Kaukolämmön kysyntäjouston hyödyt, haitat ja potentiaali Kaukolämpöpäivät 27.8.2015 Pekka Passi
VALOR Partners Oy Suomen markkinat tunteva itsenäinen strategiakonsultti Toimisto Helsingissä 15 konsulttia Laaja kokemus usealta toimialalta Lähestymistapamme Sitoutuminen kasvuun yhdessä asiakkaiden kanssa; VALORin tavoitteena on olla laadultaan ensisijainen valinta asiakkailleen Asiakaslähtöinen ja pitkäjänteinen toimintamalli varmistaa arvonluonnin ja mahdollistaa muutokset Hankkeet tyypillisesti yhtiöiden ylimmän johdon agendalla VALORin liikevaihdon jakauma Omistajakysymykset ja yritysjärjestelyt Toiminnan tehostaminen Strategia ja sen jalkauttaminen 2
Tausta VALOR Partners Oy laati Energiateollisuus ry:lle kevään 2015 aikana selvityksen kaukolämmön kysyntäjoustosta Työssä tarkasteltiin kaukolämmön kysyntäjouston hyötyjä ja haittoja, potentiaalia, toteutusmallia sekä asiakaskannustimia Projektitiimiin kuuluivat Pekka Passi ja Seppo Ruohonen VALORilta sekä Kaisa Kontu ja Samuli Rinne Aalto-yliopistosta 3
Tutkimuksen toteutus Aiemmat tutkimukset ja selvitykset Case-esimerkit ja pilottihankkeet Kaukolämpöyhtiöiden, -asiakkaiden ja laitetoimittajien haastattelut Konsultin omat analyysit ja simuloinnit Yhteenveto ja alustavat johtopäätökset Asiakkaan ja jäsenkunnan kommentit Loppuraportti Vaikutukset kaukolämpöalan strategiaan 4
Keskusteluagenda 1. Mitä kysyntäjousto on? 2. Mitä hyötyä ja/tai haittaa kysyntäjoustosta on? 3. Miten kysyntäjousto pitäisi toteuttaa? 5
Mitä kysyntäjousto on? Kaukolämpöpäivät 27.8.2015 VALORin määritelmän mukaan: Kaukolämmön kysyntäjoustolla tarkoitetaan kulutuksen ajoituksen ja sitä kautta lämpötehon tarpeen muuttamista tavanomaiseen lämmitystarpeeseen verrattuna heikentämättä asiakkaiden kokemaa palvelun laatua Lämmön kysyntäjoustoa ei tule sekoittaa energian säästöön tai energian kysynnän rajoituksiin / palvelun laadun heikentämiseen Kysyntäjoustossa lämpöenergiaa ei välttämättä säästy, vaan tavoitteena on lämmönkulutuksen ajallinen siirto koko kaukolämpöjärjestelmän järjestelmän kannalta optimaalisemmaksi 6
Keskusteluagenda 1. Mitä kysyntäjousto on? 2. Mitä hyötyä ja/tai haittaa kysyntäjoustosta on? 3. Miten kysyntäjousto pitäisi toteuttaa? 7
Tyypillisen kaukolämpöjärjestelmän kuormituskäyrän muoto Tuntitason lämmöntarpeen keskiarvo eri vuodenaikoina ruotsalaisessa kaukolämpöjärjestelmässä, jonka vuosittainen lämmöntuotanto on noin 1200 GWh (joulukuu helmikuu, maalis-huhtikuu & lokamarraskuu, toukokuu & syyskuu, kesäkuu elokuu) Kuvasta huomataan lämmönkulutuksen kolme piirrettä: 1.Kaksi kulutushuippua päivän aikana (aamu- ja iltahuiput) 2.Suuret ulkolämpötilaerot yön ja päivän aikana keväisin ja syksyisin aiheuttavat hetkellisen lämmönkulutuksen pudotuksen keskipäivällä 3.Järjestelmätasolla lämmönkulutus on melko samanlaista eri viikonpäivinä eivätkä viikonloput juurikaan eroa arkipäivistä Lähde: Gadd & Werner 2013b 8
Case-esimerkki kaukolämmön kysyntäjouston käytännön tuloksista: Karlshamnin kysyntäjoustohanke Kuva pilotissa mukana olleista 15 rakennuksesta (350 asuntoa) Kysyntäkäyrä ilman kysyntäjoustoa (punaisella tavoitetaso) Tasoitettu kysyntäkäyrä kun kysyntäjousto oli käytössä Lähde. Wernstedt, F., Johansson, C. Intelligent distributed load control. 2008a. The 11th International symposium on district heating and cooling 2008: Reykjavik, Iceland. 9
Kysyntäjouston hyötyjen lähteitä kaukolämmön tuotannossa ja jakelussa Kaukolämmön tuotanto Peruskuormavoimalaitosten käyttöastetta ja käyntiaikaa saadaan parannettua (1) Huippulämpökeskusten ja muiden käyttökustannukseltaan korkeiden voimalaitosten käyttöaikaa saadaan lyhennettyä, mutta toisaalta käyttöastetta parannettua Uusia tuotantoinvestointeja voidaan lykätä tai toteuttaa kevyempinä CHP-laitoksilla tuotettu sähkö saadaan ajoitettua kalliimman sähkön aikoihin Lämpöpumppujen tai sähkökattiloiden käyttö saadaan ajoitettua edullisemman sähkön aikoihin Kaukolämpöverkko Pumppausenergian ja/tai - tehon tarpeen aleneminen (verkkotasapainon ylläpidon helpottuminen) Verkostoinvestointien lykkääminen, välttäminen tai mitoituksen keventäminen Potentiaalisesti erittäin merkittävä strateginen hyöty on myös se, että kysyntäjousto vaatii yhteistyötä kaukolämpöyhtiön ja asiakkaan kesken tämä tuo kaukolämmön lähemmäs asiakasta, lisää vuoropuhelua ja auttaa kehittämään kaukolämpötoimintaa 1) Esimerkiksi harvempia laitosten ylös- ja alasajoja tasaisemman kysynnän ansiosta 10
Kysyntäjouston hyötyjen lähteitä kaukolämpöasiakkaille ja yhteiskunnalle Kaukolämpöasiakkaat Alhaisemmat lämmityksen kokonaiskustannukset, jos tariffimalli palkitsee asiakkaita kysyntäjouston avulla saavutetuista kokonaishyödyistä Kuluttajapalveluiden kehittyminen uusien hinnoittelu- ja liiketoimintamallien kautta Yhteiskunta Energiantuotannon ympäristöystävällisyyden edistäminen Mahdollinen yleinen energiansäästö Kysyntäjoustoa voitaisiin perustella myös huoltovarmuustekijöillä ongelmatilanteissa lämpötehoa ja - energiaa pitäisi kuitenkin pystyä jakamaan tasaisesti. -Kaukolämpöyhtiö 11
Kysyntäjouston potentiaaliset haitat Huonosti rakennettu kysyntäjouston toteutusmalli saattaa johtaa siihen, että lämpötehopiikki muuttuu entistä korkeammaksi, mutta vain eri ajankohtaan (1) Ennuste-epävarmuuden toteutuessa kysyntäjousto saattaa johtaa eitoivottuihin vaikutuksiin järjestelmätasolla (2) Mahdollinen etukäteen sovittu kiinteä kannustin asiakkaille saattaa johtaa tappioihin kaukolämpöyhtiölle, jos oletetut hyödyt eivät konkretisoidukaan Kysyntäjouston toteutukseen tarvittavat investoinnit saattavat olla suuremmat kuin sillä saatavat yhteenlasketut nettokassavirrat tai saman hyödyn olisi saattanut saavuttaa edullisemmin esim. lämpöakun avulla 1) Näin tapahtuu esim. silloin, jos kysyntäjousto on laajasti käytössä ja kaikilla kiinteistöillä on samanlainen ohjauslogaritmi; kun kaikille kiinteistöille annetaan sama hinta- tai muu signaali, ne käyttäytyvät todennäköisesti täysin samalla tavalla 2) Esimerkiksi jos kiinteistön ennakoidaan käyttäytyvän tietyllä tavalla, mutta asukkaiden reaktioiden ja toimenpiteiden vuoksi kiinteistö käyttäytyykin eri tavalla tai jos sääolosuhteet muuttuvat nopeasti ennakoimattomalla tavalla 12
