Electrification as an alternative for combustion technologies in existing Finnish district heating networks
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
2020-03-16
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
90 + 12
Series
Abstract
The phase-out of fossil fuels leads to new production side investments in the Finnish district heating (DH) networks. A natural option to replace fossil fuel-based heat production would be either biomass heat only boilers (HOB) or combined heat and power production (CHP). However, sustainable domestic biomass resource sufficiency may limit the potential of biomass especially in coastal areas in Finland. The future price level of biomass is highly uncertain and depends on most of all the future competition of the resource in and outside the heating sector, as well as the location of the studied network. As alternatives for biomass, heat pumps, electric boilers, and heat storage have been studied in this thesis. The power-to-heat technologies enable a wider sector coupling of electricity and heat sectors, where the heat sector with considerably larger inertia would provide valuable flexibility to the electricity sector with increasing amounts of intermittent renewable production. At the same time, the heat production would benefit by scheduling the production on the hours with low electricity prices. In a literature review, it was found that geothermal heat and ambient air would be the two heat sources that would be achievable anywhere in Finland and be unlimitedly available, and would thus be suitable for wider scale DH electrification. By analyzing the cost-optimal configurations of the combustion-based technologies, heat pumps, electric boilers, and heat storage, it was found out that the optimal share of air-source heat pumps would be 40% of the total base load production, the remaining part constituting of biomass CHP. Electric boilers would provide a more cost-effective peak load alternative compared to wood pellet boilers due to their lower investment costs. The optimal storage size for the system would be 1% of the total yearly DH demand or more. Full electrification by air-source heat pumps and electric boilers would lead to an increase in heat production costs by 2.2EUR/MWh compared to the cost-optimal system. Geo-source heat pumps were not found profitable according to the analysis. This was above all due to the high investment costs in the geothermal wells. Full electrification with geo-source heat pumps would lead to 11.7EUR/MWh higher heat production costs compared to the cost-optimal system. However, if the investment costs of the geothermal wells are to drop in the future, the geothermal heat would provide a more stable and technically more reliable heat source with a higher average coefficient of performance (COP) than ambient air. Nonetheless, the results of this thesis show that the air-source heat pumps would currently provide an interesting and scalable alternative for DH system electrification.Fossiilisista polttoaineista luopuminen johtaa uusiin investointeihin suomalaisessa kaukolämmöntuotannossa. Luonnollinen vaihtoehto korvaajaksi olisi lämmön erillistuotanto tai yhteistuotanto biomassalla. Biomassan potentiaalia saattaa kuitenkin merkittävästi rajoittaa sen resurssiriittävyys etenkin rannikkoalueilla. Biomassan hintatasoa tulevaisuudessa on vaikeaa arvioida, ja se riippuu muun muassa kilpailusta lämmityssektorilla ja sen ulkopuolella, sekä tarkasteltavan verkon sijainnista. Tässä työssä lämpöpumppuja, sähkökattiloita ja lämpövarastoja on tutkittu vaihtoehtona biomassalle. Sähköön perustuvat tuotantomuodot mahdollistavat sähkö- ja lämmitysjärjestelmien yhtyeenkytkennän, jossa lämmitysjärjestelmä pystyy korkeamman inertiatason avulla tarjoamaan arvokasta joustoa sähköjärjestelmälle joka sisältää yhä enemmän vaihtelevaa uusiutuvaa tuotantoa. Samalla lämmitysjärjestelmä pääsee hyötymään yhteenkytkennästä ajoittamalla lämmöntuotantoa alhaisen sähkön hinnan tunneille. Kirjallisuuskatsauksessa todettiin, että geoterminen lämpö sekä ulkoilma tarjoavat lämmönlähteet jotka ovat saatavissa skaalatutuvasti kaikkialla Suomessa ja sopisivat siten laajempaan lämpöjärjestelmän sähköistämiseen. Tarkastelemalla kustannustehokkaimpia lämmöntuotantoportfolioita sisältäen polttotekniikoita, lämpöpumppuja, sähkökattiloita ja lämpövarastoja kustannustehokkaimmaksi ilma-vesilämpöpumppujen määräksi osoittautui 40 % pohjakuormasta lopun pohjakuormakapasiteetin ollessa yhteistuotantoa biomassalla. Sähkökattilat osoittautuivat kustannustehokkaammaksi huippukuormakapasiteetiksi pellettikattiloihin verrattuna niiden alhaisten investointikustannusten vuoksi. Optimaalinen lämpövaraston koko järjestelmälle olisi tällöin 1 % tai yli verkon vuositason lämmönkulutuksesta. Järjestelemän sähköistäminen kokonaan ilma-vesilämpöpumpuilla ja sähkökattiloilla maksaisi 2,2 EUR/MWh enemmän kuin kustannustehokkain konfiguraatio. Geo-lämpöpumput osoittautuivat työssä kannattamattomiksi. Tämä johtui ennen kaikkea korkeista investointikustannuksista reikien poraamiseen liittyen. Järjestelmän täysi sähköistäminen geo-lämpöpumpuilla maksaisi 11,7 EUR/MWh enemmän kuin kustannustehokkain konfiguraatio. Mikäli reikien poraamisen kustannukset kuitenkin laskevat tulevaisuudessa, tarjoaisi geoterminen lämpö paljon tasaisemman ja teknisesti luotettavan lämmönlähteen ulkoilmaa korkeammalla tehokertoimella. Kaikesta huolimatta työn tulokset osoittavat, että ilma-vesilämpöpumput tarjoavat nykyisellään mielenkiintoisen ja skaalautuvan vaihtoehdon kaukolämpöjärjestelmän sähköistämiseen.Description
Supervisor
Syri, SannaThesis advisor
Känkänen, JuhaKeywords
district heating, heat pumps, electrification, biomass resource sufficiency