KAVENERO - Kaukolämpö- ja vesihuoltojärjestelmän energiatehokas sektori-integraatio kaupunkien vihreän siirtymän edistämisessä
Funders
Euroopan unionin osarahoittama
.png){kind=logo}
Project information
Project duration
-
Funded by
European Structural Funds - European Regional Development Fund (ERDF)
Funding amount
364 000 EUR
Project coordinator
University of Oulu
Unit and faculty
Contact information
Contact person
Researchers
Project description
Kaukolämpö- ja vesihuoltojärjestelmän energiatehokas sektori-integraatio kaupunkien vihreän siirtymän edistämisessä -hanke (KAVENERO) liittyy kaupunkien uudentyyppiseen kaukolämmön ja vesihuollon sektori-integraation kehittämiseen energiatehokkuuden ja ympäristönäkökulmien kannalta. Siinä yhdistyvät samanaikaisen kaukolämmöntuotannon polttoaineenkulutuksen pienentäminen ja biologisen jätevedenpuhdistuksen sekä lietteen käsittelyn tehokkuuden nosto.
Hankkeen tavoitteena on tuottaa uutta tietoa tällaisen yhdistämisen energiatehokkuus- ja ympäristövaikutuksista sekä optimaalisesta toteutuksesta, varsinkin kun huomioidaan välilliset potentiaaliset vaikutukset: jäteveden lämmön talteenoton ja uusien kaukolämmön tuotantomuotojen lisäämismahdollisuudet (kaukolämpöverkon paluupuolelle) kaupunkitasolla.
Hankkeen toteutus on mallinnusta ja simulointia, millä tuotetaan kopioitava kaupunkitason energiamalli ja simulaattori, jolla voidaan tutkia ja optimoida kaukolämmön ja vesihuollon sektori-integraatiota. Hankkeen tuloksena saadaan menetelmä ja uutta tietoa ympäristö- ja teknisen suunnittelun tueksi tämäntyyppisen sektori-integraation vaikutuksesta ja optimoinnista kaupunkien energiataseeseen, energiantuotannon vuosipäästöihin ja jäteveden puhdistuksen sekä lietteiden käsittelyn energiatehokkuuteen.
Toteuttajina hankkeessa ovat Oulun yliopistolta Säätötekniikan ryhmä (mallinnus, simulointi ja optimointi) ja Vesihuollon ja vesienkäsittelyn ryhmä (vesihuolto). Hankkeen keskeisiä toimijoita ovat Oulun Energia ja Oulun Vesi, joiden molempien edustamien alojensa vihreään siirtymään ja hiilineutraalisuustavoitteeseen olennaisesti liittyvä aihe on tärkeä. Hankkeen kesto on kaksi vuotta.
Project results
Jäteveden lämpötilan hallinta voi parantaa typenpoistoa ja kaupunkien energiatehokkuutta
Oulun yliopiston KAVENERO-hankkeen tulosten perusteella jäteveden lämpötilan nostaminen ja vakiointi voi parantaa biologisen puhdistuksen toimintaolosuhteita merkittävästi ja tukea samalla kaukolämpöjärjestelmän energiatehokkuutta. Erityisesti hukkalämpöön ja kaukolämmön paluuveteen perustuvat lämmönlähteet tarjoavat lupaavia mahdollisuuksia kaupunkien vihreän siirtymän edistämiseen KAVENERO-konseptilla.
KAVENERO-hankkeessa (Kaukolämpö- ja vesihuoltojärjestelmän energiatehokas sektori-integraatio kaupunkien vihreän siirtymän edistämisessä) tarkasteltiin kaukolämpö- ja vesihuoltojärjestelmien sektori-integraatiota. Oulun yliopiston säätötekniikan sekä vesihuollon ja vesienkäsittelyn tutkimusryhmien toteuttamassa hankkeessa selvitettiin, voidaanko jäteveden lämpötilan hallinnalla vähentää kaukolämmöntuotannon polttoaineenkulutusta ja parantaa biologisen jätevedenpuhdistuksen tehokkuutta.
Hankkeeseen osallistuivat Oulun Energia ja Oulun Vesi, ja tutkimus perustui usean vuoden todelliseen mittausaineistoon molemmilta toimijoilta. Simuloiduissa skenaarioissa vertailtiin erilaisia jäteveden lämmitystapoja, lämmönlähteitä ja tavoitelämpötiloja. Lisäksi tarkasteltiin, miten rakennuskohtainen jäteveden lämmöntalteenotto vaikuttaisi ratkaisun toimintaan ja kannattavuuteen.
