Uusiutuvan energian yrityskeskus -hanke Pudasjärven matalaenergiarakentamisen hirsitalokorttelialue - Selvitys lämmön tuotannosta uusiutuvalla energialla Asko Ojaniemi ja Lauri Penttinen Benet Oy 14.9.2009
SISÄLTÖ Johdanto... 1 Tiivistelmä... 2 1 Kuvaus alueesta ja rakennuksista... 3 2 Aluelämmön vaihtoehdot ja kustannukset... 4 2.1 Aluelämpökeskus...4 2.2 Verkoston kustannukset...4 2.3 Pelletti/hakelämpölaitos...5 2.4 Maalämpölaitos...6 3 Talokohtainen lämmöntuotanto... 8 3.1 Pellettilämmitys...8 3.2 Maalämpö...9 3.3 Ilma-vesi lämpöpumppu...9 4 Aurinkolämpö lisälämmönlähteenä... 10 5 Vaihtoehtojen kannattavuuden ja päästöjen vertailu... 12 5.1 Vaihtoehtojen vertailu aluetasolla... 13 5.2 Vaihtoehtojen vertailu kiinteistötasolla... 18 5.3 Aurinkolämmön integrointi... 20 5.4 Hiilidioksidipäästöjen vertailu... 21 6 Yhteenveto ja johtopäätökset... 23 Lähteitä... 25
JOHDANTO Benet Oy sai 3.4.2009 Oulunkaaren seutukunnan kuntayhtymän hallinnoimalta Uusiutuvan energian yrityskeskus -hankkeelta tilauksen selvittää uusiutuvien energialähteiden kannattavuutta Pudasjärvelle rakennettavan matalaenergiarakentamisen hirsitalokorttelialueen lämmitysratkaisuissa. Työn tavoitteena on, että uusiutuvan energian käyttömahdollisuudet ja kannattavuus selvitetään jo alueen suunnitteluvaiheessa. Matalaenergiarakentamisen alueet ovat Suomessa vielä melko harvinaisia, ja työn toivotaan antavan uutta tietoa kustannustehokkaista vaihtoehdoista matalaenergiarakennusten ja - alueiden lämmittämiseen uusiutuvalla energialla. Työn tarkoitus on siten myös auttaa tulevien matalaenergia-alueiden kaavoittajia ja suunnittelijoita uusiutuvaan energiaan pohjautuvan lämmöntuotannon suunnittelussa. Selvityksessä tutkittiin seuraavat lämmitysenergian tuotannon vaihtoehdot: Aluelämmitysjärjestelmät o Pelletti o Hake / metsäteollisuuden sivutuotepuu o Maalämpö Kiinteistökohtaiset lämmitysjärjestelmät o Pelletti o Maalämpö o Ilma-vesi lämpöpumput Edellisiin integroituna aurinkolämpö Työ tehtiin tekemällä tuote- ja hintakyselyitä laitos- ja laitetoimittajille sekä käyttämällä omaa laskentamallia eri vaihtoehtojen energiakustannusten arvioinnissa ja vertailussa. Tuloksia myös testattiin eurooppalaisessa Biohousing -hankkeessa kehitetyllä julkisella laskentatyökalulla (www.biohousing.eu.com). Työn tekemisestä vastasivat Asko Ojaniemi ja Lauri Penttinen Benet Oy / Keski-Suomen Energiatoimistosta. 1
TIIVISTELMÄ Aluetasolla edullisin lämmöntuotantoratkaisu on kpa-aluelämpölaitos, joka käyttää polttoaineenaan hintaan 16,80 /MWh saatavaa puuteollisuuden sivutuotetta. Laitoksen energian tuotantokustannus on 83,8 /MWh ja vuotuinen energiakustannus 43700. Hieman energiakustannuksiltaan kalliimpi ratkaisu on talokohtainen maalämpö, jonka energiakustannus aluetasolla (kaikkien rakennusten keskimääräinen energiakustannus) on 84,7 /MWh ja vuotuinen energiakustannus n. 44 200. Merkittävin ero kahden edullisimman ratkaisun välillä on kuitenkin se, että talokohtaisen maalämmön kustannus vaihtelee suuresti riippuen rakennuksen koosta välillä 145-67 /MWh, kun taas aluelämmön tuotantokustannus on kaikille rakennuksille sama (83,8 /MWh). Aurinkolämmön tuotantokustannukset alueellisella tasolla ovat noin 111 /MWh. Aurinkolämmön talokohtaiset tuotantokustannukset vaihtelevat suuresti välillä 185-96 /MWh, niin että investoinnin arvo suhteessa tuotettuun energiaan pienenee rakennuskoon kasvaessa. Aurinkolämmön kustannukset ylittävät aina edullisimpien lämmitysjärjestelmien kustannukset, eikä sen integrointi ole puhtaasti taloudellisesta näkökulmasta kannattavaa. Alueen hiilidioksidipäästöjen kannalta paras ratkaisu on talokohtainen pellettilämmitys, jonka energiatuotannon välittömät hiilidioksidipäästöt ovat nolla. Toiseksi paras vaihtoehto päästöiltään on kpaaluelämpölaitos, jonka hiilidioksidipäästöt ovat 3,64 hiilidioksiditonnia vuodessa johtuen varatehona toimivasta