PANU HAPPONEN
ENERGYPLAN-OHJELMISTO JA ESIMERKKITARKASTELU
Kandidaatintyö
Tarkastaja: professori Sami Repo
TIIVISTELMÄ
PANU HAPPONEN: EnergyPLAN-ohjelmisto ja esimerkkitarkastelu Tampereen teknillinen yliopisto
Kandidaatintyö, 42 sivua, 5 liitesivua Marraskuu 2018
Sähkö- ja tietotekniikan kandidaatin tutkinto-ohjelma Pääaine: Sähkövoimatekniikka
Tarkastaja: professori Sami Repo
Avainsanat: EnergyPLAN, Suomen energiajärjestelmä, sähköenergia, lämpö- energia
Tässä kandidaatintyössä käsitellään EnergyPLAN-ohjelmistoa ja ohjelmiston avulla suo- ritettua esimerkkitarkastelua Suomen energiajärjestelmästä. Työ voidaan jakaa kolmeen eri osaan: ohjelmiston esittely, Suomen energiajärjestelmän parametrien esittely ja simu- loinnin tulosten käsittely.
Työssä esitellään ohjelmiston tausta, käyttökohteet, käyttöliittymä, perustoiminnot ja oh- jelmistoon syötettävä data. Ohjelmiston käyttöliittymän käsittely suoritetaan ohjelmiston välilehti kerrallaan, jotta sen syötteet ja toiminnot olisi helppo hahmottaa. Myös ohjel- mistoon syötettävien erillisten tekstitiedostojen vaatimuksia ja niiden rakentamista käsi- tellään tässä kandidaatintyössä.
Suomen energiajärjestelmälle määritetään työssä tehtyjen rajausten ja oletusten mukaiset, eri lähteistä saadut perustellut syötteiden arvot vuodelta 2016, ja näitä arvoja hyväksi- käyttäen suoritetaan työn simulointi osuus. Työssä käsitellään myös simuloinnista saatuja tuloksia ja niitä verrataan todellisiin vuoden 2016 arvoihin. Vertailun avulla pystytään toteamaan miltä osin mallinnus on onnistunut ja paikantamaan simuloinnissa tapahtuneita vääristymiä.
ALKUSANAT
Tämä tekniikan kandidaatintyö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergia- tekniikan laboratoriolle.
Kiitän kandidaatintyön ohjaaja ja tarkastajaa professori Sami Repoa hyvästä ja rakenta- vasta palautteesta, ja hyvistä neuvoista työn tekemisessä. Kiitän myös sähkötekniikan kandidaattiseminaarin opponenttejani hyvistä huomioista, joiden avulla olen saanut pa- rannettua työni laatua. Erityiset kiitokset myös Sara Luostariselle tuesta kirjoitusproses- sin aikana ja neuvoista työn viimeistelyvaiheessa.
Tampereella, 07.11.2018
Panu Happonen
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 1
2. OHJELMISTON TAUSTA JA KÄYTTÖKOHTEET ... 2
2.1 Yleistä tietoa ... 2
2.2 Ohjelmistolla tehdyt mallinnukset ... 3
3. KÄYTTÖLIITTYMÄ JA TOIMINNOT ... 4
3.1 Ohjelmiston käyttö ... 4
3.1.1 Demand-välilehti ... 5
3.1.2 Supply-välilehti ... 8
3.1.3 Balancing and storage -välilehti ... 10
3.1.4 Cost-välilehti ... 12
3.1.5 Simulation-välilehti ... 13
3.1.6 Output-välilehti ... 15
3.2 Ohjelmiston käyttämät tekstitiedostot ... 16
4. SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄN MALLINNUS ... 17
4.1 Simuloinnin rajaukset ja oletukset ... 17
4.2 Tarkastelun tekstitiedostot... 18
4.3 Suomen energiajärjestelmä ... 20
4.3.1 Energiantarve ... 20
4.3.2 Energiantuotanto ... 21
4.3.3 Hiilidioksidipäästöt, energiavarastot, sähköverkon stabilointi ja tuotantokustannukset ... 22
5. SIMULOINNIN TULOKSET ... 24
5.1 Esimerkkitarkastelun tulokset ... 24
5.1.1 Energiantuotanto ja -kulutus ... 26
5.1.2 Hiilidioksidipäästöt ja polttoaineidenkulutus... 29
5.1.3 Energiajärjestelmän kustannukset ... 31
5.2 Tulosten vertailu todellisiin arvoihin ... 33
6. YHTEENVETO ... 38
LÄHTEET ... 40 LIITE A: VERKON STABILOINNIN ASETUKSET JA TYÖKALUT
LIITE B: KUSTANNUSTIEDOT
KUVALUETTELO
Kuva 1: EnergyPLAN-ohjelmiston syötteet ja ulostulot [2]. ... 3
Kuva 2: EnergyPLAN-ohjelmiston perusnäkymä. (Kuvakaappaus) ... 4
Kuva 3: Sähköntarpeen alavälilehti. (Kuvakaappaus) ... 6
Kuva 4: Lämmöntarpeen alavälilehti. (Kuvakaappaus) ... 7
Kuva 5: Sähköntuotannon alavälilehti. (Kuvakaappaus) ... 8
Kuva 6: Balance and storage -välilehti. (Kuvakaappaus) ... 11
Kuva 7: Heat and electricity -alavälilehti. (Kuvakaappaus) ... 12
Kuva 8: Simulation-välilehti. (Kuvakaappaus) ... 14
Kuva 9: Suomen sähkönkulutus ja kaukolämmön kulutus vuonna 2016. ... 18
Kuva 10: Eri tuotantomuotojen tuotanto-osuudet kokonaistuotannosta. ... 19
Kuva 11: Suomen aluesähkön tuntikohtaiset hinnat vuodelta 2016. ... 19
Kuva 12: Lämmityksen markkinaosuudet [10]. ... 20
Kuva 13: Esimerkkitarkastelun syöte- ja ulostuloarvot. (Kuvakaappaus) ... 24
Kuva 14: Esimerkkitarkastelun ulostulojen spesifikaatiot. (Kuvakaappaus) ... 25
Kuva 15: Lämpöenergian huippukulutus tunnin tuotannon jakauma eri tuotantomuodoille. ... 26
Kuva 16: Sähköenergian huippukulutus tunnin tuotannon jakauma eri tuotantomuodoille. ... 27
Kuva 17: Kuukausittaiset keskitehot. ... 28
Kuva 18: Uusiutuvien energiantuotantomuotojen kuukausittaiset sähköntuotannon keskitehot. ... 28
Kuva 19: Polttoaineiden vuotuinen kulutus muodossa TWh. ... 29
Kuva 20: Eri sektorien polttoaineidenkulutus vuodessa muodossa TWh. ... 30
Kuva 21: Investointikohteiden kustannukset. ... 32
Kuva 22: Sähköenergian tuotannon kuukausittaiset keskitehot ilman lauhdevoimaa. ... 35
Kuva 23: Sähköenergian huippukulutus tunnin tuotantomuotojen tehot. ... 35
Kuva 24: Lämmön ja sähkön tuotannon kustannustiedot. [5]... 41
Kuva 25: Uusiutuvan energian tuotantolaitosten kustannustiedot. [5] ... 41
Kuva 26: Vapaaehtoiset kustannuskohteet. [5] ... 41
Kuva 27: Polttoaineiden hintatiedot ja verotustiedot. ... 41
Kuva 28: Operoinnin ja ylläpidon kustannustiedot. [5] ... 41
LYHENTEET JA MERKINNÄT
CCS Carbon Capture and Storage
CEEP Critical Excess Electricity Production CHP Sähkön ja lämmön yhteistuotanto
CO2 Hiilidioksidi
Excel Taulukkolaskentaohjelma
GJ Gigajoule
GWh Gigawattitunti
kg/GJ Kilogrammaa Gigajoulea kohti
Mt Megatonnia
MW Megawatti
MWh Megawattitunti
TWh Terawattitunti
V2G Vehicle to grid
1. JOHDANTO
Elämme maailmassa, jossa energiankulutus on suurempaa kuin koskaan aikaisemmin, eikä kulutuksen kasvulle näy loppua. Energiantuotannon kasvun johdosta myös ilman hiilidioksidipitoisuus on kasvanut merkittävästi jo yli 60 vuoden ajan, mikä on johtanut ilmaston lämpenemiseen ja merenpinnan nousuun. Suurin syy hiilidioksidipäästöjen syn- tymisessä on fossiilisten polttoaineiden hyödyntäminen energiantuotannossa sekä liiken- teessä. Fossiilisia polttoaineita hyödyntäviä energiantuotantomuotoja pyritään kansainvä- lisesti korvaamaan uusiutuvilla energiantuotantomuodoilla, kuten aurinko- ja tuulivoi- malla.
Siirtymistä fossiilisten polttoaineiden käytöstä uusiutuvan energian hyödyntämiseen on kuitenkin haastavaa suunnitella ja toteuttaa, ja tulevaisuuden energiantarpeen, päästöjen ja tarvittavien polttoaineiden määrän arvioiminen on vaikeaa. Uudenlaisen energiainfra- struktuurin aiheuttamia kustannuksia on myös vaikea arvioida. Nykypäivänä on kuitenkin tarjolla useita erilaisia ohjelmistoja, joita voidaan hyödyntää energiajärjestelmien mallin- tamisessa.
Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan tanskalaisen Aalborgin yliopiston kehittämää Ener- gyPLAN-ohjelmistoa ja sitä hyödyntäen suoritetaan esimerkkitarkastelu Suomen ener- giajärjestelmästä. Tarkastelun yhteydessä kerrotaan ohjelmiston taustoista ja käyttökoh- teista, esitellään ohjelmiston käyttöliittymää, toimintoja ja syötteitä, ja käsitellään ohjel- mistosta ulostulevaa dataa.
Työn aluksi perehdytään yleisiin tietoihin ohjelmistosta, kuten sen taustoihin ja käyttö- kohteisiin. Tämän jälkeen edetään ohjelmiston esittelyyn kertomalla sen käyttöliittymästä ja toiminnoista. Kun ohjelmiston perustoiminnot ja syötteet on selvillä, rakennetaan niitä tietoja hyödyntäen malli Suomen energiajärjestelmästä. Mallinnuksen jälkeen käsitellään siitä saatavia tuloksia ja vertaillaan niitä todellisuudessa esiintyviin arvoihin. Työn lo- puksi suoritetaan yhteenveto siinä käydyistä aiheista.
