KAUPUNKIEN ÄLYKKÄÄT ENERGIAJÄRJESTELMÄTJero Ahola, LUT, 26.10.2016, @JeroAhola #energytransition #lutreflex

ENERGIA2016: FUTURE CITIESENERGIA 2016 - FUTURE CITIES

• TILANNEKUVA JA TAVOITE• TULEVAISUUDEN KAUPUNGIT JA ENERGIA• NÄKEMYKSIÄ KAUPUNKIEN ÄLYKKÄISTÄ ENERGIARATKAISUISTA

• SÄHKÖN TUOTANTO• KAUKOLÄMPÖ• LIIKENNE• DIGITALISAATIO• POLTTOAINEET, KEMIKAALIT & RUOKA

• YHTEENVETO

ESITYKSEN SISÄLTÖ

COP21 PARIISI (1/2)

POSSIBLEPICTURE

Country pledges for

2030

Pariisin COP21 +2°C lämpenemätavoitteen saavuttaminen vaatii ihmiskunnan nettopäästöjen lopettamista vuoteen 2050 mennessä. Tämän jälkeen hiilidioksidia on alettava poistaa ilmakehästä.

COP21 PARIISI (2/2)

77%

EN

ER

GY

Land use change 18%

Agriculture 13%

Transportation 14%

Electricity& heat 25%

Industry 27%

14%

8%

Globaalisti sähkö ja lämpö vastaavat vain neljännestä kaikista päästöistä. Myös muut sektorit on kasvihuonekaasupäästöjen osalta netto-nollattava

RATKAISUNA SÄHKÖISTÄMINEN”Eroon polttamisesta”Ihmiskunnan kasvihuone-kaasupäästöt voidaan netto-nollata siirtymällä sähkön tuotantoon perustuvaan energiajärjestelmään ja epäsuoraan sähköistämiseen energiajärjestelmiä integroivien siltateknologioiden ja digitalisoinnin avulla.

Source: Pasi Vainikka, 2016

ÄLYKÄS ENERGIAJÄRJESTELMÄ? Sääriippuvaisen tuotannon määrä

kasvaa (erit. tuuli & aurinko) Vaatimus energiajärjestelmän

joustavuuden lisäämiseksi kasvaa Teknologioita eri aikatasoille (tunti,

päivä, viikot, kuukaudet, jne) Energiatehokkuuden lisäksi

kapasiteettitehokkuus korostuu, ”energian käyttö saatavuuden perustella

Source: Pasi Vainikka, 2016 Breyer, C. et Al., 2015

RATKAISU - ENERGIAN INTERNET?• Tuuli- ja aurinkopohjainen

tuotanto• Sähköjärjestelmä pääenergia-

markkinana ”uusi öljymarkkina”• Kytkentä siltateknologioilla muihin

energiajärjestelmiin • Joustavuus; varastot kysynnän

joisto• Kaiken digitalisaatio;

reaaliaikainen tehomarkkina• Massatuotetut globaalit

teknologiat, laskeva hinta

Source: Pasi Vainikka, 2016

ENERGY INTERNET

RESIDENTIAL COMMERCIAL

INDUSTRIAL

POWER PLANT

ONE-WAY POWER SYSTEM

TRANSMISSION

ENERGIAMURROS PERUSTUU MASSATUOTETTUIHIN TEKNOLOGIOIHIN

KAUPUNGIT NYT JA TULEVAISUUDESSA

• >1000 kaupunkia, joissa yli 500 000 asukasta

• ~1.3 M ihmistä muuttaa kaupunkeihin joka viikko

• 2050 ~64-69 % väestöstä (yht. 9.3 miljardia)

• ~80 % BKT:stä• ~70% energian käytöstä

ja päästöistä• ~2 % maa-pinta-alasta

Seto KC, et al. (2014) Human settlements, infrastructure, and spatial planning. ClimateChange 2014: Mitigation of Climate Change: Contribution of Working Group IIIto the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC, Geneva, Switzerland), Chap 12, pp 923–1000

ENEMMISTÖ ASUU KAUPUNGEISSA

Lähde: United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division (2014).World Urbanization Prospects: The 2014 Revision, Highlights (ST/ESA/SER.A/352).

