Towards CO2-free heat production: A cost analysis of renewable non-combustion technologies in district heating
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2020-01-22
Department
Major/Subject
Strategy and Venturing
Mcode
SCI3050
Degree programme
Master’s Programme in Industrial Engineering and Management
Language
en
Pages
99
Series
Abstract
In the fight against global warming, the importance of renewable heating technologies is growing rapidly. In Finland, approximately one third of the final energy demand goes to space heating. Currently, coal is used for heat production in several Finnish cities, but the state has forbidden the use of coal for heat production from 2029 onwards. In order to examine other alternatives than simply converting coal plants to use biomass, this thesis explores renewable heating technologies for district heating which do not require combustion. Altogether twelve expert interviews are conducted, revealing deep insight into the current state and possible future development of district heating. The findings from the interviews are used for a case study of a Finnish city’s district heating network, in order to analyse the impact on costs and CO2-emissions when single renewable technologies and combinations of these technologies are added to the network. Based on the constructed model, an identified excess heat source combined with a heat pump and investment into wind energy proved to be the most cost-effective way to decrease CO2-emissions, at 90 EUR/tonCO2. Access to wind energy proved to be important for district heating networks which include heat pumps, as it lowers costs of cutting CO2-emissions by approx. 40% compared to buying all the electricity from the national grid. Building optimization in public buildings also has an economically moderate cost, at 120 EUR/tonCO2, though this cost could even be negative depending on market penetration of possible IoT solutions in the field and future district heat business models. Moreover, the exact costs of cutting CO2-emissions are district heating network specific. However, with the current taxation rates no renewable non-combustion technology was economically profitable compared to the current state. There is an urgent need for the Finnish state to lower taxation for electricity used in heat production. Energy efficiency measures within buildings are an effective way to reduce CO2-emissions in almost any network. Currently, there is a conflict of interest for district heating companies, as they lose revenue from energy efficiency measures. Platform theory for the district heating ecosystem is provided as one solution to deviate this problem. Another suggestion for district heating companies is to decouple energy sales and revenue streams, by selling temperature-levels to customers instead of energy amounts. There is need for further academic studies on incentives within district heating, as well as for technical academic studies related to temperature impact of renewable technologies on the district heating network, as well as related to seasonal storages.Ilmastonmuutoksen vastaisessa taistelussa uusiutuvien lämmitysteknologioiden merkitys kasvaa. Suomessa noin kolmasosa energiankulutuksesta käytetään tilojen lämmittämiseen. Tällä hetkellä kivihiiltä käytetään lämmöntuotantoon monessa kaupungissa, mutta valtio on kieltänyt hiilen käytön lämmöntuotannossa 2029 alkaen. Tässä työssä tutkitaan ei-polttoon perustuvia uusiutuvia lämmöntuotantoteknologioita, tarjoten muita vaihtoehtoja tulevaisuuden lämmöntuotannolle kuin pelkästään hiilen korvaaminen biomassalla. Työn kaksitoista asiantuntijahaastattelua tarjoaa löydöksiä kaukolämmityksen nykytilasta ja sen mahdollisesta tulevasta kehityksestä. Haastatteluiden perusteella on suoritettu tapaustutkimus erään kaupungin kaukolämpöverkosta, missä lasketaan kustannusten ja CO2-päästöjen muutoksia, kun yksittäisiä tai useampia uusiutuvia teknologioita lisätään verkkoon. Tapaustutkimuksen mallinnuksen perusteella kustannustehokkaimmaksi tavaksi vähentää CO2päästöjä kaukolämpöverkossa osoittautui eräs hukkalämpölähde yhdistettynä lämpöpumppuun ja tuulienergiaan. CO2-päästön vähentämisen hinta oli 90 EUR/tonCO2. Tuulivoiman saatavuus osoittautui tärkeäksi lämpöpumppuja sisältävissä kaukolämpöverkoissa, koska se alentaa hiilidioksidipäästöjen vähentämisen kustannuksia noin 40% verrattuna siihen, että kaikki sähkö ostettaisiin sähköverkosta. Rakennusten lämmitysvirtojen optimointi julkisissa rakennuksissa osoittautui myös taloudellisesti potentiaaliseksi ratkaisuksi. Siitä aiheutuva kustannus oli noin 120 EUR/tonCO2, tosin tämä kustannus saattaa joissain tilanteissa olla jopa negatiivinen. Hinta tulee riippumaan siitä, kuinka ohjelmistopohjaiset ratkaisut leviävät markkinalla ja minkälaisen liiketoimintamallin kaukolämpöyhtiöt valitsevat. Hiilidioksidipäästöjen vähentämisen tarkat kustannukset ovat kuitenkin kaukolämpöverkkokohtaisia. Nykyisillä verokannoilla mikään uusiutuva ei-polttoon perustuva teknologia ei ollut taloudellisesti kannattavaa. Suomen valtion tulisi pikimmiten alentaa sähköverotusta lämmöntuotannossa. Rakennusten energiatehokkuustoimenpiteet ovat tehokas tapa vähentää hiilidioksidipäästöjä lähes kaikissa kaukolämpöverkoissa. Kaukolämpöyhtiöillä on intressiristiriita, koska ne menettävät tuloja energiatehokkuustoimenpiteistä. Alustateorian toimintamalleja tarjotaan ratkaisuksi ongelmaan. Lisäksi työssä ehdotetaan kaukolämpöyhtiöille energian myynnin ja tulojen erkanemista myymällä asiakkaille sisälämpötiloja lopputuotteena energiamäärien sijaan. Akateemiselle lisätutkimukselle on tarvetta liittyen kaukolämpöalan kannustimiin sekä uusiutuvien teknologioiden vaikutuksesta kaukolämpöverkon lämpötiloihin ja myös lämmön kausivarastointiin.Description
Supervisor
Schmidt, JensThesis advisor
Lahdelma, RistoLähde, Tuukka
Keywords
district heating, renewable heating technologies, cost analysis, CO2-emissions analysis