Kaukolämmön kysyntäjousto – mistä on kyse ja millaista kehitystä luvassa?

Pekka Paaskunta·2018-06-20T13:39:48+00:0020.6.2018|

Aloitimme vuonna 2014 Fortumin kanssa kehittämään kaukolämmön ”kysyntäjoustoa”. Kehitystyö alkoi tuolloin aivan perusasioista, sillä yksinkertaisetkaan asiat, kuten terminologia, eivät olleet vielä vakiintuneet.

Nyt 4 vuotta myöhemmin huomaamme herättäneemme koko toimialan, sillä nykyään termiin ”kysyntäjousto” törmää monessa paikassa. Keskustelussa perusasiat ovat silti usein kateissa. Yleisellä tasolla on hyvä muistaa, että lämmityksen ainoana ydintehtävänä on ylläpitää haluttuja lämpötiloja asunnoissa ja toimitiloissa – tästä tavoitteesta kannattaa pitää jatkossakin tiukasti kiinni.

Teknisissä ratkaisuissa on hurjasti eroja ja teknologiavalinnoissa kannattaa olla tarkkana. Jaamme seuraavassa mietteemme toistaiseksi nähdystä kysyntäjouston evoluutiosta ja tulevaisuuden kehitysaskeleista, jotka on hyvä ymmärtää esimerkiksi omaan kiinteistökantaan tai kaukolämpöverkkoon ratkaisuja mietittäessä.

Aivan alkuun on erotettava toisistaan kaksi eri asiaa:

  • Kaukolämmön kuluttajan kaukolämpölaskun pienentämiseen tähtäävä huipputehojen optimointi  (myöhemmin: ”tehojousto”)
  • Kaukolämmön tuottajan tuotannon optimointiin tähtäävä kysyntäjousto (myöhemmin: ”kysyntäjousto”)

Huipputehojen optimointi (”tehojousto”) ja sen evoluutio

Leanheat kehitti ja kaupallisti ensimmäisenä toimijana antureihin ja tekoälyyn pohjautuvan keinon optimoida lämmityksen huipputehoja. Olemme tätä tehneet jo yli 1000 kiinteistössä, useissa tuhansissa rakennuksissa ja 40 000 asunnossa. Tämän myötä kaukolämmön perusmaksuista on säästetty noin 20% ilman, että asumisviihtyvyydestä on tarvinnut tinkiä.

Tämän ”tehojouston” ensisijainen tavoite on säästää kiinteistöjen omistajien energialaskuissa. Kiinteistölle siis riittää jatkossa aiempaa pienempi kaukolämpöliittymä ja tämä näkyy perusmaksun suuruudessa, nykyään useimmiten automaattisesti.

Kun suuri massa kiinteistöjä on saman kaukolämpöverkon alueella tehojouston piirissä, hyötyy optimoinnista tyypillisesti myös kaukolämmön tuottaja. Esimerkiksi pakkaspäivänä voidaan pärjätä aamu- ja iltapiikkien aikaan vähemmällä määrällä huippulaitoksia ja pienemmällä määrällä kalliita polttoaineita.

Koko tuotanto-kulutusketjun optimointi ei ole kuitenkaan näin mustavalkoinen asia. Tuotantopään optimointiin nimittäin vaikuttavat kiinteistöjen kulutuspiikkien ohella myös muut tekijät. Sähkön hinnan ollessa korkealla voi energiayhtiölle olla edullista tuottaa CHP-laitoksilla enemmän sähköä kuin lämpöä, jolloin intressi kaukolämpötehon ohjaukseen voikin korrelloida enemmän Tanskan tuulten ja Ruotsin sateiden kuin Suomen pakkasten kanssa.

Kun tehojouston on saanut teknisesti toimimaan hyvin, on sen käytännön hyödyntäminen suoraviivaista. Nykyiset energiatariffit ovat nimittäin jo nyt yhteensopivia optimoinnin kanssa. Useimmiten liittymäkoot ja perusmaksut tarkistuvat automaattisesti, jolloin energiayhtiöiden ei tarvitse juurikaan osallistua toimintaan.

