HYBRIDILÄMMITYS KAUKOLÄMMITETYISSÄ KIINTEISTÖISSÄ SÄ JA KÄYTÖN YMPÄRISTÖ- VAIKUTUKSET YLEISTIIVISTELMÄ Mikkeli 11.5.2007 Veli-Matti Mäkelä Tero Lintunen Ville Latva Susanna Kuha Arto Hämäläinen Tuomo Asikainen Jukka Pirttinen
SISÄLLYSLUETTELO SÄLLYSLUETTELO LYHENTEET 1 Taustaa...1 1.1 Johdanto...1 1.2 Tavoite...1 1.3 Tutkimusorganisaatio...2 1.4 Tutkimuskohteet...3 2 State of art selvitys...4 3 Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset omakotitalolle...7 4 Hybridilämmitys rivi- ja kerrostaloissa...10 5 Hybridilämmityksen vaikutukset sähkön- ja lämmöntuotantoon...13 6 Johtopäätökset...16 LIITTEET LIITE A: Hybridilämmitys kaukolämmitetyissä kiinteistöissä (86 s.) LIITE B: Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset (110 s.) LIITE C: Sähköhybridilämmitys kaukolämmitetyissä kerros- ja rivitaloissa (94 s.) LIITE D: Hybridilämmityksen yhdyskuntavaikutukset (95 s.)
LYHENTEET KL SLL SIV NA LP CHP POR kaukolämmitys sähköinen lattialämmitys sähköinen ilmanvaihdon jälkilämmitys nykyarvo lämpöpumppu yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto (combined heat and power) raskas polttoöljy
1 Taustaa Tämä tutkimus oli osa suurempaa Tekesin (Teknologian ja innovaatioiden kehittämiskeskus) rahoittamaa Kehittyvä Kaukolämpö -tutkimus ja kehittämishanketta. Pääkohteena oli kansainvälisten kaukolämpötutkimusten analysointi ja yhtenä pilottikohteena tarkasteltiin hybridilämmitystä sekä asiakkaan, että yhteiskunnan kannalta. Hankkeen päätutkimuskohteesta on erillinen raportti. Hanke toteutettiin yhteistyössä LTY:n (Lappeenrannan teknillinen yliopisto), VTT:n (Valtion teknillinen tutkimuskeskus), TKK:n (Teknillinen korkeakoulu) ja Energiateollisuus ry:n kanssa. 1.1 Johdanto Suomessa energian kokonaiskulutus oli vuonna 2005 378 TWh, josta energian siirto- ja muuntohäviöiden jälkeen yritysten, kotitalouksien ja muiden kuluttajien loppukäyttöön jäi 300 TWh. Energian loppukäyttö mittaa energialopputuotteiden, eli sähkön ja kaukolämmön sekä rakennusten lämmitykseen käytettyjen polttoaineiden, liikennepolttoaineiden ja teollisuuden prosesseissa käytettävien polttoaineiden kulutusta. Kokonaiskulutuksen ja loppukäytön erotus menetetään energian muunto- ja siirtohäviöinä. Toiseksi suurin energian käyttäjä, heti Suomen energiaintensiivisen teollisuuden jälkeen oli rakennusten lämmitys. Suomessa kulutetusta energiasta teollisuuden osuus oli puolet (143 TWh) ja rakennusten lämmityksen osuus 22 % (66 TWh). Tämän perusteella voidaan todeta, että rakennusten lämmitys on merkittävä energian käyttökohde Suomessa. 1.2 Tavoite Projektin tavoitteena oli tutkia hybridilämmityksen kannattavuutta ja vaikutuksia sekä kuluttajan että yhteiskunnan kannalta. Hybridilämmityksellä tarkoitetaan tässä yhteydessä kaukolämmitetyn kiinteistön lämmittämistä samanaikaisesti jollain toisella lämmitysmuodolla, kuten sähköllä, lämpöpumpulla tms. Tavoitteena oli selvittää, onko hybri- 1
dilämmitys kannattavaa tai missä laajuudessa se on järkevää toteuttaa, sekä tarjota uusi, laajempi näkökulma eri lämmitysmuotojen yhdistämisestä. 1.3 Tutkimusorganisaatio Tutkimus toteutettiin Mikkelin ammattikorkeakoulun Yrityspalvelut yksikössä. Toiminnassa hyödynnetään monipuolisesti ammattikorkeakoulun osaamista ja resursseja. Yrityspalveluiden tehtävänä on luoda kontakteja ja kartoittaa elinkeinoelämän tarpeita sekä tuottaa palveluja näiden tarpeiden tyydyttämiseksi. Tutkimuksen vastuullinen johtaja oli tekn. lis. Veli-Matti Mäkelä ja koko Kehittyvä kaukolämpö hankkeen projektipäällikkönä toimi DI Ville Latva, molemmat Mikkelin ammattikorkeakoulun Yrityspalveluista. Projektissa muita mukana olleita tutkijoita olivat: Tero Lintunen, Susanna Kuha, Arto Hämäläinen, Tuomo Asikainen ja Jukka Pirttinen. Lisäksi tukea hankkeelle ovat antaneet Jarmo Tuunanen, Esa-Matti Laiho ja Heikki Salomaa. Kehittyvä kaukolämmitys hankkeen ohjausryhmän kokoonpano on ollut seuraava Ohjausryhmän varsinaiset jäsenet: Jari Kostama, Energiateollisuus ry Veikko Hokkanen, Helsingin Energia Arto Salmela, Etelä-Savon Energia Oy Hannu Lipsanen, Savon Voima Oyj Esa-Matti Laiho, Mikkelin ammattikorkeakoulu Veli-Matti Mäkelä, Mikkelin ammattikorkeakoulu Timo Alasuvanto, Teknologian ja innovaatioiden kehittämiskeskus Hybridipilotin toteutusta tukeneet yritysryhmän jäsenet: Mirja Tiitinen, Energiateollisuus ry 2