öljykattilasta jonka arvioitu käyttö on noin 1-2 % vuotuisesta energiantuotannosta. Maalämpö aiheuttaa päästöjä selvästi enemmän, talokohtaisen maalämmön hiilidioksidipäästöt ovat 39,43 tonnia vuodessa ja aluemaalämmön 48,48 tonnia vuodessa. Talokohtaisista ratkaisuista suurimmat päästöt syntyvät ilma-vesi lämpöpumpuista, johtuen niiden maalämpöä huonommasta hyötysuhteesta sekä verrattain suuresta sähkövastusten lämmityssähkön käytöstä. Yhteenvetona voidaan sanoa, että kpa-aluelämpölaitos on tässä tapauksessa useimmilla tarkastelluilla osaalueilla hyvä vaihtoehto. Sen energian hinta on aluetasolla halvin ja takaa edullisen lämmitysenergian myös pieniin rakennuksiin. Lisäksi sen päästöt ovat vähäiset ja polttoainekustannukset todennäköisesti parhaiten hallittavissa mikäli polttoainetoimitukselle voidaan sopia vakaa hinta. Aluelämmön toteuttamisella voidaan samalla varmistaa alueen järjestelmien yhtenäisyys ja vähäpäästöisyys. Haasteellista aluelämmön toteuttamiselle on kuitenkin lämmitystarpeen toteutumisen aikataulu, ts. jos alueen rakennukset valmistuvat kovin eri aikaan voi lämmitystarve olla aluksi ennakoitua pienempi. 2
1 KUVAUS ALUEESTA JA RAKENNUKSISTA Kaavoitettava matalaenergiarakentamisen hirsitaloalue sijaitsee Pudasjärvellä, Oulun läänin pohjoisosassa. Alue muodostuu 6 tiivistä pihapiiristä, joiden rakennuskanta on seuraavanlainen: 4 pienkerrostaloa, asuntoja yhteensä 26 ja kerrosalaa 2440 m 2 6 pienrivitaloa, asuntoja yhteensä 16 ja kerrosalaa 1371 m 2 4 paritaloa, asuntoja yhteensä 8 ja kerrosalaa yhteensä 1150 m 2 6 omakotitaloa, kerrosalaa yhteensä 950 m 2 Yhteiset tilat, 2 rakennusta: saunarakennus pienellä kokoustilalla (n. 70 m 2 ) sekä kerhotalo (n. 120 m 2 ) ja pihasauna (n. 36 m 2 ) Rakennusten yhteenlaskettu kerrosala on 6137 m 2, ilmatilavuus noin 13 950 i-m3 ja rakennustilavuus 16 750 rak-m3. Rakennukset tehdään lämpöteknisiltä ominaisuuksiltaan matalaenergiatasoisiksi siten, että niiden rakenteiden, tiiveyden ja ilmanvaihdon ominaislämpöhäviöt ovat korkeintaan 85 % vuoden 2010 rakentamismääräysten mukaan lasketusta vertailulämpöhäviöstä. Tässä työssä käytetään tilaajan antamaa arviota rakennusten tilojen ja käyttöveden lämmitysenergian tarpeesta. Jäähdytysenergian tuotantoa ei oteta huomioon, vaikkakin jäähdytys saattaa olla tarpeellista rakennusten matalista lämpöhäviöistä johtuen. Lämmitysenergian tarve on noin 85 kwh/m 2 vuodessa (n. 28 kwh/rak-m 3 ). Tällöin alueen rakennusten lämmitysenergian kulutus on noin 521 650 kwh vuodessa. Rakennusten tilojen arvioitu lämmitystehon tarve on n. 30 W/m 2. Kaikkiin rakennuksiin tulee lähtökohtaisesti vesikiertoinen lattialämmitys (lämpötilat meno- 35 ja paluuvesi 25 astetta C). Rakennusten sisäpuolisten lämmönjakojärjestelmien sekä muun talotekniikan kustannukset sisältyvät talojen rakentamiskustannuksiin ja niitä ei tässä selvityksessä erikseen huomioida. 3
2 ALUELÄMMÖN VAIHTOEHDOT JA KUSTANNUKSET 2.1 Aluelämpökeskus Yksi varteenotettava vaihtoehto lämmitysenergian tuotannolle on alueen kaikki rakennukset kattava aluelämpöverkko, johon lämpöenergia tuotetaan keskitetysti. Lämpölaitos tulisi sijoittaa verkoston pituuden ja siten investointikustannusten ja lämpöhäviöiden minimoimiseksi siten, että rakennettavan aluelämpöverkon pituus jäisi mahdollisimman lyhyeksi. Kaavoitusratkaisussa lämpökeskus on sijoitettu alueen pohjoislaidalle. Kun otetaan huomioon alueen rakennuskannan tilojen ja käyttöveden lämmityksen energiantarve sekä aluelämpöverkon verkostohäviöt, on vuotuinen energiantarve noin 600 MWh ja laitoksen tehontarve n. 300 kw. Seuraavaksi tarkastellaan vaihtoehtoja tämän energian- ja tehontarpeen kattamiseen. Rakentamiskustannuksia tarkasteltaessa on tehty seuraavia oletuksia ja rajauksia: Kustannukset perustuvat laitostoimittajille tehtyihin kyselyihin Lämpölaitoksen tontin hintaa ei lasketa laitoksen kustannuksiin Rakentamiskustannuksiin sisältyvät myös tarvittavat maanmuokkaustyöt Investoinnin korkotason oletetaan olevan 5 % ja laitoksen takaisinmaksuaika 15 vuotta Kaikki ilmoitetut hinnat ovat alv 0 %. Laitosinvestoinnille saa TE-Keskuksesta investointitukea 20 %, aluelämpöverkoston rakentamiselle ei saa tukea 2.2 Verkoston kustannukset Kun lämpölaitos sijoitetaan kaavapiirroksessa merkittyyn paikkaan alueen pohjoispuolelle, tulee aluelämpöverkoston pituus olemaan noin 717 m ja putkiston pituus 1110 m. Aluelämpöverkoston kustannukset syntyvät verkoston ja lämmönvaihtimien investointikustannuksista sekä käytön aikana aluelämpöputkien lämpöhäviöistä. Verkosto rakennetaan kustannustehokkaimmin niin, että laitokselta rakennetaan kaksiputkinen (lämmityksen tulo- ja paluuvesi) verkosto jokaisen korttelin suurimpaan rakennukseen, joista tilojen ja käyttöveden lämmitysenergia jaetaan neliputkijärjestelmällä (2 käyttövesi ja 2 lämmitysvesiputkea) korttelin rakennuksille. Verkoston tehokkuutta kuvaava tunnusluku (lämmitettävän rakennustilavuuden ja verkostometrien suhde) on n. 26 r-m 3 /verkostometri. Perinteisesti suositeltu luku on vähintään 40 r-m 3 /verkostometri. Verrattain huono suhdeluku asettaa kustannuspaineita verkon ja laitoksen tehokkuudelle. Lisäksi koska rakennukset ovat matalaenergiatasoisia ja niiden lämmitysenergian kulutus siten pienempi, on aluelämmön tuotannon senkin takia oltava tavanomaisiin rakennuksiin verrattuna tehokkaammin ja tiiviimmin suunniteltu ollakseen kannattava. 4
Eri putkityyppejä ovat perinteinen hitsattava kaukolämpöputki ( salkoputki ), sekä taipuisat pelti- ja muoviputket jotka eivät tarvitse hitsaamista. Näiden eri putkityyppien kustannukset ovat: Perinteinen salkoputki on edullinen suuria linjoja rakennettaessa, mutta sen kilpailukyky heikkenee taloliittymälinjoissa ja pienissä verkostoissa. Tässä kustannusarviossa käytetään taipuisia ei-hitsattavia putkia: suurimpien linjojen osalta Casaflex -kaukolämpöputkia ja pienempien matkojen osalta Calpex-aluelämpöputkia. Tarjousten pohjalta tehtyjen laskelmien mukaan aluelämpöverkon rakentamisen kustannukset ovat korttelikohtaisten lämmönvaihtimien kanssa noin 102 600 (alv. 0 %). Lämpöputket on eristetty polyuretaanilla ja alueen pohjoisesta sijainnista varustettu paksummalla eristysvaihtoehdolla. Aluelämpöverkoston lämpöhäviöt ovat riippuvaisia laitokselta kiinteistöihin siirrettävän veden lämpötilasta. Kpa-laitoksen tapauksessa, jossa vesi johdetaan yli 60 C asteisena kiinteistöihin, ovat häviöt noin 61600 kwh. Maalämpölaitoksen vaihtoehdossa laitokselta tuleva vesi on noin 45 C asteista, joten häviöt ovat pienemmät, 52800 kwh. 2.3 Pelletti/hakelämpölaitos Yleinen tapa aluelämmityksen toteuttamiseen uusiutuvalla energialla on kiinteän polttoaineen lämpölaitos (kpa-lämpölaitos). Kun kyseessä on pieni puupolttoainetta käyttävä lämpölaitos, on polttoaineen oltava suhteellisen tasalaatuista ja kuivaa. Tällöin mahdollisia polttoaineita ovat puupelletit, metsäteollisuuden sivutuotepuu sekä hyvälaatuinen metsähake. Metsätähteistä tehty hake ei välttämättä ole lämpöarvoltaan riittävän hyvää, vaan hakkeen tulisi häiriöttömän toiminnan varmistamiseksi olla kokopuusta tehtyä haketta. Myös turvetta voidaan käyttää tukipolttoaineena. Alueella on saatavissa seuraavia polttoaineita: Puupelletit 36,40 /MWh Kuivista puuteollisuuden sivutuotteista tehty hake/murske 16,80 /MWh Laadukas metsähake 22 /MWh Yllä olevien polttoaineiden katsotaan soveltuvan kyseessä olevan pienen lämpölaitosten polttoaineeksi hyvin. Pelletit ovat edellisistä kaikista kuivinta ja tasaisinta polttoainetta, mutta samalla myös kalleinta. Sen jälkeen laadukkainta polttoainetta on puuteollisuuden sivuotteista tehty hake/murske. Puupolttoaineet ovat uusiutuvaa biomassaa jolloin niiden polttamisesta syntyvä hiilidioksidi sitoutuu takaisin kasvavaan puustoon. Lisäksi pelletillä tuotantoketju kuluttaa energiaa 5-35 % polttoaineen energiasisällöstä. Tässä työssä huomioidaan kuitenkin vain polttoaineiden ja sähkön suorat päästökertoimet. Alueen suunniteltua energiankulutusta vastaava, riittävä laitoskoko on noin 300 kw. Saadun tarjouksen mukaan pellettiä ja hyvälaatuista haketta käyttävän 300 kw lämpökonttilaitoksen hankintakustannus on 119 5
