ENERGIAN TEHOKAS KÄYTTÖ
Tutkimusohjelma Energian tehokas käyttö keräsi alan asiantuntijat yhteen teollisuudesta ja tutkimuslaitoksista. Syntyi uusia tapoja hillitä energian kulutusta niin laitteissa kuin energiajärjestelmissäkin.
Energiatehokkuuden merkitys kasvaa ilmastotavoitteiden ja globaalin kilpailun kiristyessä. Kansallisen kilpailukyvyn ylläpitämiseen ja parantamiseen ei riitä, että yksittäisiä laitteita korvataan tehokkaammilla, vaan energian kulutusta on tarkasteltava ja hallittava yhä suurempina kokonaisuuksina. Tämän vuoksi tutkimusohjelma Energian tehokas käyttö kutsui yhteistyöhön energian tuottajia, jakelijoita ja käyttäjiä, laitteiden ja tietojärjestelmien kehittäjiä sekä tutkimuslaitoksia.
YRITYKSET
Tutkimusohjelma keskittyi tulevaisuuden energiajärjestelmiin, joissa kuluttajatkin tuottavat energiaa. Tutkijat mallinsivat alueellisia energiajärjestelmiä ja kehittivät laskentamenetelmiä, joiden avulla voidaan havainnollistaa energian tuotannon ja jakelun vaihtoehtoisia tapoja ja kehityspolkuja. He laativat myös liiketoimintamalleja, jotka edistävät energian tehokasta käyttöä. Tutkijat perehtyivät lisäksi laitteisiin, jotka kuluttavat merkittävästi energiaa erityisesti prosessiteollisuudessa sekä vesi- ja kaukolämpöverkostoissa, ja uudistivat laiteteknologian ohella laitteita ohjaavia järjestelmiä.
GASUM OY
ABB OY ANDRITZ OY EMPOWER IM OY FORTUM OYJ FORTUM POWER AND HEAT OY
HELEN OY KUMERA OY SULZER PUMPS FINLAND OY SKF OY VALMET TECHNOLOGIES OY WÄRTSILÄ FINLAND OY
Ohjelma vahvisti alan suomalaista osaamista ja kilpailukykyä kansainvälisillä, nopeasti kehittyvillä markkinoilla. Esittelemme tässä raportissa esimerkkejä tutkimusohjelman tuloksista.
WELLQUIP OY
TUTKIMUSLAITOKSET
Viisi vuotta kestänyt tutkimusohjelma Energian tehokas käyttö eli EFEU (Efficient Energy Use) päättyy joulukuussa 2016. Ohjelmaan osallistui 13 yritystä ja 5 tutkimuslaitosta. Tutkimuksen kokonaisarvo oli noin 12 miljoonaa euroa, josta yritykset maksoivat 42 prosenttia, julkiset tutkimuslaitokset 9 prosenttia sekä Tekes 49 prosenttia. Tutkimusohjelma kuului CLEEN Oy:n hankekokonaisuuteen. CLEEN oli strategisen huippuosaamisen keskittymä (SHOK) energia- ja ympäristöalan yrityksille ja tutkimusyhteisöille vuosina 2008–2015. Syyskuussa 2015 CLEEN ja biotalouden keskittymä FIBIC yhdistyivät CLIC Innovation Oy:ksi. Juha Leppävuori, Ohjelmapäällikkö, EFEU-tutkimusohjelma (2014-2016), Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy Jussi Manninen, Ohjelmapäällikkö, EFEU-tutkimusohjelma, (2012-2013), Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy Jukka Tolvanen, Ohjausryhmän puheenjohtaja, EFEU-tutkimusohjelma, ABB Oy Jatta Jussila-Suokas, Teknologiajohtaja CLEEN Oy/CLIC Innovation Oy (2012-2015) Pia Saari, Teknologiajohtaja CLIC Innovation Oy (2016)
AALTO YLIOPISTO LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY ÅBO AKADEMI
SIS ÄLLYS TUTKIMUKSEN TAUSTA Kilpailuetuna energiatehokkuus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
TUTKIMUSALUEET JA PÄÄTULOKSET Energiatehokas perusta uusille energiajärjestelmille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Sähkönsäästöä laitteiden ja palveluiden avulla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Hyödyt osallistujille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
TEOREETTINEN PERUSTA Miten energiatehokkuutta mitataan?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
TUTKIMUSTULOKSET Energiatehokkuutta uusin toimintatavoin ja palveluin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Yhteistyötä energiantuotantoon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Kokonaiskulutuksen optimointia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Kaukolämpöverkosto muuttuu takuulla – mutta miten?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Varaudutaan kuluttajan kasvavaan rooliin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Kaasun avulla kohti uusiutuvaa energiaa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 LNG-terminaalit teknologiaviennin ajurina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Tukea kasvavalle biokaasun tuotannolle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Kulutus kuriin laitteita uudistamalla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Neljännes pois pulpperin sähkönkulutuksesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Säästöjä pumpun ja moottorin yhdistämisestä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Data pilveen ja sähkölasku alas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Etädiagnostiikka käyttäjien ja kehittäjien avuksi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6
TUTKIMUKSEN TAUSTA
Kilpailuetuna energiatehokkuus Parhaimmillaan sijoitus energiatehokkuuteen maksaa itsensä moninkertaisesti takaisin leikkaamalla energialaskua sekä välillisesti myös monia muita kuluja. Energian tehokas käyttö edistää myös ilmastotavoitteiden saavuttamista.
