Modeling the impacts of district heat electrification and CHP decommissioning in Finland

Thumbnail Image

Files

master_Mikola_Iiro_2025.pdf (7.05 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-04-12

Department

Major/Subject

Energy Systems and Markets

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

95

Series

Abstract

This study investigates the mid-term impacts of district heat electrification and CHP decommissioning in Finland using advanced modeling. The urgent need to decarbonize district heating and the recently increased volatility of the power market have induced an investment trend to electric boilers and aggravated the profitability issues of CHP plants. The potential decommissioning of CHP capacity is feared to worsen the foreseen supply adequacy problem looming in the mid-term future of the wind power dominated Finnish power system. To study the impacts of these trends, the district heating systems of Finland are modelled regionally as an extension to a Nordic power market model developed at Aalto University. To enable the hourly simulations and multi weather year sampling, a 35-weather year regional hourly district heating demand dataset is created using Helen open data and machine learning. Multiple 2030 scenarios of DH electrification and different levels of CHP decommissioning are simulated with sampled weather years. The modeling and simulations are performed using PLEXOS®. The impact of the electrified district heating capacity, the potential supply inadequacy caused by CHP decommissioning, the future operating environment of the remaining CHP fleet and the overall effect of both trends are analysed individually, based on the simulation result timeseries. The results indicate that the future flexible electrified district heating capacity combined with thermal energy storage greatly benefits renewable energy production profitability, enabling the integration of more VRE capacity into the system. Furthermore, the total power demand of a normal weather year can be slightly higher compared to that of a more challenging weather year, due to the partly electrified DH. In all scenarios, supply inadequacy becomes a feature of the Finnish power system, and the number of inadequate supply hours increases exponentially when more CHP capacity exits the market. However, there seems to potentially be a balance of profitable CHP capacity, as the remaining CHP fleet benefits from the decreased total capacity. Furthermore, a third of the 2030 district heat supply will come from P2H technologies.

Tässä tutkimuksessa selvitetään kaukolämmön sähköistymisen ja CHP-laitosten käytöstä poiston vaikutuksia Suomen sähkö- ja kaukolämpömarkkinoihin kehit-tyneen mallintamisen avulla. Kiireellinen tarve vähentää lämmöntuotannon hiilidioksidipäästöjä ja viime aikoina lisääntynyt sähkömarkkinan volatiilisuus ovat innoittaneet kaukolämpöyhtiöitä investoimaan sähkökattiloihin, sekä korostaneet CHP-laitosten kannattavuushaasteita. Mahdollisen CHP-laitosten käytöstä poistamisen pelätään pahentavan tuleville vuosille ennakoitua sähkön riittävyysongelmaa. Näiden trendien vaikutusten arvioimiseksi tutkimuksen yhteydessä mallinnettiin Suomen kaukolämpöjärjestelmät maakunnittain. Kaukolämpömalli lisättiin osaksi Aalto-yliopistossa kehitettyä pohjoismaista sähkömarkkinamallia. Mallinnetun järjestelmän tuntikohtaista simulointia varten luotiin 35 historiallisen säävuoden tunti- ja maakuntakohtainen kaukolämmön kysyntädata Helenin avoimen datan ja koneoppimisalgoritmin avulla. Järjestelmää simuloitiin vuodelle 2030 usean eri skenaarion avulla, joissa kaukolämmön sähköistyminen ja CHP-kapasiteetin eriasteinen käytöstä poisto eroteltiin analysointia varten. Mallinnus ja simuloinnit toteutettiin PLEXOS®-ohjelmistolla. Tuloksia analysoitiin simulointien tulosaikasarjojen avulla. Tulokset viittaavat Suomeen tulossa olevan joustavan sähköisen lämmönkysynnän hyödyttävän uusiutuvaa sähköntuotantoa huomattavasti. Tavallisena säävuotena sähkön kokonaiskysyntä voi jopa ylittää haastavamman säävuoden sähkön kokonaiskysynnän sähkökattiloiden takia. Kaikissa tulevaisuusskenaarioissa ilmenee sähkön niukkuustilanteita yli sallitun raja-arvon, ja niukkuustilanteiden määrä kasvaa eksponentiaalisesti, kun CHP-kapasiteettia poistuu markkinoilta. Suomen järjestelmästä voi kuitenkin löytyä tasapaino, jossa jäljelle jäävä CHP-kapasiteetti saavuttaa tarvittavan kannattavuuden, koska markkinoilta poistuva kapasiteetti parantaa jäljelle jäävien laitosten kannattavuutta. Suomen kaukolämmöntuotannosta yksi kolmannes on täysin sähköistä vuonna 2030.

Description

Supervisor

Jääskeläinen, Jaakko

Keywords

district heating, electrification, combined heat and power, modeling, energy markets, renewable integration

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505203932

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC