Optimization of district heating production : the influence of production variables on production planning

Abstract

In Finland, 30 % of final energy consumption comes from space heating, of which 45 % is district heating. Since district heating has a large market penetration, its production methods have a significant effect on Finnish energy sector emissions. Lappeenrannan Energia has set a goal to be carbon neutral in 2026, and its subsidiary Lappeenrannan Lämpövoima has invested in new carbon neutral heat production capacity and is planning to implement energy storage systems. The district heating network in Lappeenranta has been easy to use optimally for years. A large biomass powered CHP-plant has produced base load, and several smaller gas and oil powered heat-only plants have been used for peak loads and as backup heating. A modern, more complex energy system makes production planning difficult with more options in terms of fuels and production methods. Current energy markets also have more variability, which makes operating even more difficult. The purpose of this thesis is to study which factors influence optimal production planning when maximizing profitability as well as how and why these factors are variable. The theory portion of the thesis studies the future of district heating production in Lappeenranta.

It was found that fuel price, electricity price and their combined effect with heating demand affect production prices most. Using too much expensive fuels at the wrong time decreases profitability and an optimization software is needed to help with production planning. In addition to a production plan, the software is also needed to optimize thermal energy storage charge and discharge, and to help with electricity market operations. Modern computational solutions enable efficient and accurate optimization, which is expected to decrease production costs by 2–5 %.

Suomessa tilojen lämmitykseen kuluu 30 % käytetystä energiasta, mistä 45 % tuotetaan kaukolämmöllä. Kaukolämmön suuren osuuden takia sen tuotantotavoilla on suuri vaikutus Suomen energiasektorin päästöihin. Lappeenrannan Energia on asettanut tavoitteekseen olla hiilineutraali vuonna 2026, minkä takia sen tytäryhtiö Lappeenrannan Lämpövoima on investoinut uuteen hiilineutraaliin lämmöntuotantokapasiteettiin ja suunnittelee energian varastointia. Lappeenrannan kaukolämpöjärjestelmä on jo vuosia ollut helppo käyttää optimaalisesti. Suuri biopolttoaineita käyttävä yhteistuotantolaitos on tuottanut peruskuorman ja pienempiä lämpölaitoksia on käytetty kaasulla tai öljyllä huipputehon aikaan tai lämmöntuotannon turvaamiseen. Nykyaikainen monimutkaisempi energiajärjestelmä tekee tuotannon suunnittelusta vaikeampaa tuotannon vaihtoehtojen lisääntyessä polttoaineen ja tuotantotapojen suhteen. Nykyiset vaihtelevat energiamarkkinat tekevät myös osaltaan tuotannon ohjauksesta vaikeampaa. Tämän diplomityön tarkoitus on tutkia mitkä asiat vaikuttavat suurinta mahdollista tuottavuutta tavoittelevan tuotannon optimaaliseen suunnitteluun, sekä miten ja miksi nämä asiat vaihtelevat niille ominaisin tavoin. Työn teoriaosa tutkii kaukolämmön tuotannon tulevaisuutta Lappeenrannassa.

Tuotannon hintaan todettiin vaikuttavan eniten polttoaineiden ja sähkön hinta sekä niiden ja lämmityksen tarpeen yhteisvaikutus. Liika kalliin polttoaineen käyttö väärään aikaan heikentää tuotannon kannattavuutta, minkä takia oikean tuotantotavan seurantaa ja valintaa helpottamaan tarvitaan optimointiohjelmisto. Tuotannon ajo-ohjeiden lisäksi optimointiohjelmistoa tarvitaan tulevan kaukolämpöakun latauksen ja purun optimointiin, sekä avuksi sähkön ostoon ja myyntiin. Nykyaikaiset tietotekniset ratkaisut mahdollistavat tehokkaan ja tarkan optimoinnin, jonka seurauksena tuotannon kustannusten on arvioitu pienenevän noin 2–5 %.