 2000 alkanut öljyn %-osuuden lasku primääri-energioissa jatkuu ja myös hiilenkäytön osuus pienenee. Voimakkaimmin osuuttaan vuoteen 2035 kasvattaisivat kaasu ja biomassa sekä jätteet. Cleantech on yksi nopeimmin kasvavista aloista niin globaalisti kuin Suomessakin. Vuosittaisen kasvun odotetaan maailmalla olevan 10 % luokkaa. Suomessa odotetaan työpaikkojen lisääntyvän 40 000 :lla. Yksinomaan Vaasassa on energia-alan työpaikkoja laskettu vuonna 2020 olevan yli 20 000. Saksassa uusiutuvan energian työpaikkoja on jo yli 300 000.
kotimaisia vaihtoehtoja: Lähienergiaa Älykäs sähkö Älykäs lämpö Älykäs viileä Älykäs liikenne Älykäs tavaroiden kuljetus = vihreät liikennekäytävät Älykäs automaatio; digitalisaatio
Energiaketju ja tutkimusalustat
LIIKETOIMINNAN KEHITTÄMINEN Monitieteinen uusiutuvan energian ja hajautetun energiantuotannon tutkimus => Tutkimusalustat laboratorioiden sijasta GEO energia BIOpolttoaineet Polttomoottori TUTKIMUSALUSTA Smart & Micro Grid Tekniikka Juridiikka Talous Sosiaalinen hyväksyntä Koulutus LogLab TUULI voima OSAAMINEN
Yhteistyötahoja Tutkimuslaitokset: VTT, MTT, GTK, Ilmatieteen laitos Yliopistoja ja korkeakouluja: VY, TTY, OY, TY, JY, JAMK, Aalto, ÅA, LTY, Novia, VAMK, TuAMK, SeAMK, Metropolia, Kokkolan yliopistokeskus, Seinäjoen yliopistokeskus. Kansainvälinen yhteistyö, yliopistot Pandit Jawaharlal Nehru College of Agricultural & Research Institute India, Kharkiv National Academy of Municipal Economy Ukrain, Karoly Ropert College Hungary, Norria Hungary, Umeå universitet, Narvik university college, KTH Sweden, Luleå University of Technology Sweden, Hubei University, China Kansainvälinen yhteistyö,yrityksiä, Ruotsi / Sweden companies: Rydell & Lembke Kyl- och värmeteknik AB, Smålands miljöenergi, Värmex AB Yrityksiä eri hankkeissa mukana noin 45-50, mm. Wärtsilä Finland Oy, ABB, Agco Sisu Power Oy, Atria, Ecocat Oy, Leinolat Group, Hahkaway Oy, Neste Oil Oyj, Ab Nanol Technologies Oy, Mervento Oy, EPV Energia Oy, VS Tuulivoima Oy, Geo-Pipe GP Oy, Numerola Oy, SG-Power Oy, Gasek, egen Oy, SABA Vind Oy AB, PROKON Wind Energy Finland Oy, Tuoretie Oy, Triventus Oy, Vacon Oyj, Valio, Merinova Oy
DESY - Lähienergia Lähtökohtia: Suomessakin hajautettua energian tuotantoa tulee lisää ja uusiutuvan energian markkinat kasvavat. Painetta tähän tulee lisää niin eurooppalaisista, EU:n päätöksistä kuin kansainvälisistä valinnoista laajemminkin. Paikallinen energiantuotanto myös lisää muuta paikallista aktiivisuutta ja myös työllisyyttä. Kansallisesti hajautettu energiantuotanto parantaa energiaturvallisuutta niin rauhan kuin mahdollisen konfliktin aikana. Desy = Distributed Energy Systems 9
Hankeyhteistyö SHOK hanke: CLEEN Oy / TEKES Desy hankkeeseen osallistuivat : JYO LUT MTT /LuKe TUT VTT, koordinaattiri VYO, Vaasan Yliopisto + loppuvaiheessa 12 yritystä 10
Hybridiratkaisut Ei ole vain yhtä ratkaisua! Tarvitaan useanlaista tuotantoa, tuotantojen yhteensovittamista ja energian varastointia. Lämpöenergian kausivarastointi. Sähköenergian varastointi. Lämpöä ei perinteisistä polttoaineista kannata tuottaa. Lämpöä tulee siirtää paikasta toiseen ja ajankohdasta toiseen. 11
