Sektorikytketyn kaukolämpöverkon joustokyvyn hyötyjen tarkastelu kaupunkitason energiajärjestelmässä : Hajautetun lämpöpumppukapasiteetin vaikutus joustokykyyn
Saikkonen, Emma (2022)
2022
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy 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
2022-11-01
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210117575
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210117575
Tiivistelmä
Pyrkimys hillitä ilmastonmuutosta ja sen vaikutuksia on ajanut energiajärjestelmän globaaliin murrokseen. Energia pyritään tuottamaan aiempaa vähäpäästöisemmin ja energiajärjestelmän toimijoiden roolit muuttuvat. Uusiutuvien energiantuotantomuotojen käytön lisääntyminen aiheuttaa haasteita koko energiajärjestelmälle, sillä niiden tuotanto on sääriippuvaa ja perinteisiä tuotantomuotoja heikommin ennustettavissa. Sähköjärjestelmän tasapainon takaamiseksi tarvitaankin yhä enemmän joustavaa tuotanto- ja kulutuskapasiteettia. Tässä diplomityössä tutkitaan, miten sektorikytketyn lämpöpumppukapasiteetin avulla voidaan hyödyntää kaukolämpöverkon sähköjärjestelmälle tarjoamaa joustokykyä.
Työn tutkimuskohteena oli keskisuuri suomalainen kaupunki, jonka kaukolämpö tuotetaan pääosin CHP-laitoksilla. Ensimmäisessä laskentatapauksessa selvitettiin, millä sähkön vuorokausimarkkinahinnalla lämpöpumppujen käyttö lämmöntuotannon peruskuormalaitoksena on kannattavaa. Laskentaa varten luotiin kaksi skenaariota. Skenaariossa 1 kaikki tarvittava kaukolämpöteho tuotetaan CHP-laitoksella ja skenaariossa 2 CHP-laitoksen tueksi on sijoitettu lämpöteholtaan 5 MW lämpöpumppukapasiteettia kaukolämpöverkon kriittiseen pisteeseen. Molemmille skenaarioille määritettiin lämmön tuotantokustannus sähkön hinnan funktiona kolmella eri CHP-laitoksen tehotasolla ja neljällä päästöoikeuden hinnalla. Skenaarioiden kustannuskäyrien leikkauskohtaan muodostuu kussakin tapauksessa niin kutsuttu sähkön rajahinta, jonka alapuolella on edullisempaa tuottaa kaukolämpö skenaarion 2 mukaisesti. Laskentatuloksista havaittiin, että lämpöpumppujen käyttö peruskuormalaitoksena on kannattavinta, kun päästöoikeuden hinta on korkea ja CHP-laitos toimii minimiteholla. Tällöin skenaarioiden väliseksi sähkön rajahinnaksi saatiin 122,59 €/MWh. Vuoteen 2021 verrattuna lämpöpumpun käytön kannattavuus kaukolämmöntuotannossa skenaarion 2 mukaisesti on heikentynyt merkittävästi vuonna 2022, koska sähkön hinta vuorokausimarkkinoilla on ollut poikkeuksellisen korkea.
Toisessa laskentatapauksessa selvitettiin, miten lämpöpumppujen joustokykyä voidaan hyödyntää erilaisten optimointitavoitteiden saavuttamiseksi. Laskennassa tarkasteltiin, miten sähkötehonkulutukseltaan 10 MW:n lämpöpumppukapasiteettia voidaan käyttää sähkötaseen poikkeaman minimoimiseen tai sähkömarkkinoilta saatavan tuoton maksimoimiseen tietyin rajaehdoin. Sähkötaseen poikkeamaa minimoitaessa havaittiin, että toimenpide voi tasepoikkeaman hintatasosta ja poikkeaman ajoituksesta riippuen jopa aiheuttaa ylimääräisiä kustannuksia sähkömarkkinaosapuolelle. Sähkötaseen poikkeamasta saatavaa tuotto voidaan moninkertaistaa ajoittamalla lämpöpumpun operointi sähkön hinnan kannalta optimaalisesti. Tämä edellyttää kuitenkin tarkkoja ennusteita tasepoikkeaman hinnasta. Lisäksi on huomattava, että sähkötaseen poikkeamasta saatavaa tuottoa maksimoitaessa saadaan lämpötase herkästi epätasapainoon.
