Lämmön varastointi Kuopion kaukolämpöjärjestelmässä

Tutkimuksessa tarkastellaan kaukolämpövaraston kannattavuutta Kuopion kaupungin energiajärjestelmässä. Lämpövarasto on maanpäällinen, lieriönmuotoinen, paineistamaton ja eristetty terässäiliö. Säiliö on kytketty suoraan kaukolämpöverkkoon siten, että kaukolämpöverkon vettä voidaan kierrättää varaston kautta. Varaston lämpötehoksi valittiin 40 MW. Varaston maksimilämpötila on 95 °C ja minimi 55 °C. Tutkittavat varastokoot olivat energiasisällöltään ja tilavuudeltaan 0,5 GWh/12 000 m3 ja 1,0 GWh /24 500 m3. Varaston käytöllä voidaan lisätä vastapainesähkön tuotantoa, jolloin vastapainelaitoksen ylimääräinen lämmöntuotanto varastoidaan. Varastoitu lämpö puretaan myöhemmin kaukolämpöverkkoon, jossa se korvaa kalliimpaa raskasöljykattilaenergiaa. Varaston käyttötapa ratkaistaan rajakustannusperiaatteella; varastoa ladataan alhaisten lämmönrajakustannusten aikana ja puretaan kalliiden rajakustannusten aikana. Lämmön rajakustannusvaihtelu pyritään saamaan mahdollisimman pieneksi tarkastellulla aikavälillä. Varaston ajotavan optimointi ratkaistaan lineaarisella ohjelmointitekniikalla. Varaston kannattavuutta tutkittiin kolmena valittuna laskentavuotena: 1985, 1990, 1995. Laskentavuosien lämmön ja sähkön kulutusvaihtelu perustuu vuoden 1983 todellisiin tuntikeskitehoihin. Laskennan hintataso on kevään 1984 tasolla, jolloin turpeen hinta oli 46 mk/MWh ja öljyn hinta 92 mk/MWh. Teräsöljyvaraston käyttö kausivarastointiin siten, että lämpöä siiretään kesältä talvelle, todettiin kannattamattomaksi. Lyhytaikaisvarastointi (vuorokausi-, viikkojaksolla) osoittautui pienemmällä 0,5 GWh:n varastokoolla kannattavimmaksi. Vuosituotto kasvoi vuodesta 1985 vuoteen 1995. Investoinnin kannattavuutta arvioitiin takaisinmaksuajan perusteella käyttäen 5 %:n reaalikorkoa. Rakentamisajankohdat valittiin vuosille 1985 ja 1990. 0,5 GWh:n/12 000 m3 varaston takaisinmaksuajaksi saatiin ko. tapauksissa 16,5 ja 12,8 vuotta. 1,0 GWh:n /24 500 m3 varaston takaisinmaksuajoiksi saatiin vastaavasti 20,0 ja 15,5 vuotta. Varaston tuotot muodostuivat pääasiassa talvikäytöstä. Kesällä lämmön rajakustannuserot päivällä ja yöllä ovat niin pienet, että varaston tuotto jää vähäiseksi. Tutkimuksessa arvioitiin polttoaineiden hinnan vaikutusta varaston kannattavuuteen olettamalla polttoaineille 2 %:n reaalinen hinnan nousu vuosittain. Em. rakentamisajankohtien ja koron mukaan laskettuna saatiin 0,5 GWh:n varaston takaisinmaksuajaksi 13,7 ja 9,7 vuotta sekä 1,0 GWh:n varstolle 16,5 ja 12,0 vuotta. Varaston tuottoa arvioitiin myöskin 6.10.1984 tapahtuneen öljyn hinnan korotuksen jälkeen. Öljyn hintana käytettiin 114,54 mk/GWh ja muut kustannukset pidettiin entisellään. Nyt investointien takaisinmaksuajoiksi saatiin 11,8 ja 8,3 vuotta 0,5 GWh:n varastolle ja13,3 sekä 9,5 vuotta 1,0 GWh:n varastolle, jos rakentamisvuosi on 1985 tai 1990.