Arto Salmela, Etelä-Savon Energia Oy Marjukka Nuutinen, Jyväskylän Energia Oiva Välikangas, Oulun Energia Pekka Takki, Helsingin Energia Timo Inkeroinen, Kotkan Energia Oy Timo Mäki, Pori Energia Oy Timo Vattulainen, Vantaan Energia Oy Lisäksi tutkijaorganisaatiosta työhön osallistuivat: Veli-Matti Mäkelä, Mikkelin ammattikorkeakoulu Susanna Kuha, Mikkelin ammattikorkeakoulu Tero Lintunen, Mikkelin ammattikorkeakoulu 1.4 Tutkimuskohteet Tutkimus jakaantui neljään erilliseen tutkimuskokonaisuuteen: Osa 4: Selvitys hybridilämmityksen vaikutuksista yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon yhdyskunnan kannalta. Osa 3: Selvitys rivi- ja kerrostaloasukkaan ja rakennuttajan kannalta sähköhybridilämmityksen kannattavuudesta. Osa 2: Selvitys omakotitalo-omistajan kannalta hybridirakentamisen kannattavuudesta. Osa 1: State of art selvitys nykyisin käytössä olevista hybridilämmitystekniikoista ja niiden yleisyydestä Suomessa. Kuva 1. Hybridilämmitys tutkimuksen rakenne 3
Osa 1. State of art selvitys nykyisin käytössä olevista hybridilämmitystekniikoista ja niiden yleisyydestä Suomessa. (LIITE A) Osa 2. Selvitys omakotitalo-omistajan kannalta hybridirakentamisen kannattavuudesta. (LIITE B) Osa 3. Selvitys rivi- ja kerrostaloasukkaan ja rakennuttajan kannalta sähköhybridilämmityksen kannattavuudesta. (LIITE C) Osa 4. Selvitys hybridilämmityksen vaikutuksista yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon yhdyskunnan kannalta. (LIITE D) 2 State of art selvitys Projektin alussa selvitettiin ensin nykytilaselvityksen avulla kaukolämmitetyissä kiinteistöissä kaukolämmityksen rinnalla käytettävät muut lämmitysmuodot. Selvitys tehtiin kyselylomakkeella rakennusliikkeille ja LVI-urakoitsijoille, sekä tilastoja analysoimalla. Nykytilaselvityksen tavoitteena oli kartoittaa tämän hetkinen tilanne Suomessa hybridilämmityksen suhteen uusissa kaukolämmitetyissä kiinteistöissä. Tutkimuksen kohteena olivat vuonna 2004-2005 valmistuneet kaukolämpöön liitetyt kiinteistöt. Tutkittavina kiinteistötyyppeinä olivat omakoti-, rivi- ja kerrostalot sekä liike- ja julkiset rakennukset. Nykytilaselvitys toteutettiin kyselynä alan ammattilaisille, joista aktiivisimpia vastaavia olivat suuret urakoitsijat. Vastauksia saatiin 27 omakotitalosta, 34 rivitalosta (428 rivitaloasunnosta), 240 kerrostalosta (7 002 kerrostaloasunnosta), 171 kaupasta ja 150 toimistosta. Kyselyn vastausten perusteella voitiin todeta, että melkein kaikissa vuosina 2004-2005 valmistuneissa kaukolämmitetyissä omakotitaloissa oli ilmanvaihdon sähköinen jälkilämmityspatteri (93 % omakotitaloista). Tämä oli hieman yllättävä tulos, sillä samanlaisia ilmanvaihtokoneita saa myös vesikiertoisella jälkilämmityspatterilla. Toinen suosittu lisälämmitystapa omakotitaloissa oli tulisija, sillä se rakennetaan tänä päivänä lähes poikkeuksetta jokaiseen omakotitaloon. Vastanneiden mukaan 96 prosentissa uusista kaukolämpöön liitetyistä omakotitaloista oli tulisija. 4
Vuosina 2004-2005 valmistuneissa rivitaloissa oli kaukolämmön rinnalla käytössä sähköinen lattialämmitys 71 prosentissa rivitaloista. Sähköinen kuivauspatteri oli käytössä 14 prosentissa uusissa kaukolämmitetyissä rivitaloissa. Vastausten perusteella ilmanvaihdon sähköinen jälkilämmityspatteri ei ole kovin yleinen uusissa rivitalokohteissa. Sitä oli käytetty vain noin viidessä prosentissa rivitaloista. Kyselyn perusteella sähköinen lattialämmitys oli 76 prosentissa kaukolämpöön liitetyistä kerrostaloista, jotka ovat valmistuneet vuosina 2004-2005. Ilmanvaihdon sähköisen jälkilämmityspatterin osuus kaukolämpöön liitetyissä kerrostaloissa oli pieni, se oli käytössä vain noin seitsemässä prosentissa kerrostaloista. Liike- ja julkisista rakennuksista tilastointikelpoista tietoa saatiin vain kauppojen ja toimistojen osalta. Vastauksien perusteella 150 toimistorakennuksesta vain 3:ssa oli käytössä pihalämmitys ja 15:ssä luiskalämmitys. Muita rinnakkaisia lämmitystapoja ei kyselyn perusteella toimistoissa käytetä. Kauppojen osalta tulokset näyttivät, että suurimmassa osassa kauppoja ei lisälämmitystä käytetä (59 % vastauksista). Lisälämmitystavoista yleisin oli luiskalämmitys sähköllä ja toiseksi yleisin oli käyttöveden lämmittäminen sähköllä. Kyselyssä selvitettiin myös vastaajien arvioita hybridilämmityksen tulevasta kehityssuunnasta. Vastaajien mielestä tulisijan, ilma- ja poistoilmalämpöpumpun sekä sähkö(jälki)lämmityspatterin käyttö lisääntyy tulevaisuudessa kaukolämmitetyissä kiinteistöissä. Tulosten perusteella yleisin rinnakkainen lämmitysmuoto oli sähkölämmitys. Kaukolämpö on ympäristöystävällinen tapa tuottaa lämpöenergiaa, varsinkin kun se tuotetaan yhteistuotannossa sähkön kanssa. Sähköä tuotettaessa syntyy myös lämpöä, joka voidaan käyttää kaukolämmityksen tarpeisiin. Tämän vuoksi onkin hieman ristiriitaista miksi sähköä yleensä käytetään niin paljon lämmitykseen etenkin kaukolämmityksen korvaamiseksi. 5
Nykytilaselvityksen jälkeen mallinnettiin tyypillinen omakotitalo, jolle laskettiin yksityiskohtaiset investointi- ja elinkaarikustannukset eri lämmitysjärjestelmien ja - yhdistelmien osalta. Elinkaaren kestoksi määriteltiin 50 vuotta. 6
3 Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset omakotitalolle Omakotitalotapauksessa mallikiinteistöksi valittiin kooltaan keskimääräinen noin 140 neliön omakotitalo, joka sijaitsee Keski-Suomessa kaukolämmitetyllä alueella. Lämmitysjärjestelmien osalta perusratkaisuna pidettiin kaukolämmitysvaihtoehtoa, johon hybridilämmitysjärjestelmiä verrattiin. Kaukolämmön rinnakkaislämmitystavoista tarkasteltiin sähkölämmityksen, aurinkolämmön, poistoilmalämpöpumpun sekä varaavan takan käyttöä. Omakotitalon elinkaarikustannusten kumulatiivinen nykyarvo, 4% ja 50 vuotta 70 000 60 000 kok.kust. NA, EUR 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 aika, vuotta KL KL+sähkö KL+aurinko KL+takka KL+poistoLP Kuva 2. Omakotitalon lämmitysjärjestelmien elinkaarikustannusten kumulatiiviset nykyarvot Elinkaarimenetelmän ja nykyarvolaskennan avulla tutkimuksessa todettiin, ettei hybridilämmitys ole tarkasteltavassa omakotitalossa kannattavaa, sillä pelkkä kaukolämmitysvaihtoehto on koko elinkaarensa aikana edullisin. Puhdas kaukolämmitysratkaisu tulee elinkaarensa aikana yli 5 000 halvemmaksi kuin seuraavaksi halvin hybridilämmitysratkaisu. 7
Koska elinkaarilaskennassa kyse on vuosikymmenistä ja ennustettavuus on vaikeaa, analysoitiin investoinnin epävarmuutta ja tärkeimpiä tekijöitä herkkyysanalyysillä. Herkkyyttä arvioitiin energian hinnan eri kehitysskenaarioiden mukaan: Skenaario 1. Kaukolämmön energiamaksu kasvaa viisi prosenttia joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 2. Sähkön energiamaksun kokonaishinta (sis. sähkö ja siirto) kasvaa viisi prosenttia joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 3. Sekä kaukolämmön energiamaksu että sähkön energiamaksun kokonaishinta (sis. sähkö ja siirto) kasvaa viisi prosenttia joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. 30 25 Ero KL-vaihtoehtoon, % 20 15 10 5 0-5 KL KL+sähkö KL+aurinko KL+poistoLP KL+takka -10 Lähtötilanne Skenaario 1 Skenaario 2 Skenaario 3 Kuva 3. Eri lämmitysvaihtoehtojen herkkyysanalyysitarkastelu Herkkyysanalyysin avulla todettiin, että energiahintojen muuttuessa on kaukolämpövaihtoehto edelleen edullisin, lukuun ottamatta tilannetta, jolloin vain kaukolämmön energiamaksu kasvaisi vuosittain ja sähkön kokonaishinta pysyisi vakiona. Tässä tapa- 8
uksessa KL+sähkö -hybridilämityksen elinkaarikustannukset olisivat 1,8 % alhaisemmat kuin pelkän kaukolämmityksen. Sen sijaan, jos skenaario 2 toteutuisi niin KL+sähkö hybridilämmitys olisi jopa 24,1 % kalliimpi kuin pelkkä kaukolämmitys. Sähkölämmitysja poistoilmalämpöpumppuhybridit ovat herkimpiä energian hinnanmuutoksille, sillä molempien kustannukset voivat muuttua näiden skenaarioiden mukaan yli 25 % suhteessa kaukolämpövaihtoehtoon energiahintojen muuttuessa. 9
4 Hybridilämmitys ilämmitys rivi- ja kerrostaloissa Kerros- ja rivitalotapauksessa vaihtoehtoisista lämmitysjärjestelmistä otettiin mukaan puhdas kaukolämmitys ja kaukolämmitys yhdistettynä sähköllä toteutettuihin kahteen eri vaihtoehtoon, jotka olivat sähköinen lattialämmitys ja sähköinen tuloilman jälkilämmitys. Näitä kolmea tapausta ja niiden investointi- ja elinkaarikustannuksia vertailtiin taas 50 vuoden elinkaarella. kok.kust. NA, EUR Rivitalon elinkaarikustannusten kumulatiivinen nykyarvo, 4% ja 50 vuotta 500 000 450 000 400 000 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 aika, vuotta KL KL+SLL KL+SLL+SIV Kuva 4. Rivitalon lämmitysjärjestelmien elinkaarikustannusten kumulatiiviset nykyarvot Niin yllä olevassa rivitalotapauksessa, kuin seuraavassa kuvassa olevassa kerrostaloesimerkissä rakennuksen elinkaaren aikana taloudellisimmaksi vaihtoehdoksi tuli pelkkä kaukolämmitysratkaisu, joka on noin 29 000 edullisempi kuin halvin hybridilämmitysvaihtoehto (KL+SLL). 10
Kerrostalon elinkaarikustannusten kumulatiivinen nykyarvo, 4% ja 50 vuotta 1 200 000 1 000 000 kok.kust. NA, EUR 800 000 600 000 400 000 200 000 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 aika, vuotta KL KL+SLL KL+SLL+SIV Kuva 5. Kerrostalon lämmitysjärjestelmien elinkaarikustannusten kumulatiiviset nykyarvot Elinkaarensa aikana pelkkä kaukolämmitysratkaisu on noin 80 000 edullisempi kuin KL+SLL ja yli 200 000 edullisempi kuin KL+SLL+SIV Herkkyysanalyysi tehtiin kaukolämmön perus- ja energiamaksujen sekä sähkön energiamaksun kokonaishintojen suhteen. Perusmaksujen ja energian hinnanvaihtelun vaikutusta kannattavuuteen tutkitaan seuraavien skenaarioiden avulla: Skenaario 1. Kaukolämmön perus- ja energiamaksut kasvavat neljä prosenttia joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 2. Sähkön energiamaksun kokonaishinta (sis. sähkö ja siirto) kasvavat neljä prosenttia joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). Muut pysyvät vakioina. Skenaario 3. Kaukolämmön perus- ja energiamaksu sekä sähkön energiamaksun kokonaishinta (sis. sähkö ja siirto) kasvavat neljä prosenttia joka vuosi koko tarkastelujakson ajan (50 vuotta). 11
2 500 000 2 000 000 1 500 000 1 000 000 Lähtötilanne Skenaario 1 Skenaario 2 Skenaario 3 500 000 0 KL KL+SLL KL+SLL+SIV Kuva 6. Kerrostaloesimerkin herkkyysanalyysitarkastelu Verrattaessa eri lämmitysmuotojen herkkyysanalyysejä toisiinsa, havaittiin että skenaario 2 kasvoi huomattavasti jyrkemmin kuin skenaario 1. Pelkästään tämän havainnon perusteella voitiin todeta, että hybridiratkaisut ovat huomattavasti herkempiä energianhinnan muutoksille. Tutkimustuloksien valossa on syytä ihmetellä miksi etenkin sähkölämmitys kaukolämpökiinteistöissä on yleistynyt. Sähkölämmityksen etuna pidetään useasti helpompaa ja nopeampaa toteutettavuutta, mutta tämän ei pitäisi olla valinnan kriteerinä etenkään omakotitalorakentajalle, joka pystyy valintaan vaikuttamaan. 12
5 Hybridilämmityksen vaikutukset sähkön- ja lämmöntuotantoon Vaikutuksia sähkön- ja lämmöntuotantoon laskettiin kahden eri hybridilämmitysskenaarion ja kahden eri energiantuotantovaihtoehdon avulla. Ensimmäisessä skenaariossa sähkölämmitys oli korvannut 10 % kaukolämmitysenergian tarpeesta ja toisessa skenaariossa 20 %. Molemmissa skenaarioissa tämä sähkölämmityksellä korvattu kaukolämmitysenergian osuus vähennettiin CHP -tuotannosta. CHP -tuotantoa pienennettäessä, väheni myös yhteistuotannosta saatava sähköenergian määrä. Tämä yhteistuotantoa pienentämällä menetetty sähköenergian osuus ja siihen lisättynä sähköenergian käytön kasvun osuus, oli tuotettava erillisellä sähköntuotannolla. Energiantuotantovaihtoehdot olivat maakaasu tai biopolttoaine pääpolttoaineena. Ensimmäisessä vaihtoehdossa käytettiin energiantuotannon pääpolttoaineena maakaasua. Maakaasua käytetään myös polttoaineena päälämpökeskuksessa. Vara- ja huippukuormalämpökeskukset toimivat raskaalla polttoöljyllä (POR). Toisessa vaihtoehdossa pääpolttoaineena käytettiin biopolttoaineita, jyrsinturvetta ja puuta. CHP -tuotantolaitos ja päälämpökeskus käyttivät turve/puu- sekoitusta suhteessa 50 50. Vara- ja huippukuormalämpökeskukset toimivat raskaalla polttoöljyllä (POR). Energiantuotantovaihtoehdot sisälsivät myös mahdollisuuden erilliseen sähköntuotantoon kivihiililauhdevoimalla. Vertailun parantamiseksi sähkön lisätuotannosta aiheutuvat päästö- ja kustannuslaskelmat tehtiin vielä tuotantomixin avulla, joka kuvasi vuoden 2006 keskimääräistä erillissähköntuotannon jakaumaa Suomessa, lauhdetuotanto mukaan huomioiden. Käytettäessä puuta ja turvetta pääpolttoaineena ja kivihiiltä lauhdevoiman tuotannossa, olivat hiilidioksidipäästöjen kasvu varsin merkittävä siirryttäessä nykytilanteesta eri skenaarioihin. Hiilidioksidipäästöt nousivat maltillisemmin, kun laskennassa käytettiin tuotantomixiä. Kasvua oli kuitenkin n. 50 000 tco 2 /a. 13
Päästöjen muutos, tco2/ vuosi Kaukolämmön kulutuksesta korvautuu sähköllä Nykytila Skenaario 1 (10 %) Skenaario 2 (20 %) 600 Päästöt 1000 tco2/a 500 400 300 200 100 0 CHP (puu50%/turve50%), sähkö (tuotantomix) CHP (puu50%/turve50%), lauhdesähkö (kivihiili) CHP (maakaasu), sähkö (tuotantomix) Oletukset: Tuotantomix: keskimääräinen sähkön erillistuotanto v.2006, sis. lauhdetuotanto Kuva 7. Päästöjen kehitys eri hybridilämmityksen skenaarioilla Hiilidioksidipäästöjen kasvu ja siten päästökaupan vaikutukset toivat huomattavan kustannuslisän puuta ja turvetta pääpolttoaineena käyttävään energiantuotantomalliin lisäsähkön tuotantotavasta riippumatta. Kustannusten kasvu oli molemmissa tapauksissa yli 5 000 000 /a. Maltillisemmin kustannukset kasvoivat maakaasutapauksessa, jossa kustannukset kasvoivat ainoastaan hieman yli 500 000 /a. 14
Lisäkustannukset / a 5 000 000 4 000 000 3 000 000 2 000 000 1 000 000 0 Polttoainekustannusten muutos Kaukolämmön kulutuksesta korvautuu sähköllä Nykytila Skenaario 1 (10 %) Skenaario 2 (20 %) 6 000 000 CHP (puu50%/turve50%), sähkö (tuotantomix) CHP (puu50%/turve50%), lauhdesähkö (kivihiili) CHP (maakaasu), sähkö (tuotantomix) Oletukset: Tuotantomix: keskimääräinen sähkön erillistuotanto v.2006, sis. lauhdetuotanto Päästöoikeuden hinta 10 /tco2 Kuva 8. Kustannusten kasvu vuositasolla päästökaupan vaikutukset huomioituina Jos sähkölämmityksellä korvataan 10 % kaukolämmityksen tarpeesta, referenssiyhdyskunnan päästöt kasvavat käytetyistä polttoaineista riippuen 10-45 % ja kustannukset nousevat 1-9 %. Lisääntyvä sähkön tarve oletetaan tuotettavan joko kivihiilellä lauhdevoimalaitoksessa tai tuotantomixillä. Esimerkkilaskelmassa on päästöoikeuden hintana käytetty 10 /tco2. 15