Kysyntäjouston taloudellinen hyötypotentiaali Simulointien perusteella Säästö voi olla järjestelmästä riippuen pitkällä tähtäimellä teoriassa jopa suuruusluokkaa 1-4 /MWh lämmön tuotantokustannuksista (5-20%:n säästö) tämä ei kuitenkaan ole realismia tällä hetkellä Kaukolämpöyhtiöiden arvioiden mukaan Realistinen oletus kysyntäjouston hyötypotentiaaliksi nykyratkaisuin ja nykykokemusten perusteella on järjestelmästä riippuen 1-3%:a lämmön tuotannon kustannuksista Kysyntäjouston hyötypotentiaali on suurin keväisin ja syksyisin sekä leutoina talvipäivinä, kun vuorokauden sisäiset lämpötilaerot ovat suurimmillaan sen sijaan pitkään jatkuvien pakkasjaksojen aikoina kysyntäjouston ja lämpöakun hyödyt ovat vähäiset tai olemattomat 13
Kysyntäjouston hyötypotentiaaliin vaikuttavia järjestelmäkohtaisia tekijöitä Hyötypotentiaalia kasvattavia tekijöitä Huonot lämmön varastointimahdollisuudet Suuret erot eri lämmöntuotantolaitoksilla tuotetun lämmön hinnassa Lämpökuorman suhteen niukasti mitoitetut voimalaitokset Tarjolla saatavuudeltaan vaihtelevaa teollisuuden ylijäämälämpöä tms., vain osa tehosta kattaen Epäoptimaalinen kaukolämpöverkko (asiakkaat hajallaan, kriittisiä pullonkauloja) Hyötypotentiaalia alentavia tekijöitä Paljon lämpöakkukapasiteettia Runsaasti erilaista lämmöntuotantoa: CHP, lämpöpumput, hakekattila Lämpökuorman suhteen reilusti mitoitetut voimalaitokset Tarjolla runsaasti yhteistoimintaan perustuvaa kiinteää lämmöntoimitusta Suuri kuormitustiheys (1) Väljästi mitoitettu kaukolämpöverkko 1) Tekee lämpöakusta kannattavamman suhteessa kaukolämmön kysyntäjoustoon 14
Keskusteluagenda 1. Mitä kysyntäjousto on? 2. Mitä hyötyä ja/tai haittaa kysyntäjoustosta on? 3. Miten kysyntäjousto pitäisi toteuttaa? 15
Lähtökohdat kaukolämmön kysyntäjouston toteutukseen Kaukolämmön kulutusjoustosta ei ole kokonaisuuden kannalta hyötyä ellei se (yhdessä muiden toimenpiteiden kanssa) synnytä hyötyjä jossakin osassa järjestelmää joko investointien tai käyttötoiminnan kautta syntyvinä säästöinä Syntyvä lisäarvo on voitava jakaa tasapuolisesti sen synnyttämiseen osallistuvien kesken panosten suhteessa tämä voi tapahtua erityisesti hinnoittelun tai tariffijärjestelmän kautta Kaukolämpöjärjestelmät eroavat toisistaan huomattavasti mm. tuotannon, lämmön varastointikyvyn, kulutuksen ja verkon rakenteen osalta tästä syystä kysyntäjouston hyödyt ja potentiaali täytyy arvioida järjestelmäkohtaisesti Lämmön kysyntäjouston toteutus (erityisesti hallinta ja ennakointi) on lämmitysjärjestelmän pitkistä aikavakioista johtuen oleellisesti hankalampaa kuin esimerkiksi sähkön kysyntäjouston toteutus Kysyntäjoustotoimia tarkastellessa tulee huomioida myös mahdollisen negatiivisen kysyntäjouston välttäminen, eli esimerkiksi asiakkaiden ylireagointi, joka johtaa järjestelmätasolla epäsuotuisaan lopputulokseen 16