TUTKIMUKSEN TAUSTA
7
J U HA L E P PÄV U OR I oh j e l mapääl l i k kö E F E U - t ut k i mu so hj e l ma
Ilmaston lämpenemistä pyritään hillitsemään rajoittamalla hiilidioksidipäästöjä. Suuret odotukset kohdistuvat etenkin aurinko- ja tuulivoimaan sekä uusiutuviin polttoaineisiin. Energiantuotannon uudet menetelmät eivät kuitenkaan riitä, jos energiankulutus kasvaa entiseen tahtiin. Kansainvälinen energiajärjestö IEA arvioi vuonna 2014, että peräti 40 prosenttia vaadittavista hiilidioksidipäästöjen vähennyksistä vuoteen 2050 mennessä saadaan aikaan energian käyttöä tehostamalla. Tuolloin tavoitteena oli rajoittaa ilmakehän lämpötilan nousu kahteen asteeseen. Sittemmin Pariisin ilmastokokous on sopinut alle kahden asteen tavoitteesta. ”Käyttämättömiä mahdollisuuksia energiatehokkuuden kohentamiseksi on onneksi runsaasti”, toteaa EFEU- eli Energian tehokas käyttö -tutkimusohjelman päällikkö Juha Leppävuori VTT:ltä.
Uudistuksia laitteisiin ja palveluihin Toisin kuin monet muut ilmastoinvestoinnit, energiatehokkuuden parantaminen tuo mukanaan sellaisiakin etuja, jotka eivät liity päästövähennyksiin. ”Energiatehokkuus on itsessään kilpailuetu. Sen lisäksi, että energiatehokkuus leikkaa päästöjä ja sähkölaskua, voidaan päästä eroon esimerkiksi tärinästä ja lämmöstä, jotka rasittavat niin laitteita kuin niiden käyttäjiäkin”, Leppävuori sanoo. Energiatehokkuus tarjoaa kilpailuedun myös yrityksille, jotka kehittävät tuotteita ja palveluita energiaa kuluttaville asiakkaille. ”Energiatehokkuus on merkittävä mahdollisuus yrityksille, jotka eivät kilpaile tuotteidensa hinnalla”, Leppävuori sanoo. Hän uskoo, että energiasyöpöt laitteet menettävät asemiaan markkinoilla, vaikka niiden hankintahinta hipoisi ilmaista.
Energiajärjestelmistä fiksumpia Energiankulutusta voidaan vähentää kehittämällä laitteiden lisäksi niiden käyttötapoja mitoituksen optimoinnista ja käytön ohjauksesta alkaen. ”On yhä tärkeämpää tarkastella energian käyttöä suurten kokonaisuuksien ja järjestelmien tasolla sen sijaan, että keskityttäisiin yksittäisiin laitteisiin tai rakennuksiin”, Leppävuori sanoo. Hän näkee merkittäviä tehostamiskohteita muun muassa prosessiteollisuudessa sekä vesi- ja kaukolämpöverkostoissa, joissa esimerkiksi moottorikäyttöiset pumput siirtävät suuria nestemääriä pitkiäkin matkoja.
Leppävuoren mukaan nyt on otollinen vaihe luoda uudet keinot energian käytön tehostamiseen, koska alueellisia energiajärjestelmiä muokataan joka tapauksessa merkittävästi lähivuosina ja vuosikymmeninä. Tulevaisuuden energiajärjestelmässä säätövoima tukee aurinko- ja tuulivoimaa ja kuluttajakin tuottaa sähköä ja lämpöä. Sähköverkon ohella uudistuksia vaativat niin kaasu- kuin kaukolämpöverkostotkin.
Järjestelmiä kehitettävä yhdessä ”Suurten kokonaisuuksien tarkastelua ja ohjausta helpottaa teollinen internet, johon liittyy lähivuosina yhä useampia laitteita. Olennaista on kuitenkin se, että kaikki osapuolet kehittävät järjestelmiä ja niihin liittyviä liiketoimintamalleja yhdessä. Tarvitaan yhä enemmän yhteistyötä”, Leppävuori toteaa. Hän uskoo, että yhteistyön kasvu vaikuttaa vähitellen myös omistussuhteisiin. Kannattaisiko höyry tuottaa yhdessä naapuritehtaiden kanssa? Pitääkö kiinteistön omistaa aurinkopaneelinsa? Leppävuori odottaa jakamistalouden leviävän kuluttajamarkkinoilta yhä vahvemmin teollisuuteen.
8
TUTKIMUS ALUEE T JA PÄ ÄTULOKSE T
Tuloksia * T I L A N N E E LO K U U N LO P U S S A 2 0 1 6
31
43
3
KO N F E R E N S S I JULK AISUA
V E R TA I S A R V I O I T U A T I E T E E L L I S TÄ LEHTIARTIKKELIA
VÄ I TÖ S K I R J A A
1
15
L I S E N S I A AT I N T YÖ
D I P LO M I T YÖTÄ
5
M U I TA S E U R A U K S I A Luotiin aktiivisia yhteistyöverkostoja yritysten ja tutkimuslaitosten välille
K A N D I DA AT I N T YÖTÄ
Vahvistettiin yhteyksiä kansainvälisiin tutkimusohjelmiin ja järjestöihin
EFEU-tutkimusohjelma syventyi energian tehokkaaseen käyttöön alueellisissa energiajärjestelmissä sekä yksityiskohtaisemmalla tasolla prosessiteollisuudessa.
Energiatehokas perusta uusille energiajärjestelmille
Sähkönsäästöä laitteiden ja palveluiden avulla
Sähköä ja lämpöä tuottavat, siirtävät ja käyttävät energiajärjestelmät ovat muuttumassa radikaalisti. Tutkimusohjelmassa tarkasteltiin mahdollisuuksia vaikuttaa niiden energiatehokkuuteen liiketoimintamallien suunnittelusta alkaen.
Pumput, puhaltimet ja kompressorit kuluttavat runsaasti sähköä muun muassa prosessiteollisuudessa sekä vesihuolto-, kaukolämpö- ja kaasu verkoissa. Tutkimusohjelmassa selvitettiin, miten energian käyttöä voidaan tehostaa kehittämällä laitejärjestelmiä ja niihin liittyviä palveluja.
