Kestävät energiaratkaisut, taustaa
Kuvassa alla on esitetty joitakin mahdollisia kestävän energiajärjestelmän ratkaisuja Suomen olosuhteissa. Tekstit ovat tässä vaiheessa englanniksi alkuperäisen esitykseni myötä, mutta käännän ne suomeksi, kun ehdin. Kuva on tehty Best-tutkimusohjelmassa, Aalto-yliopiston nimissä. Piirtäjä on Sanni Salo, Muodo.fi ja ideoija ynnä tekstien laatija allekirjoittanut. Pääpaino ko. projektissa oli puupolttoaineissa, mutta kuvassa hahmottuu yleisesti ajatus yhdestä mahdollisesta joustavasta, vähäpäästöisestä energiajärjestelmästä.
Kestäväksi yleisesti sanoisin energiajärjestelmää, joka täyttää ainakin seuraavat ehdot:
- On lähes tai täysin nollapäästöinen
- On läpinäkyvä, ymmärrettävä ja perusteltu
- Ohjautuu itsestään: optimoituu kokonaisuutena, kun yksittäiset toimijat optimoivat oman toimintansa
- Mahdollistaa luovat ratkaisut, vielä tuntemattomatkin
- Räätälöityy käyttäjän toiveiden mukaan
- On liiketaloudellisesti kestävällä pohjalla, tukea tarvitaan vain tuotekehitykseen. Hiilidioksidipäästöjen edes todellisuuden suuntaan oleva hinta (esim. 50-100 e/t CO2) ohjaa kulutuksen pois fossiilisista polttoaineista markkinaehtoisesti.
Nämä ehdot nähdäkseni toteutuvat, kun rakennusten lämmitys hoidetaan pääasiassa näin:
- Mahdollisimman paljon tuuleen ja aurinkoon (sekä ydinvoimaan) perustuva energiantuotanto, jota täydennetään raaka-aineeksi kelpaamatomanta puuta polttavalla sähkön ja lämmön yhteistuotannolla
- Em. tuotantorakenteesta seuraavan sähkön ja lämmön ylijäämien hyödyntäminen lämmitykseen
- Kustannusvastaava, dynaaminen energian hinnoittelu
- Automatiikka, jonka avulla hinnoittelu saadaan ohjaamaan energiankulutuksen ajoitusta. Käyttäjällä (=sillä, joka tehdyn säädön vaikutukset konkreettisesti kokee), tulee kuitenkin olla aina viimeinen sana. Lähtökohtana on ihmisen ja ihmisten erilaisuuden arvostaminen, tasa-arvo.
- Selkeä havainnollistus koko järjestelmästä kaikkia toimijoita varten. Auttaa hahmottamaan kokonaisuutta ja motivoi hyviin ratkaisuihin.
Tulevaisuudessa yleistyvät energiantuotantomuodot, joiden rakentaminen on kallista, mutta käyttö lähes ilmaista. Tällaisia ovat tuuli-, aurinko- ja ydinenergia. Polttamalla tapahtuvaa energiantuotantoa kannattaa vähentää, kun kaikki kustannukset ja haitat otetaan huomioon. Tuulivoima on suorilta kustannuksiltaan jo edullisin sähköntuotantomuoto nykyisilläkin hintasuhteilla, mm. Lappeenrannan teknillisen yliopiston raportin mukaan. Tuulivoimala maksaa investointina likimain saman verran tai jopa vähemmän kuin samantehoinen kiinteää polttoainetta polttava voimala, mutta polttoainekustannuksia tuulivoimalassa ei tietenkään ole.
Toisaalta polttamalla tapahtuva energiantuotanto on teknisesti helposti säädettävää. Tehoa saadaan tarvittava määrä koska tahansa. Jos polttoaineena voidaan käyttää muuten tähteeksi jäävää biomassaa, vähäinen määrä polttamallakin tapahtuvaa energiantuotantoa voitaneen hyväksyä kokonaisuuden osana. Näin ollen energiantuotantokokonaisuus, jossa tuuli-, aurinko- ja ydinvoimaa täydentävät biomassavoimalat, lienee pitkälläkin aikavälillä kestävä ja edullinen.
