New low-temperature heat sources to develop competitive low-carbon district heating systems in Finland
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-05-09
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
101 + app. 103
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 77/2025
Abstract
The European Union (EU) has set the target of net-zero Greenhouse Gas (GHG) emissions by 2050. Meeting this target is estimated to require a 55% and 90% reduction in GHG emissions by 2030 and 2040 (compared to 1990 levels), respectively. Developing low carbon District Heating Systems (DHSs) plays a crucial role in meeting this target especially in countries with cold climate such as Finland. Waste heat produced during specific processes such as data processing in Data Centers (DCs) and Green Hydrogen (GH2) production process by electrolyzers, provides significant potential for developing low carbon DHSs due to their expected growth. However, beyond the environmental benefits that capturing and redirecting waste heat from these sources into DHSs can offer, it is crucial to consider the possible economic advantages and disadvantages these strategies may bring for both utilities and end-users especially regarding affordability and reliability. While waste heat recovery reduces the overall fuel consumption, the need for additional thermal technologies and equipment increasing waste heat temperature causes additional costs. This thesis aims to present new insights into how waste heat from these new low-temperature sources can be effectively integrated with DHSs to reduce GHG emissions, while keeping them economically competitive with conventional systems. The environmental and economic potential of waste heat from DCs is evaluated in comparison to DHSs based on biomass combustion. Also, the integration of GH2 production process with DHSs is studied from technical, economic and environmental viewpoints both at process and at national levels. The results indicate that integrating DHSs with waste heat from DCs offers competitive advantages over biomass combustion-based DHSs in most of the investigated scenarios. Energy renovations in buildings further enhance the competitiveness of waste heat-based DHSs. Therefore, waste heat recovery from DCs will become increasingly popular when energy renovation in buildings becomes more appealing to end-users and reducing emissions is prioritized by policymakers. While the economic competitiveness of GH2 production in Finland relies on stricter policies, subsidies, or advancements in hydrogen production technologies, integrating waste heat from it into DHSs enhances energy efficiency, reducing biomass dependency by up to 7% and potentially saving Finland’s energy system €100M annually. However, it requires careful planning and significant capital cost of about 3.5 B€ to develop the hydrogen network, as assumed in this work. It is also concluded that supplying heat directly to the DHS return side, without an additional Heat Pump (HP), would be financially the most viable option.Euroopan unioni (EU) on asettanut tavoitteeksi kasvihuonekaasupäästöjen nettonollan vuoteen 2050 mennessä. Tämän tavoitteen saavuttaminen edellyttää arviolta 55 %:n päästövähennystä vuoteen 2030 mennessä ja 90 %:n vähennystä vuoteen 2040 mennessä (vuoden 1990 tasoon verrattuna). Vähähiilisten kaukolämpöjärjestelmien kehittäminen on keskeisessä roolissa tämän tavoitteen saavuttamisessa, erityisesti kylmän ilmaston maissa, kuten Suomessa. Tietyissä prosesseissa, kuten datakeskusten (DC) tietojenkäsittelyssä ja elektrolyysereihin perustuvassa vihreän vedyn tuotannossa, syntyy hukkalämpöä, joka tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia vähähiilisten kaukolämpöjärjestelmien kehittämiseen näiden prosessien odotetun yleistymisen myötä. Vaikka hukkalämmön talteenotto ja sen hyödyntäminen kaukolämpöjärjestelmissä voi tarjota merkittäviä ympäristöhyötyjä, on myös tärkeää tarkastella taloudellisia hyötyjä ja haittoja sekä energiayhtiöille että loppukäyttäjille, erityisestikoskien kohtuuhintaisuutta ja luotettavuutta. Vaikka hukkalämmön hyödyntäminen vähentää polttoaineiden kokonaiskulutusta, investoinnit lämmön lämpötilan nostamiseksi aiheuttavat lisäkustannuksia. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tarjota uusia näkökulmia siihen, kuinka näiden uusien matalalämpöisten hukkalämpölähteiden integrointi kaukolämpöjärjestelmiin voi vähentää kasvihuonekaasupäästöjä säilyttäen niiden taloudellisen kilpailukyvynperinteisiin järjestelmiin verrattuna. Työssä arvioidaan datakeskusten hukkalämmön hyödyntämistä kaukolämpökaukolämpöjärjestelmissä verrattuna biomassaan perustuviin kaukolämpöjärjestelmiin. Lisäksi tarkastellaan GH2-tuotannon ja kaukolämpöjärjestelmien integrointia teknisistä, taloudellisista ja ympäristönäkökulmista. Tulokset osoittavat, että kaukolämpöjärjestelmien integrointi datakeskusten hukkalämpöön tarjoaa kilpailukykyisiä etuja biomassaan perustuviin järjestelmiin verrattuna useimmissa tutkituissa skenaarioissa. Rakennusten energiatehokkuusremontit parantavat entisestään hukkalämpöön perustuvien kaukolämpöjärjestelmien kilpailukykyä. Datakeskusten hukkalämmön hyödyntämisestä tulee yhä suositumpaa, kun rakennusten energiatehokkuuden parantaminen muuttuu houkuttelevammaksi loppukäyttäjille ja päästöjen vähentämistä priorisoidaan poliittisessa päätöksenteossa. Vihreän vedyn tuotannon taloudellinen kilpailukyky Suomessa vaatii tiukempia politiikkatoimia, tukia tai vedyn tuotantoteknologian kehitystä. Tuotannon integrointi kaukolämpöjärjestelmiin parantaa kuitenkin energiatehokkuutta, vähentää biomassan käyttöä jopa 7 % ja voisi säästää Suomen energiajärjestelmässä vuosittain 100 miljoonaa euroa. Tämä edellyttää kuitenkin huolellista suunnittelua ja huomattavia investointeja, sillä vedyn jakeluverkon rakentaminen on noin 3,5 miljardin euron investointi tämän työn skenaarioissa. Lisäksi todetaan, että lämmön toimittaminen suoraan kaukolämmön paluupuolelle ilman lämpöpumppua olisi taloudellisesti kannattavin ratkaisu.Description
Supervising professor
Syri, Sanna, prof., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Syri, Sanna, prof., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, FinlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: Moradpoor, Iraj; Syri, Sanna; Hirvonen, Janne. 2022. Sustainable heating alternatives for 1960’s and 1970’s renovated apartment buildings. Elsevier Ltd. Cleaner Environmental Systems, volume 6. ISSN: 2666-7894.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208174899DOI: 10.1016/j.cesys.2022.100087 View at publisher
-
[Publication 2]: Moradpoor, Iraj; Syri, Sanna; Hirvonen, Janne. 2023. How do Long-term and Short-term Energy Crises Affect Low Carbon District Heating Production? -A Case Study in Finland. In: Editors of proceedings. 19th International Conference on the European Energy Market (EEM), Lappeenranta, Finland, 6–8 June 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202312117133DOI: 10.1109/EEM58374.2023.10161896 View at publisher
-
[Publication 3]: Moradpoor, Iraj; Syri, Sanna; Santasalo-Aarnio, Annukka. 2023. Green hydrogen production for oil refining – Finnish case. Elsevier Ltd. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 175. ISSN: 1364-0321.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202301251505DOI: 10.1016/j.rser.2023.113159 View at publisher
-
[Publication 4]: Moradpoor, Iraj; Koivunen, Tero; Syri, Sanna; Hirvonen, Janne. 2024. The Benefits of Integrating Industrial Hydrogen Production with District Heating in Cold Climates with Different Building Renovation Levels. Elsevier Ltd. Energy. Volume 303, 131953.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406204609DOI: 10.1016/j.energy.2024.131953 View at publisher
-
[Publication 5]: Moradpoor, Iraj; Himanen, Olli; Nikiforow, Kaj; Syri, Sanna. Experimental analysis on heat recovery from a PEME stack: exploring operating temperatures and integration aspects. 37th international conference on efficiency, cost, optimization, simulation, and environmental impact of energy systems, 30 June - 4 July, 2024, Rhodes, Greece.
DOI: 10.52202/077185-0042 View at publisher
- [Publication 6]: Moradpoor, Iraj; Himanen, Olli; Nikiforow, Kaj; Syri, Sanna. Techno-Economic Assessment of Heat Recovery from a PEME Stack to District Heating Systems. Submitted to journal of Energy Conversion and Management.