Future of combustible production in the Espoo district heating system

Abstract

Energy production is undergoing a major transformation as fossil fuels are replaced with renewable energy sources. Currently most of the DH production in Espoo is based on coal and gas, but the production is aimed to be carbon neutral by 2030. There are multiple possibilities how district heat will be produced in the future, but the goal is to find combustion free solutions. In this thesis the future of combustible production in the Espoo DH system is studied as a combination of a literature review and a simulation. Two different scenarios are modelled, where in scenario 1 a significant amount of waste heat is utilized and in scenario 2 a new multifuel plant is built.

The results show that in scenario 1 the fuel usage does decrease when waste heat utilization begins, but both biomass and gas remain as important fuels for DH production during the cooler months. In scenario 2 the importance of fuels emphasizes and biomass usage increases substantially because of the new multifuel plant. Waste is used as part of the fuel mix, but its importance is rather small when used only 12 %. With 50 % share its importance increases.

Higher emission allowance price results in a little bit lower gas usage and higher biomass us-age. However, electricity price has a strong impact as gas CHP production can be the most profitable production form during high electricity prices - with lower electricity prices gas us-age decreases significantly. Still, even then gas remains as a critical fuel for peak demand pro-duction. If biomass would be taxed it would increase the biomass usage costs so that biomass would be used only as a peak load fuel in scenario 1. However, biomass doesn’t work very well for this purpose, as using small amounts leads to logistics and storage challenges. Therefore, taxation of biomass could lead to even replacing biomass with gas.

The first scenario results in lower emissions and it is more cost-efficient. The new multifuel plant is financially competitive against scenario 1 only if waste is used more in the fuel mix. Using more waste would also ensure the plant’s profitability better if biomass would be taxed or its price would increase. Using waste increases emissions but if the waste would otherwise be placed as a landfill site, utilizing it in the energy production is a better option.

With the used production fleets fuels remain as an important part of the production, especially in the peak demands. However, to reach the carbon neutrality goal, other solutions will likely be needed. During the summer there would be excess carbon neutral capacity available. Hence, utilizing long-term heat storages in Espoo DH network could support the carbon neutral production during winter. In addition, as gas is remaining as a critical fuel for peak demands, replacing natural gas with biogas could be the most convenient option and it would contribute to achieving the carbon neutrality goals.

Energiantuotanto on suuren muutoksen kynnyksellä, kun fossiiliset polttoaineet korvataan uusiutuvilla energialähteillä. Tällä hetkellä suurin osa Espoon kaukolämmöntuotannosta perustuu hiilen ja kaasun polttamiseen, mutta tavoitteena on hiilineutraali kaukolämmöntuotanto vuoteen 2030 mennessä. On monia vaihtoehtoja, miten kaukolämpöä tullaan tulevaisuudessa tuottamaan, mutta tavoitteena on löytää polttovapaita ratkaisuja. Tässä diplomityössä tutkitaan Espoon kaukolämpöjärjestelmän polttavan tuotannon tulevaisuutta kirjallisuuskatsauksen ja simulaation yhdistelmänä. Simulaatiossa mallinnetaan kahta erilaista skenaariota, jossa skenaariossa 1 hyödynnetään merkittävä määrä hukkalämpöä ja skenaariossa 2 rakennetaan uusi monipolttoainelaitos.

Tulokset osoittavat, että skenaariossa 1 polttoaineiden käyttö vähenee, kun hukkalämmön hyödyntäminen alkaa, mutta sekä biomassa että kaasu ovat silti tärkeitä polttoaineita lämmöntuotannossa viileinä kuukausina. Skenaariossa 2 polttoaineiden tärkeys korostuu ja biomassan käyttö lisääntyy merkittävästi uuden monipolttoainelaitoksen myötä. Jätettä käytetään osana polttoaineseosta, mutta sen merkitys on melko pieni käytettäessä vain 12 %. 50 % osuudella merkitys kasvaa.

Korkeampi päästöoikeuden hinta johtaa hieman pienempään kaasun käyttöön ja korkeampaan biomassan käyttöön. Sähkön hinnalla on kuitenkin voimakas vaikutus, sillä kaasun CHP-tuotanto voi olla kannattavin tuotantomuoto korkeiden sähkön hintojen aikana. Alhaisemmilla sähkön hinnoilla kaasun käyttö vähenee merkittävästi, mutta silloinkin kaasu on kriittinen polttoaine huippukysynnän kattamisessa. Jos biomassaa verotettaisiin, se nostaisi biomassan käytön kustannuksia niin merkittävästi, että biomassaa käytettäisiin vain huippukuormana skenaariossa 1. Biomassa ei kuitenkaan toimi kovin hyvin tähän tarkoitukseen, sillä pienet käyttömäärät johtavat logistiikka- ja varastointihaasteisiin. Siksi biomassan verotus voisi johtaa biomassan korvaamiseen kaasulla.

Ensimmäisessä skenaariossa päästöt ovat pienemmät ja se on kustannustehokkaampi. Uusi monipolttoainelaitos on taloudellisesti kilpailukykyinen skenaariota 1 vastaan vain, jos jätettä käytettiin enemmän polttoaineseoksessa. Suurempi jätteen osuus varmistaisi myös laitoksen kannattavuuden paremmin, jos biomassaa verotettaisiin tai sen hinta nousisi. Jätteen käyttö lisää kuitenkin päästöjä, mutta jos jäte muuten sijoitettaisiin kaatopaikalle, sen käyttäminen energiantuotannossa on parempi vaihtoehto.

Käytetyillä tuotantolaitoksilla polttoaineet pysyvät tärkeänä osana lämmöntuotantoa etenkin huippukysynnän kattamisessa. Hiilineutraaliustavoitteen saavuttamiseksi tarvitaan todennäköisesti muita ratkaisuja. Kesällä käytettävissä olisi ylimääräistä hiilineutraalia kapasiteettia, minkä vuoksi pitkäaikaisten lämpövarastojen hyödyntäminen Espoon kaukolämpöverkostossa voisi tukea hiilineutraalia tuotantoa talvella. Lisäksi, koska kaasu on edelleen tärkeä turvaamaan lämmöntuotanto kysyntäpiikeissä, maakaasun korvaaminen biokaasulla voisi olla kätevin vaihtoehto ja se edistäisi hiilineutraaliustavoitteiden saavuttamista.