Lämpöverkon käytön optimointi : Case Renforsin Ranta
Kokko, Simo (2020)
Kokko, Simo
2020
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Degree Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-01-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201912146885
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201912146885
Tiivistelmä
Ilmastonmuutos, fossiilisten energiavarantojen väheneminen sekä kansainväliset sopimukset ovat luoneet energia-alalle paineita selvittää, miten lämpö pitäisi tuottaa ja jakaa mahdollisimman kustannus- ja energiatehokkaasti. Lämpö ja jäähdytys yhdessä edustavat suurinta energia-alan sektoria tänä päivänä, joten sen seuraaminen ja optimointi on tärkeässä roolissa tulevaisuudessa. Uusiutuvan sähköenergian lisääntyminen, sekä pohjoismainen päätös siirtyä lyhyempään tasejaksoon korostavat lämpökuorman seuraamisen ongelmia entisestään sähkön hinnan vaihdellessa tiheämmin. Sähkön- ja lämmöntuotannon yhteensovittaminen parhaan mahdollisen tuloksen saavuttamiseksi on tulevaisuudessa myös entistä tärkeämpää.
Tässä työssä Renforsin Rannan yritysalueen lämmöntuotantorakenteesta rakennetaan optimointimalli, jolla pyritään parantamaan yritysalueen lämmöntuotannon joustoa. Optimointimallin tavoitteena on pienentää lämmöntuotannon tuotantokustannuksia parantamalla CHP-tuotantoa ja maksimoimalla sähköntuotannon tai -kulutuksen kannattavuutta. Malliin lisätään myöhemmin hukkalämmön lähde, lämpöpumppu sekä sähkökattila, ja tarkastellaan kuinka se parantaa lämmöntuotannon kannattavuutta. Malli rakennetaan kaupalliseen Enertop-optimointiohjelmaan, joka perustuu MILP-ohjelmointiin (eng. Mixed Integer Linear Programming). MILP-mallin avulla prosessien epälineaarisuuksia voidaan estimoida osittaislinearisoimalla, samalla pitäen optimointiongelman lineaarisena. Mallia hyödynnetään lämmöntuotannon optimoinnissa syöttämällä ohjelmaan lämpöennusteet automaattisesti, joiden perusteella ohjelma pyrkii tuottamaan lämmön mahdollisimman kustannustehokkaasti. Optimointimalli on kuitenkin vielä testivaiheessa, joten sitä käytetään tässä tutkimuksessa täysin manuaalisesti käyttäjän toimesta.
Optimointimallin toimivuutta tutkimusongelman ratkaisuksi tutkittiin vertailemalla sen suunnittelemaa lämmöntuotantoa Kainuun Voima Oy:n vuoden 2018 toteutuneeseen lämmöntuotantoon. Optimointimalli säädettiin ensin vastaamaan vuoden 2018 toteutunutta dataa sähköntuotannon osalta, jonka jälkeen malliin lisättiin mahdolliset tulevaisuudessa lämpöä tuottavat komponentit. Lämpödatana käytettiin vuoden 2018 toteutunutta tuotantoa, pois lukien kaupungin kaukolämpöpiiri, jonka lämpökuormana käytettiin ennustetta. Optimointimallin suorittamalla lyhyen aikavälin suunnittelulla pystyttiin pienentämään lämmöntuotannon käyttökustannuksia 5,63 % vuoden käytöllä. Ennustevirheiden poistamisella päästiin vielä parempiin tuloksiin.
Tässä työssä Renforsin Rannan yritysalueen lämmöntuotantorakenteesta rakennetaan optimointimalli, jolla pyritään parantamaan yritysalueen lämmöntuotannon joustoa. Optimointimallin tavoitteena on pienentää lämmöntuotannon tuotantokustannuksia parantamalla CHP-tuotantoa ja maksimoimalla sähköntuotannon tai -kulutuksen kannattavuutta. Malliin lisätään myöhemmin hukkalämmön lähde, lämpöpumppu sekä sähkökattila, ja tarkastellaan kuinka se parantaa lämmöntuotannon kannattavuutta. Malli rakennetaan kaupalliseen Enertop-optimointiohjelmaan, joka perustuu MILP-ohjelmointiin (eng. Mixed Integer Linear Programming). MILP-mallin avulla prosessien epälineaarisuuksia voidaan estimoida osittaislinearisoimalla, samalla pitäen optimointiongelman lineaarisena. Mallia hyödynnetään lämmöntuotannon optimoinnissa syöttämällä ohjelmaan lämpöennusteet automaattisesti, joiden perusteella ohjelma pyrkii tuottamaan lämmön mahdollisimman kustannustehokkaasti. Optimointimalli on kuitenkin vielä testivaiheessa, joten sitä käytetään tässä tutkimuksessa täysin manuaalisesti käyttäjän toimesta.
Optimointimallin toimivuutta tutkimusongelman ratkaisuksi tutkittiin vertailemalla sen suunnittelemaa lämmöntuotantoa Kainuun Voima Oy:n vuoden 2018 toteutuneeseen lämmöntuotantoon. Optimointimalli säädettiin ensin vastaamaan vuoden 2018 toteutunutta dataa sähköntuotannon osalta, jonka jälkeen malliin lisättiin mahdolliset tulevaisuudessa lämpöä tuottavat komponentit. Lämpödatana käytettiin vuoden 2018 toteutunutta tuotantoa, pois lukien kaupungin kaukolämpöpiiri, jonka lämpökuormana käytettiin ennustetta. Optimointimallin suorittamalla lyhyen aikavälin suunnittelulla pystyttiin pienentämään lämmöntuotannon käyttökustannuksia 5,63 % vuoden käytöllä. Ennustevirheiden poistamisella päästiin vielä parempiin tuloksiin.