Tehojouston hyödyntämisessä kannattaa kuitenkin olla tarkkana ja kiinnittää huomiota toimintaperiaatteisiin ja todennettuihin tuloksiin. Optimaalisten tulosten saavuttaminen on herkkää puuhaa, jos halutaan samalla varmistaa sisälämpötilojen tasaisuus. Tässä on epäonnistuminen on helppoa.

Me olemme törmänneet seuraaviin toteutustapoihin, joista useita olemme myös itse kokeilleet. Tutkimisen, kokeilemisen ja kehittämisen kautta olemme päätyneet toteuttamaan tehojoustoa ”Sukupolven 4” tekniikalla.

  1. Sukupolvi 1: Aivan yksinkertaisimmillaan tehoja voidaan leikata asettamalla lämmönsäätöön huipputehon rajoitus. Tämä johtaa kuitenkin väistämättä sisälämpötilojen laskemiseen, eikä tätä siksi ole mielestämme järkevää harkita.
  2. Sukupolvi 2: Toinen yksinkertainen tapa on ohjelmoida lämmönsäätöön kello-ohjauksia, joilla lämmityksestä nipistetään oletettuina kulutushuippuhetkinä ja niiden ympärillä tehoja nostetaan. Mallia puoltaa se, että toteutus voi olla edullinen. Malli on kuitenkin riskialtis sisälämpötilan tasaisuuden kannalta eikä täysiä hyötyjä voida saavuttaa, koska kello-ohjaus on parhaimmillaankin vain arvaus optimisäädöistä. Ohjaus on todennäköisesti myös riippuvainen kohdekohtaisista säätöarvoista, joka tekee ylläpidosta haastavaa rakennusten ominaisuuksien muuttuessa esim. peruskorjausten yhteydessä.
  3. Sukupolvi 3: Kolmas, hieman monimutkaisempi tapa on reagoida reaaliajassa lämmitysjärjestelmän todelliseen käyttäytymiseen, esimerkiksi ”haistelemalla” lämpimän käyttöveden moottoriventtiilin asentoa ja reagoimalla tähän esim. vähentämällä hetkellisesti lämmitystä ja nostamalla sitä jälleen myöhemmin. Mallin perusongelma on kuitenkin reaktiivisuus, joka johtaa väistämättä sisälämpötilojen laskuun – asuntoihin tulee hetkellisesti kylmä. Mallissa piilee myös teknisiä sudenkuoppia (esim. venttiilijännitteen kohinaisuuteen liittyen), jonka takia optimaalista teholeikkausta voi olla haastavaa saavuttaa, vaikka hetkellinen sisälämpötilojen lasku hyväksyttäisiinkin.
  4. Sukupolvi 4: Leanheatin kehittämän menetelmän ytimessä on reaktiivisuuden sijaan ennakointi. Tekoäly oppii yksilöllisesti kunkin kiinteistön käyttöveden kulutusprofiilin ja lämmöntarpeen ja oppii muutokset kiinteistön eläessä. Ennustemalli mahdollistaa kiinteistöjen esilämmityksen, joka on ainoa keino varmistaa tasaiset sisäolosuhteet. Kiinteistöihin siis varataan lämpöä ennakoivasti ja puretaan se tehopiikin aikana. Tulokset tuhansissa rakennuksissa osoittavat, että hyväksyttäessä maksimissaan 1 asteen hetkellinen lämpötilajousto ylöspäin, saavutetaan keskimäärin noin 20% teholeikkaus (ja perusmaksusäästö). Tämä sukupolven 4 malli on samalla teknisesti haastavin toteuttaa. Kiinteistön käyttäytymistä kuvaavan ennustemallin on oltava erittäin tarkka. Mikäli esimerkiksi tehopiikin suuruuden ja sisälämpötilan laskunopeuden ennakointi epäonnistuu, joudutaan pahimmassa tapauksessa lämmitystä nostamaan juuri väärään aikaan, joka johtaakin tehopiikin leikkauksen sijaan sen kasvuun. Onnistuneessa tehojoustossa varaaminen aloitetaan juuri oikeaan aikaan – ei siis minuuttiakaan liian aikaisin (ettei energiaa haaskata), eikä minuuttiakaan liian myöhään (ettei sisälämpötiloissa tarvitse joustaa alaspäin).