Tuloksia s. 12–19
Tuloksia s. 20–25
TUTKIMUS ALUEE T JA PÄ ÄTULOKSE T
9
Hyödyt osallistujille LUOTTAMUKSELLISET SUHTEET VERKOSTOSSA ”EFEU-ohjelma mahdollisti energiatehokkuuteen liittyviä kehitysaskelia, joita ABB ei olisi voinut omin voimin ottaa. Saimme tutkimuslaitoksilta monipuolisen lisän omaan teknologiatutkimukseemme, ja pääsimme pohtimaan systeemitason asioita yhdessä asiakkaidemme ja heidän asiakkaidensa kanssa. Ohjelman rahoitustapa ohjasi yritykset ja tutkimuslaitokset luottamukselliseen yhteistyöhön, joka osoittautui erittäin hyväksi ratkaisuksi ja varmasti erillisiä hankkeita tuottavammaksi. EFEU-ohjelma on luonut verkoston, joka säilyy ohjelman päätyttyäkin. Verkosto kuvastaa tulevaisuuden markkinoita, joilla harva pärjää yksin. Kokonaiset järjestelmät on viritettävä yhdessä tukemaan samaa tavoitetta – energian tehokasta käyttöä.” J UK K A TO LVA NEN E F E U - ohjelman ohj ausr yhmän puhe e nj oh taj a ohjelma p ä äl l i kkö AB B
KEINOJA KOKONAISUUKSIEN TARKASTELUUN ”Haluamme tarjota tulevaisuudessa energiatehokkaita kokonaisratkaisuja. Siksi haluamme kehittää menetelmiä ja palveluita, jotka tukevat alueellista energiasuunnittelua. EFEU-ohjelman yhteinen tutkimus ja mallinnus on auttanut meitä kehittämään omia työkalujamme, joilla voimme simuloida energian tuotantoa ja kulutusta alueilla ja jopa yksittäisissä rakennuksissa. Olemme testanneet työkaluja suuriin kokonaisuuksiin ja jakaneet tietoa energiajärjestelmien eri osista. Yhteistyökumppaneiden kanssa olemme voineet tutkia kokonaisuutta tavalla, joka ei onnistuisi yksin.” M AR JA E N GLU N D u l koi si s ta t u t k i mu sy hte i s t y öve r kos toi sta vas taava pääl l i k kö For t u m
10
TEO REE T TINEN PERUSTA
TI M O L AU KK AN E N l aborator i o i ns i n ö ö r i Aal to - y l i opi sto
Miten energiatehokkuutta mitataan?
Kaikki energia ei ole laadultaan samanarvoista. Tämä huomio ohjaa energian käytön tehostamiseen ja päästöjen vähentämiseen paremmin kuin pelkkä käytetyn energian määrä tai sen hinta. Harva kuitenkaan mittaa energiankulutusta tästä lähtökohdasta. Jos laitteen tai prosessin hyötysuhde on hyvä, siihen menevästä energiasta suuri osa tulee ulos toivotussa muodossa, esimerkiksi sähkönä, lämpönä tai liikkeenä. Jos hyötysuhde on huono, energiaa kuluu esimerkiksi laitteen turhaan ja jopa haitalliseen lämmittämiseen, täristämiseen ja ääneen. Hyvää hyötysuhdetta pidetään tavallisesti merkkinä energiatehokkuudesta. ”Energiatehokkuutta mitattaessa kuitenkin harvoin otetaan huomioon sitä, että energialla on myös laatu”, toteaa laboratorioinsinööri Timo Laukkanen Aaltoyliopistosta. Hän korostaa, että esimerkiksi sähköenergia on aina arvokkaampaa kuin sama määrä energiaa lämpimässä vedessä. Sähkön voi muuttaa sataprosenttisesti lämmöksi, mutta lämpöä ei voi muuttaa edes teoriassa sataprosenttisesti sähköksi. Kyse on eksergiasta eli energian kyvystä tehdä työtä. Sen arvo riippuu energiamuodon ohella ympäristöstä. 30-asteinen vesi on arvokkaampaa pakkasessa kuin helteessä.
EKSERGIA – TÄRKEÄ MITTARI ENERGIAN OHELLA Laukkasen mukaan olisi havainnollista ja hyödyllistä mitata pikemminkin eksergiaa kuin energiaa, kun halutaan tehostaa energian käyttöä pitkäjänteisesti ja vaikuttaa muun muassa hiilidioksidipäästöihin. ”Onhan teollisuudessa toki runsaasti insinööriosaamista, joka perustuu juuri tähän ajattelutapaan, vaikkei eksergiaa suoranaisesti mitattaisikaan.” Eksergian ohella Laukkanen kannustaa tarkastelemaan aina myös tuotannon koko elinkaarta, jolloin voidaan verrata muun muassa energialähteiden primäärienergiaa sekä kuljetusmatkojen ja käsittelyn kuluttamaa energiaa. Primäärienergiaksi kutsutaan energiaa ennen energialähteen kuljetusta ja energiantuotantoa eli muunnosta käyttökelpoiseksi sekundäärienergiaksi. Primäärienergialähteitä ovat esimerkiksi tuuli, puu, kivihiili ja uraani. ”Parhaimmillaan energiatehokkuutta mitataan kolmella mittarilla, jotka ovat energia, eksergia ja primäärienergia.”
TEOREE T TINEN PERUSTA
11
L Ä M P Ö V O I T TA A S Ä H KÖ N Käsin tiskaaminen käyttää lähes neljänneksen vähemmän energiaa kuin konetiskaus, kun verrataan veden lämmittämiseen kuluvaa energiaa Suomessa. Eksergiaa vertaamalla käsinpesu kirii energiatehokkuudessaan vielä hieman. Kun verrataan primäärienergiaa, peli on selvä. Sähköä käyttävä tiskikone käyttää lähes kolminkertaisen määrän primäärienergiaa verrattuna kaukolämmöllä lämmitettävään veteen tiskialtaassa. Korkealaatuista sähköenergiaa ei siis kannata käyttää tarkoitukseen, josta selviää vähempiarvoisellakin energialla, kaukolämmöllä. Vettä käsinpesuun kuluu kyllä enemmän.
