Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
KAUPUNKIEN ÄLYKKÄÄT
ENERGIAJÄRJESTELMÄT
Jero Ahola, LUT, 26.10.2016,
@JeroAhola #energytransition #lutreflex
ENERGIA2016: ...
• TILANNEKUVA JA TAVOITE
• TULEVAISUUDEN KAUPUNGIT JA ENERGIA
• NÄKEMYKSIÄ KAUPUNKIEN ÄLYKKÄISTÄ ENERGIARATKAISUISTA
• SÄH...
COP21 PARIISI (1/2)
POSSIBLE
PICTURE
Country
pledges for
2030
Pariisin COP21 +2°C
lämpenemätavoitteen
saavuttaminen vaatii...
COP21 PARIISI (2/2)
77%
ENERGY
Land use change
18%
Agriculture 13%
Transportation 14%
Electricity& heat
25%
Industry 27%
1...
RATKAISUNA SÄHKÖISTÄMINEN
”Eroon polttamisesta”
Ihmiskunnan kasvihuone-
kaasupäästöt voidaan netto-nollata
siirtymällä säh...
ÄLYKÄS ENERGIAJÄRJESTELMÄ?
 Sääriippuvaisen tuotannon määrä
kasvaa (erit. tuuli & aurinko)
 Vaatimus energiajärjestelmän...
RATKAISU - ENERGIAN INTERNET?
• Tuuli- ja aurinkopohjainen
tuotanto
• Sähköjärjestelmä pääenergia-
markkinana ”uusi öljyma...
ENERGIAMURROS PERUSTUU
MASSATUOTETTUIHIN TEKNOLOGIOIHIN
KAUPUNGIT NYT JA TULEVAISUUDESSA
• >1000 kaupunkia, joissa
yli 500 000 asukasta
• ~1.3 M ihmistä muuttaa
kaupunkeihin joka...
ENEMMISTÖ ASUU KAUPUNGEISSA
Lähde: United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division
(2014).W...
TULEVAISUUDESSA MEGAKAUPUNKEJA
Lähde: United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division
(2014...
• Ratkaistava lämmitys &
jäähdytys & liikenne
• Mikä osa energiasta
voidaan tuottaa
paikallisesti?
• Energiajärjestelmien
...
• Sähkön ja lämmön
kulutuksen ominaisteho
rakennuksissa jopa 3000
W/m2
• Auringon säteily ~100-300
Wm2
• Aurinkosähkö ~15-...
• Energiavarastoissa ei
ole yhtä ainoaa ratkaisua
• Varasto tekee bisnestä
ainoastaan kun sitä
joko puretaan tai
ladataan
...
• Tuuli- ja aurinkovoima
edullisimpia
energialähteitä
viimeistään 2030
• Aurinkosähköllä
merkittävä rooli
kaupungeissa
• E...
ESTIMAATTEJA AURINKOSÄHKÖN TUOTANTO-
KUSTANNUKSISTA EUROOPASSA 2014 JA 2030
0
2
4
6
8
10
12
14
16
€2014/kWh
CAPEX O&M WACC...
TUULI- JA AURINKOVOIMA KAUPUNGEISSA
Mäkelänkankaan aurinkovoimala 725 kWp, Suomen Voima Oy Myllymäen koulu, 50 kWp, Lappee...
SÄHKÖ- JA LÄMPÖJÄRJESTELMIEN SEKÄ
ENERGIAVARASTOJEN INTEGRAATIO
Lähde: Suuret Lämpöpumput kaukolämpöjärjestelmässä, loppur...
• EU:ssa puolet energiasta
lämmitykseen
• EU:ssa 84 % lämmöstä
tuotetaan fossiilisilla
polttoaineilla
• Helen:n kaukolämmö...
• Esimerkkejä
lämpövarastotekno-
logioista: veteen
pohjautuviat kaukolämpö-
ja -kylmäakut, kivi,
faasimuutos, kemialliset
...
• Materiaalina basalttikivi eristetyssä
astiassa
• Lämmitys sähkövastuksella 600 °C,
lämmönsiirto ilmalla
• Tavoitteena 48...
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...
MIKROVERKOT: FREIBURG GREEN TOWER
Lähde: Michael Weinhold, Siemens AG, WEC Germany, 29.9.2016, available at: http://www.we...
• Pienen yhteisön mikroverkko
aurinkosähkön ostamiseen ja
myyntiin käyttämällä olemassa
olevaa sähköverkkoinfraa
• Yksityi...
LOHKOKETJUTEKNOLGIA ÄLYKKÄÄN
ENERGIA-JÄRJESTELMÄN MAHDOLLISTAJANA
Lähde: M. Liebreich: BNEF EMEA Future of Energy Summit, ...
P2X: SÄHKÖPOLTTOAINEET JA - KEMIKAALIT
Electrolysis
CO2 reduction
process
Excess
electricity
H2O
O2
CO2
H2
H2O
CxHyOz
Q Q
...
SOLETAIR, 2017: POLTTOAINEITA JA
KEMIKAALEJA AURINKOSÄHKÖLLÄ ILMASTA
• Suomen ensimmäinen ja
maailmassa ainutlaatuinen
P2X...
• Onnistuessa mahdollistaisi ilmasto-
olosuhteista riippumattoman
personoidun ruoan tuotannon
kaupungeissa
• Proteiinipito...
• Kustannustehokkuus ja CO2-päästötavoitteet ja energiatehokkuus
johtavat yhä enemmän sähköistyvään sekä hajautuvaan
energ...
Energia 2016 - Future Cities - Kaupunkien älykkäät energiajärjestelmät - Jero Ahola - 26.10.2016 - Smart Energy Transition...
Energia 2016 - Future Cities - Kaupunkien älykkäät energiajärjestelmät - Jero Ahola - 26.10.2016 - Smart Energy Transition...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Energia 2016 - Future Cities - Kaupunkien älykkäät energiajärjestelmät - Jero Ahola - 26.10.2016 - Smart Energy Transition - Lappeenranta University of Technology - LUT

