Power market impacts of heating electrification
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
99 + 8
Series
Abstract
Space heating consumes energy significantly, accounting for approximately a quarter of final energy consumption and two-thirds of household energy consumption in Finland. Out of space heating in households, most energy was produced with district heating and building-specific heating systems using mostly wood, oil or other fossil fuels. Oil heating is causing the most emissions in building-specific heating and there are an estimated 150 000 oil boilers still in use. There has been a clear trend where fossil fuels are being replaced with electric-based heating in households. Especially heat pumps are an increasingly popular solution as they utilise renewable ambient energy. The trend is further driven by climate policies with an objective to reduce greenhouse gas emissions to mitigate climate change. Heating electrification is seen as a potential solution to reduce carbon emissions, but it also has its challenges. Finnish Ministry of Economic Affairs and Employment and transmission system operator Fingrid have both identified a challenge in availability of power due to increased use of electricity in heating. In this study, the impacts of heating electrification are quantified and further analysed through power market modelling in heating electrification scenarios considered in the year 2030. Future development of the European power system is included and reviewed in Finland until then. The electrification scenarios include an in-creasing number of building-specific electric air-source heat pump systems used in residential space heating compared to the current state. An aggregated hourly electricity demand profile for the heat pump systems is created, which has a varying heat demand and coefficient of performance of the system based on outside ambient temperature and assumptions made of the system design and efficiency. Scenario modelling is done on European power markets on an hourly resolution using power market dispatch model BID3. The modelling is carried out in the year 2030 using profiles on two cases, one describing average weather conditions between 2009–2018 and another more extreme weather conditions reached during the case year 2016. The results achieved show that the increased temperature-dependency of electricity demand increases the seasonality of demand substantially. This leads to increased tightness of the Finnish power system and challenges in capacity adequacy during peak demand periods in the early year. This affects the day-ahead spot power market, where higher demand in the Finnish price area leads to higher prices. Demand and thus price volatility are seen increasing especially during the first months of the average year, and especially during colder January in the case year. The price increase is most significant at around 50-100 hours a year, leading to an increase in an annual level. It was shown by a sensitivity analysis that demand response can efficiently cut the highest prices and should be considered when switching to electric heating systems.Tilojen lämmitys kuluttaa merkittävästi energiaa, vastaten noin neljäsosasta energian loppukulutusta ja kahdesta kolmasosasta asumisen energiankulutuksesta Suomessa. Suurin osa tästä tuotettiin kaukolämmöllä ja kiinteistökohtaisilla lämmitysjärjestelmillä, jotka käyttävät puuta, öljyä tai muita fossiilisia polttoaineita. Öljylämmitys aiheuttaa eniten päästöjä kiinteistökohtaisessa lämmityksessä, ja arviolta 150 000 öljykattilaa on edelleen käytössä. Lämmitys on kuitenkin viime aikoina sähköistynyt ja etenkin lämpöpumput ovat yhä suositumpi ratkaisu, sillä ne hyödyntävät myös uusiutuvaa energiaa ympäristöstä. Kehitystä ajaa lisäksi eteenpäin ilmastopolitiikka, jonka tarkoituksena on vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Lämmityksen sähköistyminen nähdään potentiaalisena ratkaisuna päästöjen vähentämiselle, mutta siinä on osaltaan haasteensa. Työ ja elinkeinoministeriö ja Fingrid ovat molemmat tunnistaneet haasteen sähkön saatavuudessa lämmityksen sähköistymisen vuoksi. Tässä tutkimuksessa lämmityksen sähköistymisen vaikutukset on kvantifioitu ja analysoitu tarkemmin sähkömarkkinamallin avulla, jossa tarkastellaan lämmityksen sähköistymisen skenaarioita vuonna 2030. Eurooppalaisen sähköjärjestelmän kehitys on otettu työssä huomioon ja tarkasteltu erikseen Suomen osalta. Sähköistymisen skenaarioissa suurempi osa asuinrakennusten lämmityksestä hoidetaan kiinteistökohtaisilla lämpöpumpuilla verrattuna nykytilanteeseen. Lämpöpumppujärjestelmille luodaan tunneittainen sähkönkulutusprofiili, jossa lämpöpumpun lämpöteho ja suorituskyky määräytyvät ulkolämpötilan sekä lämpöpumppujärjestelmän oletetun mitoituksen ja tehokkuuden mukaan. Skenaariomallinnus suoritetaan tuntitasolla eurooppalaisilla sähkömarkkinoilla käyttäen BID3 sähkömarkkinamallia. Mallinnus tehdään vuonna 2030 hyödyntäen profiileita kahdessa eri tapauksessa, joista ensimmäinen kuvaa keskimääräistä säävuotta ajanjaksolla 2009–2018 ja toinen äärimmäistä säävuotta vuonna 2016. Saadut tulokset osoittavat, että sähkön kysynnän lisääntynyt lämpötilariippuvuus lisää kysynnän kausiluonteisuutta huomattavasti. Tämä lisää merkittävästi Suomen sähköjärjestelmän tiukkuutta ja aiheuttaa haasteita kapasiteetin riittävyydessä alkuvuoteen ajoittuvissa huippukysyntätilanteissa. Tällä on vaikutuksia sähkön vuorokausimarkkinoihin, jossa suurempi kysyntä Suomen hinta-alueella johtaa korkeampiin hintoihin. Kysyntä ja siten hintavolatiliteetti lisääntyvät eniten keskimääräisenä vuonna ensimmäisinä kuukausina ja äärimmäisenä vuotena tammikuussa. Hinnat ovat merkittävästi korkeampia noin 50-100 tunnin aikana vuodessa, mikä johtaa myös korkeampaan hintaan vuositasolla. Herkkyysanalyysi osoittaa, että kysyntäjousto voi alentaa tehokkaasti korkeimpia hintoja, mikä tulisi ottaa huomioon siirryttäessä sähköisiin lämmitysjärjestelmiin.Description
Supervisor
Syri, SannaThesis advisor
Leinonen, JuhaKeywords
heating electrification, heat pumps, peak demand, capacity adequacy, scenario analysis, power market modelling