Muotisanoista tekoihin − Kaukolämpöverkossa piilee valtava potentiaali uusille tuotteille ja palveluille

Digitalisaatio, älykäs mittarointi, kaksisuuntainen kaukolämpö ja uusiutuvan energian integraatio ovat termejä, jotka pyörivät kaikkien kaukolämpötoimijoiden huulilla. Onko kuitenkin niin, että uuden tekniikan integrointi perinteiseen kaukolämpöjärjestelmään on vaikeaa ja tekniikka kallista? On tekojen aika, ja tekniikka on jo olemassa!

Keskustellessamme kaukolämpöyhtiöiden, kaupunkien, alalla toimivien yritysten ja asukkaita edustavien tahojen kanssa kaukolämmön tulevaisuudesta VTT:llä järjestetyssä tapahtumassa huomasimme, että ei ole selvää, mitä uutta tekniikkaa kaukolämpöverkkoon tulisi integroida ja miten. Yksi asia on kuitenkin selvä ja siitä kaikki ovat yksimielisiä: hiilenpoltto loppuu ja kaukolämmöntuotantotavat muuttuvat − mitä nopeammin, sen parempi.

Suomessa luonnollinen tapa korvata hiiltä ja öljyä uusiutuvalla lämmöntuotannolla on ollut bioenergian laajempi hyödyntäminen. Biopolttoaineille löytyy kuitenkin muutakin käyttöä. Perinteiseksi ja jäykäksi tituleerattu kaukolämpöverkko muuntuu moneksi, ja yksi sen ehdottomista eduista on joustavuus hyödyntää erilaisia lämmönlähteitä. Tämä tarkoittaa tulevaisuudessa aiempaa laajempaa jätteenpolton, hukkalämpöjen talteenoton sekä aurinkolämmön ja lämpöpumppujen integrointia verkkoon sekä suoraan että välillisesti asiakkaiden kautta, täydentäen bioenergiaan perustuvaa tuotantoa. Voimme puhua hybridijärjestelmästä, jossa erilaiset tuotantomuodot täydentävät toisiaan; esimerkiksi bioenergia ja lämpöpumput mahdollistavat kausittain vaihtelevan aurinkolämmön hyödyntämisen.

Vaikka uusituvan lämmön hinta onkin laskenut nopeasti tämän vuosikymmenen aikana, se on silti kallista verrattuna perinteisiin ratkaisuihin. Aurinkolämmön laajamittaiseen hyödyntämiseen liittyy kausivaihtelun tuoma haaste. Kustannustehokkaan lämmön kausivarastointitekniikan keksijällä on kaikki mahdollisuudet rikastumiseen!

Tuotanto ja kulutus tasapainoon monimutkaisessa järjestelmässä

Kaukolämpöverkkoon uskotaan tulevan pientuottajia, korttelikohtaista tuotantoa ja alueellisia järjestelmiä. Tällaisia kehityshankkeita onkin jo ilahduttavasti käynnissä, esimerkiksi LEMENE-hanke Lempäälässä, Skanssin alue Turussa ja Wasa Station Vaasassa. Myös jäähdytystarve lisääntyy − toisen lämpö voi olla toisen kylmää. Tarvitsemme kokonaisvaltaista järjestelmätason ajattelua, jotta myös energian kiertotalouden ratkaisuja voidaan hyödyntää voimakkaammin. Kuluttaja-tuottajien integroiminen kaukolämpöjärjestelmään on tekninen haaste, joka järjestelmän toimivuuden ja energiatehokkuuden kannalta tulee selvittää kerralla kunnolla, yleisen standardin mukaan ja asiantuntijoita kuunnellen.

hands

Kyse ei ole siitä, mikä teknologia voittaa, vaan kuinka eri teknologiat sopivat yhteen.

Lämmöntuotantotekniikan monipuolistuessa kokonaisuuksien suunnittelu, mitoitus ja hallinta ovat avainroolissa. Kuka vastaa tuotannon ja kulutuksen tasapainosta monimutkaisessa järjestelmässä? Nykyjärjestelmässä kaukolämpöyhtiöiden on taattava kaukolämpö asiakkaalle kellon ympäri kaikissa olosuhteissa.

Monimutkainen järjestelmä vaatii myös tiedonkeruuta ja hyödyntämistä, lämpöjärjestelmän laajempaa digitalisoimista. Digitalisointikaan ei kuitenkaan ole täysin haasteetonta. Ongelma voi olla jopa fyysinen, kun puhutaan kaukolämpöverkosta − miten lisätään älyä järjestelmään, joka on piilossa maan alla. On myös selvitettävä, miten tieto jalostetaan ja hyödynnetään optimaalisesti. Kuka kaukolämpöjärjestelmästä ja asiakkailta kerättävää tietoa saa käyttää?

