Effective integration of renewable energy in Northern European energy systems

Thumbnail Image
Files
isbn9789526420370.pdf (4.07 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-10-10
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.
Author
Date
2024
Department
Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
97 + app. 91
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 200/2024
Abstract
The European Union (EU) has committed to reaching carbon neutrality by 2050 at the latest, with Finland ambitiously pledging to reach net-zero carbon emissions already by 2035. Reaching these targets will require a rapid expansion in renewable energy generation over the next decade, which will mostly be facilitated by market incentives and private investments in the EU. Yet, it is still somewhat unclear what technologies will effectively enable different sectors to be decarbonized in the future, especially as increased energy market uncertainty and high electricity prices have become common in the last years following the war in Ukraine and the EU energy crisis in 2022. This thesis thus aims to provide new insights into how renewable energy use can be increased effectively in both individual and national energy systems in Northern Europe, with Publications I–III assessing the techno-economic feasibility of solar PV and energy storage systems in end-consumer applications in Finland, and Publications IV–VI focusing on how potential risks, limitations, and challenges may impact the transition to clean energy in Northern Europe.  The results of this thesis indicate that both smaller and larger locally installed solar PV systems can effectively increase the share of renewable energy in residential buildings and data centers in northern countries. Yet, in most cases, this necessitates selling surplus electricity to the grid to be cost-effective, as the use of energy storage to balance solar PV systems is shown to generally increase energy-related costs for end-consumers at higher latitudes. Moreover, the results highlight how resource adequacy and power supply security will be crucial in ensuring the effective transition to clean energy in Northern Europe. Notably, potential limitations in critical mineral and biomass availability pose significant risks to reaching national climate and energy policy targets in Finland and Northern Europe, as the global supply of many critical minerals is currently highly concentrated in a few non-EU countries and will have to be expanded considerably to facilitate the global transition to clean energy, and as Finland and similar countries will need to increase forestry carbon removals substantially to meet EU emission reduction targets for 2030 and to stay on track to attain national carbon neutrality targets. Additionally, the presented analysis suggests that new investments into flexible thermal power generation are necessary to cost-effectively balance the growing share of intermittent wind and solar PV generation in the Finnish power system by 2035. Subsequently, this thesis highlights how further action is needed to facilitate renewable energy integration and attain national climate targets in Northern Europe, as well as to guarantee resource adequacy and energy system reliability in the clean energy transition.

Euroopan unioni (EU) on sitoutunut saavuttamaan hiilineutraaliuden viimeistään vuonna 2050, kun taas Suomi on päättänyt saavuttaa hiilineutraaliuden jo vuoteen 2035 mennessä. Näiden tavoitteiden toteuttaminen edellyttää uusiutuvien energialähteiden tuotannon nopeaa kasvua seuraavan vuosikymmenen aikana, lähinnä käyttäen markkinakannustimia ja yksityisiä investointeja EU:ssa. On kuitenkin vielä osittain epäselvää, millaisilla teknologioilla tarvittavat päästövähennykset voidaan saavuttaa eri sektoreissa tulevaisuudessa, varsinkin kun epävarmuus energiamarkkinoilla ja korkeat sähkönhinnat ovat yleistyneet viime vuosina Ukrainan sodan ja EU:n vuoden 2022 energiakriisin jälkeen. Tämän väitöskirjan tavoitteena on täten tuottaa uutta tietoa siitä, miten uusiutuvien energialähteiden käyttöä voidaan tehokkaasti lisätä sekä yksittäisissä että kansallisissa energiajärjestelmissä Pohjois-Euroopassa. Julkaisuissa I-III arvioidaan aurinkosähkö- ja energiavarastointijärjestelmien teknistaloudellista toteutettavuutta loppukuluttajasovelluksissa Suomessa, ja julkaisuissa IV-VI keskitytään mahdollisten riskien, rajoituksien ja haasteiden vaikutuksiin puhtaan energian siirtymään Pohjois-Euroopassa. Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat, että sekä pienemmät että suuremmat paikallisesti asennetut aurinkosähköjärjestelmät voivat tehokkaasti lisätä uusiutuvan energian osuutta asuinrakennuksissa ja datakeskuksissa pohjoisissa maissa. Useimmissa tapauksissa tämä kuitenkin edellyttää ylijäämäsähkön myymistä verkkoon, jotta se olisi kustannustehokasta, sillä energiavarastoinnin käyttö aurinkosähköjärjestelmien tasapainottamiseksi osoitettiin yleisesti lisäävän loppukäyttäjien energiakustannuksia korkeammilla leveysasteilla. Lisäksi tulokset korostavat kuinka raaka-aineiden riittävyys ja sähkön toimitusvarmuus ovat keskeisiä tekijöitä puhtaassa energiasiirtymässä Pohjois-Euroopassa. Erityisesti kriittisten mineraalien ja biomassan saatavuuden mahdolliset rajoitukset aiheuttavat merkittäviä riskejä kansallisten ilmasto- ja energiapoliittisten tavoitteiden saavuttamiselle Suomessa ja Pohjois-Euroopassa, sillä monien kriittisten mineraalien maailmanlaajuinen saatavuus on nykytilanteessa voimakkaasti keskittynyt muutamiin EU:n ulkopuolisiin maihin. Globaalia mineraalituotantoa on myös laajennettava merkittävästi puhtaan energiasiirtymän mahdollistamiseksi. Lisäksi Suomen ja vastaavien maiden on lisättävä metsäalueiden hiilinieluja huomattavasti, jotta EU:n päästövähennystavoitteet vuodelle 2030 ja kansalliset hiilineutraaliustavoitteet voidaan saavuttaa. Tämä tutkimus indikoi myös, että Suomessa tarvitaan uusia joustovoimainvestointeja kasvavan tuuli- ja aurinkosähkötuotannon vaihtelevuuden kustannustehokasta tasapainottamista varten vuoteen 2035 mennessä. Tämä väitöskirja osoittaa, että lisätoimia tarvitaan uusiutuvien energialähteiden integroinnin mahdollistamiseksi ja kansallisten ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi Pohjois-Euroopassa, sekä raaka-aineriittävyyden ja energiajärjestelmän luotettavuuden takaamiseksi energiasiirtymässä.
Description
Supervising professor
Syri, Sanna, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Syri, Sanna, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
bioenergy, building, climate policy, critical minerals, data center, solar energy, aurinkosähkö, bioenergia, datakeskus, ilmastopolitiikka, kriittiset mineraalit, rakennus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Hyvönen, Johannes; Santasalo-Aarnio, Annukka; Syri, Sanna; Lehtonen, Matti. 2022. Feasibility study of energy storage options for photovoltaic electricity generation in detached houses in Nordic climates. Elsevier. Journal of Energy Storage, Volume 54, Issue 105330. ISSN 2352-152X.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202212146875
    DOI: 10.1016/j.est.2022.105330 View at publisher
  • [Publication 2]: Hyvönen, Johannes; Syri, Sanna. 2022. Efficient solar PV integration to data centers in a Nordic climate. 18th International Conference on the European Energy Market (EEM), Ljubljana, Slovenia, 13–15 September 2022. IEEE Xplore. ISBN 978-1-6654-0896-7.
    DOI: 10.1109/EEM54602.2022.9921131 View at publisher
  • [Publication 3]: Hyvönen, Johannes; Mori, Taro; Saunavaara, Juha; Hiltunen, Pauli; Pärssinen, Matti; Syri, Sanna. 2024. Potential of solar photovoltaics and waste heat utilization in cold climate data centers. Case study: Finland and northern Japan. Elsevier. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 201, Issue 111619. ISSN 1364-0321.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406204630
    DOI: 10.1016/j.rser.2024.114619 View at publisher
  • [Publication 4]: Hyvönen, Johannes; Koivunen, Tero; Syri, Sanna. 2023. Possible bottlenecks in clean energy transitions: Overview and modelled effects – Case Finland. Elsevier. Journal of Cleaner Production, Volume 410, Issue 137317. ISSN 0959-6526.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202305103039
    DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.137317 View at publisher
  • [Publication 5]: Hyvönen, Johannes; Koivunen, Tero; Syri, Sanna. 2023. Power supply security in a carbon neutral Finland. 19th International Conference on the European Energy Market (EEM), Lappeenranta, Finland, 6–8 June 2023. IEEE Xplore. ISBN 979-8-3503-1258-4.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403062505
    DOI: 10.1109/EEM58374.2023.10161906 View at publisher
  • [Publication 6]: Hyvönen, Johannes; Koivunen, Tero; Syri, Sanna. 2024. Review of Climate Strategies in Northern Europe: Exposure to Potential Risks and Limitations. MDPI. Energies, Volume 17, Issue 1538.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202404243240
    DOI: 10.3390/en17071538 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2037-0
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG