Integrating Hydrogen Economy with High Shares of Wind and Solar Power in Finnish Energy System: Operational Modelling Approach

Abstract

Climate change mitigation is considered one of the greatest challenges of the modern world. Energy sector, which plays a major role in the contribution of greenhouse gas emissions, is facing major changes as the international and national climate goals aim towards carbon-neutral and eventually carbon-negative future. In power production, renewable energy sources already have a major role and new capacity is being installed with an accelerating pace. In addition to power production, energy sector includes for example transportation and industry, which cannot be decarbonized by electrification alone. Therefore, solutions to comprehensive emission reductions need to be sought elsewhere. The role of hydrogen in tackling the climate change has been widely recognized. Green hydrogen can be produced through water electrolysis using renewable electricity. It could have uses, for example, in the manufacturing of fossil-free steel or in the production of transportation fuels through P2X processes. Moreover, green hydrogen and its derivatives could help to balance the increasing variable renewable electricity production by serving as mid- to long-term energy storages. Finland has a great potential to large-scale hydrogen production mostly due to the possibility of large-scale renewable electricity production. The transition to a hydrogen economy requires significant investments, and it is yet unclear as to what, where, and when it would be the most profitable to invest. Research can, however, produce information and assessments for example of the best suited hydrogen value chains for Finland, Finnish energy system’s regional characteristics and the effects of hydrogen economy on the energy system. This thesis studies the features of energy system modelling and employs the energy system modelling tool, Backbone, to study the effects of hydrogen economy on Finnish energy system. The objective is, especially, to increase understanding of the modelled system and to analyze the effects and regional characteristics of increasing renewable power production and hydrogen production. Additionally, the theory chapters of this thesis discuss the technologies related to production, transportation and further processing of hydrogen. Also, the current state and future estimations of supply, transportation and demand of hydrogen and its derivatives are addressed. In the case study, the created model is first validated against 2021 statistical data. Second, the effects of increasing renewable power production are studied. Finally, the effects of the production of hydrogen and its derivatives are studied from the viewpoint of two scenario years, 2035 and 2050. Simulations are based on economic dispatch. A wide range of results are analyzed due to the high adoption of sector integration and the goal of holistic understanding of the model. In the first part of the case study, increasing renewable power production replaces mainly electricity imports and power production of the combined heat and power plants. When wind and solar power capacities are increased, Finland becomes net electricity exporter, some renewable electricity production is curtailed, electricity marginal prices are lowered and CO2 emissions are reduced. The regional analysis also shows that there are large differences in the electricity balance of the modelled areas. In the second part of the case study, renewable power production can be fully utilized, and the waste heat generated by electrolysers has an important role in supplying district heat, especially with higher production amounts of hydrogen. Regional distribution of renewable electricity capacity highly indicates where hydrogen and its derivatives are most profitable to produce. Consequently, most of the production is concentrated in North Ostrobothnia and western Finland. Between scenario years 2035 and 2050, there are differences in the amounts and distribution of renewable power production, which is reflected in the results.