Periaatteessa ydinvoimaakin voisi teknisesti käyttää säätövoimana, mutta kalliit investointikustannukset rajoittavat tätä. On melko kannattamatonta rajoittaa ydinvoimalan tuotantoa kun se kerran on rakennettu, koska muuttuva tuotantokustannus on ydinvoimalla pieni. Sama pätee myös tuuli- ja aurinkovoimaan eli mahdolliselle ylituotannolle kannattaisi mieluummin antaa muodostua käyttökohteita vapailla markkinoilla kustannusvastaavan hinnoittelun avulla kuin leikata tuotantopiikkejä. Ihmisten kekseliäisyydelle tulisi antaa tilaa. Samaa arvomaailmaa siis tarjoan tässä kuin muuntojoustavaa rakennusta yleensäkin koskien eli uskoa ihmisiin, ohi organisaatioiden.
Lämmitystä ja jäähdytystä voidaan käyttää apuna sekä sähkön uhkaavan hetkittäisen ylituotannon järkevässä käytössä että kulutuksen vähentämisessä silloin kun sähkön tuottamiseksi jouduttaisiin käynnistämään kalliimpia, suuripäästöisiä voimalaitoksia. Tämän voi tapahtua vieläpä siten, että yksittäiselle kuluttajalle annetaan valta mukauttaa energiankäyttönsä omiin tarpeisiinsa, osallistumishalukkuuteensa ja rahatilanteeseensa sopivaksi.
Uutta perinteiseen energiansäästöön verrattuna tässä on se, että kulutuksessa on ajallinen ulottuvuus. Yhdellä hetkellä kulutettu energia voi olla paljonkin edullisempaa kuin toisella. Näin ollen kulutuksen ajankohtaan tulee kiinnittää huomiota vuosittaisen kokonaismäärän ohella. Joustomahdollisuuksia tarjoaa se, että hyvin monissa asioissa optimialue on laakea, ts. lämpötilaa, valaistusta, ilmanvaihtoa jne. voidaan säätää joskus paljonkin ilman että se vaikuttaa kriittisesti koettuun olemisen laatuun. Edellytyksenä usein on se, että loppukäyttäjällä on viimeinen sana säädössä. Uskon pakottamisen sijaan siihen, että käyttäjää lempeästi ohjataan kokonaisuuden kannalta hyvään ratkaisuun, perustellen. Tämän nostan esiin siksi, että aivan liian usein esim. kysyntäjoustoasioissa käyttäjä nähdään kohteena, ei aktiivisena toimijana. Ihmisen hyvinvoinnissa yksi aivan keskeinen osa on kuitenkin nimenomaan kokemus toimijuudesta.
Joustoa lämmönkäytön ja jäähdytyksen ajoituksen suhteen voidaan saavuttaa esimerkiksi antamalla lämpötilan vaihdella sallituissa rajoissa. Lämpötilan säätö voisi tapahtua nykyisen yhden asetusarvon termostaatin sijasta siten, että käyttäjä (ja siis nimenomaan käyttäjä!) asettaa tavoitearvon lisäksi lämpötilan ala- ja ylärajan, joiden välillä vaihtelu saa tapahtua. Huoneeseen siis varataan lämpöä "ylilämmittämällä" sitä halvan lämmön aikana ja vastaavasti antamalla lämpötilan laskea hiukan kalliin lämmön aikana. Mitä enemmän lämpötilan antaa huojua, sitä edullisemman lämmityksen voi saada, vaikka keskilämpötila olisi sama. Kotona ja poissa ollessa huojunnan rajat voisivat tietenkin olla erisuuruiset.