500. Laitos tulee kontissa, joten erillistä laitosrakennusta ei tarvita. Kontissa on 29 m 3 hakevarasto sekä myös 210 kw öljykattila varatehoksi huolto- ym. käyttökatkoja varten (arvioitu käyttö 1-2 % vuosittain tuotetusta energiasta), sekä tarvittavat muut laitteet (mukaan lukien savukaasujen puhdistus syklonilla). Muita hankintakustannuksia ovat: kiertovesipumppu ja paineenpitojärjestelmä (n. 5000 ), laitoksen perustuksen työt (n. 7000 ), kuljetus (3000 ) sekä asennus (n. 4500 ). Lisäksi optiona on myös 13 m 3 polttoaineen lisäsiilo (13000 ). Ilman lisäsiiloa polttoainekuljetuksien tiheys on huippukulutuksella noin 2 kertaa viikossa ja keskimääräisellä teholla noin kerran viikossa (hyvälaatuinen polttoaine, lämpöarvo 0,9 MWh/i-m 3 ), mikä on jo periaatteessa riittävän harva väli. Kaiken kaikkiaan laitoksen investointikustannus on 139000, johon saadaan 20 % investointituki jonka jälkeen kustannus on 111200. Laitoksen mitoitusarvot: Polttoaine: hake, 30 % kosteus P35, M30 (Norm: CEN/TC 335) Kattila : t = 90 C Savukaasu: t < 250 C Palamishyötysuhde: 85 % Muut polttoaineet: palaturve, briketit, puupelletti Minimiteho: 5 % nimellistehosta Laitos tarvitsee hoitoa pellettikäyttöisenä noin puoli päivää viikosta, hakkeella toimiessaan hieman enemmän. Toiminnan kannalta helpointa olisi, jos polttoaineen toimittaja hoitaa myös laitoksen hoidon. Edellisten lisäksi laitoksen muiksi kustannuksiksi (mm. pakolliset vakuutukset, laitoksen omakäyttösähkö, huollot) on arvioitu n. 11000 /vuosi. 2.4 Maalämpölaitos Aluelämmityksen toteuttaminen maalämpöpumppulaitoksella on verrattain uusi vaihtoehto, eikä sitä ole vielä käytetty Suomessa niin laajalti kuin kpa-laitoksia. Periaatteena on, että lämpö tuotetaan alueelle tehtävistä porakaivoista joista maan lämpö kerätään, nostetaan lämpöpumpuilla korkeampaan lämpötilaan ja käytetään rakennusten lämmitykseen. Pelletti- ja hakekäyttöiseen polttolaitokseen verrattuna maalämpölaitoksen investointikustannukset ovat korkeammat, mutta vastaavasti energiakustannus on pienempi ja laitos tarvitsee vähemmän hoitoa. Maalämpöjärjestelmän hyötysuhde (COP, coefficient of performance) kertoo tuotetun lämmön suhteen käytettyyn sähköenergiaan. Matalalämpöiselle lattialämmitysverkostolle maalämpölaitos pystyy tuottamaan lämpöä hyvällä, jopa lähelle 4:n hyötysuhteella, johtuen suhteellisen pienestä lämpötilaerosta maasta kerätyn lämmön ja tuotetun lämmön välillä. Vastaavasti käyttöveden lämmityksen hyötysuhde on matalampi johtuen sen tarvitsemasta korkeammasta lämpötilasta ja siten suuremmasta lämpötilaerosta, joka vaatii 6
enemmän työtä eli energiaa. Lämpimänä aikana kun kiinteistön lämmitykseen ei tarvita energiaa, laskee lämpöpumpun hyötysuhde kun kaikki teho käytetään lämpimän käyttöveden lämmitykseen. Lisäksi maalämmöllä toimivalle aluelämpölaitokselle on haasteellista tuottaa niin kuumaa lämmitysvettä että se vielä verkostohäviöiden jälkeen on riittävän lämmintä käyttöveden lämmitykseen rakennuksissa (käyttöveden lämpötila oltava 60 astetta). Tähän voidaan joutua käyttämään tulistusta laitoksen sähkövastuksilla, mikä huonontaa laitoksen hyötysuhdetta ja nostaa merkittävästi laitoksen sähköliittymän kokoa ja kustannuksia. Toinen vaihtoehto on asentaa taloihin varaajat, joissa sähkövastukset lämmittävät käyttövettä edelleen. Selvitysten perusteella päädyttiin seuraavanlaiseen laitokseen: Maalämpölaitoksen lämpöpumppujärjestelmän teho n. 180 kw, 6 kpl 500 litran lämminvesivaraajia, sekä täydentävänä varatehona n. 3 x 42 kw sähkökattilat, arvioitu sähkövastusten