3,1 kWh PRIMÄÄRIENERGIAA
1,0 kWh
PRIMÄÄRIENERGIAKERROIN SÄHKÖLLE ON 3,10
1,0 kWh
ENERGIAA
EKSERGIAA
VEDEN LÄMMITYS JA KONEEN MUU TOIMINTA
10 L
SÄHKÖLLÄ
VETTÄ /PESUKERTA
VEDEN LÄMMITYS
KAUKOLÄMMÖLLÄ
15,8 L
15 ⁰C -> 55 ⁰C HUUHTELU OSITTAIN KYLMÄLLÄ VEDELLÄ
VETTÄ /PESUKERTA
0,74 kWh ENERGIAA
1,1 kWh
0,71 kWh EKSERGIAA
PRIMÄÄRIENERGIAA PRIMÄÄRIENERGIAKERROIN KAUKOLÄMMÖLLE ON 1,45
SÄHKÖ VOITTAA LÄMMÖN Sähköä tuotettaessa syntyy sähkön ohella väistämättä lämpöä. Ydinvoimalassa ja lauhdevoimalassa se valuu haaleana vetenä mereen. Sähköntuotannon hyötysuhde jää 30–45 prosenttiin. Sähkön ja lämmön yhteistuotannossa sen sijaan lämpö ohjataan kaukolämpöverkkoa pitkin rakennuksiin. Hyötysuhde voi nousta yli 90 prosenttiin, mutta vain silloin, kun lämmölle on tarvetta. Lämpimän veden sisältämää energiaa on vaikea käyttää hyödyksi muuhun kuin lämmittämiseen, kun taas sama määrä sähköenergiaa on helppo muuttaa hyvällä hyötysuhteella vaikkapa lämmöksi.
12
TUTKIMUSTULOKSE T
Energiatehokkuutta uusin toimintatavoin ja palveluin Energian tuottajat, siirtäjät ja kuluttajat luovat uusia tapoja toimia yhdessä ja erikseen energiatehokkuutta optimoiden. Joukkoon mahtuu myös energiatehokkuutta kehittäviä palveluyrityksiä. Laskentamalli auttaa osapuolia ennakoimaan ja kehittämään tulevaisuuden energiajärjestelmää. Uusiutuvan energiantuotannon myötä energiajärjestelmät muuttuvat väistämättä sekä paikallisella että valtakunnallisella tasolla. Energiantuotantoa siirtyy suurista voimalaitoksista hajautettuihin aurinko- ja tuulivoimaloihin, ja yritysten rinnalla myös kuluttajat tuottavat ja jakavat energiaa. Muutos on jo tapahtumassa, mutta miten hallitusti? Miten tehokkaita syntyvät energiajärjestelmät ovat? Mitä tapahtuu vanhoille voimalaitoksille? Entäpä sähkö-, kaasu- ja kaukolämpöverkoille? Näihin kysymyksiin haluavat vastauksia ainakin kuntien päättäjät sekä energian tuottajat ja suuret kuluttajat. Vastauksia on kuitenkin vaikea tarjota, koska uusi energiajärjestelmä syntyy pala palalta vanhan päälle ympäristössä, jossa niin kustannukset kuin sääntelykin vaihtelevat. EFEU-tutkimusohjelmassa haettiin apua ennakointiin kehittämällä alueellinen energiatasemalli, siis laskentamalli, joka kuvaa nykyisiä energiajärjestelmiä energiatehokkuuden näkökulmasta. Malli ottaa huomioon myös sitovat päätökset, jotka koskevat esimerkiksi alueen hiilineutraaliutta, omavaraisuutta energiantuotannossa ja energiayhteistyötä teollisuuden kanssa. Malli tarjoaa mahdollisuuden kokeilla, miltä energiajärjestelmä voisi näyttää 20–30 vuoden päästä. ”Pyrimme tekemään mallin, joka auttaisi ymmärtämään eri tasoilla, mitä alueella tapahtuu, millaisia toimijoita siellä on ja mitä alueen tavoitteet tarkoittavat käytännössä”, kertoo tutkijaopettaja Mika Luoranen Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta. Jos kaupunki tähtää esimerkiksi siihen, että valtaosa sen käyttämästä energiasta on 15 vuoden kuluttua uusiutuvaa, malli havainnollistaa, millaisia muutoksia tavoitteen toteutuminen edellyttää ja missä olisi mahdollisuuksia yhteistyölle ja liiketoiminnalle.
Tutkijat kohdistivat huomionsa erityisesti toimintatapoihin ja palveluihin, jotka edistävät energian tehokasta jakamista erikokoisten tuottajien ja kuluttajien välillä sekä toimijaverkoston yhteistyötä. ”Jos esimerkiksi kaukolämmölle olisi kauppapaikka, alueellinen tuottaja voisi ostaa lämpöä helposti toiselta, tai verkkotoimija voisi ostaa lämpöä pientuottajilta ja myydä sitä kuluttajille, samaan tapaan kuin sähköä. Näin tuotantoa voisi optimoida kaukolämpöverkon tasolla yli kunta- ja toimijarajojen”, sanoo erikoistutkija Tapani Ryynänen VTT:ltä. Kauppapaikan ohella tulevaisuuden energiajärjestelmässä on tilaa palveluille, kuten energian kulutuksen etävalvonnalle ja -säädölle, jotka mahdollistavat kysyntäjouston. Tässäkin sähköverkot näyttävät tietä kaukolämpöverkoille. Ryynänen uskoo, että alueellinen verkostoituminen käynnistyy luontevimmin kuntien johdolla, joilla on viime kädessä vastuu energiavarmuudesta ja elinkeinotoiminnan kehittämisestä alueellaan. ”Vastuussa oleville toimijoille on tärkeää varmistaa energiantuotanto silloinkin, kun vaikkapa omaa ylijäämälämpöään kaukolämpöverkkoon toimittava tehdas lopettaa toimintansa alueella. Varatuotantokapasiteetin tulee löytyä jostain”, Ryynänen toteaa. Hän painottaa myös ratkaisuja, jotka jättävät tilaa joustavalle kehitykselle energianjärjestelmän kaikilla tasoilla. Pieniltäkin vaikuttavat päätökset esimerkiksi kaavoitusprosessin alussa voivat kantaa vuosikymmenten päähän. Toisaalta, jos kiinteistötason päätöksissä esimerkiksi lattialämmitys järjestetään sähkövastuksin eikä vesikierron avulla, rakennus on sidottu sähkölämmitykseen tai kalliisiin laiteinvestointeihin.