Yhteenveto kysyntäjouston käytännön toteutusmallista (1/2) Haastattelujen perusteella määritellyt yleiset periaatteet: Pienissä järjestelmissä kysyntäjoustoa kannattaa todennäköisesti lähteä toteuttamaan vain suurimpien lämpöasiakkaiden kanssa, jolloin toteutus on yksinkertaisempaa ja vaikutukset helpommin hallittavissa Lisäksi luontevaa on etsiä ensimmäiseksi kohteita, joissa lämmitys voidaan katkaista ilman, että lämpötilan lasku olisi kriittistä (1) Suurissa, hajanaisissa järjestelmissä riittävän kokonaisvolyymin saamisen ja verkon tasapainon hallinnan kannalta on hyvä, että mukana kysyntäjoustojärjestelmässä on myös asuinkiinteistöjä Järjestelmätason hyötyjen maksimoinnin ja kysyntäjouston vaikutusten mahdollisimman hyvän ennakoinnin näkökulmasta kysyntäjouston ohjaus olisi luontevaa pitää kaukolämpöyhtiöllä 1) Esim. varastot, teollisuushallit, kirkot tms. 17
Yhteenveto kysyntäjouston käytännön toteutusmallista (2/2) Kysyntäjouston toteutus pitää pystyä toteuttamaan siten, että asiakkaan kokema palvelun laatu ei heikkene Tästä syystä ilmanvaihtoon kajoavat toteutusmallit eivät ole optimaalisia (kosteus kasvaa, ilman laatu ja tuottavuus heikkenee jne.) Samasta syystä myöskään lämpimän käyttöveden käyttöä ei voi rajoittaa Mielekkäämpää on toteuttaa kysyntäjousto patteriverkostossa virtaavan veden lämpötilaa rajoittamalla (1) Ohjaussignaali kiinteistöille voidaan toteuttaa esim. Dynaamisen (esim. tuntitason) hinnoittelun avulla Suorana massaohjaussignaalina kiinteistöjen kaukolämpökeskuksille Säännöllisenä aikaperusteisena ohjauksena (esim. klo 7-9 joka aamu) Kahdella viimeksi mainitulla mekanismilla kysyntäjouston vaikutukset pystytään hallitsemaan parhaimmin suurin haaste ja riski kysyntäjouston toteutuksessa on ennuste-epävarmuuden hallinta (2) 1) Veden virtauksen rajoittaminen johtaisi ainakin kerrostaloissa todennäköisesti siihen, että patteriverkoston tasapaino katoaisi ja lämpö jakautuisi epätasaisesti 2) Käytännössä sen hallitseminen kuinka paljon kuormaa lähtee sekä kuinka nopeasti ja kuinka suurena kuorma palautuu (esimerkiksi jos patterikiertoa rajoitetaan, asukkaat voivat reagoida aukaisemalla patteriventtiilit äärimmilleen, mikä vaikeuttaa nettotehovaikutuksen arviointia) 18
Muita havaintoja kaukolämmön kysyntäjoustosta Jos kysyntäjouston toteutus vaatii suuria investointeja kiinteistöautomaatioon, ison lämpöakun rakentaminen on todennäköisesti kannattavampi tapa lisätä lämpöjärjestelmän joustoja Kaukolämmön kysyntäjouston järjestelmätason toimivuutta ei ole hyötypotentiaaliin nähden tutkittu Suomessa kovinkaan paljoa pilottihankkeita, tutkimustietoa ja kaukolämpöjärjestelmiä koskevaa relevanttia dataa on vähän, ja data on heikosti saatavilla 19
LIITTEET
