The Role of Electrification in the Decarbonisation of the Finnish Energy System

Abstract

With the Paris Agreement, virtually every state in the world has agreed to limit global warming to well below 2 degrees Celsius and pursue efforts to limit it to 1.5 degrees Celsius above pre-industrial levels. However, current pledges are not enough to achieve that target and more effort is needed. In all sectors, a major source of climate-warming greenhouse gases is energy use.

Electrification, i.e. the shifting of energy consumption from fuels such as oil and gas to electricity, is one potential solution to reducing greenhouse gas emissions. New low-emission alternatives such as wind and solar power have become competitive in many markets and complement existing low-carbon sources of energy such as nuclear and biomass use. Electrification may also offer gains in energy efficiency, i.e. reduce the amount of energy needed to provide everyday services.

In this thesis, the role of electrification in the decarbonisation of the Finnish energy system was studied using the DEFEND model. The DEFEND model is capable of both simulating the Finnish energy system and finding cost- and emissions-minimising combinations of electricity and heat generation capacities for future energy systems. The model was used to study several 2050 scenarios with different levels of electrification and compare them to the year 2018.

The results show that the decarbonisation of the Finnish energy system is possible and that electrification will play a role in it. In most scenarios, electricity production grew by at least 33 % by 2050 compared to 2018. In many scenarios with limited industrial wood residue availability, electricity was the largest source of heat. However, the results also showed that in some cases, further electrification is less cost-effective due to the higher demand for flexibility. Further studies might be useful for exploring the limitations of biomass use and potential new technologies such as hydrogen.

Pariisin sopimuksella maailman lähes kaikki maat ovat sitoutuneet rajoittamaan maapallon keskilämpötilan nousun selvästi alle kahteen asteeseen ja tavoittelemaan sen rajoittamista 1.5 asteeseen. Maiden nykyiset sitoumukset eivät kuitenkaan ole riittäviä kummankaan tavoitteen saavuttamiseen, joten lisätoimia tarvitaan. Yksi merkittävä ilmastoa lämmittävien kasvihuonekaasupäästöjen lähde kaikilla sektoreilla on energian käyttö.

Sähköistyminen, eli energian kulutuksen siirtyminen polttoaineista kuten öljystä ja kaasusta sähköön, on yksi mahdollinen ratkaisu päästövähennyksiin. Monista uusista matalapäästöisistä teknologioista kuten tuuli- ja aurinkovoimasta on tullut kilpailukykyisiä täydentäen olemassa olevia teknologioita kuten ydinvoimaa ja biomassojen käyttöä. Sähköistyminen voi mahdollisesti myös johtaa energiatehokkuuden parantumiseen eli vähentää jokapäiväisten palveluiden tuottamisen energiantarvetta.

Tässä diplomityössä tutkittiin sähköistymisen roolia siirtymässä lähes nollapäästöiseen energiajärjestelmään DEFEND-mallilla. Se pystyy sekä simuloimaan Suomen energiajärjestelmää että löytämään kustannukset ja päästöt minimoivia tuotantokapasiteettien yhdistelmiä. Tutkimuskohteina oli useita vuoden 2050 skenaarioita eri sähköistymisasteilla. Vuoden 2050 skenaarioita verrattiin vuoden 2018 tuloksiin.

Tulokset osoittavat lähes nollapäästöisen energiajärjestelmän olevan mahdollinen ja sähköistymisellä olevan roolin sen rakentamisessa. Useimmissa skenaariossa sähkön tuotanto kasvoi vähintään 33 % vuoden 2018 tasosta. Monissa skenaariossa, joissa teollisuuden puujätteiden saatavuus oli rajallista, sähkö oli suurin lämmön lähde. Kuitenkin tietyissä tapauksissa sähköistyminen ei ollut kustannustehokasta johtuen muun muassa suuremmasta joustavuuden tarpeesta. Biomassojen käytön rajoitukset sekä uudet teknologiat kuten vety voisivat olla mahdollisia seuraavia tutkimuskohteita.