Energiaomavarainen kaupunki vaatii radikaaleja ratkaisuja

Tampereella tehdään jo tulevaisuuden kaupunkirakentamisen mallialuetta, vaikka uudisrakentaminen käynnistyy varsinaisesti vasta vuonna 2020. Kysymyksessä on 25 000 asukkaan Hiedanranta. Kaupunki on kutsunut Hiedanrantaan yrityksiä kokeilemaan ja kehittämään uutta liiketoimintaa, joille tunnusomaista ovat digitaalisuus, kestävyys, kiertotalous, energia tai ravinnontuotanto. Tavoitteena on saada alueelle 10 000 tulevaisuuden työpaikkaa. Energiaa alueen tulisi tuottaa yli oman tarpeen. Hiedanrannan kehitysohjelma on osa Smart Tampere -ohjelmaa.

Hiedanranta 4D Voimala -visiossa luovutaan kokonaan fossiilisista polttoaineista (Dekarbonisaatio) ja kiihdytetään energiatoimialan liiketoimintaympäristön uudistumista (Disruptio). Hajautetussa energiatuotannossa (Desentralisaatio) hyödynnetään aurinkoenergaa ja geotermistä energiaa sekä kierrätetään hukkalämpö ja biomateriaalit pienCHP-ratkaisuilla ja polttokennoilla. Kysyntäjousto ja erilaiset energiavarastot ovat tärkeä energiaälykästä rakentamista ja Hiedanrannan energiajärjestelmää. Siirtyminen keskitetyistä hajautettuihin ratkaisuihin vaatii reaaliaikaisuuteen perustuvia liiketoimintaprosesseja ja palveluja (Digitalisaatio).

Vainio_graafi

4D-VOIMALAN RADIKAALIT ELEMENTIT

  • Hiedanrannan Energiainnovaatiokeskus on keskeinen toimija 4D Voimalan ekosysteemien ja toimintamallien kehittämisessä.
  • Kilpailulle avoin infrastruktuuri mahdollistaa kaikkien energiavirtojen kaksisuuntaisuuden ja hajautetun ja holistisen energian tuotannon.
  • Ravintokierto osana energiajärjestelmää tuottaa kaupunkiympäristöön aivan uusia lähienergian-lähteitä, jotka integroidaan Hiedanrannan energiajärjestelmään.
  • Paikalliset sähköiset kauppapaikat ovat alusta kaupankäynnille paikallisten toimijoiden kesken. Kauppapaikat muodostavat valtakunnallisiin energiamarkkinoihin verrattavissa olevan ”mikroympäristön”. Energiayhteisö tai -osuuskunta on todennäköinen sidosryhmä tulevaisuuden energialiike-toiminnassa.
  • Ennustava reaaliaikainen energianhallinta kattaa kulutuksen ja tuotannon tarkan ennustamisen sekä koko energiainfrastuktuurin (tuotanto, jakelu, kuormat, kysyntäjousto, energian varastointi) ennustavan ohjauksen. Uusia teknologioita otetaan käyttöön tulevaisuuden liiketoimintaprosessien toteutuksessa – esim. lohkoketkut (Block Chains) ja tekoäly (AI).
  • Holistinen energiantuotanto hyödyntää kaikki paikalliset energialähteet huomioiden myös liitynnät ulkoisiin energiajärjestelmiin, energian talteenoton ja varastoinnin sekä kysyntäjouston (”virtuaali-voimalaitos”). Ennustava reaaliaikainen energiahallinta on tämän mahdollistaja.
  • Energiaälykäs rakennus on reaaliaikaisessa vuorovaikutuksessa sekä energiajärjestelmän että käyttäjien kanssa. Rakennus tai rakennusryhmät ovat siis kiinteä osa energiajärjestelmää – energian tuotantoa, jakelua, varastointia, ohjattavia kuormia ja energian kulutusta. Hiedanrannassa panostetaan alueellisiin ja rakennusryhmäkohtaisiin energiaratkaisuihin.

Hiedanranta 4D Voimala kuvaa tulevaisuuden toimintaympäristön, jossa kaikkien toimijoiden on oltava valmiita uudistamaan tuote- ja palveluportfolioita sekä liiketoimintamalleja. Energiatoimialan vireillä olevat EU direktiivit tulevat osaltaan edistämään 4D Voimalan toteutumista. Kaupungin organisaatioilta uudentyyppisen kaupungin rakentaminen vaatii tiivistä yhteistyötä energiainfrastruktuurin toteuttajien kanssa sekä tiedon ja osaamisen jakamista kotimaisten ja kansainvälisten kärkihankkeiden kanssa.

Hiedanranta 4D Voimalaa ovat olleet ideoimassa Tampereen kaupungin ja Tampereen Sähkölaitoksen kanssa VTT, Tampereen teknillinen yliopisto ja Tulevaisuuden tutkimuskeskus.

