Kotkan kantasataman uusiutuvan energian hyödyntämisen selvitys aurinkosähkön käytöstä jäähdytykseen Uusiutuvan energian kuntakatselmus - Kotka KYAMK Hannu Sarvelainen VTT Mari Sepponen, Kari Sipilä 12/21 Julkinen versio Kymenlaakson VTT ammattikorkeakoulu ja Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Taustat: Kantasatamassa aurinkoenergian hyödyntäminen jäähdytykseen (sis. hukkalämmön hyödyntämisen) Kotkan Kantasataman kaava valmisteilla keskeisin Kotkan uusi alue lähitulevaisuudessa, alue reilut 2 ha, rakentamisen määrä n. 1 kem2. Tutkittava idea: aurinkosähkön hyödyntäminen jäähdytykseen kiinteistöissä. Energiayhtiö omistaisi lämpöpumput sekä tuottaisi lämmitys- ja jäähdytyspalvelut (Kotkan Energia Oy) Jäähdytyksessä hyödynnettäisiin mahdollisimman paljon aurinkosähköä Jäähdytys kiinteistökohtaisesti ja tuotettu lämpö hyödynnettäisiin paikallisesti/alueella Kysymyksiä: Konseptien vaatimat tekniset laitteet (kylmävesivaraaja) Kaukolämpöverkko matala / normaali lämpötilaa Sopiiko aurinkosähkö jäähdytykseen? Saako jäähdytyksestä saatavan ylilämmön hyödynnettyä järkevästi? Mitä muutoksia järjestelmä vaatii normaaliin kaukolämpöverkkoon verrattuna? = Onko konsepti järkevä? Millaisia ratkaisuja voidaan suositella alueelle?
Lähtötiedot ja oletukset Rakennusten energiatiedot tarkastellaan kuukausitasolla Rakennuksien lämpö- ja jäähdytysenergiantarpeet arvioitu Rakennuksiin sijoitettavien aurinkopaneelien tuottopotentiaali arvioitu Lämpöpumpputekniikan avulla mahdollista tuottaa 6 C kaukolämpöä lämpökertoimella (jäähdytyksen kylmäkerroin 3) Kylmäaine: R1A
Lähtötiedot ja oletukset Lämmitystarveluvut Kotkassa arvioitu Helsingin ja Lappeenrannan vertailukauden 1981 21 lämmitystarvelukujen [ Cd] perusteella Helsinki Lappeenranta Kotka tammikuu 67 79 73 helmikuu 612 699 6, maaliskuu 66 621 93, huhtikuu 383 3 393 toukokuu 13 16 19 kesäkuu 11 22 16, heinäkuu 1 3 elokuu 12 28 2 syyskuu 12 18 1, lokakuu 316 386 31 marraskuu 6 6 joulukuu 88 692 6 YHTEENSÄ 3878 1 19
Rakennusten lähtötiedot: 21 (rakennuslupien haku) 212 Nykyiset rakentamismääräykset Ulkoseinä U.17 Katto U.9 Alapohja ulkoilmaa vasten U.9 Ryömintätilainen alapohja U.17 maanvastainen alapohja U.16 Ikkunat U 1 Ovi U 1 Tiiveys n q = 2 IV LTO % Vastaa 21 tasoa
Lähtötiedot ja oletukset Jäähdytystarve arvioitu jäähdytyskaudelle toukokuu syyskuu (verrattu VTT:n IDA ICE:lla tehtyihin rakennusten energiasimulointeihin) Aurinkosähköpotentiaali arvioitu auringon vuotuisen säteilyjakauman perusteella Kantasataman tasolla (lähde: PVGIS, JRC). Kattopinta-alasta % käytetään aurinkopaneeleihin Jäähdytysenergian jakauma vuoden aikana Aurinkosähkön jakauma vuoden aikana tammikuu % 1,72 % helmikuu %,8 % maaliskuu % 8,73% huhtikuu % 13,18 % toukokuu 1 % 16,69 % kesäkuu 2 % 1,1 % heinäkuu 3 % 1,9 % elokuu 2 % 11, % syyskuu 1 % 6,8 % lokakuu %,2 % marraskuu % 1,3 % joulukuu %,9 % 1 % 1 % YHTEENSÄ
Yhteenveto rakennuksien tiedoista, energiankulutukset vuositasolla Rakennus + valmistuminen kerrosala kattoala kerroskorkeus tilavuus lämmitys yht LKV jäähdytys aurinkosähkö Outlet 217 22 22 1122 183, 119,2 162, 99,2 Rantapromenadi 217 1612 1612 3, 63 131, 8, 116,1 7,9 Kerrostalo 217 7 1 3 21 268,1 27, 17,, Hotelli 217 8 889 32 186,3 36,3 288, 39,1 Kasino 217 313 1 12 273,6 2, 169,3 6, Marina-rakennus 217 8 283 3 7,2 6,9,9 12, Museo 217 2 113 1696 37, 3, 229, 62,2 Outlet 221 22 22 1122 183, 119,2 162, 99,2 Rantapromenadi 221 1612 1612 3, 63 131, 8, 116,1 7,9 Kerrostalo 221 8 113 3 2 36, 38,6 168,,3 Hotelli 221 97 182 3896 1322, 21,6 3,6 7,6 Laivaterminaali 221 1 333 87,6 8,1, 1,7 Elokuvateatteri 221 3 1167 17 3, 28, 189, 1,3 Big box 22 8 8 22 39, 2,7 39,2 213, Kerrostalo 22 9 1291 3 2712 36,3 38,7 189,8 6,8 m2 m2 m m3 Rakennusten kerrosalat ja korkeudet arvioitu selvityksen alkuhetkellä käytössä olleesta suunnitelmasta (marraskuun alku 21). Nämä poikkeavat vähän kaavaluonnoksesta 2.12.21. VTT:n asiantuntija-arvion mukaan muutokset eivät muuta olennaisesti energiaratkaisun toimivuutta.