2. OHJELMISTON TAUSTA JA KÄYTTÖKOH- TEET
Tässä luvussa käsitellään EnergyPLAN-ohjelmiston taustoja, käyttökohteita ja aiemmin tehtyjä mallinnuksia. Luvussa kerrotaan ohjelmiston kehittäjistä, olemassaolon syistä ja ohjelmiston erilaisista hyödyntämismahdollisuuksista.
2.1 Yleistä tietoa
EnergyPLAN-ohjelmisto tanskalaisen Aalborgin yliopiston Sustainable Energy Planning Research -ryhmän vuonna 1999 kehittämä ja ylläpitämä ohjelmisto, jolla voidaan simu- loida kansallisia tai alueellisia energiajärjestelmiä tuntipohjaisesti sähkön, lämmön, jääh- dytyksen, teollisuuden sekä liikenteen osalta. Useat tutkijat, konsultit ja vaikuttajat käyt- tävät ohjelmistoa hyödykseen omassa työssään, koska sillä on helppo jakaa kesken- eräisiäkin töitä muille käyttäjille. Ohjelmiston omalla verkkosivustolla onkin luettavissa kymmeniä tieteellisiä julkaisuja ja raportteja, joissa ohjelmistoa on hyödynnetty. [1] EnergyPLAN-ohjelmiston päätarkoituksena on analysoida erilaisten energiastrategioiden vaikutuksia energiankulutuksen, ympäristön ja talouden kannalta. Ohjelmistoa on suun- niteltu käytettäväksi erilaisten skenaarioiden vertailuun ennemmin kuin yhden optimaa- lisen ratkaisun löytämiseen, ja sen käyttö keskittyy energiajärjestelmän suunnittelun vii- meistelyyn. Ohjelmiston pääpaino on tulevaisuuden energiajärjestelmien mallintamisessa nykypäivän järjestelmien sijasta, ja tästä syystä ohjelmistossa on paljon tulevaisuuden teknologioihin liittyvä toimintoja. [1]
Ohjelmisto on tyypiltään deterministinen input/output-ohjelma eli samoilla syötteillä ja asetuksilla saadaan aina samat tulokset [2]. Kuva 1 havainnollistaa ohjelmistoon syötet- tävien tietojen tyyppejä ja siitä saatavia tuloksia. Syötettäviä tietoja ovat erilaiset energian ja polttoaineiden tarpeet, voimaloiden kapasiteetit ja hyötysuhteet, energiavarastot, ja eri- laisiin kulkuvälineisiin liittyvät tiedot. Kun lisätään vielä tuntikohtaisia energiatietoja erillisistä tekstitiedostoista, ja hintatietoja polttoaineista ja tuotantolaitoksista, voidaan si- muloida esimerkiksi valitun alueen energiankulutusta, tuotantotyyppien vuotuista energi- antuotantoa ja keskitehon jakautumista vuodelle, polttoaineiden kulumista, ja energian- tuotannosta syntyviä kustannuksia erilaisia asetuksia käyttäen. Simulointi voidaan toteut- taa joko teknillisen tai ekonomisen simuloinnin asetuksilla, josta kerrotaan enemmän lu- vussa 3. Ohjelmiston käyttäjä voi siis valita mallinnukselleen sopivimman asetuksen, riip- puen siitä haluaako hän tutkia valittua energiajärjestelmää teknillisestä vai taloudellisesta näkökulmasta. Kun tiedot on syötetty ja asetukset on valittu, pystytään simuloinnin tu- loksia käsittelemään erilaisissa muodoissa. Ohjelmiston syötteitä tarkastellaan tarkemmin seuraavassa luvussa ja tuloksia luvussa 5.
Ohjelmiston toimintaperiaate on yksinkertainen, koska se vain muuttaa syötetyt paramet- rit analysoitavaksi dataksi. Toisaalta ohjelmisto kuitenkin vaatii käyttäjältä oikeanlaisten ja totuudenmukaisten tietojen syöttämistä ohjelmistoon, jotta analysoitavan tulokset oli- sivat relevantteja.
2.2 Ohjelmistolla tehdyt mallinnukset
Kuten aiemmin mainittiin, EnergyPLAN-ohjelmistoa käytetään kansallisten ja alueellis- ten energiajärjestelmien simulointiin. Ohjelmistoon on sisällytetty paljon toimintoja, jotka helpottavat tulevaisuuden energiajärjestelmien mallintamista, ja tästä syystä suuri osa ohjelmistolla tehdyistä mallinnuksista on tulevaisuutta käsitteleviä skenaarioita [1].
Suurin osa mallinnuksista on tehty Euroopan valtioista, mikä selittyy ohjelmiston alku- perästä. Kuitenkin mallinnuksia on myös tehty esimerkiksi Keniasta, Kiinasta, Meksi- kosta ja Uudesta-Seelannista [1].
Suomen energiajärjestelmää käsitteleviä mallinuksia löytyy ohjelmiston verkkosivuilta kaksi kappaletta ja ne molemmat ovat Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkija Michael Childin tekemiä. Ohjelmistoa on myös hyödynnetty Jori Lingrenin diplomi- työssä (Renewable energy scenarios for south karelia – Non-industrial energy demands).
Työssään Lingren mallintaa Etelä-Karjalan energiajärjestelmän nykytilannetta sekä eri- laisia tulevaisuuden skenaarioita EnergyPLAN-ohjelmiston avulla.
Kuva 1: EnergyPLAN-ohjelmiston syötteet ja ulostulot [2].
3. KÄYTTÖLIITTYMÄ JA TOIMINNOT
Tämä luku keskittyy EnergyPLAN-ohjelmiston käyttöliittymän, ohjelmiston perustoi- mintojen ja ohjelmistoon syötettävän datan esittelemiseen. Luku painottuu myöhemmin luvussa 4 tarvittaviin tietoihin, joten jotkut ohjelman ominaisuudet jätetään vähemmälle huomiolle. Näitä ominaisuuksia ovat esimerkiksi jäähdytyksen, erilaisten polttoaineiden valmistuksen ja kulutuksen, ja puhtaan veden tarpeen simulointi. Luvussa hyödynnetään paljon EnergyPLAN-ohjelmiston dokumentaatiota [3] ja Finding and Inputting Data into EnergyPLAN -ohjetta [4].
3.1 Ohjelmiston käyttö
EnergyPLAN-ohjelmiston käyttöliittymä voidaan jakaa kuuteen eri välilehteen: demand, supply, balancing and storage, cost, simulation ja output. Jotta ohjelmiston käyttöliitty- mästä ja ohjelmiston toiminnoista saataisiin selkeä kuva, on helpointa lähteä tarkastele- maan näitä välilehtiä yksitellen. Ohjelman sisäistä toimintaa myös hiemaan avataan kaa- vojen avulla demand ja supply välilehtien yhteydessä. Kuvassa 2 nähdään ohjelmiston perusnäkymä. Luvussa käytetään termiä alavälilehti, jolla tarkoitetaan päävälilehden alla olevaa osiota.
Ohjelmaan syötettävä tieto on yleensä annettava terawattitunteina (TWh) tai gigawatti- tunteina (GWh) asetuksista riippuen. Erilaiset tuntikohtaiset tiedot, kuten sähkönkulutus eri tunteina, syötetään erillisestä tekstitiedostosta ja tiedostossa täytyy olla 8784 datapis-
Kuva 2: EnergyPLAN-ohjelmiston perusnäkymä. (Kuvakaappaus)
tettä, jotka kuvaavat vuoden jokaista tuntia [4]. Tällaisista tiedostoista käytetään ohjel- mistoa käsittelevissä teksteissä nimitystä Distribution data, johon tässä kandidaatintyössä viitataan termillä tekstitiedostot. Tekstitiedostoista kerrotaan enemmän luvussa 3.2.
3.1.1 Demand-välilehti
Demand-välilehdellä syötetään eri kulutuskomponenttien vuotuiset energinatarpeet säh- kölle-, lämmölle- ja jäähdytykselle, sekä teollisuuden ja liikenteen kuluttamille polttoai- neille. Syötettävänä tietona on myös puhtaan veden tarve, mutta se jätetään tässä työssä tarkastelujen ulkopuolelle.
Kuvassa 3 nähdään sähköntarpeen alavälilehti. Vuotuinen sähkönkokonaiskulutus syöte- tään muodossa TWh, ja tuntikohtaiset tiedot luetaan valitusta tekstitiedostosta. Sähkön kokonaistarvetta arvioidessa voidaan huomioida lämmitykseen ja jäähdytykseen käytetty sähköenergia ja sähkön vienti/tuonti. Sähkön viennille/tuonnille syötetään vuotuinen ko- konaismäärä muodossa TWh ja tuntikohtaiset tiedot tekstitiedostosta. Sähköenergiaan pe- rustuvan lämmityksen ja jäähdytyksen määrä saadaan Heating- ja Cooling-alavälilehden electric heating ja electricity for cooling syötteistä.
Sähkökulutustietojen alavälilehdellä voidaan myös määrittää kolmen tyyppisiä ajallisesti joustavia sähköntarpeita: yhden päivän, yhden viikon ja neljän viikon joustavuudella.
Joustavuus tässä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi yhden päivän joustavuuden tapauksessa sähköenergia voidaan tuottaa minä vuorokauden tuntina tahansa. Tämä mahdollistaa sen, että sähkönsiirto kyseiselle tarpeelle voidaan ajoittaa esimerkiksi tuulivoiman vuoro- kautiselle tuotantohuipulle. Sama pätee muille joustavuustyypeille eli viikon joustavuu- den omaavalle tarpeelle tuotanto voidaan ajoittaa mille tahansa ajalle viikkoa ja neljän viikon omaavalle tarpeelle mille tahansa ajankohdalle neljää viikkoa. Viikon ja neljän viikon joustavuuden omaavia varastoja ei kuitenkaan käytännössä ole juuri ollenkaan.
Joustavuus ominaisuutta voidaan hyödyntää, jos sähkönkulutuskohteissa on kuormia, joi- den käyttö voidaan ajoittaa tuotantohuipuille, tai kulutuskohteissa on energiavarastoja.
[3] Joustavuuteen liittyen ohjelmaan syötetään kunkin joustavuustyypin vuotuinen koko- naisenergia TWh:na ja tehollinen maksimivaikutus megawatteina (MW).
