Jouston lisääminen energiajärjestelmään biomassakäyttöisillä CHP-laitoksilla: Biokaasulaitosten ja lämpövarastojen tuomat joustomahdollisuudet tulevaisuuden Suomen energiajärjestelmässä

Abstract

Ilmastonmuutoksen takia kasvihuonekaasujapäästöjä tulee leikata runsaasti nykyisestä tasosta. Energiasektorilla päästövähennyksiä tavoitellaan uusiutuvan energian lisäyksillä. Suomessa tuulivoimalla tuotettiin 7 % sähkön kokonaiskulutuksesta vuonna 2018 ja osuuden odotetaan kasvavan runsaasti tulevaisuudessa. Vaihtelevan tuulivoimatuotannon osuuden kasvu luo haasteita, sillä tuotettu sähköteho ei jakaudu tasaisesti vuoden jokaiselle tunnille. Tulevaisuuden energiajärjestelmä tarvitseekin tuulivoimatuotannon rinnalle erilaisia joustavuutta lisääviä ratkaisuja, kuten tuotannon ja kulutuksen joustoja, kattavia siirtoyhteyksiä sekä energian varastointia. Suomessa yhteistuotantolaitosten (engl. Combined Heat and Power, CHP) osuus energiajärjestelmässä on merkittävä ja laitokset hyödyntävät runsaasti uusiutuvaa biomassaa.

Tässä työssä tutkittiin biomassakäyttöisten CHP-laitosten mahdollisuuksia tarjota joustoa tulevaisuuden energiajärjestelmässä, jossa vaihtelevan tuotannon osuus on suuri. Työ rajattiin käsittelemään joustavaan sähköntuotantoon kykeneviä biokaasulaitoksia ja lämpövarastoihin kytkettyjä kaukolämpötuotantoon osallistuvia CHP-laitoksia. Tutkimus jakautuu kirjallisuuskatsaukseen ja Flextool-ohjelmalla toteutettuihin energiajärjestelmän simulaatioihin. Tavoitteena oli arvioida jouston tarvetta Suomen energiajärjestelmässä vuosina 2030 ja 2050, biomassakäyttöisten CHP-laitosten tuoman jouston tyyppiä ja sekä laitosten joustopotentiaalin suuruutta Suomessa.

Lämpövarastojen avulla erityisesti kaukolämpötuotantoon osallistuvat CHP-laitokset voivat pienentää lämmön- ja sähköntuotannon välistä riippuvuutta. Suomen nykyisten lämpövarastojen varastointikapasiteetti on noin 18 GWh ja uusien investointien myötä kapasiteetti kaksinkertaistuu lähivuosina. Taloudellisesti toteutettavissa olevaksi lämpövarastojen kokonaisvarastointikapasiteetiksi on arvioitu kirjallisuudessa 100 GWh. Biokaasutuotannon määrä Suomessa on tällä hetkellä hieman alle 1 TWh/a, mutta taloudellisen potentiaalin on arvoitu olevan yhteensä 10 TWh/a, josta sähkönä olisi mahdollista hyödyntää noin 2,6 TWh/a. Biokaasun käytön yleistymisen esteenä sähköntuotannossa voidaan pitää nykyisiä korkeita tuotantokustannuksia verrattuna sähköstä saatavaan hintaan sekä kilpailevaa liikennepolttoainekäyttöä.

Kirjallisuudessa määriteltyjen biokaasutuotannon ja lämpövarastojen potentiaalien vaikutuksia tulevaisuuden energiajärjestelmään havainnollistettiin simulaatioiden avulla. Biokaasulaitokset kykenevät tuotannon ylössäätöön alhaisen tuulivoimatuotannon aikana, kun taas lämpövarasto mahdollistaa CHP-laitoksen sähköntuotannon sekä ylös- että alassäädön. Vuoden 2030 simuloidussa järjestelmässä lämpövarastojen 50 GWh:n suuruinen varastointikapasiteetti mahdollisti noin 0,9 TWh:n jouston kaukolämpö-CHP-laitosten sähköntuotannossa verrattuna nykyiseen tuotantoprofiiliin. Vuoden 2050 simulaatioissa saavutettiin 2,3 TWh:n jousto, kun varastointikapasiteetin arvioitiin olevan yhteensä 100 GWh. Erillinen simulaatiotarkastelu Helsingin kaukolämpöverkosta osoitti, että Mustikkamaan tuleva 11,6 GWh:n lämpövarasto nosti simuloidun järjestelmän yhteistuotantolaitosten sähköntuotantomäärää yhteensä 56 GWh/a.

In order to control climate change, greenhouse gas emissions must be cut crucially from current levels. In the energy sector, one way to meet emission reductions is by increasing the use of renewable energy. In Finland, 7% of total electricity demand was produced by wind power in 2018, and the share is expected to grow significantly in the future. The increase in the share of variable wind power generation creates challenges, as the power generated is not evenly distributed for every hour of the year. In addition to wind power, the future energy system needs various solutions that increase flexibility, such as flexible power production and demand, comprehensive transmission connections and storing of energy. In Finland, combined heat and power (CHP) plants have a significant role in the energy system and utilize a large amount of renewable biomass.

This thesis investigated the potential of biomass-fired CHP plants to offer flexibility in a future energy system with a high share of variable production. The work was limited to only concern biogas plants capable to flexible electricity generation and district heating CHP plants that are connected to heat storage capacities. The research is divided into a literature review and energy system simulations that were implemented with the Flextool program. The aim was to assess the need for flexibility in the Finnish energy system in years 2030 and 2050, the type of flexibility and the amount of flexibility potential brought by biomass-fired CHP plants in Finland.

With the help of heat storage capacity, CHP plants, especially those involved in district heating production, can reduce the dependence between heat and electricity production. The storage capacity of Finland’s existing heat storage facilities is about 18 GWh, and with new investments, the capacity will double in the next few years. In the literature, the total economically feasible heat storage capacity has been estimated to be 100 GWh. The amount of biogas production in Finland is currently little under 1 TWh/a, but the techno-economical potential has been estimated to be 10 TWh/a, of which around 2.6 TWh/a would be possible to utilize as electricity. For the widespread use of biogas in electricity production, the current high production costs of biogas compared to the price of electricity and the competitive use as transport fuels can be considered as obstacles.

The effects of the biogas production and heat storage potentials found in the literature on the future energy system were illustrated by simulations. Biogas plants are capable of bringing up their production during periods of low wind power generation, while the heat storage enables both up- and downward flexibility to the CHP plant’s power production. In the simulated system for the year 2030, 50 GWh of total heat storage capacity was assumed and around 0.9 of flexibility in the power production of district heating CHP plants was achieved compared to the current production profile. For the year 2050, a flexibility of 2.3 TWh was achieved, when the storage capacity was estimated be 100 GWh in total. A separate simulation study of the Helsinki district heating network showed that the upcoming heat storage of 11.6 GWh in Mustikkamaa increased the total power production of the CHP plants in the simulated system by 56 GWh/a.