Sähkön ja lämmön yhteistuotanto

Hanasaaren voimalaitos Helsingissä oli valjastettu sähkön ja kaukolämmön yhteistuotantoon. Yhteistuotanto on Suomessa hyvin yleistä ja on nostanut Suomen voimalaitosten hyötysuhteet poikkeuksellisen korkeiksi kansainvälisessä vertailussa.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto (CHP, engl. combined heat and power) on tuotantomuoto, jossa samassa prosessissa tuotetaan samanaikaisesti sähkön lisäksi lämpöä. Yhteistuotannossa sähkö voidaan tuottaa esimerkiksi höyry- tai kaasuturbiineilla ja saatava lämpö hyödynnetään joko kaukolämpönä tai teollisissa prosesseissa. Yhteistuotannon hyötysuhde on korkeampi kuin erillistuotannon, sillä tuotannossa käytettyjen polttoaineiden energiasisältöä voidaan käyttää tehokkaammin hyödyksi.

Tavallisen lauhdevoimalaitoksen tuottama lauhdevesi on niin kylmää, ettei se ole juurikaan käytettävissä lämmön tuotantoon. Yhteistuotantoa varten on voimalaitoksen prosessia siksi jonkin verran muutettava. Teknisiä ratkaisuja ovat vastapainevoimalaitos ja väliottovoimalaitos. Kaasuturbiinivoimalaitoksessa voidaan turbiinin pakokaasujen lämmöllä kuumentaa vettä tai höyryä.

Suomessa sähkön ja lämmön yhteistuotanto on merkittävin sähköntuotantomuoto; vuonna 2009 36 prosenttia sähköntuotannosta tuotettiin yhteistuotannolla. Sähkön ja lämmön yhteistuotanto on taloudellisesti järkevää kylmätalvisissa ilmastoissa, kuten Pohjois- ja Itä-Euroopassa.

Allokaatio-ongelma

Pääartikkeli: Allokaatio-ongelma

Allokaatio-ongelma koskee järjestelmiä, joissa samoihin panoksiin ja jätevirtoihin liittyy useampia lopputuotteita. Ongelma syntyy siitä että ei ole yksiselitteistä perustetta osoittaa kuinka suuri osa panoksesta ja jätevirrasta on aiheutunut juuri tietyn lopputuotteen tuotannosta.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto on tyypillinen esimerkki allokaatio-ongelmasta. Tuotanto kuluttaa polttoainetta ja synnyttää päästöjä. Kuinka suuri osa polttoaineenkulutuksesta ja päästöistä pitäisi jyvittää sähkölle ja kuinka suuri lämmölle? Jakoperusteita on kehitetty useita erilaisia, joista jokaisella on omat heikkoutensa ja vahvuutensa riippuen käyttötarkoituksesta.

Allokoinnin teoriaa

Allokoinnin menetelmien alkuperä on taloudellisessa kirjanpidossa, jossa niitä on käytetty jo yli sadan vuoden ajan tuotannon kokonaiskustannusten määrittämiseen. Nykyisin allokointia käytetään myös fysikaalisten virtojen jyvittämiseen lopputuotteiden välillä. Kolmentyyppiset fysikaaliset prosessit edellyttävät allokointia: usean tuotoksen prosessit, usean panoksen prosessit ja avoimet kierrot.

Allokointi edellyttää aina vastaamista seuraaviin kolmeen kysymykseen. Jokainen allokointiprosessi sisältää nämä askeleet, joko julkilausuttuina tai implisiittisinä.

• Mikä on päätuote ja mitkä ovat sivutuotteita?
• Mitkä panokset ja jätevirrat allokoidaan päätuotteelle ja sivutuotteille?
• Mitä sääntöä allokoinnissa noudatetaan?

Fysikaalisen allokoinnin tavoitteena on useimmiten ympäristövaikutusten arviointi. Tällöin on tarpeellista ratkaista miten rajataan tuotteille allokoitava ympäristökuormitus. Seuraavassa esitetään kolme yleistä rajausta:

• lopputuotannon ympäristökuormitus,
• lopputuotannon ja sitä edeltävän tuotantovaiheen sekä niiden välisen kuljetuksen ympäristökuormitus ja
• koko elinkaaren ympäristökuormitus.