Lämmöntarve on jaettu asuntokohtaisiin lämmitysmuotoihin (individual heating) ja pie- neen sähkön ja lämmön yhteistuotantoon (CHP) sekä kaukolämmitykseen (district hea- ting). Lämmöntarpeen alavälilehti on esitetty kuvassa 4. Keskimääräinen arvio tarvitta- vasta vuotuisesta lämpöenergian määrästä rakennusta kohti annetaan muodossa kWh ja hyödyntäen yksittäistalouksien vuotuista kokonaislämmöntarvetta, ohjelmisto laskee asuntokohtaisella lämmityksellä lämmitettävien kohteiden määrän [3].
Asuntokohtaiseen lämmitykseen syötetään käytettyjen polttoaineiden tarvittavat vuotui- set määrät sekä tuotantomuotojen hyötysuhteet, joiden avulla arvioidaan yksittäistalouk- sien vuotuista kokonaislämmöntarvetta. Asuntokohtaisiin lämmitysmuotoihin kuuluvat hiileen, öljyyn, maakaasuun, biomassaan, lämpöpumppuihin, sähkölämmitykseen, aurin- kolämpöön ja CHP pientuotantoon perustuvat lämmitysratkaisut. CHP pientuotanto on jaettu vetyyn, maakaasuun ja biomassaan perustuvaan tuotantoon. Hiili, öljy, maakaasu ja biomassa lämpökattiloiden vuotuisen lämmöntarpeen ohjelmisto laskee kaavasta
𝑄 =𝐹𝑖𝑛
𝜂ℎ, (1)
jossa Q on vuotuinen lämmöntarve, Fin on syötetyn polttoaineen määrä vuodessa ja ηh
polttoaineen hyötysuhde lämpöenergian tuotannossa. CHP pientuotannon tapauksessa lämmöntarve syötetään itse ja ohjelmisto laskee lämpö- ja sähköenergian tuotannon hyö- tysuhteiden avulla sähköenergian tuotannon kaavalla
𝐸 = 𝑄 ∗ 𝜂𝑒
𝜂ℎ , (2)
jossa E on tuotetun sähköenergian määrä vuodessa ja ηe sähköenergian tuotannon hyöty- suhde. Lämpöpumppujen vuotuisen sähköenergian tarpeen ohjelmisto laskee jakamalla syötetyn lämmöntarpeen lämpöpumpun hyötysuhteella, ja sähkölämmitys määräytyy suoraan lämmöntarpeesta.
Kaukolämmöntarve on tuotetun kaukolämmön ja sen siirrossa tapahtuvien häviöiden ero- tus, joidenka tiedot tulee syöttää ohjelmistoon. Kaukolämmön tuotanto syötetään muo- dossa TWh ja siirtoverkossa tapahtuvat häviöt prosentteina suhteutettuna tuotantoon.
Kuva 3: Sähköntarpeen alavälilehti. (Kuvakaappaus)
Kaukolämpö on jaettu kolmeen eri ryhmään. Ensimmäinen ryhmä kuvaa kaukolämpöjär- jestelmiä, jossa ei ole mukana CHP tuotantoa. Toisessa ryhmässä ovat mukana järjestel- mät, joissa on pienimuotoista CHP tuotantoa, ja kolmannessa ryhmässä on merkittävästi CHP tuotantoa. Ero toisen ja kolmannen ryhmän välillä on, että kolmannen ryhmän CHP- voimaloiden ei tarvitse tuottaa lämpöä sähköntuotannon aikana. [4] Vaikka kolmannen ryhmän voimalat voivat tuottaa pelkästään sähköä, tätä kuitenkin hyödynnetään harvoin tosielämässä. Ryhmien lämmöntarpeet ohjelmisto laskee kaavalla
𝑄 = 𝑄𝑝∗ (1 − 𝜌), (3)
jossa Qp on tuotettu kaukolämpö ja ρ verkkohäviöiden prosentuaalinen osuus kaukoläm- mön tuotannosta. Kaukolämpöryhmien polttoaineen kulutukset ja hyötysuhteet määritel- lään seuraavassa alaluvussa.
Asuntokohtaiselle lämmitykselle ja kaukolämmitykselle voidaan käyttää samaa tekstitie- dostoa, mutta tämä kuitenkin voi aiheuttaa vääristymiä tuloksissa, jos lämmitystyyppien vuosittaiset jakaumat poikkeavat paljon toisistaan. Parhaan mahdollisen tuloksen tietysti saa, jos molemmille tyypeille on saatavilla omaa tuntikohtaista informaatiota.
Jäähdytyksentarve jaetaan eri kaukolämpöryhmien lämmöstä absorption avulla, sekä lämpöpumppujen avulla toteutettuun jäähdytykseen. Syötteenä ohjelmistolle annetaan jäähdytykseen tarvittava vuotuinen sähköenergian määrä ja sähköjäähdytyksen hyöty- suhde, vuotuinen jäähdytyksentarve kaukolämpöryhmissä, lämpöpumppujen jäähdytyk- sentarve, sekä jäähdytysverkon häviöt.
Kuva 4: Lämmöntarpeen alavälilehti. (Kuvakaappaus)
Polttoaineen tarve on jaettu teollisuuden käyttämiin polttoaineisiin, kuten hiileen ja öl- jyyn, liikennevälineiden tarvitsemiin polttoaineisiin, kuten dieseliin ja petroliin, sekä energiansektoriin kuulumattomiin polttoaineisiin. Polttoaineiden kulutuksen avulla las- ketaan hiilidioksidipäästöjen määrä. Syötteinä ohjelmalle annetaan käytettyjen polttoai- neiden energiamäärät muodossa TWh.
3.1.2 Supply-välilehti
Supply-välilehdellä ohjelmalle syötetään tiedot tarkasteltavan järjestelmän tuotantolai- toksista, lämpövoimaloille jaeltavista polttoaineista, nestemäisien ja/tai kaasumaisien polttoaineiden tuotannosta, hiilidioksidipäästöihin liittyvistä tiedoista ja tiedot mahdolli- sista jätteen hyödyntämispotentiaaleista. Tuotantolaitostyyppejä ovat esimerkiksi ydin- voimalat, lauhdevoimalat, CHP-laitokset, uusiutuvan energian yksiköt ja kaukolämpöyk- siköt. Lauhdevoimalat voidaan jakaa vielä kahteen eri ryhmään, jos järjestelmässä on lai- toksia, joiden kustannukset ja hyötysuhteet eroavat paljon toisistaan [4]. Ensimmäiseen ryhmään (PP1) kuuluu kaukolämpöryhmän 3 maksimi sähköteho ja toiseen (PP2) muu lauhdevoima kapasiteetti. Suomen lauhdevoimaa on kuitenkin haastavaa simuloida oh- jelmistolla, koska PP1 ei Suomessa juuri käytetä ja PP2 voidaan määrittää toimimaan vain vakioteholla.
Yhteistuotantolaitoksille määritellään niiden lämpökattiloilla tuotettu teho, ryhmän 3 kaukolämmölle teho pelkkää sähköä tuottavina yksikköinä ja ryhmille 2 ja 3 tuotantotehot sähkölle ja lämmölle, kun yksiköiden lämpöteho on maksimissaan. Edellä mainituille suureille myös määritetään hyötysuhteet polttoaineen kulumisen arvioimista varten. Sa- malla alavälilehdellä myös syötetään tiedot teollisuuden CHP tuotannosta ja kulutuksesta.
Kuva 5: Sähköntuotannon alavälilehti. (Kuvakaappaus)
Kuvassa 5 nähdään sähköntuotannon alavälilehti. Syötteinä sähköntuotantolaitostyy- peistä annetaan niiden järjestelmässä oleva kokonaistuotantoteho muodossa MW ja nii- den hyötysuhde. Jotta edellä mainituista tiedoista päästään vuotuiseen kokonaistuotan- toon, tulee jokaiselle tuotantomuodolle olla valittuna oma tekstitiedostonsa. Alavälileh- dellä myös määritetään simuloitavan alueen vienti/tuonti kapasiteetti. Usein vienti ja tuonti kapasiteetit kuitenkin eroavat toisistaan, joten käyttäjä joutuu itse määrittelemään, kumpi kapasiteetti on rajoittava tekijä simuloinnin kannalta.
Ydinvoimaloiden vuotuisen kokonaistuotannon ohjelmisto laskee hyödyntäen kaavaa 𝑒𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 = 𝑘𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 ∗ 𝑃𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 ∗𝑑𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟
𝑀𝑎𝑥(𝑑𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟)
⁄ , (4)
jossa enuclear on ydinvoimalla tunnissa tuotettu energia, knuclear ydinvoimaloiden korjaus- kerroin, Pnuclear ydinvoimaloiden kokonaisteho ja dnuclear ydinvoimaa koskevan tekstitie- doston arvo. Vuotuiseen kokonaistuotantoon ohjelma pääsee summaamalla jokaisena tuntina tuotetut energiat yhteen. Korjauskertoimen voi määrittää ydinvoimalle, jos esi- merkiksi koko tuotantokapasiteettia ei kuormiteta.
Ohjelmistossa olevia uusiutuvia energianmuotoja ovat tuuli-, aurinkosähkö-, vesi-, vuo- rovesi- ja aaltovoima. Tuulivoima voidaan jakaa edelleen onshore ja offshore voimaloi- hin, vesivoima pato- ja jokivoimaloihin, ja aurinkovoima keskitettyihin (CSP Solar Po- wer) ja tavallisiin (Photo Voltaic) aurinkovoimaloihin. Ohjelmaan voi myös syöttää pa- dotun vesivoimavarastojen koon, vettä pumppaavan pumppuvoimalaitoksen tehon ja hyötysuhteen. Uusiutuvien voimalayksiköiden kohdalla on myös mahdollista syöttää kor- jauskerroin (correction factor), jonka avulla voidaan arvioida tulevaisuuden teknologian vaikutusta energian kokonaistuotantoon. Esimerkiksi syöttämällä arvon, joka on nollaa suurempi, kasvaa kokonaistuotannon määrä vaikkei kokonaisteholle ole tapahtunut muu- tosta. Tämä perustuu esimerkiksi tuulivoiman tapauksessa siihen, että tulevaisuuden tuu- liturbiinit kykenevät mahdollisesti hyödyntämään paremmin pienempiä tuulennopeuksia ja näin ollen kasvattamaan vuotuista kokonaistuotantoa. Tässä kyseisessä tapauksessa huipputuotantotunneilla ja tunneilla, jolloin tuotantoa ei ole laisinkaan, ei tapahdu muu- toksia, mutta kaikilla tunneilla, jolloin tuotanto on jotain tältä väliltä, hyödynnetään kor- jauskerrointa. [3] Uusiutuvien energiantuotantomuotojen vuotuiset sähköenergian koko- naistuotannot ohjelmisto laskee hyödyntäen kaavaa
𝑒𝑅𝑒𝑠′ = 𝑒𝑅𝑒𝑠 ∗ 1 [1 − 𝑘⁄ 𝑅𝑒𝑠∗ (1 − 𝑒𝑅𝑒𝑠)], (5) jossa e’Res on tuotantomuodolla tunnissa tuotettu energia, eRes tunnissa tuotettu energia ilman korjauskerrointa ja kRes tuotantomuodon korjauskerroin. Kuten ydinvoiman tapauk- sessa, ohjelmisto summaa tuntien energiantuotannot yhteen. Jos korjauskerron on nolla, on eRes summassa käytetty energiamäärä.