TUTKIMUSTULOKSE T
TA PANI RY YNÄNEN er i koi stutki j a VTT
M I K A LU OR AN E N Tu t k i j ao pe t taj a L appe e nran nan te k ni l l i ne n y l i o pi s to
13
14
TUTKIMUSTULOKSE T
YHTEISTYÖTÄ ENERGIANTUOTANTOON Fortumin asiantuntijat käyttävät energiatasemalleja työkaluina, joilla he simuloivat asiakkaittensa energiajärjestelmiä eri puolilla maailmaa ja ehdottavat niihin esimerkiksi energiatehokkuuden parannuksia. Yhteinen mallikehitys EFEU-ohjelmassa tuki Fortumin työkalukehitystä mutta myös toimintatapojen kehittämistä. ”Ohjelmassa tuli selvästi esille, miten asiat alkavat organisoitua, kun saadaan alueelliset osapuolet keskustelemaan. Nyt meillä on tietty tekemisen malli, jota voimme hyödyntää missä tahansa kaupungissa tai maassa. EFEU-tutkimus on auttanut meitä ennen kaikkea liiketoiminnan konseptikehityksessä”, sanoo myyntipäällikkö Osmo Viitasaari Fortumista. Tekemisen malli on ehtinyt purra jo Fortumin omaan energiantuotantoon. Fortum, Keravan Energia ja Vantaan Energia tarkastelivat yhdessä alueellista energiatehokkuutta ja päättivät lisätä yhtiöiden välistä kaukolämpökauppaa keväisin ja syksyisin, jolloin pieni kulutus kyseenalaistaa ison voimalaitoksen tehokkaan käytön.
OSM O V I I TA S A AR I my y n t i pääl l i k kö For t u m
KOKONAISKULUTUKSEN OPTIMOINTIA EFEU-ohjelman tutkijat halusivat optimoida kiinteistön energiankulutusta ohjaamalla sen ilmastointilaitteita. Kun yksi laite jätettiin pois seurantaja ohjausjärjestelmästä, koko tavoite odotetusti romuttui. ”Yksittäiset, järjestelmän ulkopuolelle jätetyt laitteet saattavat kumota ohjauksella haetun kokonaistavoitteen. Siksi on erittäin tärkeää, että kaikki yhteisön jäsenet ovat mukana samassa tiedon jakamisen virrassa”, toteaa asiantuntija Olli Huotari Empower IM Oy:stä. Yhteisöllä tai energiayhteisöllä hän viittaa muun muassa kauppakeskukseen, asuintaloon, pienkotialueeseen tai tehdasalueeseen. EFEU-ohjelmassa mallinnettiin tällaisia yhteisöjä osana alueellisia energiajärjestelmiä ja simuloitiin niiden erilaisia tapoja käyttää energiaa. Huotarin mukaan ohjelmassa luotu malli auttaa Empower IM:ää kehittämään työkaluja, joiden avulla pystytään optimoimaan entistä tarkemmin energiayhteisöjen energian käyttöä. Hän odottaa, että työkaluja alkavat käyttää uudenlaiset, energiatehokkuutta edistävät palveluyritykset.
OLLI HUOTARI asi antunti j a Empower IM O y
”Energiayhteisöistä todennäköisimmät edelläkävijät ovat keskisuuret ja suuret teollisuusyritykset, jotka voivat esimerkiksi jakaa sivutuotteena syntyvää sähköä ja lämpöä, kuten osa tekee jo nyt. Kotitalouksien osallistumiseen voi mennä vielä useampi vuosi.” Tutkimusohjelmassa sovellettu malli seurasi sähkön hinnan ohella taajuuden vaihtelua kansallisessa siirtoverkossa. Taajuus vaihtelee sähkön kulutuksen ja tuotannon mukaan, ja vaihtelua on perinteisesti hillitty säätämällä tuotantoa. Aurinko- ja tuuli energian lisääntyessä tuotannon säätömahdollisuudet kapenevat ja taajuutta on hallittava säätämällä myös kulutusta.
TUTKIMUSTULOKSE T
15
IS MO HEIMONEN er i koi stutki j a VTT
Kaukolämpöverkosto muuttuu takuulla – mutta miten? Lämmityksen kokonaistarve pienenee, vaikka rakennusten lukumäärä ja koko kasvavat. Luotettava ja energiatehokas lämmitys edellyttää uusia ratkaisuja. Kaukolämpöyhtiö saneeraa 50-vuotiasta kaukolämpöverkkoaan pätkä pätkältä samalla, kun kuntalainen rakentaa energiatehokasta taloa, joka tuottaa tarvitsemansa energian aurinkopaneelein ja lämpöpumpuin. Niin uusia kuin vanhojakin rakennuksia jää pois kaukolämpöverkosta, mutta verkon ylläpito vaatii saman työn kuin ennenkin. Kaukolämmön hinta nousee, ja hinnannousu syö sen suosiota edelleen. Tämä on kaukolämpöverkon uhkakuva. ”Näkisin, että energiajärjestelmän muutos on yhtä lailla mahdollisuus kaukolämpöyhtiöille”, toteaa erikoistutkija Ismo Heimonen VTT:ltä. Hän visioi energiayhtiön, joka tukee kuluttajia näiden omassa energiantuotannossa tarjoamalla siihen laitteet ja palvelut. Yhtiö auttaa kuluttajia, yrityksiä ja alueita optimoimaan sähkön ja lämmön kulutustaan sekä tasapainottamaan energiantuotantoaan jakamalla
tuottamaansa energiaa. Yhä tärkeämmäksi nousee myös lämpöenergian varastointi, ja toisaalta jäähdytys. Olennaista on Heimosen mukaan selvittää ajoissa, mitkä ovat lämmöntuotannon vaihtoehdot ja mitä seurauksia niillä on. EFEU-tutkimusohjelmassa valmistauduttiin tulevaisuuteen laatimalla skenaarioanalyysejä, jotka tarkastelevat lämmön kulutuksen ja tuotannon mahdollisia muutoksia seuraavan 20–30 vuoden aikana. On todennäköistä, että lämmityksen kokonaistarve pienenee, vaikka rakennusten lukumäärä ja koko kasvavat. Tämä johtuu siitä, että kaupunkirakenne tiivistyy ja rakennusten energiatehokkuus paranee. ”Kehitimme järjestelmällisen tavan selvittää, mikä on kullakin hetkellä paras tapa toimia. Yhtä optimaalista reittiä ei ole.”