Kaukolämmön kysyntäjouston potentiaalisin hyödyntämisperiodi Kysyntäjoustolla tasoitettu kysyntäkäyrä Linköpingin kaukolämpöjärjestelmästä (perustuu simulointiin) - kaukolämmön tuotanto ja höyryn tuotanto olivat 1700 GWh (v. 2008) ja lämpötehon kysynnän maksimi 500 MW Kysyntäjouston potentiaalisin hyödyntämisperiodi 1) Toteutuksessa käytössä sama tekniikka kuin Karlshamnissa, kysyntäjousto johti myös 10 GWh:n energian säästöön Lähde: Difs, K., Bennstam, M., Trygg, L., Nordenstam, L. Energy conservation measures in buildings heated by district heating A local energy system perspective. Energy 35 (2010) 3194-3203. 21
Case-esimerkkejä toteutuneesta hyötypotentiaalista Vain joitakin energiajärjestelmätason mallinnuksia tuotannon optimoinnista tai esimerkkejä energiajärjestelmätasolla käytännössä saavutetuista kysyntäjouston hyödyistä (tai haitoista) Suomalaisten pilottihankkeiden osalta arvioita hyötypotentiaalista ei ole julkaistu Jyväskylä 2 toimistorakennusta, sisälämpötilan lasku 2 C Lämpötehoa voitiin leikata 2 3 tunnin jaksolla keskimäärin 20 25 % hyödyntämällä rakennusten massaa ja vesikeskuslämmitystä Arvioitiin, että tarvittaisiin noin 160 samankaltaista rakennusta, jotta pystyttäisiin leikkaamaan 20%:a huipputehosta Karlshamn Kysyntäjoustojärjestelmä kattoi 15 rakennusta ja yhteensä 350 asuntoa Tulokset osoittivat, että vuoden 2007 helmikuussa järjestelmän käyttöönoton myötä lämpötehon tarve patteriverkostossa alentui 11 %:a ja lämpöenergiankulutuskin vähentyi 7 %:a Lähteet: Wernstedt F, Johansson C. Wollerstrand J, Sänkning av returtemperaturer genom laststyrning (Decreased return-temperatures through heat load control). Report No. 2008:2. 2008b. Kärkkäinen S., Sipilä K., Pirvola L., Esterinen J., Eriksson E., Soikkeli S., Nuutinen M., Aarnio H., Schmitt F., Esigruber C. Demand side management of the district heating systems. VTT Research Notes 2003 (2247). 22
Yhteenveto asiakkaille tarjottavista kysyntäjoustokannustimista Oletettavasti asiakkaille täytyy tarjota positiivisia (tod.näk. rahallisia) kannustimia, jotta he suostuvat osallistumaan kysyntäjoustojärjestelmään erityisesti jos osallistuminen vaatii asiakkaalta investointeja Kaukolämpöyhtiön kannalta olisi mielekästä, että palkitseminen tapahtuisi jälkikäteen ja perustuisi todennettuihin hyötyihin Isoille kaukolämpöasiakkaille on luontevaa tarjota asiakaskohtaisia kannustimia, mutta taloyhtiöille standardisopimuksia ja -ratkaisuja Kannustimet voivat perustua joko tehomaksujen tai energiamaksujen alennuksiin tai suoriin investointitukiin (1) Kaukolämpöyhtiön ohjaamassa järjestelmässä kysyntäjoustoon osallistuvien asiakkaiden tehomaksujen alentaminen vaikuttaisi luontevimmalta kannustinmallilta (2) 1) Kustannusperusteinen kausihinnoittelu (esim. tuntipohjainen) tai todelliseen tarpeeseen perustuva tehomaksu katsotaan kannustimeksi, vaikka tiukasti arvioiden näin ei olekaan 2) Pitkällä tähtäimellä tosin tuntipohjainen marginaalikustannuksiin perustuva reaaliaikainen kaukolämmön hinnoittelu antaisi kaikille osapuolille mahdollisimman oikean signaalin toiminnan ohjaamiseksi esimerkiksi kiinteistöille, joilla on sekä lämpöpumppu että kaukolämpöliittymä 23
Yhteystiedot: VALOR Partners Oy Eteläesplanadi 24 FI-00130 Helsinki www.valor.fi Pekka Passi Osakas Tel: +358 40 508 6367 pekka.passi@valor.fi