KOTKAN KAUPUNKI- UUSIUTUVAN ENERGIAN … · 4.3.3 Kaukolämpöveden meno- ja paluulämpötila 16...

RAPORTTI

16X254625 10.12.2014

© Kotkan kaupunki, Lentokuva Vallas Oy, 2013

KOTKAN KAUPUNKI- UUSIUTUVAN ENERGIAN KUNTAKATSELMUS –PROJEKTI Kaukolämmön varastointi Katariinan kallioluolaan (Kotkan Energia Oy)

JULKINEN

16X254625 1

Copyright © Pöyry Finland Oy


Kaikki oikeudet pidätetään Tätä asiakirjaa tai osaa siitä ei saa kopioida tai jäljentää missään muodossa ilman Pöyry Finland Oy:n antamaa kirjallista lupaa.

16X254625 1


Yhteenveto Katariinan kallioluolan hyödyntäminen kaukolämmön varastona tarjoaisi Kotkan Energialle:

Runsaan 4 GWh:n kaukolämmön varaston

Öljyn ja maakaasun käyttö vesikattiloissa korvautuisivat kotimaisilla polttoaineilla tai lisäisivät lämmön ja sähkön yhteistuotantoa

Energian hankintamenot alentuisivat noin 700 000 euroa vuodessa

Katariinan kallioluolan hyödyntäminen kaukolämmön varastona edellyttäisi: - Tarkempia kallioperän ja luolan kunnon tutkimuksia

- Mahdollisesti luolan vahvistamista - Kaukolämmön siirtojohdon ja pumppaamon rakentamista luolastolle

Luolaston muuttaminen kaukolämpöakuksi vaatisi arviolta runsaan 5 milj. euron investoinnin.

Investoinnin takaisinmaksuaika olisi alle 10 vuotta.

Akku lisäisi biopolttoaineiden osuutta Kotkan Energian lämmönhankinnassa, vähentäisi kasvihuonepäästöjä sekä lisäisi lämmön ja sähkön yhteistuotantoa. Akku myös helpottaisi kombivoimalaitoksen operointia ja/tai parantaa Kotkan Energian mahdollisuuksia myöhemmin korvata kombivoimalaitoksen tuotanto kokonaisuudessaan uusiutuvalla lämmönhankinnalla.

16X254625 1


Sisältö Yhteenveto

1 TAUSTAA 2

2 KATARIINAN ÖLJYN VARMUUSVARASTO 2

2.1 Toimintaperiaate 4 2.2 Nykytilanne 5 2.3 Säiliöiden rakenne ja mitat 5 2.4 Säiliöiden kallioperä 6 2.5 Luolaston mahdollinen tyhjentäminen 6 2.6 Luolaston nykykunnon ja korjaustarpeen arviointi 7 2.7 Luolaston peruskorjaus 7

3 TEORIAA LUOLAN KÄYTTÄMISESTÄ LÄMPÖVARASTONA 8

3.1.1 Teoriaa luolan lataamisesta ja purkamisesta 8 3.1.2 Luolan muodon ja ominaisuuksien sopivuus lämmön varastointiin 9 3.1.3 Lämpötilalaskelmat 10

4 LASKELMIEN LÄHTÖARVOJA 12

4.1 Kotkan Energian kaukolämmön hankinta nykyisin 12 4.2 Laskentaperiaate 13 4.2.1 Ei huomioitavia hyötyjä 14 4.3 Muita lähtöarvoja 15 4.3.1 Lämmöntarve 15 4.3.2 Hintatiedot 15 4.3.3 Kaukolämpöveden meno- ja paluulämpötila 16 4.3.4 Akun liittäminen kaukolämpöverkkoon 17

5 KAUKOLÄMPÖVARASTON KANNATTAVUUS 17

5.1 Katariinan luolaston kapasiteetti lämpövarastona 17 5.2 Akun lämpöhäviöt 18 5.3 Akun lämpötila 18 5.4 Investointiarvio 20 5.5 Kaukolämpöakun käyttökustannukset 21 5.6 Energiataseet 21 5.7 Kustannustaseet ja kalliovaraston kannattavuus 25

6 JOHTOPÄÄTÖKSET 27

LIITTEET 1 Kalliovaraston rakentamisen työvaiheet 2 Kl-johtoreitti

16X254625 2


1 TAUSTAA Kotkan kaupungin toimeksiannosta Pöyry Finland Oy on tutkinut Katariinan käytöstä poistetun öljyn kalliovaraston hyödyntämistä kaukolämmön tuotannossa.

Työssä tarkastellaan Kotkan kaukolämpöyhtiön, eli Kotkan Energia Oy:n (jatkossa KE) kaukolämmön hankintaa nykytilanteessa ja tilanteessa, jossa lämmön kulutusta on tasattu varastoimalla lämpöä pienen kulutuksen aikana Katariinan kallioluolaan. Selvitys liittyi Etelä-Kymenlaakson Uusiutuvan energian kuntakatselmus –projektiin, sen Kotkan osioon. Projektissa selvitetään mahdollisuuksia uusiutuvan energian kannattavaan käyttöönottoon. Projektia koordinoi Kotkan kaupunki, joka toimi selvityksen tilaajana. Tilaajan edustajana toimi Uusiutuvan energian kuntakatselmuksen projektipäällikkö, energia- ja ilmastoasiantuntija Esa Partanen Kotkan kaupunkisuunnittelusta. Selvityksen ohjaukseen osallistuivat lisäksi KE:n tuotantojohtaja Sami Markkanen sekä tuotantoinsinööri Janne Saarela.

Tästä raportista on kirjoitettu kaksi versiota. Luottamuksellisessa versiossa on esitetty kaikki laskelmissa käytetyt lähtöarvot ja oletukset. Julkisesta versiosta on poistettu luottamukselliset lähtötiedot, esimerkiksi KE:n energianhankinnan hintatietoja.

2 KATARIINAN ÖLJYN VARMUUSVARASTO Katariinan kalliovarastot on louhittu 1960-luvun lopussa. Luolat on aikoinaan tehty Shell-yhtiölle, ja ne siirtyivät myöhemmin St1 Energy Oy:n (jatkossa St1) omistukseen. Luolat siirtyvät kaupungille, kun ne on todettu puhtaaksi. Ympäristöluvan mukaan ne ovat St1:n vastuulla siihen asti. Vielä syksyllä 2014 luolat ovat St1:n omistuksessa.

16X254625 3


Kuva 2-1. Katariinan luolat ylhäältä katsottuna. Katkoviivalla merkittyjä luolia III ja IV ei ilmeisesti ole rakennettu

Kuva 2-2. Katariinan luolien poikkipinta-ala ja pituusprofiili

16X254625 4


Kuva 2-3. Katariinan luolien likimääräinen sijainti. Siniset suorakaiteet ovat luolat, vaaleamman sininen ajoramppi alas luoliin. Kotkan Energian nykyiset kaukolämpjohdot on merkitty punaisella.

2.1 Toimintaperiaate Suomessa ja muissa pohjoismaissa on rakennettu pääosin -60, -70 ja -80 luvuilla useita vuoraamattomia kalliosäiliöitä raakaöljyn ja muiden öljytuotteiden varastokäyttöön. Säiliön toiminta perustuu veteen liukenemattoman öljyn ja veden ominaispainoeroon. Säiliöt on sijoitettu ympäristön pohjavedenpinnan alapuolelle ja virtaussuunta on aina säiliöön päin, jolloin öljy ei pääse tunkeutumaan ympäröivään kallioon. Säiliöön virtaavan veden määrä riippuu kallion rakoilusta, pohjaveden paineesta ja määrästä sekä kallion tiiveydestä. Kalliosäiliö sijoitetaan kiinteän pohjavesipinnan alapuolelle, siten että pohjaveden hydrostaattinen paine on kaikkialla varastotilan seinissä suurempi kuin sinne varastoidun öljyn paine. Säiliöön virtaava vuotovesi on aina poistettava ja puhdistettava.