lisäteho laitoksella 36 kw Laitos lämmittää veden n. 50 C asteeseen josta se johdetaan aluelämpöverkostoon ja korttelikohtaisiin lämmönvaihtimiin Käyttövesi lämmitetään talokohtaisissa lämminvesivaraajissa sähkövastuksilla edelleen n. 60 C asteeseen Laitoksen hyötysuhde on noin 3,5. Maalämpöpumppujen mitoitus on 83 % laitoksella tehtävän energian huipputehosta, mikä kattaa lähes 100 % laitoksella tuotettavasta energiasta. Tämän lisäksi rakennusten varaajissa joudutaan kuitenkin käyttämään sähköä käyttöveden lisälämmittämiseksi. Maalämpölaitoksen investointikustannus asennuksineen on noin 190000, josta porakaivojen kustannus mukaan lukien lämmönkeruuputket on n. 82500. Riittävän lämpömäärän keräämiseksi tarvitaan 19 kpl porakaivoja jotka ovat aktiivisyvyydeltään keskimäärin 195 metriä. Porakaivojen välin täytyy olla vähintään 15 metriä. Porakaivojen kustannus on laskettu Geologisen Tutkimuskeskuksen arvion perusteella, jonka mukaan etäisyys kallioon on keskimäärin 12 metriä. Lopullisen etäisyyden varmistamiseksi alueella täytyy tehdä maaperän koeporaus. Tämän lisäksi investointikustannuksia tulee lämpölaitoksen rakennuksesta ja maanmuokkaustöistä (noin 30000 ) sekä 160 ampeerin sähköliittymämaksusta (n. 14 300, verkkoyhtiö Fortumin mukaan). Kaiken kaikkiaan laitoksen hankintakustannus on noin 238000, johon saadaan investointituki 20 % jonka jälkeen maksettava kustannus n. 190400. Lämpölaitoksen sähkön hinta on edullisimman sähkönmyyntitarjouksen mukaan 69 /MWh, mikä sisältää energian ja siirron sekä sähköveron (alv 0 %.) Pelletti- ja hakekäyttöiseen polttolaitokseen verrattuna maalämpövaihtoehdon investointikustannukset ovat korkeammat, mutta vastaavasti laitos tarvitsee vähemmän hoitoa. Laitoksen muut käyttökustannukset (mm. huolto- ja hoitokustannukset, vakuutukset, laitoksen pumppujen omasähkönkäyttö) on n. 8400. Huolto- ja 7
hoitokustannusten arviointia kuitenkin vaikeuttaa kokemuksen puute suuren kokoluokan maalämpölaitoksista. Periaatteessa maalämpöpumpun ainoat liikkuvat ja kuluvat osat ovat kompressori, kolmitieventtiili sekä kiertovesipumput, jotka ovat korvattavia varaosia. Tässä työssä maalämpöpumpun kestoiän oletetaan olevan 15 vuotta. 3 TALOKOHTAINEN LÄMMÖNTUOTANTO Talokohtaista lämmöntuotantoa tarkastellaan sekä erikokoisten rakennusten näkökulmasta että alueen kokonaisuuden tasolla. Tarkasteltavia rakennuskokoluokkia ovat omakotitalo 110 m 2, pienrivitalo 330 m 2 sekä pienkerrostalo 750 m 2. Ilma-vesi lämpöpumppujen osalta tarkastellaan rakennuskokoja 110 m 2, 250 m 2 ja 330 m 2, johtuen siitä että niiden toiminnasta suuremmissa kokoluokissa ja ei vielä ole juurikaan kokemusta. Aluetason kustannukset perustuvat alueen jokaiseen rakennukseen tehtyyn hinta-arvioon lämmitysjärjestelmästä. Tarkasteltavat talokohtaisen lämmöntuotannon vaihtoehdot ovat: Pellettilämmitys Maalämpö Ilma-vesi lämpöpumppu Kaikki ilmoitetut hinnat ovat alv. 0 %, ellei toisin mainita. Uudisrakennusten talokohtaisiin lämmitysjärjestelmiin ei saa energia-avustusta. Talokohtaiset lämmityslaitteistot hoidetaan yleensä asukkaiden omalla työllä, joten hoitokustannuksia ei ole tässä lisätty käyttökustannuksiin. Laitteistojen oletetaan toimivan käyttöikänsä ajan ilman merkittäviä huoltoja. 3.1 Pellettilämmitys Talokohtainen pellettilämmitysjärjestelmän hankinta sisältää kattilan, varaajan (tarvittaessa), pellettivaraston ja asennuksen. Lisäksi huomioidaan pellettivaraston vaatiman ylimääräisen tilan kustannukset (800 /m 2 ). Pellettijärjestelmien investointikustannukset tarkasteltavissa rakennuskokoluokissa ovat: Omakotitalo 110 m 2 : 9300 Pienrivitalo 330 m 2 : 14 400 Pienkerrostalo 750 m 2 : 23 300 Kokonaisuudessaan kaikkien alueen rakennusten talokohtaisen pellettilämmitysjärjestelmän investointikustannus on yhteensä noin 280 000. Pellettien hintana käytetään yksityisasiakkaiden hintaa 40 /MWh (irtopelletit toimitettuna) ja lämmityksen hyötysuhdetta 88 %. 8