Polttovoimaloille jaeltavia polttoaineita ovat hiili, öljy, maakaasu ja biomassa. Ne syöte- tään ohjelamaan fuel distributions -alavälilehdellä, jossa jokaisella tuotantolaitostyypille on oma syötteensä. Tiedot voidaan syöttää joko tarkkoina arvoina tai prosentuaalisina osuuksina. EnergyPLAN-ohjelmistossa turve sisällytetään hiilen syötteisiin yhteneväis- ten päästöjen ja hyötysuhteiden takia [4].
Liquid and gas fuels -alavälilehdellä simuloidaan biopolttoaineiden ja synteettisten polt- toaineiden valmistusta energiajärjestelmässä. Syötteenä ohjelmistoon ovat erilaiset hyö- tysuhteet, tuotanto- ja varastointikapasiteetit, ja sähkön- ja lämmöntarpeet polttoaineiden tuotantoon. Biokaasun varastoinnille voidaan myös asettaa oma hyötysuhteensa.
Hiilidioksidipäästöjä käsitellään ohjelmiston CO2-alavälilehdellä, jossa syötteinä anne- taan hiilidioksidisisältö polttoainekohtaisesti yksikössä kilogrammaa gigajoulea kohti (kg/GJ), hiilidioksidin kaappaus ja varastointi järjestelmässä (carbon captue and storage, CCS) megatonneina (Mt) ja siihen kulutettu energia. Polttoaineiden hiilidioksidisisällöt annetaan hiilelle, erilaisille öljyille, maakaasulle, nestekaasulle ja jätteelle. Syntyneitä hii- lidioksidipäästöjä kyetään ohjelmistossa hyödyntämään Electrofuels-alavälilehdellä, jossa voidaan tuottaa synteesikaasua hiilidioksidia ja vetyä hyödyntäen.
Waste-alavälilehdellä syötetään jätteenpolttoon liittyvät parametrit, kuten käytetyn jät- teen määrä yksikössä TWh ja kaukolämpöryhmien, sähkön, biopolttoaineiden ja energia- alaan kuulumattomien tuotteiden tuotannon hyötysuhteet. Jätteenpolttolaitosten höyryn hyödyntämiselle absorboivilla lämpöpumpuilla on myös erilliset syötteensä. [3]
Ohjelmisto laskee energiantuotannossa käytettyjen polttoaineiden kulutuksen hyödyntä- mällä annettuja tuotantomuotojen hyötysuhteita sähkö- ja lämpöenergian tuotannossa.
Kulutetun polttoaineen määrä lasketaan siis kaavalla
𝑓 = 𝐸 𝜂⁄ , (6)
jossa f on tuotantomuodon kuluttama polttoaineen määrä (TWh), E tuotantomuodon vuo- tuinen tuotettu kokonaisenergia ja η tuotantomuodon hyötysuhde. Polttovoimaloiden ta- pauksessa polttoaineiden kulutukset jaetaan vielä eri polttoaineille fuel distributions - alavälilehdellä syötettyjen osuuksien mukaan.
3.1.3 Balancing and storage -välilehti
Balancing and storage -välilehden ominaisuuksia käytetään, kun halutaan valita vaati- muksia sähköverkon stabiloinnille ja määritellä järjestelmässä olevat sähkö-, lämpö- ja polttoainevarastot. Stabiloinnin yhteydessä voidaan hyödyntää niin sanottuja CEEP-stra- tegioita (Critical Excess Electricity Production), joita käytetään sähköenergian ylituo- tanto tilanteessa [3]. CEEP-strategiat nähdään kuvasta 6. Strategiat tarjoavat erilaisia
vaihtoehtoja ylituotannon poistamiseksi. Tämä toteutetaan määrittämällä järjestys, jossa tuotantomuotojen tuotantoa aletaan vähentää.
Kuten kuvasta 6 ilmenee, sähköverkon stabilointia määrittäviä syötteitä ovat stabiloivien yksikköjen prosenttiosuudet energiantuotantomuodon kapasiteetista. Stabiloiviksi ener- giantuotantomuodoiksi voidaan valita ryhmän 2 yhteistuotanto, jätteenpoltto ja sähköau- toista valjastettava kapasiteetti. Käytännössä sähköverkkoon kytkettyjen sähköautojen kapasiteettia on kuitenkin mahdotonta tietää.
Ensimmäisenä välilehdellä esiintyvä Minimum grid stabilisation share -syöte tarkoittaa sitä osuutta, minkä stabiloivat tuotantoyksiköt joutuvat tuottamaan sähkönkokonaistuo- tannosta jokaisena tuntina. Käytännössä energiajärjestelmän säätökapasiteetti ja tehore- servi toimivat kuitenkin vain niitä tarvittaessa, eikä niitä voi näin ollen laskea mukaan normaaliin sähköntuotantoon.
Syötteenä on myös lauhdevoima tuotannon ja ryhmän 3 CHP-laitosten minimiteho. Mi- niteho voidaan halutessaan määrittää, koska erityisesti höyryturbiinilla toimivien CHP- laitosten on vaikea toimia tietyn teknisen minimin alapuolella. Tyypillisesti tekninen mi- nimi on 20% maksimikapasiteetista [3]. On kuitenkin huomioitava, että ohjelmistoon syötteet ovat summatietoja, joten minimitehon arvioiminen ei ole näin suoraviivaista. Jos järjestelmässä ei ole CHP tuotantoa, voidaan hyödyntää lauhdevoiman minimitehoa.
Käytännössä tuotantolaitoksia ei kuitenkaan ajeta minkäänlaisella minimiteholla, jos nii- den käyttöön ei ole taloudellista tai teknillistä perustetta.
Varastojen osalta välilehdellä löytyy syötteet sähkö-, lämpö- ja polttoainevarastoille koon mukaan yksikössä GWh. Lisäksi sähkövarastolle voidaan määrittää lataus- ja purkaus- teho, sekä molempien syklien hyötysuhteet.
Kuva 6: Balance and storage -välilehti. (Kuvakaappaus)
3.1.4 Cost-välilehti
Cost-välilehteä käytetään taloudellisten tietojen ohjelmistoon syöttämiseen. Määritettäviä parametreja ovat investointiarvot eri tyyppisille voimaloille, niiden käyttöikä, ja käyttö- ja kunnossapitokustannukset. Näiden avulla ohjelmisto laskee vuotuiset kustannukset kullekin kohteelle. [4] Myös polttoaineiden tuotantoyksikköjen ja polttoainevarastojen kustannusten tiedot syötetään tällä välilehdellä. Käyttäjä voi myös lisätä omia vapaaeh- toisia (additional) kustannuksia ohjelmistoon.
Kuvassa 7 on lämmön- ja sähkötuotantolaitosten syötettävät parametrit. Samalla tavalla syötetään arvot uusiutuvien energianmuotojen ja polttoaineiden tuotantoyksikköjen koh- dalla.
Välilehdellä on myös mahdollista syöttää tietoja liikennevälineiden valmistuksen, veden- varastoinnin ja suolanpoistolaitosten kustannustietoja. Ohjelmistossa olevia liikenneväli- neitä ovat esimerkiksi autot, sähköautot, dieselkäyttöiset bussit ja rekat, sekä moottori- pyörät.
Polttoaineiden hinnat, polttoaineiden käsittelyyn ja verotuksiin liittyvät kustannukset syö- tetään fuel and taxes- alavälilehdellä. Syötteinä eri polttoaineiden hinta, polttoaineiden käsittelyyn liittyvät kustannukset polttoaineen käyttötarkoituksen mukaan (missä käyte-
Kuva 7: Heat and electricity -alavälilehti. (Kuvakaappaus)
tään) ja kuinka paljon kukin loppukäyttäjä joutuu maksamaan veroja kustakin polttoai- neesta. Polttoaineiden hinnoille voidaan määrittää kolme eri profiilia: Basic, Alternative 1 ja Alternative 2. Kaikki syötteet annetaan muodossa €/GJ. Verotustiedot annetaan myös sähkön muuttamisesta eri energiamuotoihin esimerkiksi lämpöpumppuja hyödyntäen lämmöksi. Nämä tiedot syötetään muodossa €/Megawattitunti (MWh).
Cost-välilehdellä myös syötetään sähkön hintaan liittyvät tiedot. Tällaisia tietoja ovat säh- kön tuntihinnat tekstitiedostosta, Addition factor ja Multiplication factor. Addition factor kuvaa sähkön hinnan vaikutusta hiilidioksidipäästöjen hintaan. Tämä perustuu siihen, että yleensä hiilidioksidipäästöjen hinta nousee vakiomäärän sähkön hinnan noustessa. Mul- tiplication factor -parametrilla mallinnetaan polttoaineiden hinnan noususta aiheutuvaa sähkönhinnan nousua. [4]
3.1.5 Simulation-välilehti
Simulointiin liittyvät asetukset löytyvät Simulation-välilehdeltä. Kuvan 8 mukaisesti EnergyPLAN-ohjelmistoa voidaan käyttää teknilliseen ja ekonomiseen simulointiin.