Vuoraamattomat kalliosäiliöt voidaan jakaa toimintatavan mukaan seuraavasti:

kiinteän vesipatjan säiliöt liikkuvan vesipatjan säiliöt kuivapohjaiset säiliöt

16X254625 5


Katariinan säiliöt ovat tyypiltään kiinteän vesipatjan säiliöitä. Luolissa on varastoitu ainoastaan keskitisleitä (kevyttä polttoöljyä) 0,5-1,5 metrin vesipatjan päällä. Luolien välissä on ns. vesiverholuola, joka on täynnä vettä ja estää tuotteiden mahdollisen sekoittumisen keskenään. Luolissa ei ole lämmitysjärjestelmiä. Luolan ja sinne varastoitujen tuotteiden lämpötila on ollut noin +9°C ympäri vuoden. Molempien luolien eteläpäässä on noin 50 m3:n pumppukuopat, joihin vesipatjapinnan noustessa ylimääräinen vesi pääsee valumaan. Pumppukuopasta vesi on pumpattu asetettujen rajojen mukaisesti öljynerottimen kautta mereen. Tuotepumput (2kpl/luola), joilla tuotteet pumpattiin säiliöautoihin, sijaitsevat pumppukuopan kohdalla, vesipumpun yläpuolella.

2.2 Nykytilanne Luolien jatkokäyttömahdollisuuksista on pidetty marraskuussa 2011 palaveri, jossa ovat olleet läsnä edustus Kotkan kaupungilta, St1:ltä sekä ELY-keskukselta. Taustalla palaveriin oli Katariinanniemeen suunniteltu hotellihanke, jonka yhteydessä on ollut kiinnostusta kallioluolien käyttöönottoon. Palaverissa todettiin, että kalliovarastot eivät sovellu ihmisten käyttöön tarkoitetuiksi tiloiksi vaan vaatisivat erityistoimia. Muistion palaverista laati Kotkan kaupungin ympäristökeskus. Seuraava teksti perustuu pitkälti ko. muistioon.

Luolissa on varastoitu diesel-öljyä. Varastointi luolissa on päättynyt ja luolat on puhdistettu vuonna 2007. Seurantatarkkailu on jatkunut puhdistuksen jälkeen. Viimeisimmät pinnanmittaukset ja öljypitoisuusmittaukset on tehty v. 2009, mistä on laadittu ympäristöviranomaisille raportti. Öljypitoisuudet alittivat lupapäätöksessä asetetun mereen johdettavan veden öljypitoisuusrajan. Tulosten perusteella öljyn mekaanista poistoa ei tarvita. Luolissa esiintyvä luontainen bakteerikanta puhdistaa osaltaan öljyä. Seuraava näytteenotto on suunnitelmien mukaan vuonna 2014 (syksyllä 2014 ei ollut tietoa, onko näin tehty). Luolien annetaan nyt täyttyä vedellä. Vesipinta oli vuonna 2012 3-4 m. Luolat täyttyvät vedellä arviolta 15 vuodessa. Vesi on pääosin ympäristön pohjavettä, mutta meren läheisyydestä johtuen siihen voi olla sekoittunut merivettä. St1:llä ei ole käyttöä kalliovarastoille. Luolat siirtyvät kaupungille, kun ne on todettu puhtaaksi. Ympäristöluvan mukaan ne ovat St1:n vastuulla siihen asti. Luolaan liittyvä yläpihan porrashuone säilyy St1:n hallussa, vastuulla ja kunnossapidossa niin kauan kuin luolakin. Rakennusvalvonnan näkökulmasta keskeisiä kysymyksiä kallioluolien käyttötarkoituksen muutoksessa ovat kaavamuutos, tilan terveellisyys sekä riittävät poistumistiet luolista. Kaavassa alue on ollut varastorakennusten korttelia, mutta on hiljattain muutettu puistoksi. Öljyvarastoina toimineet kalliovarastot eivät nykyisellään sovellu ihmisten käyttöön tarkoitetuiksi tiloiksi vaan vaatisivat erityistoimia.

2.3 Säiliöiden rakenne ja mitat Kalliovarastot sijaitsevat merenpinnan alapuolella siten, että luolien katto on tasolla -7 metriä ja pohja -27 metriä.

16X254625 6


Luolien koot ovat seuraavat:

• Luola I (KS1): tilavuus noin 43 000 m3, pituus noin 145 m, korkeus noin 20 m, leveys noin 15 m. Luolan pohjoispäässä lattia taso on -20,7.

• Luola II (KS2): tilavuus noin 35 000 m3, pituus noin 120 m, korkeus noin 20 m, leveys noin 15 m. Luolan pohjoispäässä lattia taso on -18,9.

Säiliöt on ajan tyyliin lujitettu varsin kevyesti. Varastoluolat ovat kalliopintaisia eikä niitä ole ruiskubetonoitu lainkaan, vaan ne ovat kokonaisuudessaan kallioseinämäisiä ja kalliopohjaisia. Lujituksena on mahdollisesti käytetty joitakin yksittäisiä kalliopultteja. Luolissa ei ole tehty tiivistysinjektointeja.

Maanpinta säiliöiden yläpuolella vaihtelee välillä +17,0–+25,0. Maakerrosten arvioitu paksuus säiliöiden päällä vaihtelee välillä 0-3 metriä. Tällöin kalliokaton arvioitu paksuus säiliöiden päällä vaihtelee välillä 21–32 metriä. Alueella on 1960 luvalla tehty joitakin tutkimuskairauksia.

Mikäli kallion korkeusasemasta ei saada varmistettua tietoa peitteisillä alueilla, tarvitaan lisätutkimuksia.

2.4 Säiliöiden kallioperä Ilman rakennusgeologista kartoitusta esim. rakoilusta, sen tiheydestä ja rakoavaumista ei ole tietoa.

Kohde sijaitsee Kaakkois-Suomen rapakivialueella ja alueen kivilaji on typiltään karkearakeista viborkiittia (rapakiveä). Kallio on harvarakoista ja pääosin suhteellisen ehjää. Rakoilu on tyypiltään kuutiorakoilua, jossa esiintyy kaksi pystyrakosuuntaa 20-40 ja 120-140 astetta sekä loivakaateinen vaakarakoilu (kaade 10-30 astetta). Raot ovat tiiviitä eikä kalliossa esiinny laaja-alaisia rikkonaisuusvyöhykkeitä. Paljastumien perusteella kallion arvioidaan olevan suhteellisen ehjää (rakotiheys pääosalla aluetta < 1 kpl/m). Pohjavesi/orsivesi

Kohde ei sijaitse luokitellulla pohjavesialueella. Pohjaveden muodostuminen alueella on maasto-olosuhteista johtuen erittäin vähäistä. Pohjaveden painetaso sijaitsee likimain merenpinnan tasossa. Pintavettä voi vähäisessä määrin suotautua kallioperän rakoilusysteemiin, pohjavesikerrokseen.

Kohteen alueelta tai sen läheisyydestä (Puistolan omakotialue) ei ole tiedossa pohjavesikaivoja (maaperä- tai kallioporakaivoja). Kotkan vesilaitokselta saadun tiedon mukaan Puistolan alueen kiinteistöt on liitetty kaupungin vesijohtoverkkoon. Pintavesi

Kohteen alue on pääosin kalliota. Alue on asfaltoimaton eikä siellä ole sadevesien viemäröintiä, joten sadevedet imeytyvät irtomaakerrokseen tai valuvat mereen.

2.5 Luolaston mahdollinen tyhjentäminen Varastoluolat on ollut käytössä vuoteen 2002 asti. Tämän jälkeen luola on ollut tyhjä, mutta viime vuosina veden on annettu täyttää luolaa. Täyttyminen tulee kestämään useita vuosia.

Luolassa olevat öljyjäämät ovat pienet, mutta tyhjennyksen yhteydessä on kuitenkin syytä varautua öljyisten vesien käsittelyyn.