3.2 Maalämpö Nykyisin suosituimpia uusiutuvan energian lämmitysjärjestelmiä pientaloissa on talokohtainen maalämpö. Tässä vaihtoehdossa jokaisen rakennuksen tontille tehdään riittävä määrä porakaivoja (n. 160 m aktiivista syvyyttä per 150 m 2 ). Järjestelmä sisältää maalämpöpumpun, kalliokaivon porattuna, tarvittavat putkitukset ja putkityöt sekä järjestelmän toimintakuntoon virityksen. Järjestelmien kustannukset tarkasteltavissa rakennuskokoluokissa ovat: Omakotitalo 110 m 2 : 11 500 Pienrivitalo 330 m 2 : 14 400 Pienkerrostalo 750 m 2 : 26 200 Sähkön kuluttajahinta on saadun parhaimman tarjouksen mukaan 73,8 /MWh sisältäen energian, siirron ja sähköveron. Hyötysuhteena käytetään laitteistojen myyjän arvioimaa lukua 2,8. Kokonaisuudessaan aluetasolla kaikkien alueen rakennusten talokohtaisen maalämpöjärjestelmän investointi on yhteensä noin 316000. 3.3 Ilma-vesi lämpöpumppu Edellisten lämmitysjärjestelmien vaihtoehdoksi on rinnalle tullut hiljattain myös ilma-vesi lämpöpumppu, joka kerää käyttämänsä lämmön ilmasta, nostaa sen korkeampaan lämpötilaan, ja siirtää sen lämmitysvesi varaajaan. Kuten kaikissa lämpöpumpuissa, myös ilma-vesilämpöpumpun hyötysuhde on parhaimmillaan tehtäessä matalalämpöistä lämmitysvettä leudoissa olosuhteissa. Pumppujen hyötysuhteet on ilmoitettu yleensä optimaalisissa olosuhteissa (ulkolämpötila + 7 ja lämmitettävä vesi 35-50 C astetta) ja hyötysuhde on ilmoitettu olevan jopa maalämmön luokkaa. Kuitenkin on huomattava, että etenkin Pudasjärven pohjoisissa olosuhteissa ulkoilman lämpötila on lämmityskaudella selvästi alhaisempi kuin maan keskilämpötila, mikä laskee hyötysuhdetta maalämpöön verrattuna. Useimmat myyjistä suosittelevatkin Pudasjärvelle ilma-vesi lämpöpumpun sijaan maalämpöä. Hyötysuhteeksi Pudasjärvelle käytetään laitteistojen myyjien arviota 1,6 joka sisältää myös sähkövastusten lämmityssähkön osuuden. Ilma-vesi lämpöpumppujen investointikustannukset ovat yleensä hieman edullisemmat kuin maalämmöllä, johtuen etenkin siitä ettei lämmönkeruuputkistoja kuten porakaivoja tarvita. Ilma-vesilämpöpumput ovat leudoissa ilmanoloissa toimivia, mutta lämpötilan laskiessa - 20 C asteen tuntumaan pumppujen jäätyminen tulee ongelmaksi ja lämmitykseen joudutaan käyttämään varaajan sähkövastuksia. Tarjousten mukaiset järjestelmien kustannukset tarkasteltavissa rakennuskokoluokissa ovat: Omakotitalo 110 m 2 : 7 800 9
Omakotitalo 250 m 2 : 10 000 Pienrivitalo 330 m 2 : 11 100 Aluetason kokonaiskustannuksia ei laskettu, sillä ilma-vesilämpöpumput eivät voi tarjota koko aluetta kattavaa ratkaisua. Ne voivat toimia talokohtaisena lämmitysmuotona pienemmissä rakennuksissa, kun taas suuremmat rakennukset lämpiävät muilla talokohtaisilla ratkaisuilla eli pelleteillä tai maalämmöllä. 4 AURINKOLÄMPÖ LISÄLÄMMÖNLÄHTEENÄ Aurinkolämmön integrointi erilaisiin lämmitysjärjestelmiin on nykypäivänä varsin yleistä. Erilaisia ratkaisuja on markkinoilla tarjolla useita ja tekniikasta on varsin paljon kokemusta. Yleisimmät aurinkolämpökeräimet ovat taso- ja tyhjiöputkikeräimiä. Tyhjiöputkikeräimissä konvektiosta aiheutuvaa lämpöhäviötä vähennetään tai se estetään kokonaan tyhjiön avulla. Vuotuinen auringon säteilyn määrä optimaalisesti suunnatuille aurinkolämpökeräimille on Pudasjärven korkeudella noin 1000 kwh/m 2 (Kuva 1), minkä keräin pystyy hyödyntämään 40-60 prosentin vuosihyötysuhteella. Monesti järjestelmien valmistajat ilmoittavat keräimen hyötysuhteeksi esim. yli 90 % ja annetaan korkeita tuottolukuja, mutta nämä ovat yleensä mahdollisia vain optimioloissa kun ulkolämpötila on korkea ja keräin tuottaa varaajaan hyvin matalalämpötilaista vettä. Kun otetaan lisäksi muun keräinjärjestelmän häviöt huomioon, laskee hyötysuhde vielä tästä murto-osaan. Tässä työssä käytetään aurinkokeräinjärjestelmän hyötysuhdetta 35 %. Optimaalisin keräinten suuntaus on etelä, toiseksi lounas, ja optimaalisin asennuskulma 45-90 astetta. Kuva 1. Auringon säteily optimaalisesti suunnatuille pinnoille (Lähde: PVGIS-projekti, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/index.htm) 10
