Strategies for decarbonising the energy system in Finland

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-06-11
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
70 + app. 100
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 84/2020
Abstract
Finland has ambitious climate mitigation goals and intends to become carbon-neutral already by 2035. However, the pathways to these targets remain unclear. Previous studies on the Finnish energy system have often focused on assuming certain future system configurations, seldom considering possible future pathways for the whole energy system through energy system optimization, and particularly not with an hourly level resolution. The focus of this thesis is to analyse and compare future scenarios for decarbonising the Finnish energy system. A particular focus is given to the three main pillars of the Finnish energy and climate policies: forestry biomass, nuclear power, and wind power, while also considering the uncertainty of future demand, policies, costs and renewable resource availability. As wind power is often an integral part of a decarbonised future energy system, the thesis also covers wind power integration with different system flexibility measures. The main research question of the thesis is what kind of an energy system would meet the climate targets most cost-effectively and be the most resilient to future uncertainties within given system limitations. The main methodology of the thesis is studying possible energy system pathways by constructing and analysing cost-optimized energy system scenarios with techno-economic energy system modelling. For this purpose, a comprehensive simulation model of the Finnish energy system was developed, covering the electricity, heat and fuel sectors. The thesis concludes that there are many different optimal decarbonised energy system pathways for Finland. Common denominators for all scenarios seem to be a high level of decarbonised electricity production (nuclear and wind power), electrification of heat production, active international power exchange, and fossil fuel replacement with biomass. Effective wind power integration would also require system-level thinking and flexibility measures, the most cost-effective options being power-to-heat and curtailment. The thesis also suggests that the energy system's resilience against political disruptions could be improved by increasing and diversifying the renewable resource base, utilising sector-coupling and other system flexibility measures, and improving energy efficiency. However, no single system configuration stands out as the most resilient to future uncertainties.

Suomella on kunnianhimoiset tavoitteet ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi, ja Suomi pyrkii olemaan hiilineutraali jo vuoteen 2035 mennessä. Kehityspolut näiden tavoitteiden saavuttamiseen ovat kuitenkin vielä epäselviä. Aikaisemmissa Suomen energiajärjestelmää koskevissa tutkimuksissa on usein keskitytty oletettuihin tulevaisuuden järjestelmäkokoonpanoihin, mutta ei yleensä tarkasteltu mahdollisia tulevaisuuden kehityspolkuja koko energiajärjestelmälle energiajärjestelmäoptimoinnin kautta, etenkään tunnittaisella tarkkuudella. Tämän väitöskirjan painopiste on analysoida ja vertailla tulevaisuuden skenaarioita Suomen energiajärjestelmän dekarbonisoimiseksi. Erityistä huomiota kiinnitetään Suomen energia- ja ilmastopolitiikan kolmeen pääpilariin: metsäbiomassaan, ydinvoimaan ja tuulivoimaan, samalla ottaen huomioon tulevaisuuden kysynnän, poliittisten päätösten, kustannusten ja uusiutuvien luonnonvarojen saatavuuden epävarmuuden. Koska tuulivoima on usein olennainen osa hiilivapaata tulevaisuuden energiajärjestelmää, väitöskirja käsittelee myös tuulivoiman integraatiota erilaisilla järjestelmän joustavuusmekanismeilla. Väitöskirjan keskeinen tutkimuskysymys on, millainen energiajärjestelmä saavuttaisi ilmastotavoitteet kustannustehokkaimmin ja kestäisi parhaiten tulevaisuuden epävarmuuksia annettujen järjestelmärajoitteiden puitteissa. Väitöskirjan tutkimusmenetelmä on mahdollisten energiajärjestelmän kehityspolkujen tutkiminen muodostamalla ja analysoimalla kustannusoptimoituja energiajärjestelmäskenaarioita teknis-taloudellisella energiajärjestelmämallinnuksella. Tätä tarkoitusta varten luotiin kattava Suomen energiajärjestelmän simulointimalli, joka kattaa sähkö-, lämpö- ja polttoainesektorit. Väitöskirjassa todetaan, että Suomelle on olemassa monia optimaalisia hiilivapaita energiajärjestelmiä. Yhteisiä nimittäjiä kaikille skenaarioille vaikuttaa olevan hiilivapaan sähköntuotannon korkea taso (ydin- ja tuulivoima), lämmöntuotannon sähköistyminen, aktiivinen kansainvälinen sähkömarkkina ja fossiilisten polttoaineiden korvautuminen biomassalla. Tehokas tuulivoiman integraatio edellyttäisi myös järjestelmätason ajattelua ja joustavuusmekanismeja, joista sähkö-lämpö-konversio (P2H) ja tuotannon rajoittaminen vaikuttavat kustannustehokkaimmilta. Väitöskirja myös ehdottaa, että energiajärjestelmän resilienssiä energiapoliittisia häiriöitä vastaan voisi parantaa lisäämällä ja monipuolistamalla uusiutuvaa energianlähdekantaa, hyödyntämällä sektorikytkentää ja muita joustavuusmekanismeja, ja parantamalla energiatehokkuutta. Yksikään järjestelmäkokoonpano ei kuitenkaan vaikuta kestävän parhaiten tulevaisuuden epävarmuuksia.
Description
The public defense on 11th June 2020 at 12:30 will be available via remote technology. Link: https://aalto.zoom.us/j/68158686223 Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide Electronic online display version of the doctoral thesis is available by email by request from aaltodoc-diss@aalto.fi
Supervising professor
Lund, Peter D., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Lund, Peter D., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
energy system modelling, Finland, scenarios, decarbonisation, energiajärjestelmämallinnus, Suomi, skenaariot, dekarbonisaatio
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Pilpola, Sannamari; Lund, Peter D. Effect of major policy disruptions in energy system transition: Case Finland. Energy Policy, 116, 323-336, 2018.
    DOI: 10.1016/j.enpol.2018.02.028 View at publisher
  • [Publication 2]: Pilpola, Sannamari; Lund, Peter D. Different flexibility options for better system integration of wind power. Energy Strategy Reviews, 26, 100368, 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201907304465
    DOI: 10.1016/j.esr.2019.100368 View at publisher
  • [Publication 3]: Pilpola, Sannamari; Arabzadeh, Vahid; Lund, Peter D. Energy system impact of wind power with curtailment: national- and city-scale analysis. International Journal of Low-Carbon Technologies, 14, 2, 277–285, 2019.
  • [Publication 4]: Pilpola, Sannamari; Arabzadeh, Vahid; Mikkola, Jani; Lund, Peter D. Analyzing national and local pathways to carbon-neutrality from technology, emissions, and resilience perspectives – case of Finland. Energies, 12, 5, 949, 2019.
  • [Publication 5]: Pilpola, Sannamari; Lund, Peter D. Analyzing the effects of uncertainties on the modelling of low-carbon energy system pathways. Energy, 201, 117652, 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202004282895
    DOI: 10.1016/j.energy.2020.117652 View at publisher
Citation