16X254625 7


Veden pumppauksessa on syytä käyttää öljypuomien tapaan kelluvia imusuuttimia, jotta keveät yhdisteet saadaan poistettua ennen niiden imeytymistä varaston alempiin osiin. Varastosta pumpattava vesi tulee johtaa öljynerottimien kautta ja kaasuuntuvia komponentteja varten öljynerottimesta tulee johtaa putki soihtupolttimelle. Vesipinnan saavuttaessa varaston pohjatason / pohjalla mahdollisesti olevan öljyn pinnan, pumppausta jatketaan varaston alimmasta pisteestä (varaston pohjalla on tyhjennystaskut ks. kuva 2.2.) imukuumentimella varustelulla uppopumpulla ja öljy johdetaan lämpöeristettyä putkistoa pitkin veden erottimelle ja vedenerottimella vapautuvat kaasut johdetaan em. soihtupolttimelle.

Ennen varastoon sisälle menoa on se tuuletettava räjähdyssuojattuja puhaltimia käyttäen siten, että varastosta poistettavan ilman hiilivetypitoisuus pysyy tuuletusta jatkettaessa selvästi alle LEL-rajan (< 1 % LEL). Tuuletusilma tulee johtaa hajukaasujen käsittelyn kautta (hajukaasujen poltto tai katalyyttinen käsittely – huom. liekinestimet!), jotta ilmaan ei pääse haitallisessa määrin VOC-yhdisteitä.

2.6 Luolaston nykykunnon ja korjaustarpeen arviointi Olemassa olevan aineiston perusteella kallion laatu alueella on varsin hyvä eikä merkittäviä heikkousvyöhykkeitä esiinny. Kalliotilojen kunnon arvioimiseksi ja tarvittavien lisälujitusten tarpeen määrittämiseksi on syytä laatia erillinen selvitys. Selvityksen yhteydessä kallion kunto on pyrittävä arvioimaan tunnelitiloissa tehtävien katselmuksien avulla.

Tässä yhteydessä on myös analysoitava kaikki käytettävissä oleva tieto kalliotilasta, sen rakentamisesta ja lujituksista sekä alueen kallioperästä ja aiemmin tehdyistä maaperä- ja kalliotutkimuksista. Tarvittavan lisälujituksen arvioimiseksi on tehtävä lämpösimulointi ja kalliomekaanisia laskelmia ja mallinnuksia. Mikäli alustavassa katselmuksessa osoittautuu, että tunneli on hyvässä kunnossa ja turvallinen, voidaan ennen varsinaista peruskorjausta kalliotilassa tehdä kartoitus ja siirrettävän työalustan avulla. Työalustalta tehtävän tarkastuksen tekemiseksi kalliotila on tyhjennettävä vedestä. Työalusta tehtävää tarkastusta varten on ajotunnelista poistettava noin 3 metrin paksuinen teräsbetoninen paineseinä.

2.7 Luolaston peruskorjaus Nykytilanteessa säiliöiden katto- ja seinäpinnat ovat kokonaan ruiskubetonoimattomia. Kalliotilan käyttö lämpöakkuna asettaa kalliotilan lujituksille ja tiiveydelle suuremmat vaatimukset. Varaston korkea lämpötila ja lämpötilan muutokset aiheuttavat kalliossa liikuntoja ja kallion jännitystila kasvaa. Peruskorjauksen yhteydessä on kalliotilan katosta ja seinistä poistettava irtonaiset kappaleet ja lohkareet. Tässä yhteydessä voidaan tarkentaa kallion lopullinen lujitustarve.

Kalliotilaa on todennäköisesti tarpeen vahvistaa paremman paineenkeston, pysyvyyden ja tiiveyden saavuttamiseksi pultituksella, ruiskubetonoimalla ja injektoimalla. Tiivistysinjektointien tekeminen on mahdollista myös maan pinnalta. Kalliotiloihin johtavien tunneleiden poikkileikkaus on nykyisen mittapuun mukaan varsin pieni. Tämä asettaa rajoituksia tarkastus- ja korjaustöissä käytettävälle kalustolle.

16X254625 8


Myös kalliotilan korkeus 20 metriä vaikeuttaa tehtävää korjausta katon osalta. Säiliöiden pohjoispäissä korkeus on vain 11,9–13,7 metriä. Korjaustöitä varten on varauduttava noin 200 metrin pituisen ajotunnelin korottamiseen pohjan tai katon lisälouhinnalla. Tarvittavien lujitus- ja korjaustoimenpiteiden laajuudesta riippuen valitaan korjauksessa käytettävät työmenetelmät ja työvälineet. Hyvin pienimuotoisia ja paikallisia rusnaus- ja lujitustoimenpiteitä voidaan mahdollisesti tehdä siirrettävien työalustojen avulla. Kattavampia korjaustoimenpiteitä varten on käytettävä tehokkaampia laitteita ja menetelmiä.

Korkealla olevan katon lujitustöitä voidaan tehdä siirrettävän työalustan tai louhepenkan päältä. Lisäksi työ on pyrittävä tekemään kalustolla millä on suuri ulottuvuus. Tällöin tarvittavien työalustojen tai louhepenkkojen korkeus pienenee. Louhetta voidaan saada esim. tekniikkaa varten varastoluolien yhteyteen louhittavista lisätiloista.

Eräänä vaihtoehtona on töiden tekeminen vedellä täytetyssä kalliotilassa työlautan päältä. Tässä kohteessa ajotunnelin koko on varsin pieni, joten lautan saaminen tunnelitiloihin on hyvin hankalaa. Tässä kohteessa kalliotilan korkeus on suhteellisen pieni (max. 20 m) ja lujitustarve todennäköisesti melko vähäinen. Tällöin työlautan käyttöä suurista alkuinvestoinneista johtuen voidaan pitää huonona ratkaisuna.

Liitteessä 1 on esitetty, mitä työvaiheita luolaston muuttaminen lämpöakuksi vaatisi.

3 TEORIAA LUOLAN KÄYTTÄMISESTÄ LÄMPÖVARASTONA

3.1.1 Teoriaa luolan lataamisesta ja purkamisesta Kalliolämpövarastossa pääasiallisena lämpöä varastoivana aineena toimii varastossa oleva pohjavesi. Kalliolämpövarastossa on pohja/merivettä ympäröivän pohjaveden paineessa ja vesi tulee erottaa kaukolämpöpiiristä lämmönsiirtimillä. Pohjaveden ja kaukolämpöveden erottavien lämmönsiirtimien asteisuus tulee lähtökohtaisesti valita pieneksi, lämmönsiirrininvestointi kasvaa kuitenkin asteisuuden pienentyessä ja priimaus-energian hinta määrittää taloudellisen asteisuuden (käytännössä välillä 2 - 5°C). Kalliolämpövaraston laajuus ja suuri vesitilavuus mahdollistaa suurten energiamäärien varastoinnin ja varastoveden lataus/purkuvirtausta voidaan hallita hyvinkin suuressa mitassa (tarvittaessa useita satoja MW). Järjestelmän maksimoimiseksi purkutehon suhteen tulisi lämmönsiirrinaseman sijainti olla alhaalla (purkupumppauksen imupaine maksimilämpötiloilla). Käytännössä lataus- ja purkutehon määrittää taloudellinen lämmönsiirrin- ja pumppumitoitus sekä kaukolämpöjärjestelmän asettamat vaatimukset. Lämpövaraston käyttöönotossa lämpötilaa nostetaan vähitellen 5…40…95°C. Aluksi varastoa voisi olla taloudellisinta esilämmittää kaukolämmön paluuvedellä (lämmönsiirrinaseman pumpuille johdetaan paluuvettä ja lämmönsiirrinten jälkeen paluuvesi johdetaan tuotantolaitoksille menevään putkihaaraan). Varastoveden ja kallion lämmettyä n. 40°C:een lämmitystä jatketaan normaalisti menoveden lämmöllä (esilämmitystä/latausta silloin kun muu KL-kuorma on pientä). Jatkossa, kun varaston mahdollinen öljypitoisuus ja lämmityksen yhteydessä kaasuuntuvien jakeiden erottuminen on saatu vähemmäksi, voidaan lämpötilaa mahdollisesti edelleen nostaa.

