Hukkalämpöjen hyödyntäminen kaukolämpöjärjestelmässä : Case: Pori Energia Oy:n runkoverkon kaukolämpöjärjestelmä
Lehtonen, Oona (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
2022-11-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202211018086
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202211018086
Tiivistelmä
Ilmastotavoitteet ohjaavat energian tuottajia vaihtoehtoisiin lämmöntuotantomuotoihin. Lämmöntuotannon päästöjä on mahdollista vähentää hyödyntämällä kaukolämpöverkon läheisyydessä esiintyviä hukkalämpöjä polttoprosessiin perustuvan lämmöntuotannon sijaan. Kaukolämpöalan visiona on kehittää kaukolämpöjärjestelmiä niin, että ylijäämälämmön hyödyntäminen kaukolämpöverkossa olisi kaupallisin perustein mahdollista. Kaukolämpöverkon muuttaminen ns. kaksisuuntaiseksi tai avoimeksi mahdollistaa sen, että asiakkaat sekä ulkopuoliset henkilöt voivat myydä hukkalämpöä kaukolämpöyhtiöille. Kuitenkin olemassa olevien kaukolämpöjärjestelmien tuotantokokonaisuus sekä kaukolämpöverkon ominaisuudet ja rakenne asettavat vaatimuksia hukkalämpökohteille ja rajoittavat hukkalämpöjen hyödyntämismahdollisuuksia. Jokainen kaukolämpöjärjestelmä on toiminnaltaan, rakenteeltaan sekä ympäristöltään erilainen, jonka takia hukkalämpöjen hyödyntämiseen liittyvät tekniset ja taloudelliset edellytykset sekä ratkaisut on toteutettava järjestelmä- ja tapauskohtaisesti.
Tässä diplomityössä selvitettiin miten hukkalämpö olisi hyödynnettävissä Pori Energian runkoverkon kaukolämpöjärjestelmässä, joka koostuu kahdesta yhteistuotantolaitoksesta, sekä neljästä huippu- ja varakäytössä olevasta öljykäyttöisestä lämpökeskuksesta. Työssä tutustuttiin kaukolämpöjärjestelmän toimintaan ja hukkalämmön lähteiden ominaisuuksiin. Ominaisuuksien perusteella neljälle erilaiselle hukkalämmön lähteelle (datakeskus, teollisuuden jäähdytysvesijärjestelmä, krematorio, kauppa) ja tarkasteltavalle kaukolämpöjärjestelmälle luotiin tuntitason teho- ja lämpötilaprofiilit, joiden avulla selvitettiin hukkalämpöjen hyödyntämiseen liittyvät rajoitteet ja ratkaisut. Työssä selvitettiin kaukolämmön kysynnän rajoittama hukkalämpöjen hyödynnettävyys (ideaalinen), sekä tuotantokokonaisuuden asettamien vaatimusten rajoittama hukkalämpöjen hyödynnettävyys (todellinen). Lisäksi tarkasteltiin miten hukkalämpöjen hyödynnettävyys muuttuisi, mikäli kaukolämpöjärjestelmä sisältäisi lämmön kausivarastointiratkaisun. Temporaalisen analyysin lisäksi selvitettiin hukkalämpöjen hyödyntämisestä syntyvät kustannukset ja hukkalämmön arvo (€/MWh), joiden pohjalta arvioitiin kohteiden kannattavuutta ja perusmaksukomponentin suuruutta, sekä hukkalämmöstä hukkalämmön tuottajalle maksettavaa hintaa.
Tulosten perusteella Pori Energian kaukolämpöjärjestelmässä kaukolämmön tarve sekä nykyinen tuotantorakenne rajoittavat hukkalämpöjen hyödyntämistä. Ideaalisessa tilanteessa alle 10 MW hukkalämmöt pystyttäisiin hyödyntämään sataprosenttisesti ja suuremman teholuokan lähteet lähes kokonaan. Ideaalinen hukkalämpöjen hyödyntäminen ei kuitenkaan ole tällä hetkellä mahdollista. Tällä hetkellä hukkalämpöä ei ole kannattavaa hyödyntää, kun ulkolämpötila on yli +14 °C, johtuen tuotantokokonaisuuden asettamista rajoitteista. Ulkolämpötilan ollessa -10 °C - +14 °C hukkalämpö korvaisi lämmön- ja sähkön yhteistuotantolaitoksilla tuotettua kaukolämpöä. Tämän takia hukkalämmön kannattava hyödyntäminen ja arvo on kyseisellä lämpötilaskaalalla voimakkaasti riippuvainen sähkön markkinahinnasta, sillä vähentämällä yhteistuotantolaitoksen lämmöntuotantoa, myös sähköntuotannon kokonaispotentiaali pienenisi. Sähkön hinnan ollessa alle 100 €/MWh hukkalämpöä olisi kannattavaa hyödyntää ja siitä maksettava hinta hukkalämmön tuottajalle voisi olla 25–0 €/MWh. Pääosin kun ulkolämpötila on alle -10 °C hukkalämpö korvaisi huippukapasiteettia, eli öljyä, jolloin hukkalämmön hyödyntäminen olisi aina kannattavaa ja sen arvo olisi ulkolämpötilasta riippuen 25–60 €/MWh. Kausilämpövaraston avulla mahdollistettaisiin fossiilisista polttoaineista eroon pääseminen, sekä hukkalämpöjen täyspainotteisempi hyödyntäminen. Varastointiratkaisun lisäksi muutokset tuotantorakenteessa lisäisivät hukkalämpöjen hyödyntämismahdollisuuksia. Ratkaisuita hukkalämpöjen parempaan hyödynnettävyyteen kannattaisi harkita varsinkin, jos biopolttoaineiden hinnat nousevat tai sähkön hinta laskee merkittävästi.