Hybridiratkaisut Hybridiratkaisuilla ymmärretään energiaratkaisuja, joissa energiaa tuotetaan useammalla tavalla tai useammasta energialähteestä. Hybridissä voi olla yhdistettynä eri uusiutuvan energian ratkaisuja keskenään tai uusiutuvan energian ratkaisuja jo olemassa olevaan vanhempaan tekniikkaan. 12
Uusiutuvaa energiantuotantoa voidaan tarkastella yksikkötasolla tai alueellisella tasolla Työpakettien lisäksi DESY hankkeessa käytettiin Demonstraatioita (Demoja), jotka olivat erilaisia käytössä jo olevia ratkaisuja. Vaasalaisia Demoja olivat: Meteoriihi, Energiakylä ja Geoenergian tutkimusalusta 13
Laskelmia Geoenergia-osiossa lasketaan kalliokaivon energia Q kaavalla Q = 2πλH T o T b ln H D, missä H = kalliokaivon syvyys [m], D = kalliokaivon halkaisija [m], λ = lämmönjohtokyky W/(m*K), T o = lämpötila kalliokaivon seinässä [K] ja T b = lämpötila häiriintymättämässä maaperässä [K]. Energia ilmaistaan negatiivisena tai positiivisena sen mukaan, että otetaanko kaivosta energiaa vai varastoidaanko siihen. Tuulienergia-osiossa lasketaan aerodynaaminen teho P a tuuliturbiinille. Kaava on P a = 1 2 C paρ air v 3, missä C p = tehokerroin (max. 0.59), A=turbiinin lavan kattama pintaala [m 2 ], ilman tiheys =ρ air [kg/m 3 ] ja v=tuulen nopeus [m/s]. 14
Lähienergiaa: DEMO 1 Meteoria / Söderfjärd : Kaikki tarvittava energia tuotetaan Meteoria n alueella. Hajautetun energian tuotannon ja saarekekäytön demonstraatio DESY Lähienergia TEKES MW Power Oy Helsingin kaupungin energialaitos Fortum Oyj ABB Oy Vantaan Energia Oy Ekogen Oy St1 Oy SavoSolar Oy HT Enerco Oy Gasek Oy Wärtsilä
Sähköenergiaa Tuuliturbiini (poistuva) Whisper 100 Teho 900 W tuuli 10,6 m/s Jännite 48 VDC Roottorin halkaisija 2,1 m Aurinkopaneeli Sunset Px 75 W Monikiteinen rakenne Teho 300 W + 1200 W Jännite 48 VDC Akut MC Victron Deep Cycle Akkuja 12 kpl, 12 V ja 200 Ah Jännite 48 VDC Energia määrä 30 kwh
Säätövoimaa: Biopolttoaine moottori ja generaattori Cumming Kubota C11 D5 Jännite 230 VAC Teho 11 kw Invertteri Studer Xtender X TH 800-48 Invertteri 8 kw 48 VDC 230 Vac 230 VDC 48 VDC
DEMO 2 : Energiakylä Edellisestä yhden kohteen hybridiratkaisusta poiketen Energiakylätarkastelussa tarkastellaan alueita, joilla tuotetaan tiettyjä energiamuotoja ja kulutetaan tiettyjä energioita. Energiakyläkonseptissa selvitetään energiatarpeita ja energian kulutusta, sekä etsitään energiatehokkainta ratkaisua. Tässä tutkimuksessa kohteena oli Kurikkaan kuuluva Närvijoki. Kylässä on huonekaluteollisuutta, sahateollisuutta ja puunkuivatusta, kuljetuspalveluja ja maatilamatkailua. 18
Geoenergia (maalämpö yleisesti): Matalaenergiaverkot ja lämpöpumput Maaperän ja vesistöjen lämpövarastot Sedimenttilämpö Maalämpö Geoterminen lämpö Hukkalämpö Kalliolämpö Asfalttilämpö Ilmastointi Maatalous Jätevedet Kasvihuoneet Anturit ja hajautetun energiatuotannon langattomat ohjausjärjestelmät Geoenergia -hanke tähtää pysyvän tutkimus ja tuotekehityslaitoksen perustamiseen Vaasan Energiainstituutin yhteyteen.
Urbaania Energiaa Urbaanilla energialla ymmärretään energiaa, joka jo on kaupungissa: geoenergiaa, aurinkoenergiaa, bioenergiaa, ym uusiutuvaa energiaa. Kaupungistumisen edistyessä yhä suurempia vientimahdollisuuksia. Suomessa pääkaupunkiseutu. Geoenergia -tutkimusalustan tarkoituksena on eri maakerroksissa olevan lämmön hyväksikäyttö: maalämpö, vesistölämpö, sedimenttilämpö, kalliolämpö ja asfalttilämpö. Tutkimusaiheina ovat: lämpöpumput, lämmönkeruujärjestelmät (putket), lämmönkeruunesteet, Suurten rakennuskohteiden geoenergiaratkaisut? 22
LÄHDE (21.09.2011): http://www2.jkl.fi/kaavakartat/uusiutuvat_energiamuodot_se minaari/jk_esitys_190809.pdf Geoenergiaa kaupunkiympäristössä; liikerakennus Tukholmassa
Aurinkoenergian passiivinen hyväksikäyttö rakennus toimii aurinkoenergian keräimenä rakennus toimii energiavarastona energiatehokkuus maaston käyttö tuulensuojana puuston käyttö tuulensuojana tai varjostajana varotaan puuston varjostavaa vaikutusta ikkunoiden sijoittelu (pääosa etelään) rakenteiden lämmönvarastointikyky (faasimuutosaineet rakenteissa) hybridijärjestelmät, yhdistetyt järjestelmät
Aurinkolämpöjärjestelmät Aurinkolämpöjärjestelmien tarkoitus on kerätä auringonvaloa, muuttaa se lämmöksi ja siirtää lämpö lämpövarastoon suoraa auringonsäteilyä hyödyntävät ns keskittävät keräimet, jotka keräävät lämmön absorboivalle viivamaiselle tai pistemäiselle alueelle hajasäteilyä ja suoraa auringonsäteilyä hyödyntävät ns tasokeräimet. Metallista tai muovista valmistetun keräinelementin pinta on musta, jolloin se mahdollisimman tehokkaasti absorboi tulevaa säteilyä. usein käytetään ns selektiivistä pinnoitetta, joka absorboi tehokkaasti lyhytaallonpituuksista valoa (0,3-2,0 μm) ja säteilee huonosti ulos pitkäaaltoista lämpösäteilyä (4,0-25 μm). Tämä kasvattaa hyötysuhdetta. tällaisia pintoja saadaan elektrolyyttisesti pinnoittamalla mustakromilla tai mustanikkelillä
DESY: Aurinkoenergiaa? Aurinkolämpö on kannattavaa maalämmön rinnalla Takaisinmaksuajat 5-6 vuotta Aurinkosähkön tuottaminen aurinkokennoilla halpenee Sähköntuotanto lämpöpumppuja varten: takaisin maksu aika noin 9 vuotta Ympäristöystävällisyys (paitsi fosfori) Helppous Äänettömyys Yhdistettävissä kaikkiin päälämmitysmuotoihin Ei suojaetäisyyksiä 26
Päätelmiä Paikallinen energiantuotanto - lisää energiatehokkuutta, johtuen pienemmistä siirtohävikeistä. - kasvattaa paikallista liiketoimintaa - vähentää jätehuollon kustannuksia, kun energia tuotetaan jätteestä; parhaimmillaan toisen prosessin jäte on toisen prosessin raaka-aine - parantaa työllisyyttä - vähentää energiariippuvuutta ja parantaa energiaturvallisuutta Hybriidituotanto tulee liittää paikallisiin tuotantomahdollisuuksiin, ja paikallisiin energiantarpeisiin. 27