Energian kulutus- ja tuotantotiedot rakennusvaiheiden valmistumisen jälkeen Tilanne Vuoden 217 jälkeen Vuoden 221 jälkeen Vuoden 22 jälkeen lämmitys yht 38 8 26 8 767 LKV 811 1 7 28 jäähdytys 2 616 11 63 aurinkosähkö 1 26 2 9 2 76
Lauhdelämmön hyödyntäminen Alueella ei ole riittävästi lämpimän käyttöveden (LKV) kuormaa koko lauhdelämmön hyödyntämiseen, mutta ylimääräinen lauhdelämpö voitaisiin siirtää kaukolämmön paluuveteen. 1 9 8 Lämpötilataso [ C] Lämpöpumpun teoreettisen tarkastelun mukaan lauhduttimella voitaisiin lämmittää 1 C käyttövettä 6 C lämpötilaan. 7 R1A jäähtyminen (1, kg) 6 3 Veden lämmitys (,93 kg) 2 1 2 6 8 1 12 1 16 18 2 Siirtyvä energia R1A-kiloa kohti [kj/kg]
Lauhdelämmön käyttö ja ylimäärä koko alueella yhteensä vuonna 22 Lauhdelämpöenergia vuositasolla Läuhdelämpöenergia [] 2 2 1 Ylimäärä 1 Käytettävyys Kaukolämmön verkostohäviöitä ei ole huomioitu, perustuu rakennusten tarpeeseen. (pääosa lämmön käytöstä lämmintä käyttövettä, touko- ja syyskuussa myös lämmitystä)
Lauhdelämmön ylimäärä jäähdytyskaudella eri rakennuksissa rakennus toukokuu kesäkuu heinäkuu elokuu syyskuu 136,6 23, 636,9 21, 138, Rantapromenadi 217 9,8 37,,6 37, 9,9 Kerrostalo 217, 2, 36,1 2,2, Hotelli 217, 62,9 8,6 62,, Kasino 217 1,1 3,2 6, 3, 1, Marina-rakennus 217 2,7 1, 17,7 1, 2,8 Museo 217 13,6 72, 88, 71,7 1, Outlet 221 136,6 23, 636,9 21, 138, Rantapromenadi 221 9,8 37,,6 37, 9,9 Kerrostalo 221, 29,1 1,3 28,8, Hotelli 221, 76, 1,2 7,, Laivaterminaali 221 3,2 17, 2,9 16,9 3,3 Elokuvateatteri 221 11,2 9, 73, 9,2 11,6 Big box 22 29, 112,7 137,3 112, 29,9 Kerrostalo 22, 32,9 6,6 32,6, Outlet 217
Lauhdelämmön ylimäärä rakennusvaiheiden valmistumisen jälkeen Tilanne Vuoden 217 jälkeen Vuoden 221 jälkeen Vuoden 22 jälkeen toukokuu 173 33 363 kesäkuu 788 1 31 1 676 heinäkuu 976 1 898 2 81 elokuu 78 1 2 1 669 syyskuu 176 339 369
Outlet 217 kuukausitason energiajakaumat (esimerkki rakennuksesta, jossa aurinkosähkö kattaa hyvin jäähdytyssähkön tarpeen) Aurinkosähköpotentiaali vuositasolla 3 3 2 2 1 Lämmitys 1 LKV Aurinkosähköenergia [] Lämpöenergia [] Lämpöenergiantarve vuositasolla 18 16 1 12 1 8 6 2 7 6 3 Ylimäärä 2 Käytettävyys 1 Jäähdytyssähkön tarve vuositasolla Jäähdytyssähkö yhteensä [] Lauhdelämpöenergia [] Lauhdelämpöenergia vuositasolla Aurinkosähkö 18 16 1 12 1 8 6 2 Lisäsähkö Aurinkosähkö
Hotelli 217 kuukausitason energiajakaumat (esimerkki rakennuksesta, jossa aurinkosähköllä saadaan tuotettua vain pieni osa jäähdytyssähköstä) Aurinkosähköpotentiaali vuositasolla 2 2 1 Lämmitys 1 LKV Aurinkosähköenergia [] Lämpöenergia [] Lämpöenergiantarve vuositasolla 7 6 3 Aurinkosähkö 2 1 1 12 1 8 6 Ylimäärä Käytettävyys 2 Jäähdytyssähkön tarve vuositasolla Jäähdytyssähkö yhteensä [] Lauhdelämpöenergia [] Lauhdelämpöenergia vuositasolla 3 3 2 2 1 Lisäsähkö 1 Aurinkosähkö