16
TUTKIMUSTULOKSE T
VARAUDUTAAN KULUTTAJAN KASVAVAAN ROOLIIN Sähkönjakeluun on kehitetty jo vuosia järjestelmää, jossa sähkön kuluttaja on myös tuottaja ja voi tarjota ylituotantoaan verkkoon. ”EFEU-ohjelmassa olemme mallintaneet vastaavalla periaatteella dynaamista kaukolämpöverkkoa, joka toimii esimerkiksi kuluttajan turvana silloin, kun tämän oma lämmöntuotanto ei riitä. Toisaalta, kuluttaja voisi siirtää verkkoon myös tuottamaansa lämpöä. Ajatuksensa on, että kaikkea voi jakaa”, kertoo ulkoisista tutkimusyhteistyöverkostoista vastaava Marja Englund Fortumista.
Kaukolämmön hajautettu tuotanto ja ylijäämän jakaminen ovat toki arkea jo nyt. Lukuisat kaupungit tuottavat lämpöä pienissä laitoksissa eri puolilla kaupunkia ja hyödyntävät myös teollisuuden ylijäämälämpöä. Kuluttajien valinnat tuottavat kuitenkin uusia vaatimuksia olemassa oleville järjestelmille. ”Tarvitsemme menetelmiä, joilla voimme tutkia ja ennakoida muutosta”, Englund sanoo. Hän pitää koko kaukolämpöverkoston mallinnusta erittäin tärkeänä energiatehokkuuden edellytyksenä. ”Kun kaikki tuottajat ja tuotantotavat ovat selvillä, voimme simuloida, missä lämpöä kannattaa milloinkin tuottaa ja minkä kokoisissa laitoksissa.”
17
TUTKIMUSTULOKSE T
Tornio
Raahe Umeå Vaasa Sundsvall Pori
H E NRIK S A XEN professor i Åb o Akade mi
Turku Inkoo Stockholm
Kaasun avulla kohti uusiutuvaa energiaa Bio- ja maakaasu tarjoavat säätövoimaa energiajärjestelmissä, jotka perustuvat yhä vahvemmin uusiutuvaan energiaan. Samaan aikaan tuotanto hajautuu yhä pienempiin yksiköihin, mikä vaatii uudistuksia kaasun toimitusketjuun. Aurinko- ja tuulivoiman lisääntyessä energiajärjestelmissä tarvitaan säätövoimaa, joka paikkaa tuotannon laskua tyyninä ja pilvisinä päivinä. Uusiutuvista energialähteistä säätövoimaa voi tarjota vesivoiman ohella bioenergia, joka käsittää biomassan polton sekä siitä jalostettujen nestemäisten polttoaineiden ja biokaasun käytön. Sähkön alhainen hinta kuitenkin hillitsee energiantuottajien haluja hypätä fossiilisista polttoaineista uusiutuviin ja niiden vaatimiin investointeihin. Varteenotettavan vaihtoehdon tarjoaa maakaasu, joka on fossiilinen polttoaine, mutta päästöiltään hiiltä ja öljyä hillitympi. EFEU-tutkimusohjelmassa perehdyttiin bio- ja maakaasun asemaan tulevaisuuden energiajärjestelmissä ja erityisesti kaasun toimitusketjuihin.
Maakaasun osalta tutkimus keskittyi nesteytetyn maakaasun eli LNG:n toimitukseen laivoilla terminaaleihin. ”Maailmalla ei ole kovin paljon kokemusta pienten kaasumäärien toimittamisesta pieniin terminaaleihin. Se olisi kuitenkin tärkeää Suomen kaltaisille maille, joissa ei ole koko maan kattavaa kaasuverkkoa”, sanoo professori Henrik Saxén Åbo Akademista. Tutkijat loivat laskentamalleja, joiden avulla voitiin etsiä optimaalisia kuljetusreittejä laivoille ja paikkoja terminaaleille sekä optimaalisia laivojen ja terminaalien kokoja. Tutkimuksissa selvitettiin myös, minkä kokoisissa yksiköissä biokaasua kannattaisi tuottaa paikallisesti ja miten sen jakelu kannattaisi järjestää yhdessä maahantuodun maakaasun kanssa.
18
TUTKIMUSTULOKSE T
LNG-TERMINAALIT TEKNOLOGIAVIENNIN AJURINA Pienet LNG-terminaalit kiinnostavat suomalaisia energiantuottajia, mutta myös Wärtsilää. Yhtiö toimittaa polttomoottorivoimalaitoksia eristyneisiin kohteisiin, jotka tarvitsevat omaa sähköntuotantoa. Tällaisia ovat muun muassa monet Karibianmeren saaret. Tällä hetkellä voimalaitokset käyttävät polttoaineena pääasiassa raskasta polttoöljyä, mutta laitosten moottorit on mahdollista muuttaa kaasumottoreiksi. Muutos edellyttää sujuvia kaasutoimituksia.
JAN KROOKS kehit y spääl l i kkö Wä r t si l ä
”EFEU-ohjelman laskentamallien avulla olemme voineet tarkastella, miten LNG:n toimitusketju voisi toimia asiakkaittemme kohteissa ja mitä palveluita voisimme tarjota heille”, kertoo kehityspäällikkö Jan Krooks Wärtsilästä. Hän huomauttaa, että pienet ja keskikokoiset LNG-terminaalit kiinnostavat voimalaitosten ohella teollisuutta, joka käyttää maakaasua tuotannossaan.