Teknillinen simulointi voidaan suorittaa ilman kustannustietoja ja se pyrkii minimoimaan fossiilistien polttoaineiden käytön. Ekonominen simulointi tähtää energiajärjestelmän käyttökustannusten minimoimiseen. [4]
Teknillinen simulointi pohjautuu energiajärjestelmässä olevien komponenttien teknilli- siin ominaisuuksiin. Energian kysyntä ja tarjonta vastaavat toisiaan vain, kun tuotantolai- tokset pystyvät tuottamaan tarpeeksi energiaa. Kun tuotantolaitokset eivät kykene tuotta- maan riittävästi energiaa, tarvittava energia tuodaan ulkoisilta energiamarkkinoilta. Yli- tuotanto tilanteessa energiaa viedään ulkoisille markkinoille tai hyödynnetään alla esitel- täviä strategioita. [4] Todellisuudessa tuonti/vienti kapasiteetti ei ole rajaton, mutta simu- loinnin avulla pystytään hahmottamaan minkälaiset yli-/alituotanto tilanteet ovat mahdol- lisia, mitä voidaan hyödyntää energiajärjestelmän suunnittelun yhteydessä.
Teknilliseen simulointiin voidaan valita erilaisia strategioita:
1. Lämmöntarpeen balansointi
2. Lämmön- ja sähköntarpeen balansointi
3. Lämmön- ja sähköntarpeen balansointi (Vähennetään CHP tuotantoa sähköver- kon stabiloinnissa)
4. Lämmöntarpeen balansointi käyttäen triple tariff -järjestelmää (CHP-laitoksille maksetaan sähköntuotannosta kolminkertainen hinta kulutushuippujen aikana) [4].
Ensimmäisessä strategiassa lämpöä tuottavat voimalat seuraavat tarkasti lämmöntarvetta, jolloin CHP-laitosten tuottama sähkö on riippuvainen sen hetkisestä lämmöntarpeesta.
Toinen strategia tähtää sähkön viennin minimoimiseen korvaamalla CHP-laitoksia läm- pökattiloilla ja -pumpuilla sähkön ylituotantotilanteessa, jotta sähkötuotantoa saadaan pienennettyä. Tällä tavoin sähkönkulutusta saadaan kasvatettua (lämpöpumput) ja säh- köntuotantoa pienennettyä (vähemmän yhteistuotantoa). Strategiat 3 ja 4 ovat Tanskan energiajärjestelmän pohjalta suunniteltuja ominaisuuksia. Muissa pohjoismaissa säätö- voimana käytetään pääsääntöisesti vesivoimaa. Triple tariff on Tanskassa esitelty järjes- telmä, jonka tavoitteena on rohkaista CHP-laitoksia tuottamaan sähköä kulutushuippujen aikana. Tämä johti siihen, että CHP-laitosten yhteyteen rakennetuista lämpövarastoista tuli hyvin yleisiä, jotta kulutushuippujen aikana sähkön kanssa tuotettu ylimäärälämpö saataisiin varastoitua. [4]
Lämpöpumppujen ja -kattiloiden käytölle on kaksi eri asetusta:
1. Yksittäiset lämpöpumput ja –kattilat pyrkivät hyödyntämään vain ylituotanto ti- lanteen energiaa
2. Yksittäiset lämpöpumput ja –kattilat pyrkivät kuluttamaan kaiken vientisähkön.
Teknillisen simuloinnin yhteydessä voidaan myös valita strategioita sähköä käyttävien kulkuvälineiden (Vehicle to grid, V2G) käytöstä sähköverkon balansoinnissa. V2G ener- gian voidaan valita balansoivan ylimääräenergiaa ja voimalaitostuotantoa, tai voimalai- toksia ja sähköntuontia ja -vientiä.
Kuva 8: Simulation-välilehti. (Kuvakaappaus)
Ekonomisen simuloinnissa valittavia strategioita sähköajoneuvojen lataukselle ja purka- miselle ovat:
1. Ei rajoituksia
2. Rajoitetaan V2G-latausta
3. V2G tähtää voimalaitosten maksimitehon minimoimiseen.
Kun rajoituksia ei ole, V2G pyrkii minimoimaan energiajärjestelmän kustannuksia myy- mällä ja ostamalla energiaa ulkoisille markkinoille riippuen tuonti-/vientisähkön hin- nasta. Strategia ei huomioi sähköverkon tai siirtoyhteyksien kapasiteetteja, joka voi joh- taa moniin ongelmiin tuotantolaitos ja sähköverkko (esimerkiksi pullonkaulat) tasolla.
Toisessa strategiassa V2G-lataus rajoitetaan olevan verkon maksimiteho (tuotantolaitok- set ja siirtoyhteydet) vähennettynä sähköntarpeella, jotta teknillisiä ongelmia ei verkossa tapahtuisi. Rajoitusta lukuun ottamatta, se toimii samalla tavoin kuin ensimmäinen stra- tegia. Kolmannessa strategiassa V2G pyrkii minimoimaan voimalaitosten tuotannon la- taamalla ja purkamalla akkuja sopivina ajankohtina. [3]
EnergyPLAN-ohjelmistossa on paljon verkon stabilointiin liittyviä asetuksia ja työkaluja, joita edellä on käsitelty. Nämä asetukset ja työkalut ovat kootusti esiteltynä liitteessä A.
3.1.6 Output-välilehti
Output-välilehdellä määritetään asetukset simuloinnin tuloksien esitykselle. Ener- gyPLAN-ohjelmistolla on mahdollista esittää simuloinnin tulokset erillisessä ikkunassa, kopioida tulokset esimerkiksi Excel-ohjelmaan tai ne voidaan tulostaa erilliseksi PDF- tiedostoksi. Ohjelmistolla on myös mahdollista suorittaa useita rinnakkaisia simulointeja Serial-toiminnolla.
TabScreen-alavälilehdellä voidaan valita mitä tietoja tuloksissa halutaan näyttää. Valitta- via tietoja ovat esimerkiksi vuosittaiset ja kuukausittaiset arvot, tuntikohtaiset arvot vali- tun alkamis- ja päättymistunnin mukaan, ja eri energiantuotantomuotoihin liittyvät arvot.
EnergyPLAN-ohjelmistolla voi luoda kuvaajia Graphics-alavälilehdellä ja ne voidaan kopioida jatkokäyttöä varteen. Kuvaajia voidaan luoda sähkön, lämmön ja kaasun tuotan- nosta, kulutuksesta ja balanssista. Kuvaajia voidaan tarkastella eri aikaväleillä ja navi- gointi tapahtuu helposti Back ja Forward painikkeilla.
Uusiutuvien energiantuotantomuotojen vaikutuksia voidaan pikaisesti arvioida output- välilehden Run serial calculations on clipboard -ominaisuudella. Yhdelle uusiutuvan energiantuotantomuodolle voidaan antaa 11 eri arvoa kerrallaan ja tuloksena saadaan tie- dot järjestelmän kokonaiskustannuksista, primäärienergian tuotannosta, hiilidioksidi- päästöistä, sähkön tuonnista ja viennistä, uusiutuvan energian osuudesta sähköenergian tuotannossa, ja CEEP-strategiasta. Tuloksista voidaan nopeasti arvioida esimerkiksi au- rinko- tai tuulivoiman vaikutuksia energiajärjestelmässä.
3.2 Ohjelmiston käyttämät tekstitiedostot
Luvun alussa mainittiin, että syötettävässä tekstitiedostossa tulee olla 8784 datapistettä eli tieto vuoden jokaiselle tunnille, jotta ohjelmisto osaa hyödyntää tiedoston informaati- oita. Tekstitiedostossa voi olla todellisia arvoja, kuten sähkönkulutuksen tuntitiedot, tai arvoja 0–1, jotka esimerkiksi esittävät tuotantoyksikköjen toimintaa verrattuna asennet- tuun kokonaiskapasiteettiin. Useasti myös käytetään const-tiedostoa kuvaamaan tasai- sesti maksimikuormalla toimivaa tuotantoa. Const-tiedostossa kaikki syötteet saavat ar- von 1. Energiantarpeisiin ja tuotantokapasiteetteihin liittyvät tekstitiedostojen arvot suh- teutuvat annettuihin vuotuisiin arvoihin ja kokonaistuotantokapasiteetteihin [3]. Tämä tarkoittaa sitä, että tiedoston sisältäessä todellisia arvoja, ei esimerkiksi sähköntuntitieto- jen arvojen summan tarvitse vastata TWh:na annettua vuotuista sähköenergiantarvetta.
Tässä työssä edellä mainittuja tiedostoja tehdään sähkökulutukseen, erilaisiin sähkön ja lämmön tuotantomuotoihin, lämmöntarpeeseen, sähkönhintaan ja polttoaineisiin liittyen.
Tiedostojen rakentamista käsitellään seuraavassa luvussa.
4. SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄN MALLIN- NUS
Tässä luvussa käsitellään EnergyPLAN-ohjelmistolla suoritettavaa simulointia Suomen energiajärjestelmästä. Luvussa 2 kerrottiin, että ohjelmiston pääpaino on tulevaisuuden energiajärjestelmien mallinnuksessa, mutta tässä työssä tarkastellaan kuitenkin Suomen energiajärjestelmän nykytilaa. Syy nykytilan tarkastelulle on se, että tässä kandidaatin- työssä suoritettavan simuloinnin tarkoituksena havainnollistaa mallintamista Ener- gyPLAN-ohjelmistolla, eikä suorittaa laajempia tutkimuksia tulevaisuudesta.
Simuloinnille määritetään aluksi muutamia rajauksia ja oletuksia, jonka jälkeen esitellään mallinnuksessa käytettäviä tietoja energiantuotannosta ja -kulutuksesta, sekä erilaisia kustannuksista. Lopuksi suoritetaan simulointi ja perustellaan siinä käytettyjä paramet- reja.
4.1 Simuloinnin rajaukset ja oletukset
Tämän kandidaatintyön esimerkkitarkastelussa käsitellään Suomen energiajärjestelmää sähköenergian ja lämpöenergian tarpeen, tuotannon, siirron, varastoinnin ja kustannusten osalta. Liikenteeseen, ja puhtaaseen veteen liittyvät ohjelman toiminnot jätetään tarkas- telun ulkopuolelle. Polttoaineet huomioidaan vain sähkön ja lämmöntuotannon yhtey- dessä, joten niiden tuotanto jätetään myös tarkastelun ulkopuolelle.
