Laskentatyökalu lämpövaraston käytön optimoimiseksi

Abstract

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tehdä laskentatyökalu sähköenergialla ladattavan lämpövaraston optimaalisen toimintamallin selvittämiseksi. Lisäksi työssä tehdään teknistaloudellisia tarkasteluja laskentatyökalua käyttäen. Työn teoriaosuudessa selvitetään lyhyesti kirjallisuustutkimuksen avulla lämpövaraston käytön optimoinnissa huomioitavia taustatekijöitä. Analyysi ja johtopäätökset perustuvat laskentatyökalua apuna käytettyihin teknistaloudellisiin tarkasteluihin, esitettyyn teoriaan ja keskusteluihin toimijoiden kanssa. Työ on toteutettu Lappeenrantalaisen Elstor Oy:n toimeksiannosta.

Lisääntyvän epäsäännöllisen sähköntuotannon takia jatkossa tarvitaan enemmän energiavarastoja ja joustoa. Lämpövarastolla energiaa voidaan varastoida hyödynnettäväksi esim. teollisuuden prosessilämpönä. Lämpövarasto voisi mahdollisesti korvata osittain tai kokonaan polttamiseen perustuvan lämmön tuotannon, mikä auttaisi ylläpitämään sähköverkon tehotasapainoa sekä samalla vähentäisi paikallisia pienhiukkaspäästöjä ja myös kasvihuonekaasupäästöjä, jos sähkö on tuotettu uusiutuvasti. Investointina lämpövaraston kilpailukyky perustuu pääasiassa mahdollisuuteen ostaa sähköä halvalla ja käyttää se lämpönä silloin kun on tarve. Lämpövarastoa voisi olla mahdollista käyttää myös reservimarkkinoilla, mutta luodun laskentatyökalun oletuksena on toimiminen vain Elspot-markkinoilla.

Laskentatyökalu on toteutettu Python-ohjelmointikielellä ja siinä on tiivistetysti kaksi päätoimintoa: 1. Ohjelma analysoi historiallisia Elspot-hintatietoja ja piirtää niistä olennaisia kuvaajia laskentojen perusteella. 2. Ohjelma simuloi lämpövaraston toimintaa Elspot-markkinoilla ohjelman käyttäjän asettamilla lähtöarvoilla ja tulostaa kannattavuuden tunnuslukuja sekä optimoi varaston parametrit. Laskennassa tulot ovat säästöjä vertailukohteeseen nähden.

Kun lämpövaraston kanssa toimitaan pelkästään Elspot-markkinoilla, lataussykli kannattaa olla yksi vuorokausi, jonka aikana ladataan tilanteesta riippuvan lataustuntimäärän ja ajankohdan mukaisesti sopivalla latausteholla. Teknisesti lataustehoa rajoittaa sähköverkon ominaisuudet ja taloudellisesti verkkoyhtiön pätötehomaksu. Kapasiteetti tulee olla sellainen, että se riittää seuraavan lataussyklin alkuun. Halvimmat tunnit ovat yleensä yöllä etenkin, jos käytössä olevalla verkkoyhtiöllä on voimassa halvempi yötariffi. Optimaalinen vuorokautinen lataustuntimäärä on melko epätodennäköisesti huomattavasti yli kahdeksan tunnin, jos energian hinta on merkittävä tekijä.

Elspot-markkinoilla toimiva sähköllä ladattava lämpövarasto voi olla kilpailukykyinen korvaamaan osittain tai kokonaan lämmöntuottojärjestelmän, jossa käytetään suunnilleen maakaasun hintaista polttoainetta. Lähitulevaisuudessa käynnistyvä ydinvoimalaitos Olkiluoto 3 alentanee Suomen aluehintaa hieman ja myös lisääntyvä epätasainen sähköntuotanto aiheuttanee lisää yksittäisiä halpoja tunteja, joten on hyvin mahdollista, että lämpövaraston kannattavuus paranee ajan myötä. Myös tämän työn tarkasteluissa huomioimatta jätetty säätösähkömarkkinan käyttö voisi lisätä lämpövaraston kannattavuutta merkittävästi.

The aim of this Bachelor’s thesis is to create a calculation tool that can be used for solving the optimal operating model of an electrically charged heat storage. Additionally, techno-economic examinations are made using the created calculation tool in this study. In the theory section of this study the background factors that should be considered are sorted out briefly with a literature research. The analysis and conclusions are based on the techno-economic examinations made with the calculation tool, the expressed theory and conversations with the Elstor Oy’s representatives. The study is carried out by the commission of Elstor Oy from Lappeenranta.

Due to increasing irregular electricity production more energy storages and flexibility are needed in the future. With a heat storage, energy can be stored to be utilized for example as a heat source for industrial processes. The heat storage could potentially replace partially or entirely the heat production based on burning, which would not only help maintaining the power balance of the grid but also reducing local fine particle emissions and greenhouse gas emissions as well, if the electricity is produced renewably. As an investment, the heat storage’s competitiveness is mainly based on being able to buy electricity cheap and using it as heat when needed. It could be possible to use the heat storage also in the reserve market, but the calculation tool is created only the Elspot-market in mind.

The calculation tool is created with the Python programming language and it has two main functions in short: 1. The program analyzes historical Elspot price data and draws the essential graphs based on the calculations. 2. The program simulates the heat storage’s operation in the Elspot-market according to inputs given by the user. The program prints characteristics of profitability and optimizes the parameters of the storage. In the calculations incomes are savings compared to a point of reference.

When the heat storage is used only in the Elspot-market, the charging cycle should be one day during which the storage is charged with a suitable power and the number of hours depending on the situation. Technically the charging power is limited by the attributes of the power grid and economically by the grid company’s active power fee. The capacity should be such that it lasts until the next charging cycle. The cheapest charging hours are usually at nighttime especially if the grid company has a cheaper night tariff in effect. The optimal daily charging hour number is quite unlikely considerably more than eight hours if the cost of energy is a significant factor.

The electrically charged heat storage used in the Elspot-market can be competitive compared to a heat production system that uses a fuel with approximately the price of natural gas. The nuclear power plant Olkiluoto 3 starting in the near future will probably reduce Finland’s Elspot area price and also the increasing irregular electricity production may cause more single cheap charging hours, so it is possible that the heat storage’s profitability improves by the time. Moreover, the usage of the regulating power market ignored in this study’s examinations could improve the profitability significantly.