TUKEA KASVAVALLE BIOKAASUN TUOTANNOLLE Gasum Oy lisää määrätietoisesti bioenergian tuotantoaan. Tämä tarkoittaa sitä, että tuotantolaitoksia nousee eri puolille Suomea, mikä puolestaan laajentaa nykyistä kaasun jakeluverkostoa. Olennaisen palan kokonaisuuteen tuovat myös kehitteillä ja rakenteilla olevat LNG-terminaalit. ”Tarvitsemme muun muassa EFEU-ohjelmassa kehitettyjä laskentamenetelmiä ja niihin perustuvia laskentatyökaluja, jotta voimme arvioida, miten energian tuotanto ja kulutus kehittyvät”, sanoo Gasumin teknologiajohtaja Mari Tuomaala.
M AR I TU OM A AL A te k no l ogi aj oh taj a Gasum
TUTKIMUSTULOKSE T
KAASU – FOSSIILISISTA POLTTOAINEISTA PUHTAIN Maakaasu eli metaani on fossiilinen polttoaine, mutta sen päästöt jäävät merkittävästi kivihiilen ja öljyn päästöjä pienemmiksi, koska - metaani sisältää hiilen ohella huomattavan määrän vetyä, jolloin metaanin palaessa syntyy hiilidioksidin ohella vettä - maakaasun palaessa ei synny rikki- eikä hiukkaspäästöjä - maakaasua voidaan polttaa moottorivoimaloissa, joiden hyötysuhde sähköntuotannossa on korkeampi kuin kivihiilivoimaloiden. Biokaasu on koostumukseltaan metaania siinä missä maakaasukin, mutta ilmastotavoitteissa ja päästökaupassa se luetaan uusiutuvien polttoaineiden joukkoon, koska se valmistetaan biomassasta.
19
20
TUTKIMUSTULOKSE T
Kulutus kuriin laitteita uudistamalla Pumput ja puhaltimet kuluttavat huomattavasti energiaa, ja leikkausvaraa on vielä paljon. Energiaa voi säästää kehittämällä laitteiden osia ja hallitsemalla laitekokonaisuuksia. Harvan motivaatio riittää leikkaamaan energiankulutusta laite laitteelta minimaalisin parannuksin. Pumput ja puhaltimet ovat kuitenkin energiansäästäjälle mielekäs kohde, koska ne syövät peräti 20 prosenttia maailmassa tuotetusta sähköstä ja EU:ssa vielä huomattavasti suuremman osuuden.
EFEU-tutkimusohjelmassa perehdyttiin prosessi teollisuuden pumppuihin sekä paperiteollisuudessa käytettäviin pulppereihin ja kierrätyskuitua käsitteleviin dispergaattoreihin. Ohjelmassa tutkittiin tapoja tehostaa laitteiden energian käyttöä.
TUTKIMUSTULOKSE T
21
NELJÄNNES POIS PULPPERIN SÄHKÖNKULUTUKSESTA Paalipulpperi hajottaa kuivattuja sellupaaleja paperinvalmistukseen sopivaksi massaksi. EFEU-ohjelmassa haluttiin selvittää, miten pulpperin energiankulutusta voidaan vähentää pulpperin roottoria muotoilemalla. Tutkijat mallinsivat, miten kuitu-vesiseos virtaa pulpperin altaassa, ja simuloivat sekä kokeilivat, miten roottorin muoto ja koko vaikuttavat seoksen liikkeeseen ja sellukuitujen erottumiseen toisistaan. Valmet hyödynsi perustutkimuksen tuloksia kehittäessään uutta roottoria ja sai leikattua pulpperin sähkönkulutuksesta peräti neljänneksen.
J U HA- P E KK A HU HTAN E N pros e s si te k n o l ogi apääl l i k kö Val me t
”Energiansäästö perustuu yksinkertaisesti siihen, että moottorin teho pysyy ennallaan, mutta uusi roottori johtaa vaadittavaan tulokseen nopeammin eli käyttää tehoa lyhemmän ajan tuotantomäärän pysyessä samana. Paperitehtaan ei tarvitse vaihtaa muuta kuin roottori”, kertoo prosessiteknologiapäällikkö Juha-Pekka Huhtanen Valmetilta. Tampereen teknillisen yliopiston professori Reijo Karvinen pitää tutkimusohjelman yhteistyömallia erittäin hyödyllisenä.
R E IJ O K ARVINEN professori Tam pereen tekni l l i nen yl i opi sto
”Voimme tehdä perustutkimusta, johon teollisuudella ei ole mahdollisuuksia, ja saamme tietää uusista ongelmista, jotka vaativat tutkimista”, Karvinen toteaa. Hän huomauttaa, että esimerkiksi EFEU-ohjelmassa tehty kuitu-vesiseosta koskeva perustutkimus palvelee laajalti sellaisten prosessien kehitystä, joissa eri olomuodot virtaavat yhdessä. Ensimmäisenä sitä on sovellettu pulppereiden kehitykseen.
SADAN MILJOONAN SÄÄSTÖT Valmet on toimittanut maailman paperitehtaisiin yli 600 paalipulpperia, joiden roottoreita pyörittävät teholtaan keskimäärin 300 kilowatin moottorit. Yhteensä Valmetin toimittamat pulpperit kuluttavat noin neljä terawattituntia energiaa vuodessa maailmanlaajuisesti. Roottoreiden uusiminen laskisi vanhojen pulppereiden sähkönkulutusta noin neljänneksen eli yhden terawattitunnin verran, mikä tarkoittaa käyttäjille noin sadan miljoonan euron säästöä vuodessa. Samalla pienenevät myös päästöt ja ympäristökuormitus.
