Feasibility of Flexible Biomass Utilization in Energy Systems

Abstract

Tuuli- ja aurinkoenergia ovat maailmanlaajuisesti nopeiten kasvavia uusiutuvan energian tuotantomuotoja. Nämä tuotantomuodot ovat sääriippuvaisia ja siten tuotanto voi olla vaihtelevaa, mikä voi aiheuttaa ongelmia energiajärjestelmälle ja kasvattaa järjestelmän jouston tarvetta.

Biomassa on monimuotoinen uusiutuva energialähde, jota on saatavilla jossain muodossa lähes kaikkialla maailmassa. Biomassalla on myös laajasti tunnistettu olevan potentiaalia energiajärjestelmien jouston kannalta ja mahdollisia teknologioita on olemassa runsaasti. Usein biomassan joustopotentiaalin yksityiskohtainen kustannustarkastelu kuitenkin unohdetaan. Tässä väitöstyössä tarkastellaan biomassan joustavan käytön kannattavuutta käytännön esimerkkien kautta. Tarkasteltavat esimerkit ovat kemikaalien valmistus biomassasta, joustava lämmön ja sähkön tuotanto biomassalla, sekä biomassapohjaiset liikennepolttoaineet.

Tämän tutkimuksen tuloksena on suosituksia siitä, kuinka biomassan käyttökohteiden kannattavuutta voidaan parantaa energiajärjestelmän eri tasoilla. Tulokset osoittivat, että biomassa voi tuoda joustavuutta energian kysynnän jouston, joustavan tuotannon ja sähkön varastoinnin kautta. Kaikki nämä mekanismit voidaan saavuttaa olemassa olevilla teknologioilla, mikä mahdollistaa biomassan joustopotentiaalin nopean käyttöönoton. Biomassan joustopotentiaalin kannattavuutta voidaan parantaa sivutuotteen, optimoidun ajotavan tai teknisten parannusten avulla. Näistä ajotapaoptimointi osoittautui parhaaksi tavaksi lisätä konseptin kannattavuutta. Tärkeimmät biomassan joustopotentiaalin kannattavuuteen vaikuttavat asiat ovat investointi- ja polttoainekustannukset. On kuitenkin selvää, ettei biomassa voi yksinään ratkaista energiajärjestelmien joustavuuteen liittyviä ongelmia, mikäli biomassan käyttö halutaan pitää kestävällä tasolla.

Globally the fastest growing renewable energy production methods are weather dependent solar and wind power production. However, their locality and fluctuating nature may make the energy demand and production unbalanced and thus increases the need for system flexibility.

Biomass is available in one form or another almost everywhere on Earth. It has been recognized to have potential for providing flexibility into energy systems. Even though technological possibilities for biomass utilization are numerous, detailed costs of the flexibility means are often ignored. This thesis looks in detail into the feasibility of flexible biomass utilization methods through practical examples; biomass to chemicals, biomass to heat and power and biomass as a transport fuel.

The results of this study provides suggestions how to increase the feasibility of biomass utilization in energy system levels. The results showed that biomass can provide flexibility through demand response, flexible production, and useful power storage. These can be achieved with currently existing technologies that can be adopted in a short timescale through introducing subsidies.. It was also shown that the feasibility of biomass utilization method can be improved through side-product, optimized running mode, or technical improvements. The most efficient way to increase the feasibility was operational optimization. The key factors in the feasibility of biomass utilization methods are investment and fuel costs. However, as sustainable amount of biomass is limited other flexibility means will be needed.

Future studies should include accurate forecasting on cost and price development, since these are often based on assumptions. In addition, sustainability and carbon emissions of the whole biomass production chain should be studied.