Low emission energy systems in energy efficient districts - Holistic energy planning, analysis and business opportunities

Abstract

Many climate and energy policy frameworks are leading to stricter energy efficiency and emission regulations and growing share of renewable energy. These will cause changes to the planning and management of energy systems at the local level. Achieving of energy efficient and sustainable districts requires holistic energy planning and optimal energy management. City planners and municipality authorities make many design choices and decisions that significantly impact the energy efficiency and emissions of districts. Energy efficient urban planning can be supported by analysing the energy performance of districts and comparing the environmental impacts of energy system alternatives. Holistic design and management of district energy systems were studied as a part of sustainable urban planning. The main research themes were 1) district energy analysis, and 2) business concepts for district energy systems and services. The research builds on 14 energy scenario analyses for real life urban planning cases in Finland and abroad. Then, a practical framework and tool was developed for evaluating holistic district energy systems and their environmental impacts in Finland. The tool shows the impacts of urban planning choices on the annual energy demand of a district and compares the carbon emissions of energy supply alternatives. The results can foster and support discussion and raise new ideas for alternative district energy systems. The near future changes in the foreseen energy transition in cities can make the designing and the management of the district energy systems more complex. Holistic coordination of energy system planning and control are crucial for sustainable district energy systems. New business opportunities are foreseen in the planning and management of local energy systems. District energy services can be arranged in many different ways depending on the needs of the participating actors and the local operation environment. In this research, a set of business concept elements were developed in a form of a cook book. The business concept elements can be modified and combined to create case-specific business models by accounting for local operation environment, conditions and needs.

Monet energia- ja ympäristötavoitteet ohjaavat parantamaan energiatehokkuutta, vähentämään päästöjä ja lisäämään uusiutuvan energian osuutta. Näistä aiheutuu muutoksia aluetason energiajärjestelmien suunnitteluun, hallintaan ja ohjaukseen. Energiatehokkaiden ja kestävän kehityksen mukaisten alueiden toteuttaminen vaatii kokonaisvaltaista energiasuunnittelua ja optimaalista energiajärjestelmän hallintaa. Aluesuunnittelijat ja kunnalliset päätöksentekijät tekevät monia suunnitteluvalintoja ja päätöksiä, jotka vaikuttavat alueiden energiatehokkuuteen ja päästöihin merkittävästi. Energiatehokasta aluesuunnittelua voidaan tukea tarkastelemalla alueen energian käyttöä ja vertailemalla energiajärjestelmävaihtoehtojen ympäristövaikutuksia. Tässä väitöskirjassa tutkittiin alueiden energiajärjestelmien kokonaisvaltaista suunnittelua ja hallintaa osana kestävää aluesuunnittelua. Tutkimuksen pääteemoina olivat 1) alueiden energiatarkastelu, ja 2) liiketoimintakonseptit alue-energiajärjestelmille ja -palveluille. Tutkimus pohjautuu 14 todellisen aluesuunnitelman energiatarkastelulle. Tutkimuksessa kehitettiin käytännönläheinen lähestymistapa ja työkalu, jolla voidaan arvioida kokonaisvaltaisesti alue-energiajärjestelmiä ja niiden ympäristövaikutuksia Suomessa. Kehitetyllä Kurke-työkalulla voidaan näyttää, miten aluesuunnittelun valinnat vaikuttavat alueen vuotuiseen energiantarpeeseen, ja vertailla eri energiantuotantovaihtoehtojen kasvihuonekaasupäästöjä. Tarkastelun tulokset voivat tukea keskustelua ja tuoda uusia vaihtoehtoja alueiden energiajärjestelmiin ja niihin liittyviin suunnitteluvalintoihin. Lähitulevaisuudessa energiajärjestelmissä tapahtuu muutoksia, jotka voivat tehdä alue-energiajärjestelmien suunnittelusta ja ohjauksesta monimutkaisempaa. Optimaalinen energiahallinta ja kokonaisvaltainen energiajärjestelmän suunnittelun ja käytön koordinointi ovat avainasemassa, kun tavoitellaan kestäviä alue-energiajärjestelmiä. Paikallisten energiajärjestelmien suunnittelusta ja hallinnasta voi syntyä myös uusia liiketoimintamahdollisuuksia. Aluetason energiapalveluja voidaan järjestää monilla eri tavoilla, riippuen osapuolien tarpeista ja paikallisista lähtökohdista. Tässä tutkimuksessa kehitettiin kokoelma liiketoimintakonsepteja ja osakonsepteja, jotka on esitetty alue-energiapalveluiden "keittokirjana". Näitä konsepteja ja elementtejä yhdistelemällä voidaan kehittää paikalliseen toimintaympäristöön, olosuhteisiin ja tarpeisiin sovitettuja liiketoimintamalleja alue-energiapalveluille.