Erilaisten ratkaisujen yleistyessä kiinteistön omistajien on tärkeää ymmärtää, miten tekniikka käytännössä toimii. Mitä kehittyneempi menetelmä, sitä varmemmin saavutetaan kiinteistöissä maksimaalinen tehon leikkaus minimaalisella sisälämpötilan vaihtelulla. Lisäksi suosittelemme valitsemaan ratkaisuja, joilla on täysi valmius tehojouston lisäksi myös varsinaiseen ”kysyntäjoustoon”, joka ottaa kiinteistöjen lämmityksen optimoinnin ohella myös kaukolämmön tuotannon tarpeet huomioon.

Ohessa erilaisia teho-optimointeja ja niiden vaikutus sisälämpötilaan:

Tehorajoitukset johtavat alhaisempiin sisälämpötiloihin

Kello-ohjaukset ovat herkkiä muutoksille, jolloin ohjaus on harvoin optimaalinen

Reaktiivisessa tehojoustossa lämpötilat laskevat hetkellisesti

Leanheat pitää sisälämpötilat mahdollisimman tasaisina ja optimoi samalla tehon käytön

Kaukolämmön ”kysyntäjousto” ja sen evoluutio

Viime kädessä edellä käsitelty tehojousto on vain osaoptimointia. Kiinteistönomistaja saa taloudellisen hyödyn lämpölaskussaan, mutta ratkaisu ei välttämättä ole optimaalinen kaukolämmön tuottajalle, olkoonkin, että se on parempi kuin vanha toimintatapa.

Varsinaisella ”kysyntäjoustolla” tarkoitetaan lämmityksen ohjaustapaa, jonka tavoitteena on optimoida koko tuotanto-kulutusketju. Ohjausta ei tällöin toteuteta yksittäisen kiinteistön ehdoilla, vaan koko kaukolämpöverkon ja tuotannon ehdoilla. Optimaalinen toteutustapa on erilainen kaikissa verkoissa ja tuotantoympäristöissä, jolloin toteutus vaatii myös läheisempää yhteistyötä energian tuottajan kanssa.

Käytännössä kysyntäjousto voidaan toteuttaa esimerkiksi kaukolämmön tuntihinnoittelulla. Siinä energiayhtiö antaa hintasignaalin välityksellä kiinteistöille taloudellisen kannusteen joko vähentää tai lisätä kulutusta tuotannon tilanteesta riippuen (Tanskan tuulet, Ruotsin sateet, Suomen pakkaset). Harvalla kaukolämpöyhtiöllä tai ratkaisutoimittajalla on tähän vielä valmiuksia, mutta ala kehittyy eteenpäin lujaa vauhtia – esimerkiksi Espoossa olemme kytkeneet kaukolämmön tuntihintaan ja kysyntäjoustoon jo 5000 asuntoa yhdessä Fortumin ja paikallisten kiinteistöyhtiöiden kanssa.

Myös kysyntäjoustoa on mahdollista toteuttaa useilla eri tavoilla. Leanheatin kysyntäjousto toimii yksittäisessä kiinteistössä täsmälleen samalla tavalla kuin edellä kuvattu neljännen sukupolven tehojousto. Ainoa ero on, että varaamista ja purkamista ohjaa käyttöveden kulutusennusteen sijaan kaukolämpöyhtiöltä tuleva hintasignaali. Hyvin toimivan kysyntäjouston perusedellytyksenä on tällainen älykäs, ennakoiva ohjausmenetelmä.