6 Johtopäätökset Kaukolämpöön liitetyissä uudisrakennuksissa on viime vuosina alettu käyttää sähköä lämmönlähteenä kosteiden tilojen lattialämmityksissä ja ilmanvaihtokoneen tuloilman lämmityspattereissa. Tämän tutkimuksen mukaan sähkölämmityksen käyttö kaukolämmitetyissä rakennuksissa on elinkaarikustannuksia tarkastellen kannattamatonta. Investointikustannukset ovat rakennettaessa kiinteistö kokonaisuudessaan vesikeskuslämmitteiseksi joissain tapauksissa hieman kalliimmat. Miksi sähkön käyttö kaukolämmityksen rinnalla on sitten niin suosittua? - Investointikustannukset ovat määräävässä asemassa (kaikissa tapauksissa investointien välillä ei juuri kuitenkaan ole eroa) - Ihmisillä on mielikuva sähkölämmityksen helposta asennettavuudesta ja investointien edullisuudesta - Kaukolämmitetyn lattialämmityksen vuotoriskejä pelätään - Ilmanvaihdon jälkilämmityspatterin toteutus vesikiertoisena tuo jäätymisriskejä - Rakennusliikkeelle on tärkeää saada rakennus mahdollisimman nopeasti valmiiksi, kun taas tulevalle käyttäjälle asunnon vuotuiset kustannukset olisivat etusijalla. Sähkölämmityksen käyttö kaukolämpökiinteistöissä vähentää ympäristön kannalta edullisen yhteistuotannon hyödyntämismahdollisuuksia. Samalla kun kaukolämmön tarve pienenee, sähkön tarve kasvaa. Sekä vähentynyttä kaukolämpökuormaa vastaava aiempi yhteistuotannossa tuotettu sähkö että lisääntynyt sähkön tarve joudutaan kattamaan muulla sähkön tuotannolla. Kauko- ja sähkölämmityksen sekaratkaisut ovat uhka kaukolämmön ja sähkön yhteistuotannon tehokkaalle toteuttamiselle. Sähkölämmityksen käyttäminen kaukolämmityksen ohella rinnakkaisena lämmitysmuotona aiheuttaa yhdyskunnalle huomattavan lisän niin energiantuotannon kustannuksiin kuin päästöihin. Asukkaan kustannukset ovat elinkaarensa aikana edullisimmillaan, kun rakennuksen lämmityksessä ei kaukolämmön ohella käytetä muita (ostettavia) energialähteitä. 16
ADDITIONAL HEATING SOURCES IN DISTRICT HEATED BUILDINGS AND THE ENVIRONMENTAL AND COST EFFECTS ON THE COMMUNITY EXECUTIVE SUMMARY Mikkeli 11.5.2007 Veli-Matti Mäkelä Tero Lintunen Ville Latva Susanna Kuha Arto Hämäläinen Tuomo Asikainen Jukka Pirttinen
TABLE OF CONTENTS ABBREVIATIONS 1 BACKGROUND............... 1 1.1 INTRODUCTION...1 1.2 OBJECTIVE...1 1.3 RESEARCH ORGANIZATION...2 1.4 RESEARCH SUBJECTS...3 2 STATE OF ART -EXAMINATION......... 4 3 THE COST EFFECTS OF HYBRID HEATING ON A DETACHED HOUSE...... 7 4 HYBRID HEATING IN ROW HOUSES AND APARTMENT BUILDINGS NGS...... 10 5 EFFECTS OF HYBRID HEATING ON ELECTRICITY AND HEAT PRODUCTION... 13 6 CONCLUSIONS............... 15 APPENDI PPENDICES APPENDIX A: Hybrid heating in district heated buildings (86 p.) APPENDIX B: Cost effects of hybrid heating (110 p.) APPENDIX C: Electric hybrid heating in district heated apartment buildings and row houses (94 p.) APPENDIX D: Effects of hybrid heating on the community (95 p.)
ABBREVIATIONS DH EUH EV CV HP CHP HFO district heating electrical underfloor heating electrical post-heating of the ventilation current value heat pump combined heat and power production heavy fuel oil
1 Background This research was a part of larger Developing District Heating research and development project funded by Tekes (the Finnish Funding Agency for Technology and Innovation). The main target of the whole project was to analyse international surveys of district heating, and hybrid heating was examined as a single pilot subject from the point of view of both the client and the community. In this context hybrid heating stands for a method to heat a district heated building simultaneously by some other form of heating, like electric heating or a heat pump. There is a separate report concerning the main subject of the project. The project was carried out with the co-operation of LUT (Lappeenranta University of Technology), VTT (Technical Research Centre of Finland), HUT (Helsinki University of Technology) and Finnish Energy Industries. 