Allokaatiosäännöistä päätuotteelle raskaimman ympäristökuormituksen sälyttää 100 %:n sääntö, jossa kaiken kuormituksen oletetaan aiheutuvan päätuotteesta. Muut allokaatiosäännöt miltei poikkeuksetta tukeutuvat tavalla tai toisella kausaliteetille, jonka oletetaan vallitsevan tuotannon ja panosten sekä jätevirtojen välillä. Kausaliteetti voi olla luonteeltaan fysikaalinen, kemiallinen, tekninen, taloudellinen tai sosioekonominen. Maillefer antaa hyvälle allokointisäännölle kolme kriteeriä: helppokäyttöisyys, sosioekonominen totuudenmukaisuus ja ajasta ja paikasta riippumattomuus.

Panos- ja tuotosvirtojen fysikaalisille ominaisuuksille perustuvat allokointisäännöt ovat usein yksinkertaisimpia. Varhaisimmat allokointisäännöt perustuivatkin usein yksinkertaisesti massa- ja energiavirroille. Kehittyneemmät fysikaaliset allokointisäännöt erottelevat tarkemmin olennaisen aineksen massa- ja energiavirroissa, esimerkiksi exergian. Kolmas yleinen allokointitapa on taloudelliselle arvolle perustuva, mutta sen heikkoutena on tulosten riippuvuus markkinatilanteesta muuttuvien hintojen takia.

Uusien allokointisääntöjen kehittäminen on johtanut suoranaisen sääntövalikoiman kehittämiseen. Mikään yksittäinen sääntö ei ole kohonnut selkeästi muiden yläpuolelle, vaan eri sääntöjä sovelletaan erilaisissa tarkoituksissa. Viime aikoina kirjallisuuteen on jopa ilmaantunut kriteereitä allokointisääntöjen valintaan – siis eräänlaisia sääntöjä säännöistä (esim. , ).

Kokonaan toisenlainen ratkaisu ongelmaan on allokoinnin välttäminen kokonaan. Koska allokointi on aina jossain määrin subjektiivista, on tämä ratkaisu yleensä paras silloin kun se on mahdollinen. Allokointi vältetään jos esimerkiksi lopputuotetta voidaan tarkastella yhdistelmänä, joka kattaa molemmat tuotteet. Sähkön ja höyryn tapauksessa tämä voi olla järkevää, jos molemmat kulutetaan vaikkapa samassa tehtaassa, joka tuottaa edelleen kolmatta lopputuotetta. Kuluttajille erillisenä myytävän kaukolämmön tapauksessa allokointiongelmaa valitettavasti on vaikea välttää.

Yksi mahdollinen tapa allokoinnin kiertämiseen on ns. hyödykekoriajattelumalli, jota on soveltanut mm. Fraunhofer-instituutti. Sähkön ja lämmön tuotannon tapauksessa voitaisiin tarkastella yhdyskunnan tai jopa koko yhteiskunnan energiatarpeita kokonaisuutena ja muodostaa erialisia tuotantokokonaisuuksia, jotka tuottavat tarvitun hyödykekorin eli sähkön ja lämmön yhdistelmän. Näiden tuotantokokonaisuuksien primäärienergiankulutusta, päästöjä ja kustannuksia päästään siten vertailemaan kokonaisuuksina keskenään ilman että allokointia tarvitaan. Malli voisi soveltua hyvin Suomen olosuhteisiin, jossa on selkeä ja hyvin tunnettu kysyntä molemmille tuotteille. Sen heikkoutena on kuitenkin työläys, varsinkin jos halutaan kattaa suuri määrä vaihtoehtoisia tuotantotapoja.

Allokointiperusteet lämmölle ja sähkölle

Seuraavassa on eräitä yleisiä allokointiperusteita sähkön ja lämmönyhteistuotannolle, näistä perussäännöistä on muodostettu myös erilaisia muunnelmia ja yhdistelmiä:

• Energia, primäärienergia jaetaan sähkön ja lämmön välille tuotteiden entalpia-sisällöllä painotettuna. Tämä on yksinkertaisin jakoperiaate, mutta ei ota huomioon sähkön ”korkeampaa laatua” exergiamielessä, eli sen muunnettavuutta muiksi energiamuodoiksi lämmön mukaan lukien. Energiaperustainen jako hyödyttää sähköä asettamalla lämmölle varsin suuren päästötaakan.
• Exergia, jako tehdään tuotteiden exergiasisällöllä painotettuna. Exergiasisältö kaukolämmöllä on noin 24 % sähkön exergiasisällöstä. Näin ollen tuotetun sähkön katsotaan olevan lämpöä yli neljä kertaa arvokkaampaa päästöjä jaettaessa. Exergiaperustainen jako hyödyttää kaukolämpöä allokoimalla pääosan päästöistä sähkölle.
• Hinta, jako tehdään tuotteiden hinnoilla painotettuna. Sähkön hinta voidaan olettaa noin kaksinkertaiseksi kaukolämpöön verrattuna. Ongelmaksi muodostuu hintojen määrittäminen sillä sekä lämpö- että sähköenergian hinta vaihtelee asiakkaasta ja sopimustyypistä riippuen. Lisäksi hinnoissa esiintyy vaihtelua, mikä tekee siitä hankalan jakoperusteen.
• Hyöty, jako tehdään sen primäärienergian kulutuksen mukaisesti, joka olisi odotettavissa jos sähkö ja lämpö tuotettaisiin erikseen. Sähköntuotannossa tavallinen hyötysuhde on noin 40 %, lämmöntuotannossa 90 %. Kutsutaan myös hyötysuhdemenetelmäksi.
• Osittaishyöty, lämmölle oletetaan primäärienergiankulutus erillistuotannon mukaisesti ja loput allokoidaan sähkölle.
• Ei jakoa, kaikki primäärienergia oletetaan kuluvaksi sähköntuotannossa.

Suurimman hyötysuhteen sähköntuotannolle antavat energia- ja osittaishyöty-menetelmät (~90 %). Heikoimman antavat ei jakoa ja exergiamenetelmä (30–60 %). On siis ilmeistä että menetelmän valinnalla voi olla varsin paljon vaikutusta energiatehokkuuden arvioinnin lopputuloksiin.

Suurin osa jakoperusteista on fysikaalisia, kuitenkin energian kysyntä ja kulutus ovat taloudellista toimintaa. Ainoastaan hintamenetelmä ottaa taloudellisessa mielessä huomioon energiasta saatavan hyödyn ja mahdollistaa siis päästöjen allokoinnin nimenomaan suhteessa siihen. Hintojen vaihtelu tekee kuitenkin siitä hankalan allokointiperusteen.

Vaikka hintamenetelmä kärsiikin vaihtelevan hintatason ongelmasta, saattaa exergia-menetelmä tarjota yllättävän tavan kiertää tämä ongelma. Höyryn, yhteistuotannon toisen lopputuotteen, hintaa tarkasteltaessa on nimittäin havaittavissa voimakas yhteys sen exergiasisältöön . Tämä ei tietysti ole siinä mielessä yllätys, että exergia monesti selitetään hyödynnettävän energiasisällön mittarina. Näin ollen ei ole lainkaan odottamatonta että asiakkaat ovat valmiita maksamaan nimenomaan käyttökelpoisesta energiasta, ennemmin kuin energiasta sinänsä. Exergia fysikaalisena suureena voi siis tarjota vakaudessaan hyödyllisen korvikkeen hinnalle jaettaessa päästöjä yhteistuotetulle energialle.

Allokoinnin nykysovellukset

Energiatilastointitarkoituksissa sähkön ja lämmön primaarienergiankulutusta on allokoitu jo varsin pitkään ja tähän tarkoitukseen on vakiintunut eräitä allokointikäytäntöjä. Nyttemmin päästökaupan alkaminen on entisestään lisännyt allokoinnin merkitystä ja sen saamaa huomiota. Huolimatta allokoinnin merkityksen kasvusta, pääasiassa käytössä ovat edelleen varsin yksinkertaiset allokointisäännöt, jotka saattavat johtaa hyvinkin kyseenalaisiin tuloksiin.