Ilmastonmuutoksen hillitseminen on yksi nykyajan ihmiskunnan suurimmista haasteista. Energiasektori, joka on suurimassa vastuussa ihmisen aiheuttamista kasvihuonekaasupäästöistä, on suuren muutoksen edessä, kun erilaiset kansainväliset ja kansalliset ilmastotavoitteet ohjaavat toimintaa kohti hiilineutraalia ja lopulta kohti hiilinegatiivista tulevaisuutta. Jo nyt uusiutuvilla energianlähteillä on merkittävä rooli sähköntuotannossa, ja uutta tuotantokapasiteettia asennetaan kasvavalla vauhdilla. Sähköntuotannon lisäksi energiasektoriin kuuluu esimerkiksi liikenne ja teollisuus, joissa hiilineutraaliuden saavuttaminen pelkän sähköistymisen avulla ei ole mahdollista. Tämän vuoksi ratkaisuja kokonaisvaltaisiin päästövähennyksiin pitää löytää muualta. Vedyllä on nähty olevan ratkaiseva rooli ilmastonmuutoksen torjunnassa. Vihreää vetyä voidaan tuottaa uusiutuvalla sähköllä elektrolyysin avulla ja sitä voitaisiin käyttää muun muassa fossiilivapaan teräksen tuotannossa tai jatkojalostaa esimerkiksi liikenteen polttoaineiksi. Vedyn ja sen johdannaisten mahdollinen rooli myös pidempiaikaisena energiavarastona olisi hyödyksi vaihtelevan uusiutuvan sähköntuotannon lisääntyessä. Suomella on potentiaalia laajamittaiseen vedyntuotantoon johtuen muun muassa uusiutuvan sähköntuotannon kasvupotentiaalista. Vetytalouteen siirtyminen vaatii kuitenkin merkittäviä investointeja, eikä ole yksiselitteistä, mihin, milloin tai minne kannattaa investoida. Tutkimusten avulla voidaan kuitenkin tuottaa tietoa ja arvioita esimerkiksi Suomelle parhaista vedyn arvoketjuista, Suomen energiajärjestelmän alueellisista ominaisuuksista sekä vetytalouden vaikutuksista energiajärjestelmään. Tässä diplomityössä tarkastellaan energiajärjestelmän mallinnusta yleisellä tasolla sekä tutkitaan Backbone-mallinnustyökalun avulla, mitä vaikutuksia vetytaloudella on Suomen energiajärjestelmään. Tavoitteena on ennen kaikkea lisätä ymmärrystä mallinnetusta Suomen energiajärjestelmästä sekä vaikutuksista, joita uusiutuvan sähköntuotannon lisäys ja vedyntuotanto saavat aikaan. Työn teorialuvuissa tarkastellaan lisäksi vedyn tuotantoon, kuljettamiseen ja jatkojalostamiseen liittyviä teknologioita sekä vedyn ja jatkojalosteiden tuotannon, kuljetuksen ja kulutuksen nykytilaa ja tulevaisuuden odotuksia. Tutkimusosuudessa Suomen energiajärjestelmää kuvaava malli validoidaan aluksi vuoden 2021 datalla. Sen jälkeen tarkastellaan vaikutuksia, joita uusiutuvan sähköntuotannon lisääntyminen Suomen energiajärjestelmään aiheuttaa. Lopuksi vedyn ja sen johdannaisten tuotantoa tarkastellaan skenaariovuosien 2035 ja 2050 näkökulmasta. Simulaatioajot perustuvat taloudelliseen kuormanjakoon (engl. economic dispatch). Tuloksia analysoidaan monipuolisesti johtuen eri sektoreiden välisestä sektori-integraatiosta sekä tavoitteesta ymmärtää kokonaisvaltaisesti tehtyjen muutosten vaikutuksia mallin toimintaan. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa kasvava uusiutuva sähkötuotanto korvaa sähkön tuontia sekä yhdistettyjen sähkön- ja lämmöntuotantolaitosten sähköntuotantoa. Kun tuuli- ja aurinkovoiman kapasiteettia kasvatetaan, Suomesta tulee sähkön nettoviejä, uusiutuvaa sähköntuotantoa joudutaan rajoittamaan, sähkön marginaalikustannukset alenevat ja CO2-päästöt pienenevät. Alueellinen tarkastelu myös osoittaa, että alueiden sähköomavaraisuudessa on merkittäviä eroja. Tutkimuksen toisessa osassa vedyntuotannon myötä lisääntynyt sähkönkulutus mahdollistaa kaiken uusiutuvan sähkön hyödyntämisen, ja lämmöntuotannossa elektrolyysereista saatava hukkalämpö nousee merkittävään rooliin varsinkin suurilla vedyntuotantomäärillä. Uusiutuvan energian tuotantokapasiteetin alueellinen jakautuminen indikoi voimakkaasti, missä vety ja sen johdannaiset kannattaa mallinnuksen mukaan tuottaa. Näin ollen suurin osa tuotannosta keskittyy lähinnä Pohjois-Pohjanmaalle sekä läntiseen Suomeen. Mallinnettujen skenaariovuosien, 2035 ja 2050, välillä on eroavaisuuksia uusiutuvan energian tuotantokapasiteetin määrissä sekä alueellisessa jakautumisessa, mikä heijastuu myös tuloksiin.