Tässä kandidaatintyössä tehtäviä oletuksia ja huomioita:
1. Sähköntarve on yhtä suuri kuin sähkönkulutus ja siinä on huomioitu sähköener- gian vienti ja tuonti
2. Jäähdytyksentarpeen oletetaan olevan hyvin pieni verrattuna lämmöntarpeeseen, joten se jätetään tarkastelujen ulkopuolelle
3. Teollisuuden kaukolämmöntuotanto ja -tarve huomioidaan kaukolämpöryhmässä 3
4. Osassa simuloinnin syötteistä ja tiedostoista hyödynnetään Lappeenrannan yli- opiston tutkijan Michael Childin 2012 vuoden mallinnusta Suomen energiajärjes- telmästä [5].
4.2 Tarkastelun tekstitiedostot
Kuten aiemmin luvussa 3 kerrottiin, EnergyPLAN-ohjelmistoon syötetään tietoja erilli- sistä tekstitiedostoista. Tällaisia tietoja ovat esimerkiksi sähkönkulutus ja erilaisiin tuo- tantomuotoihin liittyvät tuotantotiedot. Seuraavaksi käsitellään simulointia varten tehtyjä tekstitiedostoja.
Suomen sähkönkulutus ja kaukolämmön kulutus on esitetty kuvassa 9. Kuvaaja on tuo- tettu energiateollisuuden materiaalipankista saatua sähkön tuntidata -tiedostoa [6] hyö- dyntäen. Sen tiedot ovat vuodelta 2016 ja tiedoston pohjalta on tuotettu alaluvun 3.2 mu- kaiset tekstitiedostot sähkönkulutukselle ja kaukolämmölle. Teollisuusvoimalle on mää- ritelty oma tiedostonsa.
Ydinvoiman ja uusiutuvien energiantuotantomuotojen tekstitiedostot on edelleen tuotettu energiateollisuuden 2016 tuntidataa hyödyntäen, aurinkovoima pois lukien. Kuvassa 10 nähdään eri tuotantomuotojen tuntikohtaiset osuudet kokonaistuotannosta. Aurinkovoima on jätetty kuvaajan ulkopuolelle sen osuuden pienuuden takia. Aurinkovoimaan liittyvinä tuntikohtaisina tietoina käytetään vuoden Michael Childin 2012 mallinnuksen tietoja [5].
Lauhdevoima on kuvassa 10 sisällytetty CHP-tuotantoon.
Kuva 9: Suomen sähkönkulutus ja kaukolämmön kulutus vuonna 2016.
0,000 2000,000 4000,000 6000,000 8000,000 10000,000 12000,000 14000,000 16000,000
1 294 587 880 1173 1466 1759 2052 2345 2638 2931 3224 3517 3810 4103 4396 4689 4982 5275 5568 5861 6154 6447 6740 7033 7326 7619 7912 8205 8498
MW
Tunnit
Sähkönkulutus Kaukolämmön kulutus
Suomea käsittelevät sähkön tuntikohtaiset hinnat on saatu Nordpoolspotin arkistoista [7].
Tuntihinnat ovat vuoden 2016 tilastoja ja ne on esitetty kuvassa 11.
Tekstitiedostoja rakentaessa tulee olla tarkkana, että tekstirivejä on tarkalleen 8784 ja ar- vojen välissä ei ole tyhjiä rivejä. Kuitenkin, jos tekstitiedoston muoto tai syötteet ovat virheellisiä, ohjelmisto ilmoittaa siitä.
0,000 500,000 1000,000 1500,000 2000,000 2500,000 3000,000 3500,000 4000,000 4500,000 5000,000
1 285 569 853 1137 1421 1705 1989 2273 2557 2841 3125 3409 3693 3977 4261 4545 4829 5113 5397 5681 5965 6249 6533 6817 7101 7385 7669 7953 8237 8521
MW
Tunnit
Ydinvoima CHP-tuotanto Vesivoima Tuulivoima
Kuva 10: Eri tuotantomuotojen tuotanto-osuudet kokonaistuotannosta.
0 50 100 150 200 250
1 268 535 802 1069 1336 1603 1870 2137 2404 2671 2938 3205 3472 3739 4006 4273 4540 4807 5074 5341 5608 5875 6142 6409 6676 6943 7210 7477 7744 8011 8278 8545
€/MWh
Tunnit Sähkön hinta
Kuva 11: Suomen aluesähkön tuntikohtaiset hinnat vuodelta 2016.
4.3 Suomen energiajärjestelmä
Tässä esimerkkitarkastelussa käsitellään Suomen energiajärjestelmää sähköenergian ja lämpöenergian tarpeen, tuotannon, siirron, varastoinnin ja kustannusten osalta. Jotta si- muloinnin tulokset olisivat relevantteja, täytyy syötteiden arvojen vastata todellisen maa- ilman arvoja. Tässä alaluvussa käsitelläänkin valittuja syötteiden arvoja ja perustellaan tehtyjä valintoja.
4.3.1 Energiantarve
Suomen sähköenergiantarve vuonna 2016 oli 85,1 TWh ja 47% sähköstä kulutettiin teol- lisuudessa. Muita suuria sähköenergian kulutussektoreita olivat asuminen ja maatalous 28%, ja palvelut ja rakentaminen 22% osuuksillaan. Siirto- ja jakeluhäviöiden osuus oli noin 3%. [8]
Kaukolämmön kulutus samaisena vuonna oli 33,2 TWh [9] ja kaukolämmön markkina- osuus 46% [10] käytetyistä lämmitysratkaisuista. Muiden lämmitysratkaisujen energian- kulutukset on laskettu hyödyntäen Energiateollisuus ry:n Energiavuosi 2017 Kauko- lämpö -diaesitystä [10]. Kuvasta 12 nähdään eri lämmitysratkaisujen prosentuaaliset markkinaosuudet. Kuvaa hyödyntäen saadaan 12,3 TWh sähkölämmityksen, 10,8 TWh lämpöpumppujen, 9,4 TWh puulämmityksen ja 5,8 TWh öljylämmityksen käyttämäksi energiaksi. Sähkölämmityksen osuudesta on luonnollisesti vähennetty lämpöpumppujen käyttämä sähköenergia. Puulämmityksen hyötysuhteen arvioidaan olevan 80% ja öljy- lämmityksen 85%, jotka huomioidaan polttoaineidentarpeen yhteydessä [5]. Muiden läm- mitystapojen markkinaosuudet ovat noin 1% luokka ja ne jätetään tästä syystä tarkastelu- jen ulkopuolelle.
Kuva 12: Lämmityksen markkinaosuudet [10].
Kuten luvussa 3.1.1 kerrottiin, kaukolämpö jaetaan ohjelmistossa kolmeen eri ryhmään.
Tässä työssä kaukolämmöntarve jaetaan ryhmiin siten, että kaikki yhteistuotanto sijoite- taan ryhmään 3 ja lämmön erillistuotanto ryhmään 2. Kaukolämmön tuotanto vuonna 2016 oli 36,8 TWh, josta yhteistuotannonolla tuotetun lämmön määrä vuonna oli 24,6 TWh [9]. Erillistuotannonolla tuotetun lämmön määräksi jää siis 12,2 TWh. Kaukoläm- pöverkossa tapahtuvien häviöiden suuruus on 3,6 TWh [9].
Erilaisten teollisuus prosessien käyttämien polttoaineiden kulutukset on saatu tilastokes- kuksen verkkosivuilta [11]. Vuonna 2016 käytettiin teollisuudessa energialtaan 12,8 TWh hiiltä, 16,7 TWh öljyä, 7,8 TWh maakaasua ja 55 TWh biomassaa. Teollisuuden energi- antuotannon polttoaineen kuluminen määräytyy teollisuuden sähkön- ja lämmöntuotan- non mukaisesti.
4.3.2 Energiantuotanto
Suomen energiantuotannosta huomioidaan yhteistuotantolaitosten, lämpölaitosten ja pel- kästään sähköä tuottavien laitosten vuotuiset kokonaistuotannot ja tuotantotehot, sekä yh- teistuotantolaitosten ja lämpölaitosten eri polttoaineiden kulutukset. Myös jätteenpolton vuotuinen kokonaistuotanto ja jätteen kulutus otetaan huomioon.
Erillistuotannon lämpökattiloiden teho yhteensä ryhmässä 2 on 7802 MJ/s [9] hyötysuh- teella 86%. Koska CHP-laitoksia harvoin käytetään pelkän sähkön tuotantoon, käytetään tässä kandidaatintyössä samaa tehon arvoa ja hyötysuhdetta PP1 lauhdevoiman ja CHP- tuotannon sähkötehona (lämpötehon ollessa maksimissaan). CHP-tuotantoon sähköteho lämpötehon ollessa maksimissaan on 3490 MW [5] hyötysuhteella 30,1%. Lämpötehon hyötysuhde on tässä tapauksessa 54,9%. Teollisuuden yhteistuotannolla tuotetun sähkö- energia määrä vuodessa on 8,5 TWh [12]. Edellä olevissa hyötysuhteiden arvoissa on hyödynnetty Michael Childin mallinnuksen arvoja [5].
Ainoastaan sähköenergiaa tuottavia energiantuotantomuotoja Suomessa ovat pääsääntöi- sesti ydin-, tuuli-, aurinko- ja vesivoima. Lauhdevoimaa käytetään kuitenkin kulutushuip- pujen aikana, koska sillä voidaan vastata nopeasti sähkön kysynnän ja sään mukaan vaih- televan tuotannon tarpeisiin [13]. Näistä tehokapasiteetiltaan suurimpana on vesivoima 3100 MW:n [14] tehollaan ja toiseksi suurimpana on ydinvoima 2750 MW:n [15] tehol- laan. Tuulivoima kokonaiskapasiteetti Suomessa vuonna 2016 oli 1553 MW [15] ja au- rinkovoiman 27 MW [17]. Lauhdevoiman tuotanto vuonna 2016 oli 4,3 TWh [12]. Tässä työssä PP2 lauhdevoiman suuruudeksi asetetaan 460 MW, jotta sen vuotuinen kokonais- tuotanto saadaan vastaamaan todellista arvoa. Todellisuudessa teho ei ole vakio, mutta kuten luvussa 3.1.2 kerrottiin, ohjelmistolla on haastavaa mallintaa Suomen lauhdevoi- man käyttöä. Vakio tehon käyttäminen aiheuttaa sen, että ulostulot energiantuotannon jakautumiselle, keskimääräinen teho ja huipputeho ovat virheelliset, mutta tuotannossa käytetyt polttoaineet ja energian kokonaistuotanto saadaan kuitenkin mallinnettua.
