Analyzing Future Reinforcement Needs Of the Finnish Transmission System Considering Hydrogen Production

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-03-11
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
70
Series
Abstract
With new challenges and ambitious carbon neutrality goals, hydrogen is becoming an essential part of the green transition. Hydrogen can be produced via electricity. The idea is to generate clean electricity and use it to produce hydrogen through electrolysis. The increased need for electricity production requires building more electricity generation capacity. Furthermore, network investments need to be made to cover the higher electricity transmission needs. The expansion of generation and transmission capacities can be done cost-effectively if the expansion plan is obtained by solving an appropriate optimisation problem. In this thesis, an optimised plan for the increase in generation and transmission capacities is made for the simplified Finnish transmission network. Scenarios, published by Fingrid, are used as the baseline for the demand growth in this thesis. Altogether, six scenarios are simulated, and their results are presented in this thesis. The model of the Finnish transmission network used in this thesis has been prepared at Aalto University. Due to time constraints, the method for arriving at the combined generation and transmission plans used in this thesis is simple and seen as a starting point for future works. The method is static, deterministic, and centralised. Furthermore, many things often considered in grid planning, like the N-1 criterion, are not taken into account. The model used in this thesis is coded and simulated in GAMS software. The main outcomes of the modelling efforts made in this thesis are based on six generation and transmission expansion plans for the six different scenarios modelled in this thesis. Four of the scenarios are taken directly from Fingrid and two more scenarios are also devised. The idea does not constitute a complete plan for future network expansion, as the modelling made in this thesis is simplified. While some conclusions are drawn from the results of the simulations, the simplicity of the method needs to be considered. The main conclusions of the thesis, along with the network plans themselves, are that if only cost-effectiveness is to be maximised and other ongoing discussions and some technical constraints to be kept aside, nuclear energy should be given preference over other energy sources, and other thermal power plants should be phased out. But by considering all the different aspects, the results will be different. Also, the demand in one node should be covered as much as possible with the generation in that same node to minimise network investment needs.

Uusien ympäristöhaasteiden ja ilmastotavoitteiden myötä vedystä on tulossa tärkeä vihreän siirtymän osa tulevaisuudessa. Vetyä voidaan tuottaa pilkkomalla vettä vedyksi ja hapeksi sähköenergian avulla elektrolyysikennossa. Tätä menetelmää kutsutaan elektrolyysiksi. Vedyn laajamittainen tuotanto elektrolyysillä vaatii uutta energian tuotantokapasiteettia. Lisääntyneiden energiamäärien kuljettaminen vaatii toisaalta myös sähköverkon laajentamista. Energian tuotantokapasiteetin lisääminen ja sähköverkon laajentaminen voidaan tehdä mahdollisimman kustannustehokkaasti, jos laajentamis suunnitelma muodostetaan ratkaisemalla sopiva optimointiongelma. Tässä opinnäytetyössä tehdään yskinkertainen optimoitu suunnitelma tuotantolaitos kapasiteetin ja sähköverkon laajentamiseksi, käyttäen apuna yksinkertaistettua mallia Suomen kantaverkosta. Fingridin sähköjärjestelmävisiossa julkaistujen skenaarioiden sähkön kulutuksen kasvua käytetään pohjana tämän opinnäytetyön simulaatioissa. Kaiken kaikkiaan tässä diplomityössä kuusi skenaariota simuloidaan. Suomen kantaverkkoa esittävä malli, jota tässä diplomityössä käytetään, on saatu Aalto yliopistolta. Johtuen ajallisista rajoitteista, menetelmä jolla tutannon ja sähköverkon laajentamissuunnitelma saadaan tehtyä on yksinkertainen ja tämän diplomityön tuloksia voidaan käyttää jatkotutkimusten tukena. Käytetty menetelmä on staattinen, deterministinen ja se olettaa keskusjohtoisen suunnittelun. Lisäksi monia sähköverkon suunnittelussa usein huomioon otettuja asioita, kuten N-1 kriteeriä, ei oteta huomioon. Laskennallinen malli, jota tässä opinnäytetyössä käytetään ohjelmoidaan käyttäen GAMS ohjelmistoa. Pääasiallinen tuotos tältä opinnäytetyöltä ovat kuusi tuotannon ja sähköverkon laajentamissuunnitelmaa, niille kuudelle skenaariolle, jotka tässä opinnäytetyössä simuloidaan. Neljä näistä skenaarioista on otettu suoraan Fingridin sähköjärjestelmävisiosta ja lisäksi on luotu kaksi omaa skenaariota. Tässä opinnäytyössä ei tehdä valmista, reaalimailmassa toteutettavaa sähköverkon tai tuotannon laaejntamissuunnitelmaa, koska käytetty menetelmä on liian yksinkertainen tällaisen tavoitteen saavuttamiseksi. Tehdyistä suunnitelmista ollaan tehty myös tiettyjä johtopäätöksiä. Esimerkiksi, että ydinvoimaa tulisi suosia tulevaisuuden tuotantokapasiteetti-investoinneissa ja tuotanto ja kulutus pitäisi sijoittaa mahdollisimman lähelle toisiaan.
Description
Supervisor
Kasmaei, Mahdi
Thesis advisor
Kasmaei, Mahdi
Millar, Robert
Keywords
generation expansion planning, hydrogen economy, transmission expansion planning, transmission network
Other note
Citation