 

Markku Tuovinen
Markku Tuovinen
Senior Scientist, VTT
markku.tuovinen(a)vtt.fi
@TuovinenMarkku

 

 

Vainio
Terttu Vainio
Senior Scientist, VTT
terttu.vainio(a)vtt.fi

Alueellisissa energiajärjestelmissä on paljon etuja

Vuoteen 2020 mennessä kaikkien uusien rakennusten tulee olla lähes nollaenergiarakennuksia. Tämä tarkoittaa, että rakennukset kuluttavat hyvin vähän energiaa. Lisäksi tarvittava energia tulisi mahdollisimman pitkälle tuottaa uusiutuvalla energialla. On tulkinnanvaraista, missä tämä uusiutuva energia pitäisi tuottaa ja missä sitä olisi järkevä tuottaa. Jos tämä energia tuotetaan aluetasolla esimerkiksi kokonaisten asuinalueiden tarpeisiin, voidaan saavuttaa monia etuja eikä yksittäisille rakennuksille aseteta kohtuuttomia vaatimuksia.

Kansainvälisessä tieteellisessä kirjallisuudessa on ehdotettu ja analysoitu lukuisia erilaisia nollaenergiaratkaisuja, mutta vain joitakin on toteutettu. Mielestäni tämä saattaa viitata haasteisiin toteutuksessa, kuten korkeisiin kustannuksiin tai monimutkaisiin järjestelmäratkaisuihin. Mitä enemmän järjestelmiä on, sitä vaativampaa on niiden käyttö ja ylläpito. Tällaiset esteet vähenevät, jos nollaenergiarakennusten sijasta toteutetaan nollaenergia-alueita.

Alueen energiaomavaraisuuden parantamista ja aiheutuvien päästöjen pienentämistä voidaan tukea valitsemalla paikallisia uusiutuvia energianlähteitä. Tiiviillä alueilla on mielekästä suunnitella rakennukset toimimaan tehokkaana osana alueellista energiajärjestelmää. Tällöin esimerkiksi aurinkoenergiajärjestelmät voidaan sijoittaa koko alueen kannalta optimaalisiin paikkoihin välttäen korkeuserojen, puiden tai muiden rakennusten aiheuttamat varjostukset. Saksassa asuinalueen lämmitykseen tarkoitettuja aurinkolämpökeräimiä on sijoitettu esimerkiksi teiden varsille äänivalleihin ja parkkipaikkojen katteeksi.

Ruotsissa, Tanskassa, Saksassa ja Kanadassa on jo vuosia sitten toteutettu alueellisia aurinkolämpöjärjestelmiä yhdistettynä kaukolämmitykseen ja kausivarastointiin. Suomesta puuttuvat lämpöenergian alueellisen kausivarastoinnin pilotit, vaikka kansainvälisten tutkimusten mukaan vastaavilla ilmastovyöhykkeillä aurinkoenergian hyödyntämisaste voi kausivarastoinnilla nousta jopa yli 50 %:iin vuosittaisesta alueellisesta lämmöntarpeesta. Kausivarastoinnilla voidaan myös tehostaa erilaisten jätelämpöjen, esimerkiksi datakeskusten ylilämmön, hyödyntämistä nykyistä paremmin.

Alueellisen uusiutuvan energian, jätelämpöjen ja lämmönvarastoinnin hyödyntäminen tehostuu, jos kaukolämpöverkot avataan eri lämmöntuottajille. Näin on tehty Tukholmassa. Tällä tavalla lämmöntuottajiksi saadaan uusia toimijoita ja kilpailua. Samalla energiavirtoja voidaan kierrättää ja alueellista energiatehokkuutta parantaa.

Hiljattain päättyneessä VTT:n tutkimuksessa esitetään alueellisten energiajärjestelmien energiantuotantovaihtoehtoja. Case-alueena tarkasteltiin Helsingin Vartiosaaren energiantarpeita ja ‑tuotantoa. Projektissa selvitettiin aurinkolämmön lisäämisen vaikutuksia alueen lämpöenergian omavaraisuusasteeseen ja päästöihin, jos kesällä tuotettu ylimääräinen aurinkolämpö varastoidaan porareikä- tai säiliövarastoon käytettäväksi talvella. Tarkastelluilla tapauksilla alueen lämmön tuotannossa olisi saavutettavissa noin 60 %:n omavaraisuusaste. Samalla hiilidioksidipäästöjä voidaan vähentää noin 50 % ja rikkidioksidi- ja pienhiukkaspäästöjä jopa 70 %.

Satu Paiho

Erikoistutkija

Julkaisu ”Paikallista energiaa asuinalueella – Esimerkkinä Helsingin Vartiosaari”