Ohjauslogiikka voi periaatteessa olla samanlainen sekä pienissä että suurissa sähköä tai lämpöä käyttävissä kohteissa. Yksinkertaisimmillaan automatiikka muuttaa vaikkapa lämpötilan asetusarvoa sähkön tai lämmön hinnan mukaan, hienommassa toteutuksessa se esim. laskee etukäteen hyvin suuren määrän lämmityksen ajoituksen vaihtoehtoja ja valitsee sen, jolla käyttäjän asettama mukavuustaso toteututuu edullisimmin. Mukavuustasolla tarkoitetaan siis paitsi lämpötilan asetusarvoa, myös sallittua huojuntaa.On myös mahdollista, että em. automatiikka ei ole tarpeen kuin suurimmissa kohteissa, joissa siitä on varaa maksaakin. Nimittäin ainakin jos Saksan esimerkkiä on uskominen, sähkön hintapiikit ajoittuvat ihmisten elämänrytmin ja aurinkosähkön tuotannon ajoittumisen pohjalta varsin säännöllisesti aamuyhdeksään ja iltakahdeksaan. Suomessa perinteinen yösähkö voisi siisi aivan sellaisenaan olla kova sana, edelleen. Eivätkä laitteet maksa paljon, eikä niitä tarvitse päivittää vähän väliä tai pohtia tietoturvaa. Kun eivät nimittäin ole netissä.
Silloin kun sähkön tuotanto uhkaa jäädä pienemmäksi kuin kulutus joustoista huolimatta, edullisinta on käyttää yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotannon ja käyttää lämpö kaukolämpönä tai teollisuuden tarpeisiin. Lämpöverkot ovat siis kannattavia tulevaisuudessakin, sillä niiden avulla saadaan ylijäämälämpö johdettua tarvitsijoille. Paitsi sähköntuotannosta, ylijäämälämpöä voi tulla mm. teollisuudesta tai jopa asuinrakennuksista erityisesti kesäaikaan. Kaukolämpöverkkoon kannattaa siis kuulua jatkossakin. Se antaa mahdollisuuksia tasata lämmöntuotannon ja -kulutuksen ajallista ja paikallista epäsopivuutta. Sähkö- ja kaukolämpöyhtiöille ja verottajalle voisi esittää toiveen järkevään vuorottelukäyttöön kannustavasta hinnoittelusta. Siitä lisää "Energian hinnoittelusta"-välilehdellä.
Seuraavassa kuvassa on esitetty sähkön (lämpöpumpun) ja yhteistuotantokaukolämmön vuorottelukäytön periaate mahdollisessa tulevaisuuden tilanteessa, jossa on runsaasti tuuli- ja aurinkovoimaa. Käyrät tarkoittavat sähkön tuotantoa ja kulutusta yhden kuukauden aikana Suomessa.
Akut ovat kaikista optimistista puheista huolimatta aivan liian kalliita muuhun kuin nopeaan säätöön, jossa tarkoituksessa tosin lieneekin sitten odotettavissa kaupallisia toteutuksia runsaasti melko pian. Myös sähköautot tarjoavat (lähi?)tulevaisuudessa hyvä joustomahdollisuuden sekä sähkön syötössä takaisin verkkoon kalliin sähkön aikoina että varsinkin joustavassa latauksessa halvan sähkön aikana. Sähkön vuodenaikaisvarastointi akkuihin ei kuitenkaan ole läheskään kannattavaa.
Sen sijaan lämpöä voidaan varastoida kohtuullisen edullisesti pidempiäkin aikoja varsinkin suurissa varastoissa, mutta eivät pienet kiinteistökohtaisetkaan kalliita ole sähkön varastointiin verrattuna. Akut sähkön varastointiin maksavat tällä hetkellä edullisimillaan noin 300 euroa/kWh, usein paljon enemmänkin, tulevaisuudessa arviolta 150 euroa/kWh. Lämpövaraajat puolestaan maksavat 2-100 euroa/kWh, yleisesti ottaen mitä suurempi, sitä edullisempi/kWh. Suurista lämpövarastoista on lisää mm. tässä saksalaisessa esityksessä.