476 views

Published on

Energia 2016 - Future Cities - Kaupunkien älykkäät energiajärjestelmät - Jero Ahola - 26.10.2016 - Smart Energy Transition - Lappeenranta University of Technology - LUT

Published in: Environment
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Energia 2016 - Future Cities - Kaupunkien älykkäät energiajärjestelmät - Jero Ahola - 26.10.2016 - Smart Energy Transition - Lappeenranta University of Technology - LUT

  1. 1. KAUPUNKIEN ÄLYKKÄÄT ENERGIAJÄRJESTELMÄT Jero Ahola, LUT, 26.10.2016, @JeroAhola #energytransition #lutreflex ENERGIA2016: FUTURE CITIESENERGIA 2016 - FUTURE CITIES
  2. 2. • TILANNEKUVA JA TAVOITE • TULEVAISUUDEN KAUPUNGIT JA ENERGIA • NÄKEMYKSIÄ KAUPUNKIEN ÄLYKKÄISTÄ ENERGIARATKAISUISTA • SÄHKÖN TUOTANTO • KAUKOLÄMPÖ • LIIKENNE • DIGITALISAATIO • POLTTOAINEET, KEMIKAALIT & RUOKA • YHTEENVETO ESITYKSEN SISÄLTÖ
  3. 3. COP21 PARIISI (1/2) POSSIBLE PICTURE Country pledges for 2030 Pariisin COP21 +2°C lämpenemätavoitteen saavuttaminen vaatii ihmiskunnan nettopäästöjen lopettamista vuoteen 2050 mennessä. Tämän jälkeen hiilidioksidia on alettava poistaa ilmakehästä.
  4. 4. COP21 PARIISI (2/2) 77% ENERGY 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
  5. 5. 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
  6. 6. 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
  7. 7. 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
  8. 8. ENERGIAMURROS PERUSTUU MASSATUOTETTUIHIN TEKNOLOGIOIHIN
  9. 9. 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. Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change: Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, Geneva, Switzerland), Chap 12, pp 923–1000
  10. 10. 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).
  11. 11. 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).
  12. 12. • 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
  13. 13. • 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
  14. 14. • 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
  15. 15. • Tuuli- ja aurinkovoima edullisimpia energialähteitä viimeistään 2030 • Aurinkosähköllä merkittävä rooli kaupungeissa • Esim. Suomessa aurinkosähkön kattopotentiaalia yli 10 GWp [1] • Kausivaihtelut TUULI- JA AURINKOVOIMA Future energy system features: Security of Supply a limited resource Energy a non limited resource NOTE: Solar and wind resources and CAPEX may largely vary by individual projects, even on same region, thus impacting LCOE. Hence, figures are indicative and do not aim to present our geographical preferences for given technologies 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 seasonality PV most competitive Intermittent power Clear Seasonality Wind most competitive Intermittent power Kuva: Per Langer, Fortum, 2016 [1] J. Lassila, et. Al.,”Nationwide Photovoltaic Hosting Capacity in the Finnish Electricity Distribution System, EU PVSEC, 2016.