16X254625 9


KE syöttää mereen kesäisin runsaasti lämpöä apujäähdyttimiltä. Tätä lämpöä on todennäköisesti niin paljon, että luolaston alkulämmitys voidaan toteuttaa tällä menoveden ilmaisella lämmöllä.

Ympäröivän kallion ja pohjaveden lämpötilaa tulee seurata lämpövarastokäytön aikana (mittauskaivot ja lämpökamerakuvaus) ja tarkkailla kuinka tiivis varasto on – mikäli tiiveys on hyvä, voidaan ylin varastointilämpötila nostaa kaukolämpöverkon tarpeita vastaavaksi esim. 110°C:een. Varastointilämpötila tulee pitää niin alhaisena, että veden höyrynpaine ei ylitä varaston ylimmissä halkeamissa vallitsevaa pohjaveden painetta. 110°C vastaava höyrynpaine on 143,3 kPa, jolloin pohjaveden pinnan tulee olla vähintään 4,33 m varaston ylintä pistettä (ylin halkeama) korkeammalla. Lämmönsiirto ympäröivään kallioon on kallion lämmettyä normaaliin varastointilämpötilaan 40 – 100°C hidasta ja ko. lämmönsiirrolla on merkitystä lähinnä kausivarastoinnissa kun lataus ja myös purkusyklit ovat hitaita (viikkoja - kuukausia). Pohjaveden mahdollinen liikkuminen kasvattaa lämpöhäviötä merkittävästi ja etenkin jos yli 100°C vesi pääsee karkaamaan varastosta ja edelleen höyrystymään, kasvaa lämpöhäviö huomattavasti (tällöin yli 100°C käyttö ei ole mahdollista eikä turvallistakaan). Lämpövarastoinnissa hyödynnetään varastoveden lämpötilakerrostumista. Lataussuuttimien tulee olla suunnitellut tasaista ja pyörteilemätöntä virtausta silmällä pitäen ja suuttimen korkeus tulee olla optimoitu veden hyvää lämpötilakerrostumista varten. Suuttimista sekoittumattomana leviävä korkeampilämpötilainen vesi etenee kerroksena luolan katon ja kylmemmän veden välissä aina luolaan päätyihin saakka ja alkaa työntää kylmempää vettä alaosan suutinputkiston kautta pois luolasta. Luolasta poistuva vesi kierrätetään lämmönsiirtimien kautta ja lämmitetään kaukolämmöllä haluttuun latauslämpötilaan (lähelle kaukolämmön menolämpötilaa) ja palautetaan em. yläsuuttimien kautta takaisin luolaan. Veden lämpenemisestä johtuvan paisunnan takia alemmista suutinputkista tulee olla yhteys paisuntatilaan. 78 000 m3 akkutilavuutta varten tarvitaan runsaan 3 000 m3 paisuntatilavuus, kun toimitaan lämpötilavälillä 40°C - 110°C. Paisuntatila tulee sijoittaa pohjaveden pinnan yläpuolelle (maanpäällinen varastosäiliö paisuntasäiliöksi) tai tiiviiseen ajotunneliosaan. Paisuntasäiliön olisi hyvä olla akun yläsuuttimien yläpuolella.

3.1.2 Luolan muodon ja ominaisuuksien sopivuus lämmön varastointiin Varaston muodostuminen kahdesta pääluolasta ja niitä yhdistävistä tunneleista mahdollistaa varaston jakamisen kahteen osastoon. Luolien välinen etäisyys on niin suuri, että lyhytaikaisessa varastoinnissa viereisen luolan lämpötilataso ei juurikaan vaikuta käytössä olevan varaston ominaisuuksiin.

Kumpaakin säiliöosaa voidaan periaatteessa käyttää samoilla lämpötiloilla, mutta korkealämpötilainen yli 100°C (110°C) varastointi on rajattava vain tiiveydeltään riittävään luolaosuuteen. Lämpövarastokäyttöä varten varastoa ei tarvitse välttämättä tyhjentää – osittainen tyhjentäminen ja vesieristäminen lienee kannattavaa lämmönsiirrinaseman sijoittamiseksi luolastoon.

Väliseiniä ei tarvita, paitsi em. lämmönsiirrin- ja pumppaamotilan erottamiseksi luolaston ajotunneliin (pohjaveden pinnan alapuolelle).

16X254625 10


3.1.3 Lämpötilalaskelmat Katariinan luolaston ympäröivän kallion lämpenemisestä ei tässä selvityksessä tehdä laskelmaa. Vastaavanlaisesta kohteesta on selvitetty kalliomassan lämpeneminen ja sen vaikutus maanpinnan siirtymiin. Kalliomassan lämpötekniset ominaisuudet selvityksessä olivat:

ominaislämpökapasiteetti, 762 J/kg°C

lämmönjohtavuus, 3,4 W/mK

lämpölaajenemiskerroin, 4.3e-6 Mallin lämpöreunaehdot olivat yksinkertaistettu todellisuuteen verrattuna, lämmön konvektiota ei mallinnettu vaan lämpöreunaehtona käytettiin vakiolämpötilaa. Kalliotiloissa reunaehdon lämpötila oli +65 °C ja mallin muissa reunoissa lämpötila oli +9°C. Kalliotilojen lämpöreunaehto sovittiin kuvaamaan veden lämpötilavaihtelua välillä +30°C…95°C. Mallin muut lämpöreunaehdot vastasivat alueen pitkän aikavälin maksimikeskilämpötilaa 8,6°C

Tarkastelujen perusteella merkittävimmät muutokset kalliomassan lämpötilassa tapahtuvat käyttöönoton alkuvuosina. Kymmenen käyttövuoden jälkeen tapahtuvat muutokset ovat melko vähäisiä. Lämpötilan nousun aiheuttamat siirtymät maan pinnalla ovat noin 15 mm 10 vuoden käytön jälkeen.

Luolastoja ympäröivän kalliomassan lämmittämisen käytettävän energian määrän arvioimiseksi sekä tilojen kalliomekaanisen käyttäytymisen selvittämiseksi tulee tehdä tarkempia simulointeja.

Kuva 3-1.Kalliomassan lämpötila 1 vuoden käytön jälkeen (6.5E+01 = 65°C).

16X254625 11


Kuva 3-2. Kalliomassan lämpötila 10 vuoden käytön jälkeen (6.5E+01 = 65°C).

3-3. Kalliomassan lämpötilan aiheuttamat siirtymät 10 vuoden käytön jälkeen (1.6E-02 = 16 mm).

16X254625 12


4 LASKELMIEN LÄHTÖARVOJA

4.1 Kotkan Energian kaukolämmön hankinta nykyisin Seuraavassa kuvassa on esitetty KE:n lämmönhankinta. KE:lla on myös kaksi isoa höyryasiakasta, mutta höyryntoimituksia ei käsitellä, vaan oletetaan lämmönvarastoinnin vaikuttavan vain kaukolämmön tuotantoon.

Kuva 4-1. Kotkan Energia lämmöntuotanto nykykoneistolla

Hovinsaaren kombivoimalaitoksen ajo on pääsääntöisesti kannattamatonta nykyisillä sähkön ja kaasun hinnoilla. Laitosta on ajettu talvisin 2-5 viikon ajan, koska KE:n lämmön tuotantokapasiteetti ei muuten riitä huippupakkasilla, ja jolloin sähköntuotanto on paremmin kannattavaa.