Yhteenveto aluetason energiaratkaisusta Kattopinta = 6 231 m2 % --> PV panelia Aurinkosähkö yhteensä Jäähdytystarve yht. Jäähdytykseen tarvittava sähkö Jäähdytykseen tavittava teho COP Jäähdytys huippu [h] 2 692m2 2 826 63 1 88,6MW 3, 1 --> --> --> --> 2 826,a,11/m2,a 2 692m2 92 jää yli 1,9MW sähköteho Kymenlaakson VTT ammattikorkeakoulu ja Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Kaukolämpöverkon lämpötilatasojen arviointi ja ratkaisut Kantasatamassa Meno talvi/kesä lämpötila Paluulämpötila 11/8 C Pääverkko (normaali) 8/6 C Alueverkko (matalalämpötila) 7/6 C Alueverkko / C /3 C 3 C Huom! Jäähdytyskone(1 + aurinkosähkö kytkentä meno paluu + meno + paluu ++ meno ++ paluu ++ COP 3 Lämpöpumppu talvella(2 (+ aurinkosähkö) kytkentä Meno paluu + Meno ++ Paluu + Meno +++ Paluu ++ COP + pros - cons (1 JäähdytysKone; jäähdyttää kesällä; aurinkosähkö, tarvittaessa verkkosähkö (2 LämpöPumppu; talvella; aurinkosähkö esisijaisesti rakennuksissa + KL
Hannu/Kari: todellisen lämpökertoimen arvio Lämpötilan vaikutus teoreettiseen Carnot hyötysuhteeseen (max. COP) n 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Thn/(Tln-Thn) hn-hn+1/hn h1-hn/h1 [%] [%] -6,7-38, -32, -27,6-67, -77,6-83,8-7,8-38,8-32, -28, -68,1-78, -8, -39, -33,1-28, -9, -71, -,3-33,6-28,8-6, -71,8 Höyrystin [ C] Lauhde [ C] hcarnot max COP 23 23 23 23 23 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 26 26 26 26 26 6 7 8 9 6 7 8 9 6 7 8 9 6 7 8 9 9,3, 3,1 2,1 1, 1,, 3, 2,3 1,6 11,9 6,1 3,7 2, 1,8 13, 6,7, 2,7 1,9
Laajamittaisen aurinkosähkötuotannon maksimaalinen kiinteistökohtainen hyödyntäminen - yhteenveto mahdollisesta konseptista Laskenta: Rakennusten energiankulutus mallinnettu 21-tasolla (vastaa nykyistä rakennustasoa) Konsepti, joka voisi olla mahdollinen Aluekaukolämpöverkko alennetulla lämpötilatasolla (7/6 C), lämmönsiirtimellä erotettuna pääverkosta Jäähdytyksessä käytetään kiinteistökohtaisia kompressoreja, joihin liitetään kiinteistökohtaisesti aurinkopaneeleja sähkönsyöttöön. Tässä ylilämpö + muu alueen hukkalämpö lauhdutetaan kaukolämmön paluuveteen, joka hyödynnetään mahdollisimman paljolti alueella Lämmityskaudella kone toimii lämpöpumppuna aurinkosähköllä rakennuksessa; kaukolämmön paluulämmöllä + prim. kaukolämpö. Rakennuksen lämpöylijäämä siirretään kaukolämpöverkkoon paluupuolelle Lämpö siirretään alueelta pääverkkoon, jos lämpötilataso paikallisverkossa nousee yli jakelulämpötilan 7 C (tarvittaessa lämpöpumpun avulla) Aurinkosähkön ylijäämä käytetään ensisijaisesti rakennuksessa, toissijaisesti syötetään sähköverkkoon
LIITE 1: Laskentatuloksia, koko alue /vuosi /vuosi /vuosi Lämmitysenergian kulutus yht Lämpimän käyttöveden lämmitys (LKV) yht. 8767 28 /vuosi /vuosi /vuosi Ylimääräinen lauhdelämpö (ei hyödynnettävissä alueella) 932 /vuosi Lisäsähkön kokonaistarve jäähdytykseen aurinkosähkön lisäksi 31 /vuosi Lämmitys joulu LKV elo syys loka marras joulu marras loka syys elo heinä kesä touko huhti maalis helmi tammi Aurinkosähkö 18 16 1 12 1 8 6 2 maalis huhti touko kesä heinä 7 6 3 2 1 Lämpöenergiantarve vuositasolla tammi helmi Aurinkosähköpotentiaali vuositasolla Lämpöenergia [] 276 63 188 Aurinkosähköenergia [] Tuotettu aurinkosähkö yht Jäähdytysenergian kulutus yht Jäähdytykseen tarvittava sähkö yht (COP 3,)