1.1 Introduction The total energy consumption in Finland in 2005 was 378 TWh, of which 300 TWh reached the end users (companies, households and other consumers) after the energy transfer and transform losses. The energy end use measures the consumption of the energy end products, as in the consumption of electricity, district heat and the fuels used for transportation, industrial processes and heating of buildings. The difference of the total consumption and the end use is lost as energy transfer and transform losses. The second biggest energy consumer, right after the energy-intensive industry of Finland, was heating of buildings. Industry used half (143 TWh) of the energy consumed in Finland, and the share of heating of buildings was 22 per cent (66 TWh). According to this it can be stated, that heating of buildings is in a significant role in the use of energy in Finland. 1.2 Objective The aim of the project was to examine the profitability and effects of hybrid heating from the point of view of both the consumer and the community. The aim was to find out if 1
hybrid heating is worthwhile or to what extent it is reasonable to practice, and to offer a new, wider perspective on combining different forms of heating. 1.3 Research Organization The research was carried out at the Business Development Centre of Mikkeli University of Applied Sciences. The mission of the centre is to create contacts and find out the needs of business life and to produce services to meet these needs. The know-how and resources of the university are also efficiently utilized in the work. The responsible leader of the research was Veli-Matti Mäkelä (Licentiate of Technology) and the project manager of the whole Developing District Heating project was Ville Latva (Master of Science in Technology), both from the Business Development Centre of Mikkeli University of Applied Sciences. Other researchers in the project were Tero Lintunen, Susanna Kuha, Arto Hämäläinen, Tuomo Asikainen ja Jukka Pirttinen. In addition to them also Jarmo Tuunanen, Esa-Matti Laiho and Heikki Salomaa have made their contribution to the project. The line-up of the control group of the Developing District Heating project has been following The actual members of the control group: Jari Kostama, Finnish Energy Industries Veikko Hokkanen, Helsinki Energy Arto Salmela, Etelä-Savon Energia Oy Hannu Lipsanen, Savon Voima Oyj Esa-Matti Laiho, Mikkeli University of Applied Sciences Veli-Matti Mäkelä, Mikkeli University of Applied Sciences Timo Alasuvanto, Finnish Funding Agency for Technology and Innovation 2
The members of the company group supporting the hybrid pilot project: Mirja Tiitinen, Finnish Energy Industries Arto Salmela, Etelä-Savon Energia Oy Marjukka Nuutinen, Jyväskylän Energia Oiva Välikangas, Oulun Energia Pekka Takki, Helsinki Energy Timo Inkeroinen, Kotkan Energia Oy Timo Mäki, Pori Energia Oy Timo Vattulainen, Vantaan Energia Oy The members of the researcher society taking part in the work of the group: Veli-Matti Mäkelä, Mikkeli University of Applied Sciences Susanna Kuha, Mikkeli University of Applied Sciences Tero Lintunen, Mikkeli University of Applied Sciences 1.4 Research Subjects The research was divided into four separate parts: Part 4: Examination of the effects of hybrid heating on combined electricity and heat production from the point of view of the community. Part 3: Examination of the profitability of electric hybrid heating from the point of view of the resident and the builder of a row house and an apartment house. Part 2: Examination of the profitability of hybrid construction from the point of view of an owner of a detached house. Part 1: State of Art examination of the hybrid heating techniques used nowadays and their popularity in Finland. Picture 1. The structure of the hybrid heating research. 3