Tuotantoyksiköiden tekniset arvot on koottu seuraavaan taulukkoon.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 727 1453 2179 2905 3631 4357 5083 5809 6535 7261 7987 8713

MW

tunti

Kotkan Energia OyLämmön hankinta tyyppivuotena

Apujäähdyttimeen 19 GWh/a HOB, kl, POK 3 GWh/a

HOB, kl, maakaasu 7 GWh/a Kombi; lisäpoltto 2 GWh/a

Kombi; base load 15 GWh/a KM-osto 42 GWh/a

KARBIO 51 GWh/a Bio - kl 264 GWh/a

Hyöty - kl 66 GWh/a

16X254625 13


Taulukko 4-1. Tuotantoyksiköiden kapasiteetit (MW) ajojärjestyksessä

Kotkamills:n oston minimiteho tuottaa kesällä ongelmia, koska KE joutuu kesällä ajamaan huomattavat määrät lämpöä apujäähdyttimellä mereen. Akun avulla osto Kotkamills:lta loppuu. KARBIO:n minimiteho on nolla, koska vuositaseita laskettaessa on oletettu, että muut yksiköt tarvittaessa väistävät, jotta KARBIO:ta ei tarvitse ajaa alas lyhytaikaisten kuormavaihteluiden takia. Ilman akkua KARBIO ajaa marraskuun alusta huhtikuun puoliväliin. Vain Biovoimalaitoksen sähköntuotannolla on merkitystä laskettaessa lämpöakun kannattavuutta. Tämä sen takia, koska Hyötyvoimalaitoksen sähköntuotantoon akulla ei ole vaikutusta, ja kombin+lisäpolton sähkön tuotantokustannusten oletetaan olevan samaa suuruusluokkaa sähkön arvon kanssa.

4.2 Laskentaperiaate Seuraavassa kuvassa on esitetty, milloin kaukolämpöakkua pääsääntöisesti käytetään.

YhteensäKotkamills minimiteho 3,5 4Hyötyvoimala 8 12Hovinsaaren biokattila 50 62Karbio 18 80Kotkamills perusteho max 2,5 82Kombikattila 36 118Kombi lisäpoltto 25 143Apukattila hovinsaari maakaasu 22 165Kotkamills höyryteho 4 169Pappila lämpökeskus maakaasu 10 179Hyötyvoimala maakaasu apukattila 8 187Karhuvuori lämpökeskus POK 20 207Itäkatu lämpökeskus POK 50 257Madesalmi lämpökeskus POK 16 273

16X254625 14


Kuva 4-2. Lämpöakun pääasialliset käyttöjaksot

Lämpökuorman tasauksella pyritään seuraaviin hyötyihin:

Apujäähdyttimellä tuotettava sähkön normaalisti hukkaan menevä lämpö otetaan akkuun talteen

Öljy- ja kaasukattiloiden tuotantoa korvataan o talvella kombivoimalaitoksen tuotannolla o keväällä, kesällä ja syksyllä biovoimalaitoksella ja KARBIOlla

Kombivoimalaitoksen ei enää tarvitse säätää (tämän hyödyn mahdollista rahallista arvoa ei oteta huomioon)

4.2.1 Ei huomioitavia hyötyjä Seuraavassa on lueteltu hyötyjä, joiden arvottaminen rahassa on vaikeaa, ja on siten tässä jätetty huomioimatta.

Lisäkapasiteetti Pienten (5 000-15 000 m3) kaukolämpöakkujen osalta usein katsotaan, etteivät ne vähennä lämmöntuotannon varakapasiteetin tarvetta. Suuressa lämpöakussa voisi tilanne olla se, että akun kapasiteetista osa varattaisiin häiriötilanteisiin. Tätä ei tässä selvityksessä oteta huomioon. Mikäli kalliovarasto varustetaan priimauskattilalla, sen voidaan katsoa vähentävän varatehon tarvetta, koska nykyisellään KE:n varatehoa ”ei ole liikaa”. Tämän varatehon arvo otetaan siis näissä laskelmissa huomioon.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 727 1453 2179 2905 3631 4357 5083 5809 6535 7261 7987 8713

MW

tunti

Kotkan Energia OyLämpöakun käyttöna

= tasaus kombille= purku= lataus

16X254625 15


Sähkön hintapiikkien hyödyntäminen Akku mahdollistaa kombivoimalaitoksen ajamisen täydellä teholla tilanteissa, joissa sähkössä on korkeita hintapiikkejä. Näitä satunnaisia hyötyjä ei ole pyritty arvioimaan.

Seisokkien ajoittaminen Akulla saattaa olla vaikutusta operatiivisten seisokkien ajoittumiseen. Samoin akku saattaa helpottaa laitosten ylös- ja alasajoa, kun ei olla niin riippuvaisia kaukolämmönkulutuksen käyttäytymisestä.

Maakaasutariffi Akulla on myös edullinen vaikutus maakaasun käyttöprofiiliin, millä taas saattaa olla edullinen vaikutus maakaasun ostokustannuksissa.

Häiriöreservi Edullisten tuotantoyksiköiden vikautuessa näiden yksiköiden ennen vikaantumista akkuun varastoimaa edullista lämpöä voidaan purkaa verkkoon.

Kaukolämmön pumppaus Akku voi vaikuttaa edullisesti kaukolämpöverkon pumppausolosuhteisiin, jos lähellä kulutusta oleva akku tasaa lämmön pumppausta päivältä yölle.

Lisäjäähdytysteho Tilanteissa, joissa laitoksen lisäjäähdytysteho on laitoksen käyttöä rajoittava tekijä, voitaisiin lämpöä ajaa akkuun.

Kombivoimalaitoksen rakennussuhteen optimointi Teoriassa akku mahdollistaa kombivoimalaitoksen ajon optimoinnin niin, että laitoksen rakennussuhde heikkenee silloin, kun tuotettu lämpö on arvokkaampaa kuin sähkö.

4.3 Muita lähtöarvoja

4.3.1 Lämmöntarve KE:n kaukolämmön tuotanto (brutto, sis. häviöt) on 450 GWh/a. Lämmöntuotannon vaihtelun oletetaan noudattavan vuoden 2012 mitattua tuotannon vaihtelua.

4.3.2 Hintatiedot Laskelmissa käytettävät hinnat on koottu seuraaviin taulukoihin:

Laskelmissa käytetyt hinnat ovat KE:n luottamuksellista tietoa, ja ne on tässä raportin julkisessa versiossa jätetty pois

16X254625 16


Sähkön markkina-arvona käytetään arvoa 42 EUR/MWh. Tämä arvo sisältää säästön, joka saadaan omalle sähköntuotannolle kantaverkkoyhtiön kuormitusmaksusta (otto: 0,95 EUR/MWh). Tuotettu sähkö menee kokonaisuudessa KE:n omaan kulutukseen.

Kesällä tuotetun ”pakkoapujäähdytyssähkön” arvona käytetään noin 10 % alempaa hintaa kuin vuoden keskihinta.

Turpeen ja puun suhde KPA-kattiloissa on 30 / 70 .

4.3.3 Kaukolämpöveden meno- ja paluulämpötila Seuraavassa kuvassa on esitetty kaukolämmön meno- ja paluulämpötilan vaihtelu Hovinsaaressa vuonna 2012. Samaan kuvaan on myös merkitty Itäkadulla noudatettavan menolämpötilan arvot.

Kuva 4-3. Kaukolämpöveden menolämpötila

Laskelmissa oletetaan, että Katariinan luolaan varastoitavan (ja mahdollisesti myös purettavan) kaukolämpöveden lämpötila noudattaa Itäkadun ohjelämpötilaa.

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

Men

o-ja

pal

uulä

mpö

tila,

°C

Ulkolämpötila, °C

KL-MENOVEDEN LÄMPÖTILA2

KL-VEDEN PALUULÄMPÖTILA1

OHJEKÄYRÄ, Itäkatu

16X254625 17


4.3.4 Akun liittäminen kaukolämpöverkkoon Liitteessä 2 on esitetty Kotkansaaren länsiosan nykyinen kaukolämpöverkko.

Näissä laskelmissa oletetaan, että akku liitetään kaukolämpöverkkoon Länsisataman teollisuusalueella. Mahdollinen priimauskattila tulisi myös tänne.

Kaukolämpöverkon runkoputkelta (DN400) on Länsisatamaan DN200 –putki. Länsisatamassa putki jatkuu dimensiolla DN150. DN200 mahdollistaa teoriassa 12 MW siirron ja DN150 6 MW siirron. Käytännössä hetkellisesti tehot voivat olla näitä arvoja suuremmat.