Auringon säteily on huipussaan kevät- ja kesäkuukausina, ja suurin osa vuotuisesta säteilyenergiasta (noin 80 %) saadaan huhti - elokuussa. Kuitenkin tällöin tilojen lämmitystarve on matalaenergiatalossa lähes olematon ja lämmitystä tarvitaan lähinnä vain käyttöveden lämmittämiseen. Toisaalta kun kylmempinä kuukausina tilojen lämmitystarve kasvaa, vähenee samanaikaisesti auringosta saatava lämpö (kuva 2). Käyttöveden kulutuksen täytyy siis tuolloin olla riittävän suurta ja järjestelmän mitoitus oikea jotta kevät- ja kesäkuukausina tuotettu energia voidaan mahdollisimman hyvin hyödyntää. Periaatteessa aurinkolämpöjärjestelmien rajoitteeksi ei muodostukaan usein niiden tuotto vaan kesäaikaisen energiankäytön vähyys. 11
Kuva 2. Aurinkokeräimien tuottama lämpöenergia ja rakennuksen energiantarve, esimerkki 250 m 2 pientalo, keräinjärjestelmän absorptiopinta-ala 8,4 m 2 Suurimman hyödyn aurinkokeräimistä saa alhaisen lämpötilan järjestelmissä, kuten lattialämmityksessä. Energiatehokkaissa taloissa, joissa talvikausien tilojen lämmitysenergiankulutus suhteessa ympärivuotiseen käyttöveden lämmitystarpeeseen on pienempi, on aurinkolämmön keräinten suhteellinen hyöty suurempi. Vertailussa on mukana 3 erikokoista tyhjiöputkikeräintä, joiden absorptiopinta-alat ovat 5 m2, 8,4 m2 sekä 16,8 m2. Keräinjärjestelmä voidaan integroida lämminvesivaraajaan mm. ilma-vesi-, maalämpöpumppu- ja pellettilämmityksen rinnalle. Jos järjestelmässä ei ole varaajaa valmiina, nostaa sen hankinta hieman aurinkolämmön investointikustannuksia. Tyhjiöputkikeräinjärjestelmien hinnat, sisältäen keräimet, varaajan, tarvittavat laitteet ja asennuksen ovat absorptiopinta-alojen mukaan: 5 m 2 : 3800 8,4 m 2 : 4400 16,8 m 2 : 6200-6900, riippuen rakennuksen koosta (suurempi varaaja ja asennuskustannukset) Aluetasolla aurinkokeräinten asentaminen kaikkiin rakennuksiin tulisi maksamaan n. 101 000. 5 VAIHTOEHTOJEN KANNATTAVUUDEN JA PÄÄSTÖJEN VERTAILU Vaihtoehtojen taloudellisen kannattavuuden vertailuperusteena käytetään tuotetun energian kustannusta, joka muodostuu investointi- ja käyttökustannuksista. Investointikustannukset lasketaan annuiteetteina, 12
vuosittaisina tasaerinä jotka sisältävät sekä pääoman lyhennyksen että koron, ja jakamalla nämä vuosittain tuotetun energian määrällä saadaan investointikustannukset tuotettua energiaa kohti. Käytettävä korkokanta on 5 % ja käyttöaika 15 vuotta kaikissa ratkaisuissa, paitsi ilma-vesi lämpöpumpuissa 12 vuotta ja aurinkokeräimissä 20 vuotta. Käyttökustannukset muodostuvat lämmön tuottamiseen kulutetusta polttoaineista tai sähköstä, sekä laitoksen huolto-, korjaus-, hoito-, vakuutus- ja muista kuluista. Vastaavasti myös nämä kustannukset suhteutetaan vuosittain tuotettavaan energiaan. Lisäksi vertailua täydennetään herkkyysanalyysillä, jossa järjestelmän kustannuksien muutoksia tarkastellaan seuraavien tekijöiden muutosten suhteen: Investointikustannus Takaisinmaksuaika Polttoaineen/sähkön hinta Tuotettu energia Korkotaso Eri lämmöntuotantovaihtoehtojen päästöjä arvioidaan hiilidioksidipäästöjen (tonnia CO 2 vuodessa) perusteella. Arvioinnissa käytetään seuraavia päästökertoimia (lähteet Tilastokeskus Polttoaineluokitus ja Tampereen Teknillinen Yliopisto TTY): Puupolttoaineet 0 kg/mwh Kevyt polttoöljy 267 kg/mwh Sähkö, maalämpöpumput 200 kg/mwh (sähkön keskimääräinen päästökerroin Suomessa) Lämmityssähkö 400 kg/mwh CO 2 -ekvivalentit päästöt huomioivat hiilidioksidipäästöjen ohella myös muut kasvihuonekaasupäästöt (metaani ja typpioksiduuli) Päästökertoimissa huomioidaan suorasta poltosta ja sähkön osalta sähköntuotannon polttoaineiden käytöstä aiheutuvat hiilidioksidipäästöt. Puupolttoaineiden osalta polton päästökerroin on nolla, sillä poltossa vapautuneen hiilidioksidin katsotaan sitoutuvan takaisin kasvavaan puustoon. Suoran lämmityssähkön päästökerroin perustuu TTY:n arvioihin lämmitystarpeen pysyvyyskäyrän mukaisista sähköntuotannon eri tehoalueiden (perus- väli- ja huipputeho) käytöstä. Lämmöntuotannon vaihtoehtojen kannattavuutta ja päästöjä tarkastellaan jäljempänä sekä aluetasolla että yksittäisissä rakennuksissa. 