Part 1. State of Art examination of the hybrid techniques used nowadays and their popularity in Finland. (APPENDIX A) Part 2. Examination of the profitability of hybrid construction from the point of view of an owner of a detached house. (APPENDIX B) Part 3. Examination of the profitability of electric hybrid heating from the point of view of the resident and the builder of a row house and an apartment building. (AP- PENDIX C) Part 4. Examination of the effects of hybrid heating on combined electricity and heat production from the point of view of the community. (APPENDIX D) 2 State of Art -examination In the beginning of the project a State of Art -examination was first carried out to find out the other forms of heating used in district heated buildings. The examination was implemented with a questionnaire to construction companies and HVAC contractors and by analysing statistic. The purpose of the State of Art -examination was to chart the present situation of hybrid heating in new district heated buildings in Finland. The survey concerned buildings that were attached to district heating and constructed in 2004-2005. The building types under examination were detached houses, row houses, apartment buildings, office buildings and public buildings. The questionnaire was aimed at building trade professionals, and the most active respondents were the big contractors. The received answers covered 27 detached houses, 34 row houses (428 row house apartments), 240 apartment buildings (7002 apartments), 171 stores and 150 offices. According to the response to the questionnaire almost all the district heated buildings constructed in 2004-2005 had an electrical post-heating radiator for the ventilation (93 per cent of the detached houses). This was a slightly surprising result, because similar ventilation machines are available also with water circular post-heating radiator. Another popular way of additional heating in detached houses was a fireplace, which can be found in almost every new detached house these days. According to the respondents 96 4
per cent of the new district heated detached houses had a fireplace. In the case of the row houses constructed in 2004-2005, 71 per cent of the houses used electrical underfloor heating together with district heating. 14 per cent of the new district heated row houses used electrical drying radiator. According to the answers electrical post-heating radiators are not very usual in new row houses. Only about five per cent of the row houses had such devices. According to the questionnaire 76 per cent of the district heated apartment buildings constructed in 2004-2005 used electrical underfloor heating. Electrical post-heating radiators were unusual also in apartment buildings. Only seven per cent of the district heated apartment buildings had such devices. In the case of office buildings and public buildings, valid statistic was received only from stores and offices. According to the answers of 150 office buildings, only three of them were using courtyard heating and 15 using ramp heating. Other parallel heating forms are not used in offices according to the questionnaire. In the case of stores, the results showed that most of them don t use additional heating (59 per cent of the answers). The most common ways of additional heating were electrical ramp heating (the most popular) and electric heating of service water. The questionnaire asked the building trade professionals also to evaluate the future development trend of hybrid heating. The respondents thought that the use of fireplaces, air-source heat pumps, exhaust air heat pumps and electrical post-heating radiators in district heated buildings will increase in the future. According to the results the most popular parallel heating form was electric heating. District heating is an environmentally-friendly way to produce thermal energy, especially when it is cogenerated with electricity. When producing electricity also heat is generated, and that heat can be used for the needs of district heating. That is why it is a little conflicting that electricity is so often used for heating and particularly to replace district 5