Suomen sähköenergian vienti-/tuontikapasiteettina käytetään tässä työssä arvoa 3876 MW [18]. Käytettävä arvo perustuu Suomen tuontikapasiteettiin, koska sähköenergian tuonnin osuus on huomattavasti suurempi kuin viennin.
Yhteistuotantolaitosten ja lämpölaitosten polttoaineiden kulutuksen osalta hyödynnetään Tilastokeskuksen Statfin-tietokantaa [19]. Kaukolämpöä tuotettiin vuonna 2016 8,7 TWh kivihiilellä, 5,4 TWh turpeella, 12,0 TWh biomassalla (metsäteollisuuden jäteliemet ja muut puupolttoaineet), 4,6 TWh maakaasulla ja 1,4 TWh öljyllä. Kivihiili ja turve yhdis- tetään aiemmin luvussa 3.1.2 kerrotun mukaan yhdeksi syötteeksi, jonka suuruus on 14,1 TWh. Prosenttiosuuksina lämmön kokonaistuotannosta tuotettiin siis 43,9% hiilellä, 37,4% biomassalla, 14,3% maakaasulla ja 4,4% öljyällä. Tässä työssä prosenttiosuuksia käytetään yhteistuotanto-, lämpö- ja lauhdevoimalaitosten yhteydessä. Todellisuudessa kuitenkin polttoaineiden kulutuksessa saattaa olla eroja tuotantolaitostyypistä riippuen.
Pöyryn vuonna 2015 tekemän Jätteiden energianhyödyntäminen Suomessa- raportin [20]
mukaan kyseisenä vuonna tuotettiin arviolta noin 2,2 TWh kaukolämpöä ja 1,0 TWh säh- köä jätteenpoltolla. Poltetun jätteen määräksi saadaan 4 TWh, kun lämmöntuotannon hyötysuhde on 55% ja sähköntuotannon 30% [5]. Suomessa käytössä olevat jätteenpolt- tolaitokset tuottavat kaikki sekä sähköä että lämpöä [19], joten ne sijoitetaan tässä työssä kaukolämpöryhmään 3. Tässä työssä jätteenpoltolla tuotetun energian jakautumista ku- vataan yhteistuotannon tekstitiedoston avulla.
4.3.3 Hiilidioksidipäästöt, energiavarastot, sähköverkon stabi- lointi ja tuotantokustannukset
Erilaisten polttoaineiden hiilidioksidipäästöt on koottu taulukkoon 1 hyödyntäen tilasto- keskuksen polttoaineluokituksia vuodelle 2016 [21]. Taulukosta nähdään hiilenpoltosta syntyvien päästöjen olevan suurimpia. Öljyn hiilidioksidipäästöjen arvo on saatu otta- malla keskiarvo raskaiden polttoöljyjen vastaavista arvoista. Hiilidioksidipäästöjen hin- tana käytetään arvoa 5 €/Mt [22].
Taulukko 1: Polttoaineiden hiilidioksidipäästöt.
Polttoaine Hiili Öljy Maakaasu Jäte
Hiilidioksidi- päästöt (kg/GJ)
93,2 78,8 55,3 31,8
Energian varastointiin ja tuotantoon liittyvien kustannuksien osalta käytetään 2012 vuo- den mallinnuksen arvoja [5]. Lämpöenergian varastointikapasiteetti kaukolämpöryh-
mässä 3 on 20 GWh ja ryhmässä 2 kapasiteetti on 2 GWh. Suomen vesivoiman varas- tointikapasiteettina käytetään Kemijoki Oy:n vesivoimaloiden kapasiteettia, joka on suu- ruudeltaan 1507 GWh [23]. Sähköenergian varastointiin käytettävien teknologioiden osuus on hyvin pieni, joten se jätetään tässä huomioimatta. Kandidaatintyön kannalta olennaiset varastointiin ja tuotantoon liittyvien kustannusten arvot on koottu liitteeseen B. Tässä työssä korkotasona käytetään 3 prosenttia.
Koska Suomen energiajärjestelmässä sähköverkon stabilointi suoritetaan hyödyntäen re- servikapasiteettia, jätetään stabilointiin liittyvät syötteet nolliksi. Myös lauhdevoiman (osana reserviä) ja ryhmän 3 CHP-laitosten minimiteho jätetään nolliksi.
Tässä työssä simulointi suoritetaan käyttäen ekonomisen simuloinnin asetuksia. V2G käytölle ei aseteta tässä työssä rajoituksia. CEEP-strategia valitaan siten, että ylituotanto tilanteessa vähennetään vesi- ja tuulivoimaa.
5. SIMULOINNIN TULOKSET
Tässä luvussa käsitellään EnergyPLAN-ohjelmistolla tuotettavan mallinnuksen tuloksia ja käydään läpi, millaisia arvoja edellisessä luvussa annetuilla syötteillä saatiin. Kuten luvussa 2 kerrottiin, EnergyPLAN on tyypiltään deterministinen input/outputohjelma eli simuloinnin tulokset ovat aina samat samoilla lähtöarvoilla. Tämän työn esimerkkitarkas- telun simulointityypiksi valitaan ekonominen simulointi, mutta vastaavasti mallinnus voi- taisiin toteuttaa teknillisen simuloinnin asetuksilla.
5.1 Esimerkkitarkastelun tulokset
Kuten luvussa 3.1.6 todettiin, ohjelmiston tulokset voidaan tulostaa erilliseksi pdf-tiedos- toksi, jossa näkyy selkeästi syötetyt arvot, ulostuloarvot ja ulostulojen spesifikaatiot. Ku- vissa 13 ja 14 nähdään pdf-tiedoston sivut. Ensimmäisen sivun (kuva 13) yläreunassa nähdään aiemmin työssä määritettyjen syötteiden arvot sähkö- ja lämpöenergian tuotan- nosta, arvot tuotantomuotojen hyötysuhteista, tiedot valituista verkon stabilointi asetuk- sista, sekä valittu polttoaineprofiili ja eri kulutussektorien polttoaineen kulutustiedot. Si- vun keskiosasta nähdään kaukolämmön tuotanto tuotantomuodoittain, sähköenergian ku- lutus kohteittain, sähkön tuotanto tuotantomuodoittain, sähkötaseen tiedot, sekä sähkön
Kuva 13: Esimerkkitarkastelun syöte- ja ulostuloarvot. (Kuvakaappaus)
viennin/tuonnin kustannukset/tulot. Sähköntuotannon sarakkeissa ydinvoimaan viitataan nimellä Geothermal, ja Waste+CSHP viittaa jätteenpolton ja teollisuuden yhteistuotan- nolla tuotettuun sähkön summaan. Sivun alareunassa nähdään eri energiantuotantomuo- tojen kuluttamat polttoaineet sekä niistä aiheutuvat hiilidioksidipäästöt.
Toiselta sivulta (kuva 14) nähdään tarkempaa tietoa kaukolämmöstä, maakaasun kulu- tuksesta ja erilaisista kustannuksista. Sivun yläreunassa nähdään kaukolämmöntuotanto jaettuna eri kaukolämpöryhmiin ja niiden sisällä eri tuotantomuotoihin, sekä uusiutuvien energian tuotantomuotojen tuotantotiedot. Sivun alareunassa vasemmalla on tiedot eria- lisista vuotuisista kustannuksista, kuten polttoaineiden käytöstä, ja oikealla tiedot maa- kaasun kulutuksesta tuotantomuodoittain, sen vuotuinen tarve, varastointitiedot sekä maakaasun tuonnin/viennin tiedot.
Tuloksien analysoinnissa keskitytään energiantuotantoon ja -kulutukseen, hiilidioksidi- päästöihin, polttoaineidenkulutukseen ja kustannuksiin. Vaikka pdf-tulosteesta saadaan paljon informaatioita, hyödynnetään tuloksien esittelyssä myös ohjelmiston toimintoa ko- pioida tietoja excel-ohjelmistoon. Seuraavaksi käsitellään analysoitavia tietoja yksitellen.
Kuva 14: Esimerkkitarkastelun ulostulojen spesifikaatiot. (Kuvakaappaus)
5.1.1 Energiantuotanto ja -kulutus
Kuvasta 13 nähdään energiantarpeeseen liittyvät tiedot, lämpöenergiantuotanto, sähkö- energiantuotanto ja -kulutus, sekä taseet sähkö- ja lämpöenergialle. Tulosteessa on tuo- tantotehojen keskiarvot kullekin kuukaudelle, vuoden minimi- ja maksimitehot, sekä vuo- den keskimääräinen tehon arvo.
District heating -sarakkeesta voidaan lukea, että kaukolämpöenergiantarve Suomessa vuonna 2016 oli 36,8 TWh ja 22,4 TWh tuosta energiamäärästä tuotettiin yhteistuotanto- laitoksissa, 12,2 TWh lämmön erillistuotannolla ja loput jätteenpoltolla. Kuvassa 14 ja- otellaan edellä mainitut arvot eri kaukolämpöryhmiin. Ryhmän 2 (Gr.2-sarake) tuotanto perustuu vain lämmön erillistuotantoon ja ryhmän 3 (Gr.3-sarake) yhteistuotantoon sekä jätteenpolttoon. Ryhmän 2 vuoden keskimääräinen lämpöteho on 1389 MW ja ryhmän 3 2801 MW.
Lämpöenergian tuotannon jakautuminen eri tuotantomuodoille huippukulutus tunnin ai- kana nähdään kuvasta 15. Lämpöenergian kulutus on huipussaan tunnilla 514 eli tammi- kuun 21 päivänä. Kuvasta nähdään, että kyseisenä tuntina eniten lämpöä tuotettiin yhteis- tuotannolla, jota seuraa sähkölämmitys ja lämmön erillistuotanto. Vähiten lämpöä tuotet- tiin lämpöpumppujen avulla. Simuloitu kulutushuipun aikainen lämpöenergian kulutus on 13493 MWh/h.
Sähköenergian kokonaistarve on 85,5 TWh, josta 13,4 TWh kuluu sähkölämmitykseen ja 3,9 TWh kotitalouksien lämpöpumppujen käyttöön. Eri tuotantomenetelmiin liittyvät tie- dot on koottu taulukkoon 2. Taulukosta nähdään ydinvoiman olevan eniten käytetty tuo- tantomuoto.