Monessa taajamassa kaukolämpöverkko on vanha. Maan alla olemassa olevan järjestelmän muuttaminen voi olla työläs ja kallis prosessi. Kaukolämpöverkossa piilee suuri potentiaali kerätä ja jakaa erilaisia hajautetusti tuotettuja energianlähteitä, mutta tähän liittyy vielä teknisiä haasteita. Esimerkiksi aurinko- ja hukkalämmön lämpötilataso on tyypillisesti matalampi kuin kaukolämpöverkkojen nykyinen lämpötilataso, jolloin lämpöpumpuilta vaaditaan paljon.

Mahdollisuuksia on siis paljon, mutta niin on kehitettävääkin. Koko järjestelmän toimivuuden analysoiminen mahdollistaa energiatehokkuuden parantamisen koko energiaketjussa tuotannosta jakelun kautta kulutukseen. Tämä taas mahdollistaa erilaisten tuotteiden ja palveluiden kehittämisen siten, että ne palvelevat kokonaisuutta parhaiten. Kaikilla toimijoilla on paikkansa tässä yhteisessä kehittämisessä.

Lue lisää:

Bioenergy RES hybrids in Finland  (pdf)

Paikallista energiaa asuinalueella. Esimerkkinä Helsingin Vartiosaari  (pdf)

Visions for future energy efficient district energy systems (pdf)

heidi_saastamoinen
Heidi Saastamoinen

Research Scientist, VTT
heidi.saastamoinen(a)vtt.fi

 

 


satu_paiho
Satu Paiho

Senior Scientist, VTT
satu.paiho(a)vtt.fi

 

 

Elina Hakkarainen VTTElina Hakkarainen
Research Scientist, VTT
elina.hakkarainen(a)vtt.fi
Twitter: @e_Hakkarainen

From fashionable words to deeds – the district heating network has enormous, hidden potential for new products and services

Digitalisation, intelligent metering, bidirectional district heating and renewable energy integration are buzzwords among district heating operators. But is the integration of new technology with traditional district heating systems difficult. Is- such technology expensive? Now is the time for deeds, and the technology already exists!

When discussing the future of district heat with district heating companies, cities, companies in the sector and residents’ representatives at an event arranged by VTT, we noted the lack of clarity on what new technology should be integrated with the district heating network and how. However, everyone is unanimous about one clear issue: coal burning is coming to an end and district heating production methods are changing – the faster, the better.

In Finland, more extensive use of bioenergy has been a natural substitute for coal and oil in renewable heat production. However, there are other uses for biofuels as well. The district heating network, which has been characterised as inflexible and traditional, is, anyhow, quite flexible.. One of its clear advantages lies in the possibility to use variable heat sources. In the future, this will mean the more extensive integration of waste incineration, waste heat recovery and solar thermal and heat pumps with the grid, both directly and indirectly via customers, as a supplement for bioenergy production. We talk about a hybrid system, in which different production methods are complementary; for example, bioenergy and heat pumps enable the utilisation of seasonally varying solar heat.

While the price of renewable heat has fallen rapidly during the current decade, it remains expensive compared to traditional solutions. The widespread use of solar heat faces the challenge of seasonal variation. The inventor of a cost-effective, seasonal heat storage technology will be sitting on a gold mine!

Balancing production and consumption in a complex system

It is predicted that district heating will soon include small producers, block-specific production and regional systems. Happily, such development projects are already underway, for example the LEMENE project in Lempäälä, the Skanssi area in Turku and the Wasa Station in Vaasa. The need for cooling is also increasing – one person’s heat can be another’s cooling. We need comprehensive, system-level thinking in order to benefit more from circular economy energy solutions. Integrating consumer-producers with the district heating system involves a technical challenge, which must be fully solved for system to function energy efficiently. The integration must be done  in accordance with general standards, and by taking account of the views of experts.

hands

It’s not about which technology wins, but how different technologies fit together

The design, measurement and management of overall systems will play a key role as heat production technology diversifies. Who will be responsible for balancing production and consumption in a complex system? In today’s system, district heating companies must guarantee district heating to customers around the clock in all conditions. A complex system will also require data collection and utilisation – the more extensive digitalisation of the heat production system. However, digitalisation is not without challenges. The problem can even be physical. For example, in the case of a district heating network, how can intelligent features be added to a system that is hidden underground? We also need to clarify how data can be processed and used optimally. Who should be allowed to use data gathered from the district heating system and customers?

The district heating network is old in many urban areas. Changing the existing underground system could be a laborious and costly process. While the district heating system offers huge potential for collecting and distributing heat from a range of decentralised sources, this will involve technical challenges. For example, the temperature of solar and waste heat is typically lower than that of the heat currently supplied by district heating networks, which will impose major demands on heat pumps.

So there are many possibilities, but also much to develop. Analysing the functionality of the overall system will enable the improvement of energy efficiency throughout the energy chain, from production to consumption via distribution. On the other hand, this will enable the development of various products and services that best serve the overall system. All players will have a place in this joint development.