22
TUTKIMUSTULOKSE T
TE RO AHON E N tutkija L appe e n ran nan te k n i l l i ne n y l i o pi s to
SÄÄSTÖJÄ PUMPUN JA MOOTTORIN YHDISTÄMISESTÄ Vesihuolto ja teollisuus pumppaavat valtavia nestemääriä pumpuilla, jotka toimivat sähkömoottoreiden ja niitä ohjaavien taajuusmuuttajien avulla. Laitteiden oikea mitoitus ja asennus minimoivat sähkönkulutuksen, mutta kokonaisuus vaatii paljon suunnittelijoilta ja asentajilta. Voisiko laitteiden käyttäjä ostaa valmiin yhdistelmän yksissä kuorissa? Tähän kysymykseen tartuttiin EFEU-tutkimusohjelmassa. ”Tutkimme pumpun ja moottorin yhdistelmää, joka on irrallisia laitteita kevyempi ja tehokkaampi. Lisäksi sen asentaminen on helpompaa, joten samalla häviävät asennusvirheisiin liittyvät riskit”, toteaa tutkija Tero Ahonen Lappeenrannan
teknillisestä yliopistosta. Yliopiston rinnalla yhdistelmän peruslinjoja loivat laitevalmistajat. Yhteisvoimin tutkijat pystyivät optimoimaan kokonaisuuden energiankulutuksen. ”Tavallisesti herää kysymys moottorin jäähdytyksestä, kun laitteen hyötysuhde kasvaa. Mutta pumppu-moottorikonseptissa hyödynsimme pumpun siirtämää nestettä jäähdytyksessä”, Ahonen kertoo.
Johtaako tutkimus markkinakelpoiseen tuotteeseen asti, riippuu pitkälti siitä, saavatko erillisten laitteiden valmistajat tuotekonseptinsa sovitettua yhteen. Tällä hetkellä yhdistelmälaitteita on markkinoilla lähinnä rakennusten lämmitysjärjestelmiin ja jätevesisovelluksiin.
TUTKIMUSTULOKSE T
3D -TULOSTE T TU
3D-TULOSTUS UUDISTAA TUTKIMUSTYÖTÄ Virtauslaskenta ja simulointi auttavat, kun halutaan selvittää, miten esimerkiksi pumpun juoksupyörän muoto vaikuttaa pumppu-moottoriyhdistelmän hyötysuhteeseen. Vain parhaat vaihtoehdot testataan käytännössä, koska teräksisen juoksupyörän valmistaminen on kallista ja hidasta eikä muovinen testijuoksupyörä olisi riittävän kestävä. Tampereen yliopiston tutkijat kuitenkin huomasivat, että vettä siirtävää pumppua voidaan testata siirtämällä ilmaa muovisen juoksupyörän avulla. 3D-tulostin valmisti muovisen koekappaleen yön yli noin 20 eurolla tuhansien eurojen sijaan, ja tutkijat pääsivät testaamaan tavallista useampia vaihtoehtoja tavallista varhaisemmassa vaiheessa.
VALE T TU
23
24
TUTKIMUSTULOKSE T
Data pilveen ja sähkölasku alas Vanhastakin sähkölaitteesta voi saada energiapihin, jos sen käyttöä päästään seuraamaan ja ohjaamaan. Tämä onnistuu helposti, jos laite lähettää käyttötietoja pilveen. Jonkinlainen pumppu, puhallin tai kompressori käy melkein jokaisessa rakennuksessa ja tavallisesti sähkömoottorin voimin. Todennäköisesti valtaosa näistä laitteista kuluttaa enemmän sähköä kuin olisi välttämätöntä. Jos laitteet säädetään ihannetilaan, energiankulutus laskee ja laitteen käyttöikä kasvaa. Laitteen toiminnasta on kuitenkin saatava tietoa, jotta sitä voisi säätää. Suurissa teollisuusprosesseissa mitataankin muun muassa siirrettävän nesteen tai kaasun virtausta ja painetta, pumpun pyörimisnopeutta sekä koko järjestelmän lämpötilaa ja tehontarvetta. Antureiden asentaminen ja mittaustulosten seuraaminen kuitenkin maksavat. EFEU-tutkimusohjelmassa selvitettiin, miten pumpun tai puhaltimen energiankulutusta ja kuntoa voidaan valvoa seuraamalla niitä pyörittävän sähkömoottorin toimintaa. Sähkömoottoria ohjaava taajuusmuuttaja tarjoaa epäsuoraa mittaustietoa, joka monesti riittää, kun arvioidaan järjestelmän kuntoa, mitoitusta ja energiankulutusta. Ja jos järjestelmä lähettää datan pilveen, laitteen toimintaa voidaan seurata myös etänä.
ETÄDIAGNOSTIIKKA KÄYTTÄJIEN JA KEHITTÄJIEN AVUKSI ABB:n ohjelmapäällikkö Jukka Tolvanen uskoo, että teollisen internetin kehittyessä etädiagnostiikka- ja ohjauspalvelut vakiintuvat osaksi sähkölaitteiden käyttöä. Pumpun tai puhaltimen käyttäjä voi seurata vaikkapa kännykällään, mitä konehuoneessa tapahtuu. Samat tiedot voidaan toimittaa myös kunnossapitopalvelua tarjoavalle yritykselle. Lisäksi, laitteiden kehittäjät saavat arvokasta tietoa, joka avulla he voivat kehittää laitteita edelleen. ”Kun dataa on runsaasti, laitteiden toimintaa voidaan analysoida syvemmin kuin koskaan. Tämä tuo aivan uusia mahdollisuuksia energiatehokkuuden kehittämiseen”, Tolvanen sanoo. Hän uskoo, että etädiagnostiikka tarjoaa eurooppalaisille laitetoimittajille merkittävän kilpailuedun markkinoilla, joilla peruslaitteiden hinnat laskevat edelleen. Tolvanen odottaa diagnostiikkadatan ohjaavan myös laitekokonaisuuksien suunnittelijoita entistä osuvampaan mitoitukseen. ”Energiatehokkuus alkaa onnistuneesta mitoittamisesta.”
TUTKIMUSTULOKSE T
25
http://efeufinalreport.fi
J U H A L E P PÄV U O R I Program Manager juha.leppavuori@vtt.fi / +358 40 532 9378 PIA SAARI CTO, CLIC Innovation Ltd pia.saari@clicinnovation.fi / +358 40 194 9932 http://efeufinalreport.fi