TULEVAISUUDESSA MEGAKAUPUNKEJA

Lähde: United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division (2014).World Urbanization Prospects: The 2014 Revision, Highlights (ST/ESA/SER.A/352).

• Ratkaistava lämmitys & jäähdytys & liikenne

• Mikä osa energiasta voidaan tuottaa paikallisesti?

• Energiajärjestelmien integraatio ja joustavuuden lisääminen

• Energian varastointi (eri aikajaksot, eri muodot)

• Energia- ja kapasiteettitehokkuus

• Toteutuksen reunaehtoina päästöttömyys ja kestävyys (ekonominen, ekologinen, sosiaalinen, jne)

SÄHKÖ, LÄMPÖ JA LIIKENNE KAUPUNKIEN ENERGIAJÄRJESTELMIEN PÄÄHAASTEINA

Jori Lindgren, ”Renewables Scenarios for South-Carelia – Buildings Transportation and Public Sector Energy Demand”, diplomityö, LUT, 2016

Lämpö

Sähkö

Liikenne

• Sähkön ja lämmön kulutuksen ominaisteho rakennuksissa jopa 3000 W/m2

• Auringon säteily ~100-300 Wm2

• Aurinkosähkö ~15-60 W/m2

• Tuulivoima ~2-10 W/m2

• Biomassa < 1 W/m2

KAUPUNGIT JA TEHOTIHEYS

Lähde: Vaclav Smil

• Energiavarastoissa ei ole yhtä ainoaa ratkaisua

• Varasto tekee bisnestä ainoastaan kun sitä joko puretaan tai ladataan

• Mitä pidempi varastointiaika, sitä pienempi on varaston yksikkökustannuksen (€/kWh) oltava

ERI ENERGIAVARASTOJEN ROOLIT

• Tuuli- ja aurinkovoima edullisimpia energialähteitä viimeistään 2030

• Aurinkosähköllä merkittävä rooli kaupungeissa

• Esim. Suomessa aurinkosähkön kattopotentiaalia yli 10 GWp [1]

• Kausivaihtelut

TUULI- JA AURINKOVOIMAFuture energy system features:Ɣ Security of Supply a limited resource Ɣ Energy a non limited resource

NOTE: Solar and wind resources and CAPEX may largely vary by individual projects, even on same region, thusimpacting LCOE. Hence, figures are indicative and do not aim to present our geographical preferences for giventechnologies but rather illustrate progress of wind and solar globally, long-term.

PV LCOE assumptions based on EU PV Technology Platform report and EU PVSEC 2015 paper (lead author Fortum solar technology manager Dr. Eero Vartiainen)

2016 2030

44 €/MWh 32 €/MWh

44 €/MWh 26 €/MWh

2016 2030

54 €/MWh 39 €/MWh

38 €/MWh 22 €/MWh

2016 2030

66 €/MWh 47 €/MWh

45 €/MWh 26 €/MWh

2016 2030

62 €/MWh 44 €/MWh

43 €/MWh 25 €/MWh

2016 2030

66 €/MWh 47 €/MWh

51 €/MWh 30 €/MWh

2016 2030

63 €/MWh 45 €/MWh

51 €/MWh 30 €/MWh

2016 2030

50 €/MWh 36 €/MWh

92 €/MWh 52 €/MWh

LCOE assumptions:• 7% real WACC• CAPEX, OPEX globally uniform; lifetime solar 30y, wind 25y• Wind and solar: internal assumptions that solar utilisation to increase

by 7,5% and wind by 15% from 2016 to 2030• Uniform 20% corporate tax assumed

2016 2030

70 €/MWh 50 €/MWh

80 €/MWh 47 €/MWh

2016 2030

47 €/MWh 34 €/MWh

80 €/MWh 47 €/MWh

Low seasonalityPV most competitiveIntermittent power

Clear SeasonalityWind most competitiveIntermittent power

Kuva: Per Langer, Fortum, 2016

[1] J. Lassila, et. Al.,”Nationwide Photovoltaic Hosting Capacity in the Finnish Electricity Distribution System, EU PVSEC, 2016.