Ylijäämäsähkö kannattaa siis muuttaa lämmöksi, varastoida se ja käyttää lämpö silloin kun se tarvitaan. Näin varsinkin tilanteessa, jossa on joka tapauksessa sähkölämmitystä lämpöpumpun kautta tai suoraan vastuksilla, kuten tilanne Suomessa on.
Näin ollen vähäpäästöistä energiajärjestelmää tukee rakennus, jossa kulutuksen ajoitusta voidaan muuttaa ja joka kykenee tilanteen mukaan käyttämään joko sähkön ja lämmön yhteistuotannon kaukolämpöä tai lämpöpumppulämpöä. Ääritilanteissa voidaan käyttää suoraa sähkölämmitystä, jos sähköä kaikesta huolimatta on hetkellisesti tarjolla ylenmäärin. Parhaimmillaan käytetään joustavasti kaikkia näitä siten, että valinta tuotantomuotojen välillä tapahtuu automaattisesti kulloisenkin sähkön tuotannon ja kulutuksen tasapainon perusteella.
Omana energiantuotantona tulee kyseeseen lähinnä aurinkosähkö. Aurinkolämpö, pientuulivoima ja joustamattomasti käytetyt puukattilat eivät järjestelmätasolla todennäköisesti ole juurikaan kannattavia tulevaisuuden energiajärjestelmässä. Näin siksi, että niiden järjestelmätason säästö/hyöty on vaatimaton suhteessa kustannukseen. Toisaalta näiden valintaan voi olla muita hyviä perusteita. Esimerkiksi polttopuun kanssa toimimisen monille tuoma hyvä mieli on huomionarvoinen asia. Kaikilla mainituilla on lisäksi positiivista symboliarvoa, jolla on merkitystä paitsi näiden hankkijoille itselleen, myös hyvän tahdon yleisen "markkinoinnin" kannalta. Etuna puulla voi lisäksi olla sen vuorottaiskäyttömahdollisuus lämpöpumpun tai sähkölämmityksen kanssa. Kun sähkö on halpaa (eli sitä on runsaasti tarjolla), käytetään lämpöpumppua tai sähkövastuksia lämmitykseen, muulloin puukattilaa. Tällainen päivitys on lisäksi varsin helppo, kunhan markkinoille saadaan ohjauksen mahdollistava edullinen laite.
Teknisenä sivuhuomautuksena vielä, huoneenlämmityksen ja käyttöveden lämmityksen lämpötilatason pitäisi olla mahdollisimman alhainen, koska tällöin
- Lämpöpumpun lämpökerroin on parempi ja
pumppu halvempi tuottamaansa tehoon nähden - Yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa
sähköntuotantohyötysuhde on parempi - Lämmön varastoinnin käytettävissä oleva lämpötilaero kasvaa eli samaan tilavuuteen saadaan varastoitua enemmän lämpöä
- Siirto- ja varastointihäviöt pienenevät
Mainittujen lisäksi myös kulutuksen kokonaismäärän tulee toki olla pieni. Tähän päästään mm. ilmanvaihdon ilmavirtojen tarkoituksenmukaisuudella, hyvällä lämmön talteenoton hyötysuhteella ja rakennusvaipan hyvällä eristyksellä sekä tiiviydellä. Nämä asiat hallitaan nykyään melko hyvin. Kehittämistä sen sijaan on vielä lämmityksen tarpeenmukaisessa ohjauksessa, hinta huomioiden, ja eri energianlähteiden vuorottelukäytön ohjauksessa.
Kokonaisuutta, etenkin bioenergiaan liittyen, kuvaan mm. tässä Best-tutkimusprojektin esityksessä (englanniksi). Smart Energy Transition-hankkeessa tekemämme skenaario sähkön ja kaukolämmön tuotannosta 100% uusiutuvilla ja ydinvoimalla Suomessa puolestaan löytyy täältä.