Tilastokeskus käyttää sähkön ja lämmön eri tuotantotavoille keskimääräistä suomalaista tuotantoa kuvaavia kiinteitä muuntokertoimia, joiden perusteella päästöt jaetaan. Käytännössä yhteistuotannon osalta muuntokerroin on lähellä energiaperustaista jakoa. Energiaperustainen jakotapa johtaa sähkölle varsin suotuisiin laskennallisiin päästöihin. Toisaalta keskiarvoihin nojautuminen johtaa poikkeavien laitosten kohdalla epärealistisiin tuloksiin. Menetelmän suurin hyöty on sen yksinkertaisuus.

Ison Britannian päästökauppajärjestelmässä (UK Emissions Trading Scheme, ETS) käytetään laskutapaa, joka on eräänlainen välimuoto energia- ja exergiamenetelmiä. Kun energiamenetelmässä sähköä ja lämpöä pidetään tasaveroisina energiamuotoina ja exergiamenetelmässä sähkö saa yli neljä kertaa suuremman laskennallisen painoarvon, käyttää UKETS painotusta jossa sähkön laskennallinen painoarvo on kaksinkertainen lämpöön verrattuna. Jälleen laitoskohtaiset erot jäävät huomiotta.

World Resource Institute ja World Business Council for Sustainable Development suosittelevat käytettäväksi hyötymenetelmää. Sama menetelmä on otettu myös käyttöön Yhdysvaltojen ympäristöministeriön vapaaehtoisessa kasvihuonekaasupäästöjen rajoitusohjelmassa. Myös tämän laskentatavan tulokset sijoittuvat useimmissa tapauksissa energia- ja exergiamenetelmien välimaastoon.

Menetelmien vertailua

Päästöjen allokoinnissa sähkön ja lämmön yhteistuotannossa on käytössä useita erilaisia menetelmiä, joista yksi ei ole selkeästi muita parempi. Ne kuitenkin tuottavat laskuissa hyvinkin erilaisia tuloksia, joissa sähköntuotannon laskennallinen hyötysuhde voi samassa kohteessa helposti vaihdella välillä 45–90 %.

Nykyisin varsin tavallinen energiamenetelmä, vakiokertoimien käyttö ja niiden yhdistelmät ovat helppoja laskea, mutta tuottavat vaikeasti hyväksyttäviä lopputuloksia. Esimerkiksi energiamenetelmällä laskettuna hiilisähkön yhteistuotanto saadaan vaikuttamaan hyvinkin vähäpäästöiseltä kaukolämmön kantaessa suurimman osan päästötaakasta. Tällaisen laskutavan mielekkyys ja hyödyllisyys voidaan syystä kyseenalaistaa.

Yhdysvalloissa varsin suosittu hyötymenetelmä tarjoaa laskentatavan, jossa painotukset perustuvat erillistuotannon hyötysuhteisiin. Tällainen laskutapa antaa oikeimman kuvan yhteistuotannon eduista verrattuna referenssinä oleviin energialaitoksiin. Menetelmän ongelmana on vapaavalintaisten attribuuttien edelleen suuri määrä: nyt päästökertoimien sijaan valitaan referenssihyötysuhteet, joiden avulla määritetään päästökertoimet. Tavallisimmin käytetään tyypillisen laitoksen arvoja tai nykylaitosten keskiarvoa.

Exergiamenetelmä on käytössä harvinainen, mutta kirjallisuudessa esillä sen monien etujen vuoksi. Exergialle allokoituna päästöt jakautuvat energian työpotentiaalin ja yllättävän hyvin taloudellisen arvon mukaisesti. Koska exergia on kuitenkin fysikaalinen mitta, eikä taloudellinen, se ei kärsi taloudellisten laskentakaavojen tapaan hintojen muutosten tuomasta epävarmuudesta. Näin ollen exergiamenetelmä antaa mahdollisuuden allokoida päästöt edes suurin piirtein suhteessa energiasta saatavaan hyötyyn.