  1. Sukupolvi 1: Kaukolämpöyhtiö voi antaa rakennuksen lämmitysjärjestelmään yksinkertaisen ”ohituskäskyn” kulutuksen leikkaamiseksi haluttuna ajanhetkenä ennalta määrätyn suuruuden verran. Mallia voisi nähdä käytettävän esimerkiksi hätätilanteissa voimalaitosten vikatilanteissa, jolloin tietoisesti heikennetään asumisolosuhdetta vikatilanteen ajaksi.
  2. Sukupolvi 2: Älykkäämmässä kysyntäjoustossa kaukolämpöyhtiö lähettää yksittäisten rakennusten lämmitysjärjestelmiin jatkuvasti ennakoivaa hintasignaalia, joka ennustaa esimerkiksi koko kaukolämpöverkon tuotannon hintaa tai päästöjä. Mitä älykkäämpi lämmityksen ohjausjärjestelmä rakennuksissa on käytössä, sitä paremmin hintasignaalia pystytään hyödyntämään ja sitä vähemmän sisäolosuhteissa joustetaan.
  3. Sukupolvi 3: Edelleen kehittyneemmässä kysyntäjoustossa huomio siirtyy yksittäisistä rakennuksista kohti koko kaukolämpöverkon optimointia. Ratkaisu on yksittäisissä rakennuksissa sama kuin sukupolven 2 ratkaisu, mutta kaukolämpöyhtiö ohjaa eri verkon alueita erilaisilla hintasignaaleilla verkkoon hajautetun potentiaalin maksimoimiseksi.
  4. Sukupolvi 4: Kysyntäjouston kehittyneimmässä muodossa rakennukset keskustelevat reaaliajassa keskenään ja pyrkivät löytämään yhdessä kysyntäjouston kannalta optimaalisimman tavan ohjata lämmitystä. Kyse on eräänlaisesta ”parviälystä”. Kaukolämmön tuottajalle hyöty voi olla edeltäviä kehitysasteita suurempi, jos osa rakennuksista osaa itsenäisesti ”uhrata” omaa hyötyänsä kokonaisuuden ehdoilla.

Yhteenveto kiinteistöjen omistajille

Älykkäät lämmityksen ohjausjärjestelmät ja niiden myötä erilaiset kysyntäjoustoratkaisut ovat tulleet nopesti kiinteistöjen talotekniikkaan ja yleistyvät hurjaa vauhtia. Taustalla on teknologinen murros, joka mahdollistaa asioiden tekemisen entistä paremmin ja edullisemmin ja samalla mahdollistaen merkittävät kustannussäästöt kiinteistöjen omistajille ja kaukolämpöyhtiöille.

Muutoksen nopeuden takia kiinteistöjen omistajien on tärkeää pysyä kartalla kehityksestä juuri nyt. Tehtäessä valintoja talotekniikan ja ohjausratkaisujen suhteen on tärkeää varmistaa niiden avoimuus ja pitkän tähtäimen yhteensopivuus tulevaisuuden entistäkin kehittyneempien menetelmien kanssa. Esimerkiksi Leanheatin tehojoustoratkaisulla on helppo päästä liikkeelle ja saavuttaa nopeasti kustannussäästöjä. Menetelmien kehittyessä Leanheatin ohjausmenetelmä on jo valmiiksi yhteensopiva myös tulevaisuuden toimintamallien kanssa, jolloin valinta on pitkällä tähtäimellä riskitön.

Mikäli kysyntäjousto kiinnostaa, suosittelemme olemaan yhteydessä edustajiimme. Teemme tällä hetkellä yhteistyötä useiden kaukolämpöyhtiöiden kanssa Suomessa, Euroopassa ja Kiinassa tutkien ja kehittäen kokonaisuuden kannalta optimaalisia lämmönohjausmenetelmiä. Visionamme on optimoida koko tuotanto-kulutusketju ja ohjata yli miljoonan asunnon lämmitystä vuonna 2022.

 

Lopuksi suosittelemme vielä pitämään mielessä, että viime kädessä lämmityksen ainoa tehtävä ja tavoite on taata mukavat ja tasaiset lämpötilat kiinteistöjen käyttäjille. Tämä kannattaa jatkossakin pitää tärkeimpänä prioriteettina talotekniikkaa kehitettäessä.

endesv