Akkua ladataan silloin, kun lämmöntarve muuten on vähäistä. Purettaessa lämpö taas siirtyy ”vastavirtaan”, ja osa lämmöstä kulutetaan lähellä akkua. Nämä seikat pienentävät tarvittavia putkidimensioita. Myöhemmin esitettävien laskelmien perusteella akun maksimaalinen purku- ja latausteho ovat selvästi alle 50 MW. Tehojen rajoittamisella on kuitenkin vain pieni vaikutus akulla saataviin säästöihin. Tässä työssä latausteho rajataan 20 MW:iin ja purkuteho 25 MW:iin.

Laskelmissa oletetaan, että akun lataus ja purku edellyttävät, että akku kytketään DN250 –johdolla nykyiseen DN400 johtoon. Uutta DN250 johtoa tulee tällöin noin 2 km. Yksikköhinnalla 350 EUR/m investoinniksi tulee 700 000 EUR. Rakennettava johto on esitetty liitteessä 2. Akun lämmönvaihtimille menevä kl-johto menee alas luolaan nykyistä ajoluiskaa pitkin. Katariinan puisto kierretään vetämällä uusi putkilinja Puistokadun laitaan.

Uuden johtoreitillä on jonkin verran rakennuksia, jotka saattaisivat lisätä KE:n kaukolämmön toimitusta.

Siltä osin, kuin uusi johto kulkee olemassa olevan johdon rinnalla, voitaisiin uuden johdon dimensiota mahdollisesti pienentää.

Mikäli Katariinan alueelle rakennetaan uusia kerrostaloja ja/tai kylpylä, voi tilanne akun kytkemisen kannalta muuttua huomattavasti edullisemmaksi.

5 KAUKOLÄMPÖVARASTON KANNATTAVUUS

5.1 Katariinan luolaston kapasiteetti lämpövarastona Kalliovaraston koko tilavuutta ei käytännössä voi laskea akun kapasiteetiksi. Suurin ”hukkatilavuus” aiheutuu akun kuuman ja kylmän osan välissä olevasta nk. harppauskerroksesta. Akun kapasiteettia kasvattaa vesitilavuuden ympärillä oleva kallio, joka sekin osittain varaa ja luovuttaa lämpöä. VTT:n aikanaan tekemien mittausten perusteella 2-3 metriä kallioseinämästä osallistuu akun purkuun ja lataukseen.

Tässä laskelmassa oletetaan, että akun tehollinen tilavuus on 70 000 m3. Akun kuuman osan lämpötila oletetaan olevan yli 100 °C. Keskimääräisellä paluulämpötilalla 50 °C akun varastointikapasiteetiksi saadaan noin 4 400 MWh.

16X254625 18


Lämpöakun käyttöä on tässä laskelmassa pyritty optimoimaan vain sen verran, kuin voidaan olettaa operaattoreiden pystyvän akkua ajamaan. Löydettyjen säästöjen määrää voidaan siis pitää miniminä. Todellisessa tilanteessa säästöjen määrä lienee suurempi.

5.2 Akun lämpöhäviöt Sen jälkeen, kun akun kuuma vesi on lämmittänyt kalliovaraston ympärillä olevan kallion, lämpöhäviöt tasaantuvat. Tämä vaihe voi kestää useamman vuoden. Lämpöä kuitenkin johtuu käytön aikana ympäristöön, mutta häviöiden suuruutta on vaikea ennakolta arvioida. Syvällä maan alla häviöt ovat teoriassa olemattomat, mutta lähellä maan pintaa lämpöä johtuu luolan katon kautta ilmaan, pohjavesivirtauksiin ja vieressä olevaan mereen. Häviöiden suuruuteen vaikuttaa suuresti varaston käyttösyklien nopeus.

Suurimmillaan häviöt olisivat varastossa, jota käytetään kausisäätöön, eli akku ladataan kesällä täyteen ja puretaan vasta talvella. Katariinan akku ei toimisi kausivarastona.

Oulun kalliovaraston häviöiden arvioitiin teoreettisiin laskelmiin perustuen olevan käytöstä riippuen 5-15 % akkuun ladatusta lämmöstä. Käytännössä häviöt ovat olleet lähes 40 %! Suurin syy suuriin häviöihin on ollut akun käytön vähäisyys.

Näissä laskelmissa Katariinan kalliovaraston lämpöhäviöiden oletetaan olevan suhteellisen suuret; 50 % akun kapasiteetista. Eli jos akku ladattaisiin vuoden aikana kerran (esim. kesällä) ja purettaisiin kerran (esim. talvella), puolet akkuun ladatusta lämmöstä olisi menetetty häviöinä. Katariinan akkua puretaan ja ladataan usean kerran vuoden aikana, jolloin prosentteina akkuun ladatusta lämmöstä menetetään häviöinä huomattavasti vähemmän kuin 50 %.

Lämpöhäviöt oletetaan tuotetuksi priimauskattilalla, jolloin lämpöhäviöiden yksikkökustannus on pellettikattilalla tehdyn lämmön tuotantokustannus.

5.3 Akun lämpötila Laskelmissa oletetaan, että akkuun voidaan tarvittaessa ladata yli 100 °C asteista vettä.

Akkuun ladattu ja purettu lämpö menee kahteen kertaan lämmönvaihtimien läpi, jolloin akun kuumasta osasta saatava lämpötila on lähtökohtaisesti lämmönsiirtimen kahden asteisuuden (yhteensä noin 5 °C) verran kylmempää, kuin kaukolämpöveden menolämpötila. Lisäksi kesällä akkuun ladattu lämpö on kylmempää kuin menovesi purettaessa, jos lämpö puretaan syksyllä ja talvella. Akku varustetaan priimauskattilalla, joka nostaa akkuun ladattavan veden lämpötilaa ja tarvittaessa nostaa myös purettavan veden lämpötilaa. Seuraavissa kuvissa on esitetty akun lämpötilatasot vuoden aikana. Laskelmissa ei ole otettu huomioon, että priimauskattila voisi nostaa akun kuuman osan lämpötilaa myös silloin, akkua ei pureta eikä ladata.

16X254625 19


Kuva 5-1. Akun kuuman osan lämpötila ja priimausteho

Kuva 5-2. Kaukolämpöveden ohjelämpötila ja akusta otettavan veden lämpötila

Kuvasta 5.2 nähdään, että valituilla lähtöarvoilla akusta otettavan veden lämpötila on lyhyitä hetkiä alle ohjekäyrän.

Priimauskattilan tehoksi on oletettu 6 MW.

16X254625 20


Priimauksen oletetaan kompensoivan varaston lämpöhäviöt. Laskelmissa ei oteta huomioon, että priimauskattilaa voitaisiin ajoittain käyttää kaukolämmön tuottamiseen suoraan, vaikka akkua ei oltaisi purkamassa. Todellisuudessa priimauskattilan teho optimoidaan, ja se osallistuu kaukolämmön tuotantoon muiden tuotantoyksiköiden rinnalla. 6 MW on siis laskennallinen arvo, jolla vain korjataan investointia niin, että priimaustarve on otettu huomioon.

Priimaus voitaisiin myös ajoittain hoitaa nostamalla kaukolämpöverkon menolämpötilaa.

5.4 Investointiarvio Akun investointiarvio on esitetty seuraavassa taulukossa. Taulukko perustuu pitkälti Oulun kalliovaraston rakentamisessa saatuihin kokemuksiin. Akussa oleva vesi tulee ennen akun varsinaista käyttöönottoa lämmittää noin 50 °C lämpötilaan. Tähän tarvittava lämpömäärä on luokkaa 4 GWh. Kappaleen 3.1.3 kuvista voidaan arvioida, että lämpöakun ympärillä olevaa kalliota tulee lämmittää 20-30 metrin matkalla. Lämpötilannousu on tällöin keskimäärin vajaa 40 °C. Olettaen kallion lämpökapasiteetiksi 0,57 kWh/m3,°C on tarvittava lämmitysenergia luokkaa 7 GWh.

Veden ja kallion alkulämmityksestä voitaisiin suuri osa tuottaa kaukolämpöverkon paluuvedellä. KE:n kuitenkin joutuu syöttämään lähes 20 GWh lämpöä apujäähdyttimeen joka kesä. Tämä lämpömäärä riittäisi lämmittämään akun alkulämpötilaansa jo yhden kesän aikana. Akun alkulämmityksen voidaan siis katsoa olevan ilmaista.

Taulukko 5-1. Kalliovaraston investointiarvio

Oulun kalliovaraston investointikustannus 13 750 kMK2 312 kEUR

Rakennuskustannusindeksi, kokonaisindeksi, 1995 = 100 - elokuu 2014 149,9

Investointiarvio 2014 3 466 kEURVaraus, 10 % 347 kEUR6 MW pellettikattila 1 680 kEUR - pellettikattilan tehon arvo -720 kEURKallion lämmityskustannus 0 kEUR

Vesitilavuuden alkulämmitys, 5 -> 50 °C 0 kEURKl-siirtojohto 700 kEUR

Kokonaisinvestointi 5 472 kEUR70 EUR/m3

16X254625 21


Akun lämpötilan priimauskattilan oletetaan vähentävän KE:n tarvetta varalämpökapasiteettiin, jolloin investoinneista on vähennetty vastaavankokoisen öljykattilan investointi.

Priimauskattilaa voidaan ajoittain käyttää myös muuhunkin lämmöntuotantoon kuin akun lämpötilan priimaamiseen. Tästä mahdollisesti saatavia säästöjä ei näissä laskelmissa oteta huomioon. Priimauskattilan on oletettu olevan tyypiltään pellettikattila (pölypoltto), koska alueen sijainti keskeisellä paikalla kaupungissa voi vaatia mahdollisimman huomaamattoman ratkaisun.

Mikäli priimauskattilalla tuotetaan lämpöä myös suoraan kaukolämpöverkkoon esimerkiksi vähentämään kombivoimalaitoksen tuotantoa, saattaisi priimauskattila olla myös hakekattilaa tai jopa kuumalla ilmalla toimivaa mikrokaasuturbiini. Mikrokaasuturbiini olisi uusinta tekniikkaa, ja voisi tuoda hankkeelle imagohyötyjä.

Edellä esitetty investointiarvio on hyvin karkea. Muutostyössä saattaa tulla vastaan hankalasti toteutettavia ja kalliita työvaiheita, kuten kappaleessa 2 esitettiin.

5.5 Kaukolämpöakun käyttökustannukset Oulun kokemusten perusteella kaukolämpöakun käyttökustannukset ovat hyvin pienet. Tässä selvityksessä kiinteiden käyttökustannusten oletetaan olevan 1 % vuodessa koneiden ja laitteiden investoinnista. Katariinan akku sijaitsee KE:n kaukolämmön kulutuksen kannalta keskeisellä paikalla. Tämä voi jopa pienentää kaukolämmön pumppauskustannuksia, kun lämpö voidaan pumpata pienen kulutuksen aikaan lähemmäksi asiakkaita.

Akun purku ja lataus kuitenkin itsessään aiheuttaa lisäpumppausta. Lisäpumppauksen määrään oletetaan kuitenkin olevan pieni; 2 * 0,2 % pumpatusta lämpömäärästä.

5.6 Energiataseet Lämmöntuotanto nykykoneistolla on esitetty kappaleessa 4.1.

Lämmön hankinta tilanteessa, jossa lämpökuormaa on tasattu 78 000 m3 suuruisen akun avulla on esitetty seuraavassa kuvassa.

16X254625 22


Kuva 5-3. Kaukolämmön tuotanto, kun lämmönkulutusta on tasattu lämpöakun avulla

Lämpöakun täyttyessä kesällä, joudutaan osa Bio-voimalaitoksen tuotannosta ajamaan apujäähdyttimeen. Määrä on kuitenkin huomattavasti pienempi kuin ilman lämpöakkua.

Bio-voimalaitoksen pesurista saatavaa lämpömäärä ei aina ole kyetty ennakoimaan. Tämä näkyy kuvassa pieninä määrinä Karbion tai lisäpolton tuotantoa.

Laskelmissa on oletettu kombivoimalaitoksen lämmöntuotannon olevan edullisempaa, kuin erillisillä kaasukattiloilla. Maakaasun ja sähkön hintasuhteista riippuen kombivoimalaitoksen tuotantoa saatetaan ajoittain korvata erillisillä kattiloilla. Seuraavassa kuvassa on esitetty, miten lämmöntuotannon pysyvyyskäyrä muuttuu akun avulla.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 727 1453 2179 2905 3631 4357 5083 5809 6535 7261 7987 8713

MW

tunti

Kotkan Energia OyLämmön hankinta tyyppivuotena; kulutusta tasattu lämpöakulla

Apujäähdyttimeen 8 GWh/aHOB, kl, POK 0 GWh/aHOB, kl, maakaasu 1 GWh/aKombi; lisäpoltto 1 GWh/aKombi; base load 33 GWh/aKM-osto 0 GWh/aKARBIO 54 GWh/aBio - kl 293 GWh/aHyöty - kl 66 GWh/a

16X254625 23


Kuva 5-4. Lämmönhankinnan pysyvyyskäyrä ilman akkua ja akun kanssa

Suurella lämpöakulla lämmöntarvetta kyetään tehokkaasti ohjaamaan niin, että se sopii tuotantokapasiteetin edullisimmille yksiköille. Seuraavassa kuvassa on esitetty akun tila vuoden mittaisen jakson aikana.

Kuva 5-5. Lämpöakun tila vuoden mittaisen jakson aikana

Seuraavaan taulukkoon on edellisten kuvien arvot koottu numeroina.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 727 1453 2179 2905 3631 4357 5083 5809 6535 7261 7987 8713

MW

tunti

Lämmöntarpeen pysyvyys

Ilman akkua

Akun kanssa

0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

3 500

4 000

4 500

-100

0

100

200

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Hea

t in

stor

age,

MW

h

MW

Charge of the storage

Discharge of the storage

LOAD

Production, Reserve

Production, base capacity

Energy in storage

16X254625 24


Taulukko 5-2. Energiataseet

Kotkamills:n oston päästöt on laskettu olettaen lämpö tehdyksi maakaasulla 90 %:n hyötysuhteella.

KE:n energian (lämpö+sähkö) tuotanto kasvaa akun avulla. Tästä huolimatta CO2-päästöt jopa vähentyvät ja tuotannon kokonaishyötysuhde paranee.

Kombivoimalaitoksen sähköntuotanto on pidetty samana ilman akkua ja akun kanssa. Todellisuudessa akku mahdollistaa yhteistuotantosähkön määrän lisääntymisen, mutta kombivoimalaitoksella tehdyn sähkön tuotantokustannukset ovat lähellä sähkön arvoa, joten lisääntyneen sähköntuotannon tuotot ovat todennäköisesti pienet. Akun avulla sähköntuotantoa voidaan myös tarvittaessa välttää. Akun avulla kombivoimalaitoksen sähköntuotannossa lienee saavutettavissa säästöjä, mutta niiden suuruuden ollessa epävarma on ne jätetty näissä laskelmissa huomioimatta.