  16. 16. ESTIMAATTEJA AURINKOSÄHKÖN TUOTANTO- KUSTANNUKSISTA EUROOPASSA 2014 JA 2030 0 2 4 6 8 10 12 14 16 €2014/kWh CAPEX O&M WACC 2% WACC 4% 5 kWp rooftop 0 2 4 6 8 10 12 14 16 €2014/kWh CAPEX O&M WACC 2% WACC 4% WACC 6% 0 2 4 6 8 10 12 €2014/kWh CAPEX O&M WACC 2% WACC 4% WACC 6% 0 2 4 6 8 10 12 €2014/kWh 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
  17. 17. TUULI- JA AURINKOVOIMA KAUPUNGEISSA Mäkelänkankaan aurinkovoimala 725 kWp, Suomen Voima Oy Myllymäen koulu, 50 kWp, Lappeenrannan kaupunki
  18. 18. 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
  19. 19. • 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
  20. 20. • 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
  21. 21. • 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
  22. 22. LIIKENNE: DIESELIEN TYPEN OKSIDIT ONGELMANA EUROOPAN KAUPUNGEISSA Lähde: Alberto Hernández/Flickr]
  23. 23. KAUPUNKIEN LIIKENNE: POLTTOMOOTTORIN TULEVAISUUS HENKILÖAUTOISSA? Lähde: Forbes, 8.10.2016 Lähde: Independent, 4.6.2016
  24. 24. • 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
  25. 25. 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
  26. 26. • 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
  27. 27. LOHKOKETJUTEKNOLGIA ÄLYKKÄÄN ENERGIA-JÄRJESTELMÄN MAHDOLLISTAJANA Lähde: M. Liebreich: BNEF EMEA Future of Energy Summit, 11.10.2016
  28. 28. P2X: SÄHKÖPOLTTOAINEET JA - KEMIKAALIT Electrolysis CO2 reduction process Excess electricity H2O O2 CO2 H2 H2O CxHyOz Q Q Hiilidioksidin talteenotto CO2 CO2-pitoinen kaasu Synteesi Veden elektrolyysi Ylijäämä- sähkö • Kemikaalien ja polttoaineiden tuotanto sähköenergialla termokemiallisesti käyttäen hiilidioksidia raaka-aineena • Siltateknologia, joilla epäsuoran sähköistämisen avulla dekarbonoidaan muita energiasektoreita
  29. 29. SOLETAIR, 2017: POLTTOAINEITA JA KEMIKAALEJA AURINKOSÄHKÖLLÄ ILMASTA • Suomen ensimmäinen ja maailmassa ainutlaatuinen P2X-pilotti (VTT & LUT) • Hyödynnetään hiilidioksidin ja veden kaappausta ilmasta • http://www.goodnewsfinlan d.com/finland-produces- fuel-from-solar- power/?utm_campaign=sh areaholic&utm_medium=t witter&utm_source=socialn etwork 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
  30. 30. • 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/c ontent/sahkosta-ruokaa- ymparistoystavallinen-ratkaisu- ruoantuotantoon SÄHKÖLLÄ PROTEIINEJA
  31. 31. • 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

×