 

For more information:

Bioenergy RES hybrids in Finland  (pdf)

Local energy in a residential area. An example is Vartiosaari in Helsinki ( pdf., in Finnish)

Visions for future energy efficient district energy systems (pdf)

heidi_saastamoinen
Heidi Saastamoinen

Research Scientist, VTT
heidi.saastamoinen(a)vtt.fi

 

 


satu_paiho
Satu Paiho

Senior Scientist, VTT
satu.paiho(a)vtt.fi

 

 


Elina Hakkarainen VTTElina Hakkarainen

Research Scientist, VTT
elina.hakkarainen(a)vtt.fi
Twitter: @e_Hakkarainen

 

Flexible energy consumption must be increased as part of the energy system – while bearing consumer needs in mind

Demand response appears a reasonable concept, from the viewpoint of both consumers and energy companies. It benefits consumers in the form of comfortable homes, lower costs and positive environmental impacts. The necessary technical prerequisites, such as intelligent energy metering and home automation, are already available in Finland. Nevertheless, we are not taking full advantage of the potential provided by demand response. Why is that? VTT is seeking a solution to this problem through its DyRES project (Dynamic platform for demand RESponse), which we discussed from the viewpoint of consumers in our previous blog post.

Introducing demand response in new area planning

Numerous experiments have been performed in the field of demand response. These typically involve demand response related to either electricity or heating, including individual devices such as electric boilers or room-specific temperature controls. A similar stepwise build-up can be seen in urban development, where the creation of residential areas was previously based on factors such as technical capabilities, cost structure, energy trade that was less open than today, legislation and just a minor emphasis on environmental considerations.

But what if a new urban area was planned as a whole from the early planning stages, instead of being built gradually one fragment at a time? This is now the norm in terms of construction technology, but does energy management still have room for improvement? One example of this approach, familiar to the authors of this blog post, is the Hippos project, a sports and wellness cluster currently under planning in Jyväskylä. At the turn of 2016/2017, we assessed the demand response potential for electricity in this area, in collaboration with Jyväskylä Energy Ltd. Our simulation results showed that energy cost savings of around 15 per cent could be achieved in this area, just by leveraging the demand response for electricity.

Hippos

The Hippos area, which is currently under planning in Jyväskylä, combines significant energy consumption, housing and traffic.

Although the assessment only covered electricity consumption, the energy system of the future would include considerably more, and more flexible, elements than today’s systems. As a result, it seems natural to extend our assessment not only to electricity, but also to heating and, as electric vehicles become more common, to traffic. This will also increase the potential benefits. Regional planning enables interaction between various actors, including matching one actor’s surplus with another’s deficit.

Modelling provides new information on demand response

Demand response is affected by changing external parameters and factors, such as the functioning of the energy market, legislation, integrated sources of energy and the opportunity of consumers to adjust their consumption. These parameters are highly dynamic and interactive. Since real-time use of all this information is virtually impossible without an efficient tool, VTT has developed the DyRES simulation platform that enables the optimal design and implementation of area-specific solutions.

Using this simulation platform, the most extensive work is carried out by the Apros process simulation software, whose applications have expanded in recent years from power plant and nuclear power processes to renewable energy and system assessments. In addition to embedded dynamics, Apros enables the accurate modelling of supply and consumption. Apros’s dynamic simulation model is controlled by an optimisation programme, whose role was aptly summarised by Jukka Aho, CEO of Leanheat, at the Fortum Digitalist Energy Forum in May: ”Why should humans compete with computers and decide on the best algorithm?”

 Numerous parameters form a complex entity that requires a simulation platform such as DyRES, which combines dynamic simulation with optimisation.

By combining two calculation methods – dynamic simulation and optimisation – we can respond much more accurately to practical issues than by using current off-the-shelf tools. Research projects also prefer self-built models (Neves et al. 2016), such as agent-based modelling. Based on this principle, the DyRES simulation platform can be used to model groups of households, devices and equipment via individual consumers making independent decisions.

DyRES simulation platform

The DyRES simulation platform takes account of the operating environment, including legislation, the energy market and weather conditions, as well as consumers’ behaviour and opportunities for flexible response, the increase in small-scale production,
and buildings’ characteristics and life cycles.

From simulation to practice − the consumer lies at the heart of new solution design

VTT participated in the Energy Efficiency 2.0 in Building seminar at Heureka on 22 May 2017. The seminar presentations included the experiences of Salusfin and S-Voima in implementing demand response. Even more importantly, the seminar brought together a comprehensive set of players needed to take demand response, and smart solutions in general, from paper into practice on an increasing scale. In addition to steering mechanisms, this requires input from researchers, constructors and building technology experts.  The seminar’s varied audience was asked what measures were needed to support the implementation of home automation. The result was probably a surprise to some: instead of technical methods, the audience regarded consumer training and communications as the key tools for this.

DyRES poll

The seminar audience regarded training and communications as the key tools in promoting demand response. Other favoured options included influencing building code and introducing usage-based pricing.

The survey results indicate that it is important to understand the whole: demand response as such and as a technology has no absolute value. Instead, its value stems from its role in the energy system and its ability to create added value for the user. For this reason, the DyRES simulation platform not only focuses on demand response, but combines it with decentralised production and the entire energy market – both at building and area level. To take full advantage of this tool’s potential, we need to bear the needs of consumers in mind. A good example of this is the Human Thermal Model (HTM) method developed earlier by VTT for assessing the individual thermal comfort experienced by different user groups. Data obtained from this method can also be used in the DyRES platform. If the consumer’s living comfort improves while peak power energy production output is reduced, consumers will find it rational to participate in demand response, including in the long term. To avoid burdening residents, demand response must be an automatic feature embedded in apartments. If the technology and its supply to customers is simple, its use can be increased through awareness building.

DyRES sign

Instead of technology, the implementation of demand response and other smart energy solutions starts with consumer needs, such as comfortable living, which in turn creates wellbeing. Communication will play a key role in increasing consumer awareness on the use of, and the added value brought by, demand response. The supply of smart solutions to consumers as an integrated part of home energy systems will enable a change in behaviour.

Demand response includes several elements − building technology and automation, regional planning, the use of technology at consumer level − all of which need to be taken into account in order to take full advantage of demand response’s potential. DyRES provides a platform that enables all the pieces to be put together.

Read more:  www.vttresearch.com/services/low-carbon-energy/ 

Elina Hakkarainen VTTElina Hakkarainen, Research Scientist
Twitter: @e_Hakkarainen

Tomi Thomasson VTT

Tomi Thomasson, Research Scientist

Mikko Jegoroff VTTMikko Jegoroff, Research Scientist

Joustavaa energiankulutusta on hyödynnettävä tehokkaammin osana energiajärjestelmää − kuluttajan tarpeet huomioiden

Kysyntäjousto vaikuttaa konseptina järkevältä sekä kuluttajan että energiayhtiön näkökulmasta. Kuluttajalle tarjolla on hyötyjä niin asuinmukavuuden, lompakon kuin ympäristönkin kannalta. Myös tekniset lähtökohdat, kuten älykäs energianmittaus ja kotiautomaatio ovat Suomessa kunnossa. Silti kysyntäjouston tarjoamaa potentiaalia ei vielä täysimittaisesti hyödynnetä – mistä kiikastaa? Ratkaisua tähän on lähdetty hakemaan VTT:n DyRES-projektissa (Dynamic platform for demand REsponse), josta kerroimme edellisessä kirjoituksessamme kuluttajan näkökulmasta.

Kysyntäjousto mukaan jo uuden alueen suunnitteluvaiheessa

Kysyntäjoustokokeiluista on jo lukuisia esimerkkejä, jotka tyypillisesti keskittyvät joko sähkön tai lämmön kysyntäjoustoon, kuten sähkökattiloiden kaltaisiin yksittäisiin laitteisiin tai huonekohtaiseen lämpötilan säätöön. Vastaavanlainen vaiheittainen syntyhistoria on ollut havaittavissa taajamakehityksessä, missä erilaiset seikat, kuten tekniset valmiudet, kustannusrakenne, suljetumpi energiakauppa, lainsäädäntö ja ympäristöasioiden pienempi painoarvo ovat aiemmin sanelleet alueiden muodostamista.

Entä jos uudet asuinalueet suunniteltaisiinkin kokonaisina alueina jo alkumetreiltä lähtien sen sijaan, että aluetta rakennetaan matkan varrella pirstaleisina palasina? Se on rakennustekniikan osalta jo nykypäivää, mutta onko energianhallinnassa vielä kehitettävää? Yksi kirjoittajia lähellä oleva esimerkki on Suomen suurimmaksi liikunnan ja hyvinvoinnin keskittymäksi rakentuva Jyväskylän Hippos, jossa vuoden vaihteessa arvioimme yhdessä Jyväskylän Energian kanssa alueen sähkön kysyntäjoustopotentiaalia. Simulointitulokset osoittivat, että jo yksistään sähkön kysyntäjoustoa hyödyntämällä alueella voitaisiin saavuttaa noin 15 prosentin säästö energiakustannuksissa.

Hippos

Jyväskylään suunniteltavassa Hippoksen alueessa yhdistyvät merkittävä energiankulutus, asuminen ja liikenne.

Vaikka kyseisen tarkastelun keskiössä oli vain sähkön kulutus, tulevaisuuden energiajärjestelmä sisältää huomattavasti nykyistä enemmän joustavia elementtejä. Tällöin tarkasteluja on luonnollista laajentaa sähkön lisäksi lämpöön sekä sähköautojen yleistyessä myös liikenteeseen, jolloin myös saavutettavat hyödyt kasvavat. Aluesuunnittelu mahdollistaa eri toimijoiden väliset vuorovaikutukset – kuinka toisen ylijäämä saatetaan yhteen toisen alijäämän kanssa.

Mallinnuksella uutta tietoa kysyntäjoustosta

Kysyntäjoustoon vaikuttavat ulkoiset ja muuttuvat reunaehdot ja tekijät, kuten energiamarkkinoiden toiminta, lainsäädäntö, integroidut energialähteet ja kuluttajien mahdollisuus joustaa ovat voimakkaasti dynaamisia ja vuorovaikutteisia. Kaiken tämän tiedon reaaliaikainen hyödyntäminen ilman tehokasta työkalua on lähes mahdotonta, minkä vuoksi VTT on kehittänyt DyRES-laskentapohjan mahdollistamaan alueellisen ratkaisun suunnittelun ja käytön optimaalisella tavalla.

Laskentapohjan mittavimman työn tekee Apros, jonka käyttökohteet ovat viime vuosina laajentuneet perinteisistä voimalaitos- ja ydinvoimaprosesseista yhä kattavammin uusiutuvaan energiaan ja järjestelmätarkasteluihin. Sisäänrakennetun dynamiikan lisäksi ohjelmisto mahdollistaa tuotannon ja kulutuksen tarkan mallintamisen. Aprosin dynaamista mallia ohjataan optimointiohjelman avulla, jonka roolin Leanheatin toimitusjohtaja Jukka Aho tiivisti toukokuun alussa pidetyssä Fortum Digitalist Energy Forumissa osuvasti: miksi ihmisen tulisi kilpailla tietokonetta vastaan ja päättää mikä on paras algoritmi?

 Lukuisat muuttujat muodostavat monimutkaisen kokonaisuuden, joka vaatii DyRESin kaltaisen dynaamisen laskennan ja optimoinnin yhdistävän laskentapohjan.

Yhdistämällä kaksi erilaista laskentatapaa, dynaaminen laskenta ja optimointi, käytännön kysymyksiin voidaan vastata oleellisesti tarkemmin kuin nykyisillä valmiilla työkaluilla. Myös tutkimuksissa on suosittu itserakennettuja malleja (Neves et al. 2016), joissa yksi lähestymistapa on agenttipohjainen mallintaminen. Tämän periaatteen mukaisesti DyRESin laskentapohjassa laitteita sisältävien kotitalouksien muodostamaa kokonaisuutta mallinnetaan yksittäisten itsenäisiä päätöksiä tekevien kuluttajien kautta.

DyRES-laskentapohja

DyRES-laskentapohja huomioi niin toimintaympäristön, kuten lainsäädännön, energiamarkkinat ja sääolosuhteet, kuluttajan käyttäytymisen ja joustomahdollisuudet, kasvavan pientuotannon, ja rakennusten ominaisuudet sekä elinkaaren.

Simuloinnista käytäntöön − Kuluttaja keskiössä uusia ratkaisuja suunniteltaessa

VTT oli mukana Energiatehokkuus 2.0 rakentamisessa -seminaarissa 22.5.2017 Heurekassa. Tilaisuudessa kuultiin esimerkiksi Salusfinin ja S-Voiman kokemuksia kysyntäjouston toteutuksesta. Mutta mikä tärkeintä, läsnä oli kattavasti eri tahoja, joita tarvitaan viemään kysyntäjousto ja yleensäkin älykkäät ratkaisut paperilta käytäntöön yhä laajemmassa mittakaavassa. Tähän tarvitaan niin tutkijaa, rakentajaa, talotekniikan ammattilaista sekä ohjauskeinoja.  Seminaarin laajalta osallistujakunnalta tiedusteltiin, mitä keinoja tarvitaan uuden kotiautomaation käyttöönottoon – jollekin voi tulla yllätyksenä, että teknisten menetelmien sijaan tärkeimpänä pidettiin kuluttajalle suunnatun koulutuksen ja viestinnän lisäämistä.

Seminaarin kyselyn tulokset

Tärkeimpänä keinona edistää kysyntäjouston hyödyntämistä seminaariin osallistujat pitivät koulutusta ja viestintää. Myös rakentamismääräyksiin vaikuttaminen ja sähkön siirron tehopohjaiset maksut keräsivät kannatusta.

Kyselyn tulokset kertovat kokonaisuuden hahmottamisen tärkeydestä: kysyntäjousto yksin ja tekniikkana ei ole itseisarvo, vaan sen arvo syntyy osana energiajärjestelmää ja kun se tuottaa käyttäjälleen lisäarvoa. Tämän takia DyRES-laskentapohja ei keskity yksistään kysyntäjoustoon, vaan yhdistää sen hajautettuun tuotantoon osana energiamarkkinoita niin rakennus- kuin aluetasollakin. Jotta työkalun koko potentiaali voidaan hyödyntää, on muistettava kuluttajan tarpeet. Hyvänä esimerkkinä toimii VTT:llä aiemmin kehitetty Human Thermal Model (HTM) -menetelmä, jolla arvioidaan eri käyttäjäryhmien yksilöllisiä lämpöaistimuksia ja jonka tuottamaa tietoa voidaan hyödyntää myös DyRES-alustassa. Jos kuluttajan asuinmukavuus paranee samalla kun leikataan esimerkiksi energiantuotannon huipputehoja, kysyntäjoustoon osallistuminen on kuluttajalle mielekästä myös pitkällä tähtäimellä. Jotta kysyntäjousto tapahtuisi automatisoidusti kuormittamatta asukasta, sen täytyy olla asunnon ns. sisäänrakennettu ominaisuus. Tekniikasta ja sen toimituksesta asiakkaalle on tehtävä yksinkertaista, jonka jälkeen sen käyttö lisääntyy ihmisten tietoisuutta lisäämällä.

Toteutus

Kysyntäjouston ja muiden älykkäiden energiaratkaisujen toteuttaminen lähtee tekniikan sijaan kuluttajan tarpeesta, kuten asumismukavuudesta, mikä luo hyvinvointia. Viestintä on avainasemassa, jotta kuluttajan tietoisuus kysyntäjouston hyödyntämisestä ja sen tuomasta lisä-arvosta lisääntyy. Älykkäiden ratkaisujen toimittaminen kuluttajalle integroituna osana kodin energiajärjestelmää mahdollistaa toimintatapojen muutoksen.     

Kysyntäjoustoon kuuluu monta elementtiä − talotekniikka ja automaatio, dynamiikan optimointi, aluesuunnittelu, tekniikan hyödyntäminen kuluttajatasolla − ja nämä kaikki on otettava huomioon kysyntäjouston tarjoaman potentiaalin hyödyntämiseksi. DyRES tarjoaa alustan, joka mahdollistaa eri palojen sovittamisen yhteen.

 Elina Hakkarainen VTT

Elina Hakkarainen, tutkija
Twitter: @e_Hakkarainen

Tomi Thomasson VTT

Tomi Thomasson, tutkija

Mikko Jegoroff VTT

Mikko Jegoroff, tutkija

From off-peak electricity to comprehensive energy saving

Over the last few weeks, it has been well nigh impossible to avoid seeing headlines about demand response, intelligent home automation and remotely readable electricity meters. Finland has been said to be a global frontrunner in the development of intelligent energy systems, which opens possibilities in the large and global market. However, consumers may remain uncertain as to whether they can benefit from this development in ways other than through the old familiar off-peak electricity.

In a recent news article, the Finnish Broadcasting Company wrote about how new intelligent meters will change everyday domestic life, while the proliferation of intelligent technology was reported in March to create entirely new kinds of electricity products on the electricity market. When reading the latter article, in particular, the famous bubble burst – it was merely about the old and familiar hourly rates for electricity. For many consumers, hourly rates have remained an alternative akin to the lottery – electricity may be cheap, or it may make a deep dent in your wallet.

Hourly rates are merely the tip of the iceberg of the changes emerging below the surface of the energy market. With regard to intelligent technology, one of the most concrete examples is Fingrid’s Datahub to be deployed in 2019. This increases the efficiency of the information exchange in the electricity retail market, offering an interface for business development. Elsewhere, according to its views as presented in the Commission’s winter package, the EU wants to shorten the imbalance settlement period to 15 minutes from 60 minutes, thus shaping the operation of the market to become much more dynamic.

Today, intelligent technology and dynamicity are most visibly connected on the electricity market in the form of demand response, the idea of which is pretty simple on paper: based on hourly electricity rates, demand is moved from expensive hours to cheaper hours, which is seen on the consumer’s electricity bill as savings. Fortum is currently running a commercial electricity demand response trial, in which a virtual power plant with a capacity of over 100 kW has been formed from the hot water boilers of 70 electrically heated detached houses and utilised in maintaining the power balance of the network. Examples of demand response can also be found in the heating sector: Fourdeg connects a weather forecast and a cloud service to a thermostat, allowing the apartment’s temperature to be adjusted room-specifically, saving energy and therefore also money.

Fingridin Tuntihinta-mobiilisovellus

Consumers can already use, for example, Fingrid’s Tuntihinta (Hourly rate) mobile application to monitor the hourly spot rate on the electricity market and receive alerts if the hourly rate exceeds the alert limit set by the user. Demand response requires an electricity agreement tied to the market rate. However, the savings remain marginal when consumption is controlled manually.

In the future, electricity is not merely a commodity going from the wall socket to an appliance; instead, electricity and heat will be fundamentally linked with each other, with homes featuring small-scale production of both, and storage solutions as well. Furthermore, these different components of the system must be governed in a controlled manner so that it is comfortable to spend time at home. Understanding all this requires combining many different areas of competence and points of view into a single whole, which may appear to the consumers as an insurmountable obstacle for participating in the active control of the energy consumption at home.

Every consumer is different and wishes to participate in controlling the energy consumption of their home in different ways. In order to make this participation easier, we have launched a project called DyRES (Dynamic platform for demand RESponse) in which we will create a dynamic calculation platform for the optimisation of flexible use of electricity and heat. Our approach is slightly topsy-turvy: by making the models more complex, we can simplify things and bring them closer to practice. This complexity comprises the operation and characteristics of each individual appliance utilised in the demand response, building models, control circuits and the system’s control logic in accordance with the consumer’s behaviour, and at lot more besides. However, we will conceal all this complexity behind a clear user interface that suits the consumer’s needs. The concept will be demonstrated first by simulating residential areas, but the developed platform will suit the implementation of demand response for complex industrial processes as well, thanks to the Apros® modelling tool we use.

DyRES

DyRES combines analytic calculations, dynamic simulation and a consumer interface into one, single whole. This enables the transparent utilisation of algorithms and optimisation in practical applications intended for consumers. We will discuss the benefits offered to different user groups by the calculation platform in more detail in the next part of the blog.

The purpose of the platform we have developed is ultimately to guide a consumer’s use of electricity and heat in such a way that the energy consumption and related costs are reduced without compromising living comfort. This is enabled by the home automation and intelligent electricity meters so often mentioned in the news. A visual interface between the automation and the consumer enables the consumers to participate according to their own level of activity – or they can just be passive participants. However, the burning question is who is motivated by what to participate in the demand response: money, environmental impacts or something else entirely?

VTT is involved in the Energy Efficiency 2.0 in Building seminar on 22 May 2017 at Heureka in Vantaa, Finland. So please, come and discuss with us what demand response services should take into consideration from the perspectives of the consumer, developer and service provider.

Tomi Thomasson VTT

Tomi Thomasson, Research Scientist 

Elina Hakkarainen VTT

              Elina Hakkarainen, Research Scientist
Twitter: @e_Hakkarainen

Mikko Jegoroff VTT

Mikko Jegoroff, Research Scientist

Yösähköstä kokonaisvaltaiseen energiansäästöön

Viime viikkoina uutisia selatessa on väistämättä törmännyt otsikoihin aiheista kysyntäjousto, älykäs kotiautomaatio ja etäluettavat sähkömittarit. Suomen on sanottu olevan älykkäiden energiajärjestelmien kehityksessä maailman kärkeä, mikä avaa mahdollisuuksia suurilla ja globaaleilla markkinoilla. Kuluttajalle voi kuitenkin jäädä epäselväksi, voiko tästä kehityksestä hyötyä muun kuin vanhan tutun yösähkön kautta.

Yle uutisoi taannoin, kuinka uudet älymittarit muuttavat kodin arkea. Maaliskuussa taas älyteknologian yleistymisen kerrottiin synnyttävän sähkömarkkinoille aivan uudenlaisia sähkötuotteita. Etenkin jälkimmäistä uutista lukiessa tutkijan kuuluisa kupla puhkesi, kun kyse olikin vanhasta tutusta sähkön tuntihinnoittelusta. Monelle kuluttajalle tuntihinnoittelu on kuitenkin jäänyt arpapelin kaltaiseksi vaihtoehdoksi – sähkö voi olla halpaa tai sitten kaivellaan lompakoita kunnolla.

Tuntihinnoittelu on pelkkä jäävuoren huippu energiamarkkinoiden pinnan alla kuohuvista muutoksista. Älyteknologian osalta yksi konkreettisimmista esimerkeistä on Fingridin vuonna 2019 käyttöön otettava Datahub, joka tehostaa tiedonvaihtoa sähkön vähittäismarkkinoilla tarjoten rajapinnan liiketoimintaa kehittäville toimijoille. Toisaalla EU haluaa komission talvipaketissa esitettyjen näkemystensä mukaan lyhentää taseselvitysjakson 60 minuutista 15 minuuttiin, muokaten näin markkinoiden toimintaa huomattavasti dynaamisemmaksi.

Älyteknologia ja dynaamisuus yhdistyvät tällä hetkellä sähkömarkkinoilla näkyvimmin kysyntäjouston muodossa, jonka idea on paperilla varsin yksinkertainen: kulutusta siirretään sähkön tuntihinnoitteluun perustuen kalliilta tunneilta halvemmille tunneille, mikä näkyy kuluttajan sähkölaskussa säästönä. Fortumilla on meneillään kaupallinen sähkön kysyntäjoustokokeilu, jossa 70 sähkölämmitteisen omakotitalon lämminvesivaraajista on koottu yhteensä teholtaan yli 100 kW virtuaalivoimalaitos, jota voidaan hyödyntää verkon tehotasapainon ylläpidossa. Esimerkkejä kysyntäjoustosta löytyy myös lämmityssektorilta: Fourdeg liittää termostaattiin sääennusteen ja pilvipalvelun, joiden avulla säädetään asunnon lämpötilaa huonekohtaisesti energiaa, ja samalla rahaa, säästäen.

