District heating in energy sector decarbonization - case Espoo
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
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
2020-10-19
Department
Major/Subject
Sustainable energy systems and markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
78 + 6
Series
Abstract
In Finland, heating and electricity sectors produce ca. 50% of CO2 emissions, district heating being the source of 10% in 2019. There are ambitious emission reduction targets in the EU and in Finland - in Marin’s government program carbon neutrality is aimed by 2035. The optimal solutions to achieve these goals must be assessed. This research contributes to finding these solutions by examining the emission reduction potential of district heating in the energy sector perspective. A development trend towards electrified heating systems is noticed, also in the private sector, which challenges the district heat operators to motivate their position in the heating market. A simultaneous increase in wind power capacity in the Nordics causes challenging changes in the power system. In this study, the role of district heating in the energy sector decarbonization is determined. The modelling is executed as an hourly heat production cost optimization problem for year 2030. Three scenarios are compared, which point out the differences between private electric heating, district heating with both bio and gas combustion and heat pumps, and district heating with high electric heat production rate including heat pumps and waste heat sources. The district heat scenarios of Espoo are kept as realistic as possible, basing on the existing assets and thus providing a true case example of DH development. The results show that CO2 emissions of district heat production can be cut by 60-74% in Finland in the mid-term future. This requires rather deep electrification of heat production via heat pumps and results in a considerable increase in electricity demand. The increase is the most severe in private heating solution, especially during peak hours, due to the lack of load shifting possibilities with e.g. heat storages. This may lead to increased stress in the power grids e.g. challenges in power adequacy. The marginal costs of heat production are the cheapest for the most electrified district heating scenario. District heating with power-to-heat solutions supports the increase in wind power capacity in the power system by balancing the demand in peak hours, even when heat production is purely cost optimized. Comparing to the private heating solution, a more realistic and optimal change to a low emission system can be achieved via district heating, also mitigating the challenges of future power system.Lämmitys ja sähköntuotanto kattavat n. 50% Suomen hiilidioksidipäästöistä, kaukolämmitys yksin tuottaen n. 10% vuonna 2019. Sekä EU:ssa että Suomessa on kunnianhimoisia päästövähennystavoitteita – Marinin hallitusohjelmassa tavoitteena on olla hiilineutraali vuoteen 2035 mennessä. Optimiratkaisut näiden tavoitteiden saavuttamiseksi tulisi määrittää. Tässä tutkimuksessa selvitetään kaukolämmityksen potentiaalia päästöjen vähentämisessä energiasektorin näkökulmasta. Lämmityksen sähköistymisen trendi on huomattu myös yksityisellä sektorilla, mikä haastaa kaukolämpöyhtiöt perustelemaan paikkaansa lämpömarkkinoilla. Samaan aikaan lisääntynyt tuulivoimakapasiteetti pohjoismaissa luo haasteita sähköjärjestelmälle. Tässä tutkimuksessa pyritään määrittämään kaukolämmityksen rooli energiasektorin päästöjen vähentämisessä. Mallinnus toteutetaan tuntitason lämmöntuotannon kustannusoptimointiongelmana vuodelle 2030. Analyysi tehdään kolmen skenaarion välillä, jotka tuovat esiin erot yksityisen sähköisen lämmöntuotannon, bio-, kaasu- ja lämpöpumppupohjaisen kaukolämmityksen, sekä pitkälti lämpöpumppuihin ja hukkalämpöihin pohjaavan sähköistetyn kaukolämmityksen välillä. Espoon kaukolämmitysskenaariot ovat mahdollisimman realistisia perustuen olemassa oleviin laitoksiin luoden samalla todellisen tapausesimerkin kaukolämmityksen kehityksestä. Tulokset osoittavat, että kaukolämmityksen CO2-päästöt voisivat vähentyä 60-74% Suomessa keskipitkällä aikavälillä. Tämä vaatii melko sähköistyneen lämmöntuotannon, mikä johtaa huomattavaan sähkön kysynnän kasvuun. Kasvu on merkittävin yksityisen lämmityksen skenaariossa, erityisesti huippukulutuksen aikaan, sillä mahdollisuuksia joustavalle kysynnälle ei ole, esimerkiksi lämpövarastojen avulla. Lämmöntuotannon marginaalikustannukset ovat pienimmät sähköistetyllä kaukolämmityksellä. Kaukolämmitys tukee myös tuulivoiman lisäämistä sähköverkkoon tasapainottamalla sähkön kysyntää huippu- ja minimitunteina power-to-heat-ratkaisujen avulla. Verrattuna yksityiseen lämmitysratkaisuun, kaukolämmitys voi tarjota realistisemman ja optimaalisemman muutoksen vähänpäästöiseen energiajärjestelmään, helpottaen myös tulevaisuuden sähköverkon haasteita.Description
Supervisor
Syri, SannaThesis advisor
Kulla, TatuKeywords
district heating, decarbonization, electrification, sector integration, heat pumps