Tämä työ havainnollistaa hyvin kaukolämpöverkon ja sähköjärjestelmän sektorikytkentään liittyviä haasteita. Energiajärjestelmän eri toimijoiden tavoitteet voivat olla voimakkaasti ristiriidassa keskenään. Energiajärjestelmän sujuvan toiminnan kannalta on äärimmäisen tärkeää löytää tapoja yhdistää nämä risteävät tavoitteet. Tällainen optimointi on erittäin vaativaa, sillä energiajärjestelmä on monimutkainen kokonaisuus, joka sisältää valtavasti vuorovaikutussuhteita. Tämä diplomityö osoittaakin monimuuttujaisen optimoinnin tarpeellisuuden tulevaisuuden energiajärjestelmässä.
Työn tutkimuskohteena oli keskisuuri suomalainen kaupunki, jonka kaukolämpö tuotetaan pääosin CHP-laitoksilla. Ensimmäisessä laskentatapauksessa selvitettiin, millä sähkön vuorokausimarkkinahinnalla lämpöpumppujen käyttö lämmöntuotannon peruskuormalaitoksena on kannattavaa. Laskentaa varten luotiin kaksi skenaariota. Skenaariossa 1 kaikki tarvittava kaukolämpöteho tuotetaan CHP-laitoksella ja skenaariossa 2 CHP-laitoksen tueksi on sijoitettu lämpöteholtaan 5 MW lämpöpumppukapasiteettia kaukolämpöverkon kriittiseen pisteeseen. Molemmille skenaarioille määritettiin lämmön tuotantokustannus sähkön hinnan funktiona kolmella eri CHP-laitoksen tehotasolla ja neljällä päästöoikeuden hinnalla. Skenaarioiden kustannuskäyrien leikkauskohtaan muodostuu kussakin tapauksessa niin kutsuttu sähkön rajahinta, jonka alapuolella on edullisempaa tuottaa kaukolämpö skenaarion 2 mukaisesti. Laskentatuloksista havaittiin, että lämpöpumppujen käyttö peruskuormalaitoksena on kannattavinta, kun päästöoikeuden hinta on korkea ja CHP-laitos toimii minimiteholla. Tällöin skenaarioiden väliseksi sähkön rajahinnaksi saatiin 122,59 €/MWh. Vuoteen 2021 verrattuna lämpöpumpun käytön kannattavuus kaukolämmöntuotannossa skenaarion 2 mukaisesti on heikentynyt merkittävästi vuonna 2022, koska sähkön hinta vuorokausimarkkinoilla on ollut poikkeuksellisen korkea.
Toisessa laskentatapauksessa selvitettiin, miten lämpöpumppujen joustokykyä voidaan hyödyntää erilaisten optimointitavoitteiden saavuttamiseksi. Laskennassa tarkasteltiin, miten sähkötehonkulutukseltaan 10 MW:n lämpöpumppukapasiteettia voidaan käyttää sähkötaseen poikkeaman minimoimiseen tai sähkömarkkinoilta saatavan tuoton maksimoimiseen tietyin rajaehdoin. Sähkötaseen poikkeamaa minimoitaessa havaittiin, että toimenpide voi tasepoikkeaman hintatasosta ja poikkeaman ajoituksesta riippuen jopa aiheuttaa ylimääräisiä kustannuksia sähkömarkkinaosapuolelle. Sähkötaseen poikkeamasta saatavaa tuotto voidaan moninkertaistaa ajoittamalla lämpöpumpun operointi sähkön hinnan kannalta optimaalisesti. Tämä edellyttää kuitenkin tarkkoja ennusteita tasepoikkeaman hinnasta. Lisäksi on huomattava, että sähkötaseen poikkeamasta saatavaa tuottoa maksimoitaessa saadaan lämpötase herkästi epätasapainoon.
Tämä työ havainnollistaa hyvin kaukolämpöverkon ja sähköjärjestelmän sektorikytkentään liittyviä haasteita. Energiajärjestelmän eri toimijoiden tavoitteet voivat olla voimakkaasti ristiriidassa keskenään. Energiajärjestelmän sujuvan toiminnan kannalta on äärimmäisen tärkeää löytää tapoja yhdistää nämä risteävät tavoitteet. Tällainen optimointi on erittäin vaativaa, sillä energiajärjestelmä on monimutkainen kokonaisuus, joka sisältää valtavasti vuorovaikutussuhteita. Tämä diplomityö osoittaakin monimuuttujaisen optimoinnin tarpeellisuuden tulevaisuuden energiajärjestelmässä.