DESY -malli Hankkeessa kehitettiin DESY malli, joka simuloi rakennuksen fysikaalisia ominaisuuksia ja LVI-ratkaisuja. Mallissa voidaan huomioida - alueellinen lämpöverkko - hajautettu lämmön tuotanto - keskitetty lämmöntuotanto käyttäen aurinkoenergiaa, tuulienergiaa, kuumavesivaraajia ja CHP-laitoksia, joissa käytettävissä eri polttoaineita ja varastoimismuotoja. Hajautettu energiantuotanto on taloudellisesti kannattavaa jos tuotettu energia tulee omaan käyttöön ja investointien takaisinmaksuaika on luokkaa 6 10 vuotta. 28
Energiatehokkuus versus kustannukset Moniparametrioptimointi mahdollistaa eri energiaratkaisujen vertaamisen vastakkaisin (conflicting) parametrein. Tässä työssä parametreina olivat energiatehokkuus (E-luku) ja energiakustannukset (investoinnit + käyttökulut). Rakennuksen tai sen osan kokonaisenergiankulutus eli E-luku ( kwh E /(m 2 vuosi) ), määritetään laskemalla yhteen laskennallisen vuotuisen ostoenergian ja energiamuotojen kertoimien tulot energiamuodoittain lämmitettyä nettoalaa kohden (RakMk D3). Kun haettiin matalinta energian kulutusta, parhaaksi ratkaisuksi tutkituista osoittautui maalämpöpumppu. Kun haettiin matalimpia kustannuksia, parhaaksi ratkaisuksi osoittautui ilmalämpöpumppu yhdistettynä aurinkolämmitysjärjestelmään. sähkö 1,7 kaukolämpö 0,7 kaukojäähdytys 0,4 fossiiliset polttoaineet 1,0 rakennuksessa käytettävät uusiutuvat polttoaineet 0,5 29
Ympäristövaikutukset Verrattaessa netto-nolla-energiatalon energiantuotannon aiheuttamia ympäristövaikutuksia kaukolämmön (Case 2) ja sähköntuotannon (Case 3) aiheuttamiin vaikutuksiin, voitiin todeta että rehevöitymistä lukuun ottamatta muut ympäristövaikutukset olivat pienempiä (jopa 50 %). Korkea rehevöitymisvaikutus aiheutuu korkeista fosforiemissioista aurinkopaneelien valmistuksessa. Tapausten 2 ja 3 (Case 2 and 3) välillä ei havaittu merkitseviä eroja. 30
Maa- ja aurinkolämpö hyvät yhdessä Omakotitalon kokonaisenergiankulutus Etelä-Suomessa on lattianeliötä kohden noin 50 kwh / m 2. Äärimmäisen hyvin eristetyssä passiivitalossa voidaan saavuttaa noin 15 kwh / m 2. Tämä on jo hyvin vaikeaa kun otetaan huomioon lämpimän veden tuottaminen. Maalämpöpumpulla uudessa omakotitalossa voidaan kokonaisenergian käytössä päästä tasolle 30-40 kwh / m 2. Lisäämällä vielä ilmalämpöpumppu ja aurinkolämmitys lämpimään veteen voidaan päästä tasolle 35 60 kwh / m 2. 31
Maa- ja aurinkoenergia hyvät yhdessä Sähkönkulutusta ajatellen aurinkokennoja voidaan käyttää korvaamaan ainakin osa maalämpöpumpun tarvitsemasta sähköstä. Aurinkolämpöjärjestelmää voidaan käyttää esilämmittämään maakiertonestettä ja tukemaan maalämpöpumppua keväällä ja syksyllä. Aurinkolämpöä voidaan kesällä käyttää lämpökaivojen lataamiseen. 32
Kasvun esteet koskien hajautettua, pienen kokoluokan uusiutuvan energian tuotantoa Asenteet Kehittymättömät liiketoimintakonseptit Vaikeudet löytää luotettavaa ja riippumatonta tietoa Riittämättömät myynti ja huoltoverkostot Vaikeudet myydä pieniä sähköeriä Tuotantolaitteiden / alkuinvestointien kalleus 33
Kiitoksia!
23.9.2015 Vaasan yliopisto Teknillinen TDK / Vaasan Energiainstituutti Minä ja tiede 22.-24.09.2015 35