KAVENERO-konseptiin kuuluu kaksi päävaihetta (kuva 1). Ennen puhdistamoa jätevettä lämmitetään lämmönvaihtimella, jotta biologiselle puhdistusprosessille varmistetaan tasaisemmat ja tehokkaammat olosuhteet. Puhdistamon jälkeen jätevedestä voidaan ottaa lämpöpumpulla talteen sen sisältämää lämpöä takaisin kaukolämpöjärjestelmään, jolloin energiaa ei johdeta hyödyntämättömänä vesistöön. Konsepti on sovellettavissa myös muihin kaupunkiympäristöihin.
Jätevedenpuhdistuksen näkökulmasta lämpötilan hallinta voisi mahdollistaa tehokkaamman typenpoiston ympäri vuoden ja tukea puhdistamon tasaisempaa toimintaa. Tasaisemmat prosessiolosuhteet voisivat vähentää keskimääräistä kemikaalien tarvetta ja parantaa edellytyksiä laadukkaan puhdistustuloksen saavuttamiselle.
Tulosten perusteella sektori-integraatiolla voidaan saavuttaa sekä taloudellisia että ympäristöhyötyjä. Simulointien perusteella KAVENERO-investointien takaisinmaksuaika jää tyypillisesti alle kymmeneen vuoteen. Parhaimmillaan energiayhtiön vuosittainen liiketulos voi kasvaa lähes 40 prosenttia, samalla kun hiilidioksidipäästöt vähenevät noin kolmanneksen. Suurimmat hyödyt saavutettiin hukkalämpöön perustuvissa ratkaisuissa, joissa jäteveden lämmitys ei lisää kaukolämpöjärjestelmän omaa tuotantotarvetta. Hukkalämpöä saataisiin muun muassa datakeskuksista. Näissä skenaarioissa saavutettiin parhaat taloudelliset hyödyt ja suurimmat vuosittaiset hiilidioksidipäästöjen vähennykset. Myös kaukolämmön paluuveteen perustuvat ratkaisut osoittautuivat varteenotettaviksi, sillä niissä yhdistyivät hyvä taloudellinen kannattavuus ja tekninen toteutettavuus.
Jäteveden tavoitelämpötilan nostaminen lisäsi lämmöntalteenoton määrää ja paransi useissa tapauksissa ratkaisun kannattavuutta. Korkeampi tavoitelämpötila kuitenkin kasvattaa investointikustannuksia ja pidentää takaisinmaksuaikaa. Tämä korostaa tavoitelämpötilan valinnan merkitystä – järjestelmän suunnittelussa on löydettävä tasapaino puhdistustehokkuuden, energiatalouden ja investointikustannusten välillä. Typenpoiston osalta jäteveden lämpötilan nosto tasaiseksi 16 asteeseen ympäri vuoden mahdollistaisi simuloinnin perusteella Oulun koekohteessa puhdistustulosten raja-arvojen saavuttamisen pelkässä biologisessa puhdistuksessa.
Rakennuskohtainen jäteveden lämmöntalteenotto voisi lisätä jäteveden lämmön paikallista hyödyntämistä rakennuksissa, mutta samalla se heikentäisi keskitetyn ratkaisun kannattavuutta. Kun lämpöä otetaan talteen jo rakennuksissa, puhdistamolle saapuvan jäteveden lämpötila alenee. Tällöin keskitetyn ratkaisun jäteveden lämmitystarve kasvaa.
Simulointi- ja optimointitulokset osoittivat, että sektori-integraation kannattavuus riippuu erityisesti sähkön hinnasta ja energiantuotannon kustannuksista. Tulosten perusteella konsepti voi kuitenkin olla taloudellisesti kannattava myös tulevaisuuden sähköistyvässä energiajärjestelmässä. KAVENERO-hanke osoittaa, että kaukolämpö- ja vesihuoltojärjestelmiä kannattaa tarkastella yhdessä, kun kaupungeissa etsitään keinoja parantaa samanaikaisesti energiatehokkuutta, vähentää hiilidioksidipäästöjä ja kehittää edelleen jätevedenpuhdistusta.
Kuva 1. KAVENERO-konseptissa jätevettä lämmitetään vakiolämpötilaan ennen puhdistamoa biologisen puhdistusprosessin toimintaolosuhteiden parantamiseksi. Puhdistamon jälkeen jäteveden sisältämää lämpöä voidaan ottaa talteen lämpöpumpulla esimerkiksi takaisin kaukolämpöjärjestelmään.