ESTIMAATTEJA AURINKOSÄHKÖN TUOTANTO-KUSTANNUKSISTA EUROOPASSA 2014 JA 2030

02468

10121416

€201

4/kW

h

CAPEX O&M WACC 2% WACC 4%

5 kWp rooftop

02468

10121416

€201

4/kW

h

CAPEX O&M WACC 2% WACC 4% WACC 6%

0

2

4

6

8

10

12

€201

4/kW

h

CAPEX O&M WACC 2% WACC 4% WACC 6%

0

2

4

6

8

10

12

€201

4/kW

h

CAPEX O&M WACC 4% WACC 6% WACC 8%

50 kWp rooftop

1 MWp ground 50 MWp ground

• Estimaatit pohjautuvat kustannusdataan, joka on esitetty: 1) Fraunhofer-institute for Solar Energy Systems (ISE), Current and Future Costs of Photovoltaics – Long-term Scenarios for Market Development, System Prices and LCOE of Utility-scale PV systems, study on the behalf of Agora Energiewende, 2015. 2) Eero Vartiainen, Gaetan Masson, Christian Breyer, PV LCOE in Europe 2015-2050, in the proceedings of the 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 14-18, 2015, Hamburg, Germany

TUULI- JA AURINKOVOIMA KAUPUNGEISSA

Mäkelänkankaan aurinkovoimala 725 kWp, Suomen Voima Oy Myllymäen koulu, 50 kWp, Lappeenrannan kaupunki

SÄHKÖ- JA LÄMPÖJÄRJESTELMIEN SEKÄ ENERGIAVARASTOJEN INTEGRAATIO

Lähde: Suuret Lämpöpumput kaukolämpöjärjestelmässä, loppuraportti, Energiateollisuus Ry, 26.8.2016, saatavissa: http://energia.fi/sites/default/files/suuret_lampopumput_kaukolampojarjestelmassa_loppuraportti_290816_paivitetty.pdf

• EU:ssa puolet energiasta lämmitykseen

• EU:ssa 84 % lämmöstä tuotetaan fossiilisilla polttoaineilla

• Helen:n kaukolämmön vuosituotanto 7 TWh, huipputeho 3.5 GW

• Katri Vala: kaukolämpöteho 90 MW, kaukokylmä 60 MW, sähköteho 5x6.5 MW, tuotanto 5-6% kaukolämmöstä

MEGAWATTILUOKAN LÄMPÖPUMPUT

Kuva Katri Valan lämpöpumppulaitokselta, Helen Oy

• Esimerkkejä lämpövarastotekno-logioista: veteen pohjautuviat kaukolämpö- ja -kylmäakut, kivi, faasimuutos, kemialliset reaktiot

• Sovelluskohteina vuorokausi-, viikko- ja kausivarastot

LÄMPÖVARASTOT

Lähde: Thermal Energy Storage Brief, IRENA, 2013

• Materiaalina basalttikivi eristetyssä astiassa

• Lämmitys sähkövastuksella 600 °C, lämmönsiirto ilmalla

• Tavoitteena 48 tunnin varasto• Sähkön generointi höyryturbiinilla• Kilpailee kaasuturbiinien ja

pumppuvesivoiman kanssa• Tavoiteltu LCOE~ 100€/MWh• Pilotointi Hampurin lähellä vuonna

2017: sähköteho 1.5 MW, varasto 36 MWh, sähköstä-sähköön hyötysuhde 25%

SIEMENS FES (FUTURE ENERGY SOLUTION)

Lähde: http://www.siemens.com/press/pool/de/pressemitteilungen/2016/windpower-renewables/PR2016090419WPEN.pdf

LIIKENNE: DIESELIEN TYPEN OKSIDIT ONGELMANA EUROOPAN KAUPUNGEISSA

Lähde: Alberto Hernández/Flickr]

KAUPUNKIEN LIIKENNE: POLTTOMOOTTORIN TULEVAISUUS HENKILÖAUTOISSA?

Lähde: Forbes, 8.10.2016

Lähde: Independent, 4.6.2016

• Liikkuva energiavarasto• Mahdollistaa uusia

palveluja: aurinkosähkötuotannon siirto päivältä kulutustunneille, kysynnän jousto, taajuussäätö, off-grid-verkon luominen, sähkön laadun parantaminen, inertia, jne.