5.1 Vaihtoehtojen vertailu aluetasolla Suoraviivaisin vaihtoehto eri lämmitysvaihtoehtojen energiakustannusten tarkasteluun on vertailla niitä koko alueen tasolla. Vertailtavuuden mahdollistamiseksi eri talokohtaisten lämmitysratkaisujen kustannukset on 13
summattu aluetasolle ja saatu energiakustannus kuvaa lämmitystavan keskimääräistä kustannusta alueella. Aluetason vertailua tehdessä on kuitenkin huomioitava, että talokohtaisten järjestelmien yksikkökustannukset (kuten /MWh) saattavat vaihdella suurestikin, kun taas lämpökeskusvaihtoehdoissa energian yksikkökustannus eri rakennuksille on yleensä kutakuinkin sama. Ilma-vesi lämpöpumpuille aluetason kustannuksia ei ole laskettu koska niistä ei vielä löydy suurempiin kokoluokkiin testattuja ratkaisuja, ja niitä tarkastellaan seuraavassa kappaleessa pelkästään talokohtaisina lämmitysmuotoina. Tauluko 1 esittää yhteenvedon eri lämmitysjärjestelmien kustannuksista aluetasolla, Taulukko 2 järjestelmien energian ja polttoaineiden tarpeen, sekä Taulukko 3 energiakustannusten jakautumisen investointi- ja muuttuviin kustannuksiin. Taulukko 1. Lämmitysjärjestelmien investointikustannukset aluetasolla Investointikustannukset Lämmitysjärjestelmä Laitosinvestointi Investointituki Hankintakustannus Aluelämpöverkosto Lämpökeskus - pelletti 139000 27800 111200 102595 Lämpökeskus - sivutuote 139000 27800 111200 102595 Lämpökeskus - maalämpö 237935 47587 190348 102595 Talokohtainen - pelletti 279197 - - - Talokohtainen - maalämpö 315566 - - - Taulukko 2. Lämmitysjärjestelmien aluetason energiantarve ja -käyttö Ostoenergian hinta Energiantarve Käytetty energia MWh Lämmitysjärjestelmä Puu/Sähkö Öljy Rakennukset Verkostohäviöt Puu/MLSähkö Öljy/Lämmityssähkö Lämpökeskus - pelletti 36 60 /MWh 522 62 MWh 657 13 Lämpökeskus - sivutuote 17 60 /MWh 522 62 MWh 672 13 Lämpökeskus - maalämpö 69 - /MWh 522 53 MWh 151 46 Talokohtainen - pelletti 40 - /MWh 522 - MWh 593 0 Talokohtainen - maalämpö 74 - /MWh 522 - MWh 176 10 Taulukko 3. Lämmöntuotannon kustannukset aluetasolla Energiakustannukset alv 0 % Investointikustannuksekustannukset Käyttö- Kokonais- Lämmitysjärjestelmä kustannukset Vuodessa Lämpökeskus - pelletti 39,5 64,0 103,5 /MWh 53986 Lämpökeskus - sivutuote 39,5 44,3 83,8 /MWh 43726 Lämpökeskus - maalämpö 54,1 42,6 96,7 /MWh 50466 Talokohtainen - pelletti 51,6 45,6 97,2 /MWh 50707 Talokohtainen - maalämpö 58,3 26,4 84,7 /MWh 44187 14
Aluetason energiakustannuksiltaan edullisin ratkaisu on sivutuotepuuta polttoaineenaan käyttävä lämpökeskus, jonka energian kokonaiskustannus on 83,8 /MWh ja vuodessa noin 43700. Toiseksi edullisin ratkaisu aluetasolla on talokohtainen maalämpö, jonka energian kokonaiskustannus koko alueen tasolla on noin 84,7 /MWh ja vuosikustannus n. 44 200. Laitoksella voidaan myös polttaa pellettiä, jolloin energian kokonaiskustannus on 103,5 /MWh, joka kuitenkin on kallein vaihtoehto. Kuvioissa 1-4 esitetään aluetason herkkyystarkastelut puupolttoaine- ja maalämpölaitosten, sekä talokohtaisen pellettilämmön ja maalämmön kustannuksista. Suurimmat potentiaaliset nousut esitetyissä kustannuksissa johtuvat tuotetun energian määränvaihteluista, ja sen jälkeen suurimmat investointikustannusten ja käyttöiän vaihteluista. Lämmön tuotannossa käytettyjen polttoaineiden tai sähkön hinta vaikuttaa hieman edellisiä vähemmän. Kuvio 1. Sivutuotepuuta polttoaineena käyttävän aluelämpölaitoksen energiakustannusten herkkyystarkastelu 15