Fingridin Tuntihinta-mobiilisovellus

Kuluttaja voi jo seurata esimerkiksi Fingridin Tuntihinta-mobiilisovelluksella sähkön tuntikohtaista pörssihintaa ja saada hälytyksiä, jos tuntihinta ylittää käyttäjän asettaman hälytysrajan. Kysyntäjousto edellyttää pörssihintaan sidottua sähkösopimusta. Manuaalisesti kulutusta ohjaamalla säästöt jäävät kuitenkin marginaalisiksi.

Sähkö ei tulevaisuudessa ole enää ainoastaan pistorasiasta laitteeseen kulkeva hyödyke, vaan sähkö ja lämpö linkittyvät olennaisesti toisiinsa, ja kodeista löytyy molempien pientuotantoa ja vieläpä energian varastointiratkaisuja. Lisäksi näitä järjestelmän eri komponentteja on ohjattava hallitusti niin, että kodissa on viihtyisää viettää aikaa. Kaiken tämän ymmärtämiseksi vaaditaan monen eri osaamisalueen ja näkökulman yhdistämistä yhdeksi kokonaisuudeksi, mikä voi näyttäytyä kuluttajalle ylitsepääsemättömänä esteenä osallistua kodin energiankulutuksen aktiiviseen ohjaukseen.

Jokainen kuluttaja on erilainen ja haluaa osallistua kotinsa energiankulutuksen ohjaukseen eri tavoin. Osallistumisen helpottamiseksi käynnistimme hankkeen nimeltä DyRES (DYnamic platform for demand RESponse), jossa luomme dynaamisen laskentapohjan joustavan sähkön ja lämmön käytön optimointiin. Lähestymistapamme on hieman nurinkurinen: malleja monimutkaistamalla asioita voidaan yksinkertaistaa ja tuoda lähemmäs käytäntöä. Mainittu monimutkaisuus pitää sisällään kunkin kysyntäjoustossa hyödynnettävän yksittäisen laitteen toiminnan ja ominaisuudet, rakennusmallit, säätöpiirit ja järjestelmän ohjauslogiikan kuluttajan käyttäytymisen mukaan sekä paljon muuta. Kaiken monimutkaisuuden päälle luodaan kuitenkin kuluttajan tarpeisiin soveltuva selkeä käyttöliittymä. Konsepti demonstroidaan ensin asuinalueilla, mutta kehitetty alusta soveltuu yhtä lailla teollisuuden monimutkaisten prosessien kysyntäjouston toteutukseen käyttämämme Apros®-mallinnustyökalun ansiosta.

DyRES

DyRES yhdistää analyyttisen laskennan, dynaamisen simuloinnin sekä kuluttajarajapinnan yhtenäiseksi kokonaisuudeksi. Tämä mahdollistaa algoritmien ja optimoinnin läpinäkyvän hyödyntämisen kuluttajille tarkoitetuissa käytännön sovelluksissa. Laskentapohjan eri tahoille tarjoamiin hyötyihin keskitytään tarkemmin blogin seuraavassa osassa.

Kehittämämme alustan tarkoituksena on viime kädessä ohjata kuluttajan sähkön ja lämmön käyttöä siten, että energiankulutus ja siihen liittyvät kustannukset pienenevät, tinkimättä kuitenkaan asuinmukavuudesta. Tämän mahdollistavat uutisissa ahkerasti mainitut kotiautomaatio ja älykkäät sähkömittarit. Visuaalinen rajapinta automaation ja kuluttajan välillä mahdollistaa kuluttajan osallistumisen oman aktiivisuuden mukaan − tai passiivisen osallistumisen. Polttava kysymys on kuitenkin, mikä ketäkin motivoi osallistumaan kysyntäjoustoon: raha, ympäristövaikutukset vai jokin muu seikka?

VTT on mukana Energiatehokkuus 2.0 rakentamisessa -seminaarissa 22.5.2017 Heurekassa. Tule keskustelemaan siitä, mitä kysyntäjoustopalveluissa tulisi ottaa huomioon niin kuluttajan, rakentajan kuin palveluntarjoajan näkökulmasta.

Tomi Thomasson VTT

Tomi Thomasson, tutkija

Elina Hakkarainen VTT

Elina Hakkarainen, tutkija
Twitter: @e_Hakkarainen

Mikko Jegoroff VTT

Mikko Jegoroff, tutkija