Nyky-hankinta

Akun kanssa

Lämmönhankinta, GWh/a

Kaukolämpö

Kotka Mills -osto

- perusteho 35 0

- höyryteho 7 0

Hyöty, kl 66 66

Bio CHP, kl 264 293

KARBIO 51 54

Kombi; baseload 15 33Kombi, lisäpoltto 2 1HOB-maakaasu 7 1,46HOB-POK 3 0,34

Yhteensä, kaukolämpö 450,0 450,0

Apujäähdytyslämpö 19 8Lämmöntuotanto yhteensä 469 458Lämpöakun häviöt 2,2

Sähkön tuotanto, GWh/aBio CHP, kl 74,7 83,3Kombi-voimalaitos 13,8 13,8Apujäähdytys 5,3 2,2

Yhteensä 93,8 99,3

Polttoainetase, GWh/aMaakaasu, perus 0 0Maakaasu, lisä 40 51POK 3 0Turve 114 121Bio 267 283

Yhteensä 424,0 456,0

CO2-päästötase, 1 000 t/a 61 56 - per tuotettu energia 112,9 102,3

Kokonaishyötysuhde (vertailukelpoinen) 102,8 % 106,0 %

16X254625 25


Myöskään apujäähdytyksellä tuotettua sähköä ei oteta huomioon.

Akun avulla kombivoimalaitos ei enää osallistuu lämmöntuotannon säätöön, mikä vaikuttanee kombivoimalaitoksen käyttökustannuksiin alentavasti. Tämänkin säästön rahallinen arvo on vaikeasti arvotettavissa, joten se on jätetty huomioimatta.

5.7 Kustannustaseet ja kalliovaraston kannattavuus Edellisen kappaleen energiataseista ja yksikkökustannusten perusteella päädytään seuraavaan kustannustaseeseen.

Taulukko 5-3. Lämpöakun vaikutus kustannustaseisiin

Laskelmissa käytetyt hinnat ovat KE:n luottamuksellista tietoa, ja ne on tässä raportin julkisessa versiossa jätetty pois

Suurella kaukolämpöakulla päästään siis vuositasolla käyttökustannuksissa noin 700 000 euron säästöihin.

16X254625 26


Akkuinvestoinnin takaisinmaksupiirros on esitetty seuraavassa kuvassa:

Kuva 5-6. Lämpöakkuinvestoinnin takaisinmaksupiirros

3 %:n reaalikorkokannalla akkuinvestoinnin takaisinmaksuaika runsaat 9 vuotta. 20 vuoden laskenta-ajalla investoinnille saavutetaan 11 %:n sisäinen korko. Kalliovarastoja on Suomessa toteutettu vain yksi, joten Katariinan hankkeelle saattaisi olla mahdollista saada tukea uutena teknologiana.

-6 000

-4 000

-2 000

0

2 000

4 000

6 000

0 5 10 15 20

Kum

uloi

tunu

t net

tony

kyar

vo, k

EUR

Vuosi, 0 = 2015 (investointivuosi)

Takaisinmaksupiirros

16X254625 27


6 JOHTOPÄÄTÖKSET Kotkan Energian lämmönkulutuksen tasaaminen suuren lämpöakun avulla tehostaisi lämmöntuotantoa ja toisi mukanaan huomattavat rahalliset säästöt. Lämpöakku mahdollistaisi käytännössä sen, että kaikki tuotanto perustuisi bio-polttoaineisiin ja/tai lämmön ja sähkön yhteistuotantoon. Lämpöakku myös mahdollistaisi pitemmän käyntiajan mahdolliselle uudelle biopolttoaineita polttavalle tuotantoyksikölle. Katariinan käytöstä poistettujen öljyvarastojen muuttaminen kaukolämpöakuiksi vaatisi runsaan 5 milj. euron investoinnin. Energiantuotannon käyttökuluissa saavutettaisiin tällöin noin 700 000 euron säästöt. 3 % reaalikorkokannalla hankkeelle saataisiin runsaan 9 vuoden takaisinmaksuaika. Kalliovarasto olisi käytännössä ikuinen ja tuottaisi vuosien mittaan miljoonien eurojen kumuloituneen nettonykyarvon.

Akku lisäisi biopolttoaineiden osuutta Kotkan Energian lämmönhankinnassa, vähentäisi kasvihuonepäästöjä sekä lisäisi lämmön ja sähkön yhteistuotantoa. Akku myös helpottaisi kombivoimalaitoksen operointia ja/tai parantaa Kotkan Energian mahdollisuuksia myöhemmin korvata kombivoimalaitoksen tuotanto kokonaisuudessaan uusiutuvalla lämmönhankinnalla.

Pöyry Finland Oy, Energia

Jouni Laukkanen Jarkko Lampinen Osastopäällikkö Asiantuntija

Kaukolämpö ja kaukokylmä Kaukolämpö ja kaukokylmä

16X254625 1


Liite 1 Kalliovaraston rakentamisen työvaiheet Työ etenee vaiheittain, eli jos jokin vaihe paljastaa lämpöakun rakentamisen kannalta ylivoimaisia esteitä, hanke voidaan keskeyttää . Kalliolämpövaraston rakentaminen etenee seuraavasti: 1 Luolan alustava kuntoarvio Analyysi kaikesta jo nyt käytettävissä olevasta tiedosta kalliotilasta, sen rakentamisesta ja lujituksista sekä alueen kallioperästä ja aiemmin tehdyistä maaperä- ja kalliotutkimuksista. Analyysista selviää myös mahdollinen tarve lisätutkimuksiin. Tarvittaessa rakennusgeologinen kartoitus, jolloin saadaan käsitys esim. alueen kallioperän rakoilusta, tiheydestä ja rakoavaumista. Tunnelitilojen katselmus, jolloin saadaan alustava arvio lisälujituksen tarpeesta. Lämpösimulointi ja tarvittavia kalliomekaanisia laskelmia ja mallinnuksia. Tästä saadaan myös tarkempaa tietoa varaston kapasiteetista akkusimulointiin. 2 Luolaston tarkempi kartoitus Mikäli alustavassa katselmuksessa osoittautuu, että tunneli on hyvässä kunnossa ja turvallinen, voidaan ennen varsinaista peruskorjausta kalliotilassa tehdä kartoitus ja tarkempi tutkimus siirrettävän työalustan avulla. Työalustalta tehtävän tarkastuksen tekemiseksi kalliotila on tyhjennettävä vedestä. Työalusta tehtävää tarkastusta varten on ajotunnelista poistettava noin 3 metrin paksuinen teräsbetoninen paineseinä. 3 Peruskorjaus Peruskorjauksen yhteydessä on kalliotilan katosta ja seinistä poistettava irtonaiset kappaleet ja lohkareet. Tässä yhteydessä voidaan tarkentaa kallion lopullinen lujitustarve. Kalliotilaa on todennäköisesti tarpeen vahvistaa paremman paineenkeston, pysyvyyden ja tiiveyden saavuttamiseksi pultituksella, ruiskubetonoimalla ja injektoimalla. Ajotunnelin mahdollinen avartaminen. Tarvittavien lujitus- ja korjaustoimenpiteiden laajuudesta riippuen valitaan korjauksessa käytettävät työmenetelmät ja työvälineet. Hyvin pienimuotoisia ja paikallisia rusnaus- ja lujitustoimenpiteitä voidaan mahdollisesti tehdä siirrettävien työalustojen avulla. Kattavampia korjaustoimenpiteitä varten on käytettävä tehokkaampia laitteita ja menetelmiä.

16X254625 2


4 Varsinaisen lämpöakun suunnittelu ja rakentaminen Lämpövaraston rakentaminen voidaan jakaa karkeasti seuraaviin osakokonaisuuksiin:

Kl-verkoston malinnus ja simulointi eri ajotilanteissa Kl-siirtojohdon rakentaminen Pumppaamon ja lämmön siirrinaseman tilan louhiminen ja asennus KL-pumppaamon sähköistys Purku- ja lataussuuttimien asennus Lämpövaraston paisuntajärjestelmän asennus Automaatio Luolaston alkulämmitys Lämmityksen yhteydessä erottuvan öljyn ja hiilivetyhöyryjen erottaminen / soihtupoltto

KOTKAN KAUPUNKI- UUSIUTUVAN ENERGIAN … · 4.3.3 Kaukolämpöveden meno- ja paluulämpötila 16...

Documents

Transcript of KOTKAN KAUPUNKI- UUSIUTUVAN ENERGIAN … · 4.3.3 Kaukolämpöveden meno- ja paluulämpötila 16...