Tässä diplomityössä selvitettiin miten hukkalämpö olisi hyödynnettävissä Pori Energian runkoverkon kaukolämpöjärjestelmässä, joka koostuu kahdesta yhteistuotantolaitoksesta, sekä neljästä huippu- ja varakäytössä olevasta öljykäyttöisestä lämpökeskuksesta. Työssä tutustuttiin kaukolämpöjärjestelmän toimintaan ja hukkalämmön lähteiden ominaisuuksiin. Ominaisuuksien perusteella neljälle erilaiselle hukkalämmön lähteelle (datakeskus, teollisuuden jäähdytysvesijärjestelmä, krematorio, kauppa) ja tarkasteltavalle kaukolämpöjärjestelmälle luotiin tuntitason teho- ja lämpötilaprofiilit, joiden avulla selvitettiin hukkalämpöjen hyödyntämiseen liittyvät rajoitteet ja ratkaisut. Työssä selvitettiin kaukolämmön kysynnän rajoittama hukkalämpöjen hyödynnettävyys (ideaalinen), sekä tuotantokokonaisuuden asettamien vaatimusten rajoittama hukkalämpöjen hyödynnettävyys (todellinen). Lisäksi tarkasteltiin miten hukkalämpöjen hyödynnettävyys muuttuisi, mikäli kaukolämpöjärjestelmä sisältäisi lämmön kausivarastointiratkaisun. Temporaalisen analyysin lisäksi selvitettiin hukkalämpöjen hyödyntämisestä syntyvät kustannukset ja hukkalämmön arvo (€/MWh), joiden pohjalta arvioitiin kohteiden kannattavuutta ja perusmaksukomponentin suuruutta, sekä hukkalämmöstä hukkalämmön tuottajalle maksettavaa hintaa.
Tulosten perusteella Pori Energian kaukolämpöjärjestelmässä kaukolämmön tarve sekä nykyinen tuotantorakenne rajoittavat hukkalämpöjen hyödyntämistä. Ideaalisessa tilanteessa alle 10 MW hukkalämmöt pystyttäisiin hyödyntämään sataprosenttisesti ja suuremman teholuokan lähteet lähes kokonaan. Ideaalinen hukkalämpöjen hyödyntäminen ei kuitenkaan ole tällä hetkellä mahdollista. Tällä hetkellä hukkalämpöä ei ole kannattavaa hyödyntää, kun ulkolämpötila on yli +14 °C, johtuen tuotantokokonaisuuden asettamista rajoitteista. Ulkolämpötilan ollessa -10 °C - +14 °C hukkalämpö korvaisi lämmön- ja sähkön yhteistuotantolaitoksilla tuotettua kaukolämpöä. Tämän takia hukkalämmön kannattava hyödyntäminen ja arvo on kyseisellä lämpötilaskaalalla voimakkaasti riippuvainen sähkön markkinahinnasta, sillä vähentämällä yhteistuotantolaitoksen lämmöntuotantoa, myös sähköntuotannon kokonaispotentiaali pienenisi. Sähkön hinnan ollessa alle 100 €/MWh hukkalämpöä olisi kannattavaa hyödyntää ja siitä maksettava hinta hukkalämmön tuottajalle voisi olla 25–0 €/MWh. Pääosin kun ulkolämpötila on alle -10 °C hukkalämpö korvaisi huippukapasiteettia, eli öljyä, jolloin hukkalämmön hyödyntäminen olisi aina kannattavaa ja sen arvo olisi ulkolämpötilasta riippuen 25–60 €/MWh. Kausilämpövaraston avulla mahdollistettaisiin fossiilisista polttoaineista eroon pääseminen, sekä hukkalämpöjen täyspainotteisempi hyödyntäminen. Varastointiratkaisun lisäksi muutokset tuotantorakenteessa lisäisivät hukkalämpöjen hyödyntämismahdollisuuksia. Ratkaisuita hukkalämpöjen parempaan hyödynnettävyyteen kannattaisi harkita varsinkin, jos biopolttoaineiden hinnat nousevat tai sähkön hinta laskee merkittävästi.