SÄHKÖAUTO EI OLE ENÄÄ PELKÄSTÄÄN KULKUNEUVO

MIKROVERKOT: FREIBURG GREEN TOWER

Lähde: Michael Weinhold, Siemens AG, WEC Germany, 29.9.2016, available at: http://www.weltenergierat.de/wp-content/uploads/2014/02/20160929_Trends-and-Innovations-in-the-digital-energy-world_Weinhold_v11....pdf

Lähde: www.siemens.com

• Pienen yhteisön mikroverkko aurinkosähkön ostamiseen ja myyntiin käyttämällä olemassa olevaa sähköverkkoinfraa

• Yksityiset henkilöt voivat käydä itse suoraa energiakauppaa

• Ei tarvita omia aurinkopaneeleja• Käyttää Ethereumia (julkinen

blockchain-alusta)• Energian hinnoittelu automaattista

perustuen käyttäjien mieltymyksiin ja painotuksiin

• Järjestelmä toimii autonomisesti

MIKROVERKOT: BROOKLYN MICROGRID

Lähde: www.brooklynmicrogrid.com

LOHKOKETJUTEKNOLGIA ÄLYKKÄÄN ENERGIA-JÄRJESTELMÄN MAHDOLLISTAJANA

Lähde: M. Liebreich: BNEF EMEA Future of Energy Summit, 11.10.2016

P2X: SÄHKÖPOLTTOAINEET JA - KEMIKAALIT

Electrolysis CO2 reduction process

Excess electricity

H2O

O2

CO2

H2

H2O

CxHyOz

Q Q

Hiilidioksidintalteenotto

CO2

CO2-pitoinen kaasu

SynteesiVeden elektrolyysi

Ylijäämä-sähkö

• Kemikaalien ja polttoaineiden tuotanto sähköenergialla termokemiallisesti käyttäen hiilidioksidia raaka-aineena

• Siltateknologia, joilla epäsuoran sähköistämisen avulla dekarbonoidaan muita energiasektoreita

SOLETAIR, 2017: POLTTOAINEITA JA KEMIKAALEJA AURINKOSÄHKÖLLÄ ILMASTA

• Suomen ensimmäinen ja maailmassa ainutlaatuinen P2X-pilotti (VTT & LUT)

• Hyödynnetään hiilidioksidin ja veden kaappausta ilmasta

• http://www.goodnewsfinland.com/finland-produces-fuel-from-solar-power/?utm_campaign=shareaholic&utm_medium=twitter&utm_source=socialnetwork

LUT:N AURINKOVOIMALA

VTT: SYNTEESIT: METAANI JA

FISCHER-TROPSCH

VTT: HIILIDIOKSIDIN TALTEENOTTO ILMASTA

KAASUJEN VARASTOTANKIT

LUT: VEDYN TUOTANTO VEDEN ELEKTROLYYSILLÄ

TANKKAUSASEMA: SÄHKÖ, VETY JA AURINKOMETAANI

• Onnistuessa mahdollistaisi ilmasto-olosuhteista riippumattoman personoidun ruoan tuotannon kaupungeissa

• Proteiinipitoisia mikrobeja voidaan kasvattaa sähkön avulla

• Pääraaka-aineena ilman hiilidioksidi• Suomen Akatemian rahoittama

MOPED-hanke (LUT & VTT): http://www.lut.fi/uutiset/-/asset_publisher/h33vOeufOQWn/content/sahkosta-ruokaa-ymparistoystavallinen-ratkaisu-ruoantuotantoon

SÄHKÖLLÄ PROTEIINEJA

• Kustannustehokkuus ja CO2-päästötavoitteet ja energiatehokkuus johtavat yhä enemmän sähköistyvään sekä hajautuvaan energiajärjestelmään

• Energia on ensi sijaisesti kaupunkien ongelma. Tällä hetkellä hankalimmat dekarbonoitavat ovat lämpö ja liikenne.

• Energiajärjestelmien integraatio siltateknologioiden avulla tulee olemaan merkittävässä roolissa (dekarbonointi, joustavuuden lisääminen ja energian varastointi)

• Hajautetussa energiajärjestelmässä digitalisointi mahdollistaja, tietoturva keskeisessä roolissa

YHTEENVETO