45 %
25 % 23 %
7 %
CHP Sähkölämmitys Lämmön erillistuotanto Lämpöpumput
Kuva 15: Lämpöenergian huippukulutus tunnin tuotannon jakauma eri tuotantomuodoille.
Taseista (Balance) huomataan, että kaikki lämpöenergia mikä tuotetaan, myös kulutetaan energiajärjestelmässä. Sähköenergian osalta kuitenkin huomataan, että sähköä joudutaan tuomaan järjestelmän ulkopuolelta. Tuonnin osuus on noin 18,3 TWh. Kuvassa 13 esiin- tyvä EEP-rivi kuvaa vientiin tuotetun sähkön osuutta.
Taulukko 2: Sähköenergian tuotantomuotoihin liittyvät tiedot.
Tuotantomuoto Vuotuinen tuo- tanto (TWh)
Keskimääräinen teho (MW)
Huipputeho (MW)
Ydinvoima 22,28 2537 2783
Vesivoima 15,62 1778 2667
CHP 12,28 1398 3490
Teollisuus CHP + jätteenpoltto
9,69 1103 2729
Lauhdevoima 4,30 489 3468
Tuulivoima 3,07 350 1329
Aurinkovoima 0,03 3 19
Kokonaistuotanto 67,27 7656 12427
22 %
19 %
18 % 17 %
16 %
7 % 1 %
Tuonti CHP Ydinvoima Teollisuus CHP + jätteenpoltto Vesivoima Lauhdevoima Tuulivoima
Kuva 16: Sähköenergian huippukulutus tunnin tuotannon jakauma eri tuotantomuo- doille.
Sähköenergian kulutushuippu sijoittuu tunnille 162 eli tammikuun 6 päivälle. Kulutus- huippu tunnin tuotannon jakautuminen eri tuotantomuodoille nähdään kuvasta 16. Huo- mionarvoista on, että kulutushuipun aikana noin neljännestä sähköstä tuotiin energia jär- jestelmän ulkopuolelta. Simuloitu kulutushuipun aikainen sähköenergian kulutus on 15304 MWh/h.
Kuvaan 17 on koottu lämpö- ja sähköenergiantarpeen jakautuminen eri kuukausille. Ku- vaajista huomataan, että suurimmat tehontarpeet sijoittuvat talvikuukausille. Sähköläm- mitys ja lämpöpumppujen teho on sisällytetty lämpötehoon.
Kuva 18: Uusiutuvien energiantuotantomuotojen kuukausittaiset sähköntuotannon keskitehot.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Teho (MW)
Kuukausi
Vesivoima Biomassalla tuotettu CHP ja jätteenpoltto Tuulivoima Aurinkovoima
Kuva 17: Kuukausittaiset keskitehot.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Teho (MW)
Kuukausi Sähköteho Lämpöteho
Uusiutuvien energiantuotantomuotojen vuotuinen sähköenergian kokonaistuotanto on noin 24,6 TWh ja tuotanto koostuu vesi-, tuuli-, aurinkovoimasta, jätteenpoltosta ja bio- massalla tuotetusta yhteistuotanto sähköstä. Uusiutuvien prosentuaalinen osuus energian kokonaistuotannosta on 42,2% ja osuus sähköenergian tuotannosta on 36,0%. Eri uusiu- tuvien tuotantomuotojen osuudet kuukausittaisesta sähköntuotannosta nähdään kuvasta 18. Aurinkovoiman osuus on hyvin pieni verrattuna muihin tuotantomuotoihin.
Suomen energiantarpeesta voidaan todeta, että se keskittyy kylmille kuukausille, jolloin lämmitykseen tarvittavan energian määrä on suuri. Valaistuksen ylläpitäminen myös tal- vikuukausina kasvattaa sähköenergiankulutusta. Uusiutuvien energianmuotojen tuotan- non riippuvuus sääolosuhteista voidaan huomata kuvan 18 keskitehoista. Tuulivoima osuus kasvaa syksyllä tuulisuuden lisääntyessä ja vesivoiman määrä putoaa vesien jääty- essä.
5.1.2 Hiilidioksidipäästöt ja polttoaineidenkulutus
Tässä kandidaatintyössä tarkasteltiin energiantuotannon ja teollisuuden käyttämiä poltto- aineita ja niiden hiilidioksidipäästöjä. Käytettyjä polttoaineita ovat hiili, öljy, maakaasu, biomassa ja ydinvoiman tarvitsevat polttoaineet. Tarkastelu ajanjakson yhteenlaskettu käytettyjen polttoaineiden energiamäärä on noin 263,4 TWh ja biomassa oli eniten käy- tetty polttoaine. Hiilidioksidipäästöjen määrä tarkastelu ajanjaksolla on noin 35,2 Mt ja eniten päästöjä synnyttävä polttoaine on hiili.
Eri polttoaineiden osuudet vuotuisesta käytöstä nähdään kuvasta 19. Kaaviosta nähdään biomassan osuuden olevan yli kolmannes koko vuoden polttoaineidenkulutuksesta. Huo- mioitavaa kuitenkin, että polttoaineiden osuudet kulutuksesta muuttuisivat, jos liikenne
92,53
67,52 41,18
26,31
17,09
Biomassa Ydinvoima Hiili Öljy Maakaasu
Kuva 19: Polttoaineiden vuotuinen kulutus muodossa TWh.
otettaisiin huomioon. Tähän asiaan palataan luvussa 5.2, kun vertaillaan simuloinnin tu- loksia todellisiin arvoihin.
Eniten polttoainetta kuluu teollisuudessa ja ydinvoimaloissa. Eri sektorien polttoai- neidenkulutus nähdään kuvasta 20. Kotitalouksien polttoaineenkulutus koostuu erilaisten lämmitysratkaisujen polttoaineentarpeeseen. Maakaasun käytölle on tulosten spesifikaa- tiosivulla (kuva 14) erillinen kohtansa, jossa on eriteltynä sen käytön jakautuminen eri tuotantomuodoille.
Hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia polttoaineita ovat hiili, öljy, maakaasu ja jäte. Tauluk- koon 3 on koottu eri polttoaineiden käytöstä syntyvien päästöjen vuotuiset kokonaismää- rät.
Energiantuotannossa ja teollisuudessa käytetyn hiilen CO2-päästöt ovat huomattavasti suuremmat, kuin öljyn ja maakaasun. On kuitenkin huomattava, että todellisuudessa oh- jelmistossa hiili ja turve ovat yhdistetty toisiinsa, joten oikeat CO2-päästöt ovat pienem- mät hiilen osalta.
89,94
67,52 40,81
18,52
14,19 9,66
Teollisuus Ydinvoima CHP Kotitaloudet Lämpökattilat Lauhdevoima
Kuva 20: Eri sektorien polttoaineidenkulutus vuodessa muodossa TWh.
Taulukko 3: Polttoaineiden käytöstä syntyvät hiilidioksidipäästöt.
Polttoaine Hiilidioksidipäästöt (Mt)
Hiili 21,7
Öljy 8,1
Maakaasu 4,9
Jäte 0,5
Yhteensä 35,2
5.1.3 Energiajärjestelmän kustannukset
Energiajärjestelmässä syntyvät kustannukset voidaan lukea tulosteen spesifikaatiosivulta (kuva 14). Sivulta nähdään esimerkiksi eri polttoaineisiin, sähkökauppaan sekä hiilidiok- sidipäästöihin liittyvistä kustannuksista, ja vuotuisten investointien määrä. Jos kuitenkin halutaan tarkempaa tietoa investoinneista ja eri kohteisiin liittyvistä kustannuksista, voi- daan hyödyntää ohjelmiston ominaisuutta esittää simuloinnin tulokset erillisessä ikku- nassa (kuva 21). Ikkunan tiedoista saadaan selville, kuinka paljon eri kohteiden inves- toinnit kokonaisuudessaan ovat, kuinka kokonaisinvestoinnit jakautuvat käyttövuosille (tasapoistot), ja kuinka paljon ovat operointi ja ylläpito kustannukset. Kuvassa 21 oikealla olevat arvot ovat luvussa 3.1.4 mainittuja vapaaehtoisia kustannuksia.
Kuva 21: Investointikohteiden kustannukset.
Taulukko 4: Polttoaineiden kulutukseen liittyvät kustannukset.
Polttoaine Vuotuiset kokonaiskustannukset (Mil- joonaa euroa)
Biomassa 2051
Polttoöljy 956
Maakaasu 560
Hiili 460
Uraani 365
Dieselöljy 418
Kaasun käsittely 82
Yhteensä 4892
Polttoaineiden vuotuiset kokonaiskustannukset ovat 4892 miljoona euroa ja eniten kus- tannuksia syntyy biomassasta. Seuraavaksi suurimmat kustannukset syntyvät öljystä ja maakaasusta. Taulukkoon 4 on koottu eri polttoaineisiin kohdistuvat kokonaiskustannuk- set kuvaa 14 hyödyntäen.
Kuvasta 14 voidaan lukea, että vuotiset kokonaiskustannukset hiilidioksidipäästöille ovat 126 M€, sähkön viennille/tuonnille 607 M€, energiantuotannolle 6000 M€, laitosten ope- roinnille ja ylläpitämiselle 1050 M€, ja kokonaisinvestoinnin vuotuiselle tasapoistolle 4524 M€. Yhteensä vuotuisten kustannusten määrä on 12030 M€.
5.2 Tulosten vertailu todellisiin arvoihin
Simuloinnista saatuja tuloksia verrataan vuoden 2016 todellisiin arvoihin, jotta saadaan selville miltä osin mallinnus on suoritettu onnistuneesti ja missä arvoissa on poikkeamia joko simulointiin tehtyjen rajausten/valintojen, tai ohjelmiston toiminnan takia. Tulok- sien vertailussa painotetaan energiantuotantoon, polttoaineiden kulutukseen sekä hiilidi- oksidipäästöihin. Kustannustietojen vertailu jätetään tässä kandidaatintyössä tarkastelu- jen ulkopuolelle.
Lämpöenergian osalta simulointiin syötettiin vuotuinen energiantuotanto TWh:na, joten ulostulot luonnnollisesti vastaavat todellisia arvoja. Kaukolämmön kokonaistarve vuonna 2016 oli 36,8 TWh, lämmön erillistuotannolla tuotetun lämpöenergian määrä 12,2 TWh
