Sähkö- ja lämpöenergian tuotantomenetelmien ympäristöllisen kilpailukyvyn määrittäminen alueellista energiajärjestelmää suunniteltaessa

Työssä tarkasteltiin sähkö- ja lämpöenergian tuotantomenetelmien ympäristöllistä kilpailukykyä osana yhdyskunnan energiajärjestelmää. Sähkö- lämpöenergian tuotantomenetelmiä vertailtiin keskenään aiheutuvien kasvihuonekaasupäästöjen perusteella. Tarkastelu toteutettiin elinkaariarviointimenetelmällä. Työssä mallinnettiin pääasiassa uusiutuviin energialähteisiin perustuvia menetelmiä yhdyskunnan vuotuisen sähkö- ja lämpöenergiantarpeen täyttämiseksi. Elinkaariarviointimallin avulla vertailtiin keskenään aurinko- ja tuulisähköpainotteista ja CHP-painotteista energiajärjestelmää. Lisäksi työssä arvioitiin aurinko- ja tuulisähköntuotantoa sekä CHP-tuotantoa nettoenergianäkökulmasta. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti paras energianhankintavaihtoehto on usean eri sähkö- ja lämpöenergiantuotantomenetelmän yhdistelmä. Alhainen päästötaso tietyssä kategoriassa on yhdentekevää, jos energiaa ei ole saatavissa silloin, kun sitä tarvitaan. Lisäksi on tärkeää huomata, että uusiutuvien energialähteiden hyödynnettävyys riippuu vahvasti alueellisista erityispiirteistä, kuten aurinko- ja tuuliolosuhteista. Tästä johtuen kestävän energiajärjestelmän suunnittelussa alueellisten ominaisuuksien huomiointi on tärkeää. Mikä tietyllä alueella osoittautuu parhaimmaksi ratkaisuksi, ei välttämättä ole sitä toisenlaisessa ympäristössä.

Suomen energiajärjestelmä

Suomen energialähteiden käyttö on pysynyt likimain samana viime vuosikymmenen aikana. Uusiutuvien energialähteiden käyttö (tuulivoima, aurinkovoima, biopolttoaineet) on lisääntynyt ja fossiilisten energialähteiden käyttö vähentynyt. Energian kokonaiskulutus ja lämmönkulutus on vuosikymmenen aikana laskenut hieman ja sähkönkulutus on lisääntynyt lisääntyvän infrastruktuurin myötä. Suomen kantaverkko ei ole vuosikymmenen aikana kokenut suuria muutoksia. Suomi kuuluu osana pohjoismaiden yhteisiä sähkömarkkinoita, joissa vallitsee vapaa kilpailu. Suomen energiajärjestelmän sähköntuotto on tällä hetkellä varsin tuontipainotteinen ja Suomi ei ole pystynyt vuosikymmenen aikana vastaamaan sähkön kysyntään, mikä tarkoittaa sähkön tuonnin lisääntymistä. Lämmöntuotanto ja -kulutus ovat pysyneet vuosikymmenen aikana likimain ennallaan. Lähitulevaisuudessa Suomen energiaomavaraisuus nousee ja Suomi voi jopa vuonna 2050 olla jo sähkön nettoviejä ja myös energiajärjestelmän aiheuttamat kokonaispäästöjä alenevat radikaalisti. Liikenne sähköistyy ja älykkäät sähköverkot tekevät tuloaan. Tässä työssä tutustutaan Suomen nykyiseen energiajärjestelmään, tehdään katsaus tulevaisuuteen ja vertaillaan Suomen energiajärjestelmää kansainvälisesti.

Choosing the optimal energy system for buildings and districts

The purpose of this master’s thesis was to develop a method to be used in the selection of an optimal energy system for buildings and districts. The term optimal energy system was defined as the energy system which best fulfils the requirements of the stakeholder on whose preferences the energy systems are evaluated. The most influential stakeholder in the process of selecting an energy system was considered to be the district developer. The selection method consisted of several steps: Definition of the district, calculating the energy consumption of the district and buildings within the district, defining suitable energy system alternatives for the district, definition of the comparing criteria, calculating the parameters of the comparing criteria for each energy system alternative and finally using a multi-criteria decision method to rank the alternatives. For the purposes of the selection method, the factors affecting the energy consumption of buildings and districts and technologies enabling the use of renewable energy were reviewed. The key element of the selection method was a multi-criteria decision making method, PROMETHEE II. In order to compare the energy system alternatives with the developed method, the comparing criteria were defined in the study. The criteria included costs, environmental impacts and technological and technical characteristics of the energy systems. Each criterion was given an importance, based on a questionnaire which was sent for the steering groups of two district development projects. The selection method was applied in two case study analyses. The results indicate that the selection method provides a viable and easy way to provide the decision makers alternatives and recommendations regarding the selection of an energy system. Since the comparison is carried out by changing the alternatives into numeric form, the presented selection method was found to exclude any unjustified preferences over certain energy systems alternatives which would affect the selection.

Ympäristö- ja energianhallintajärjestelmän suunnittelu valaisinpylväitä valmistavalle yritykselle

Diplomityön tavoitteena oli tutkia, miten ympäristö- ja energianhallintajärjestelmät tulisi yrityksessä rakentaa. Tarkoituksena oli myös analysoida toimipaikkojen ominaisuuksien perusteella, olisiko Tehomet-konsernin tehtaille kannattavampaa rakentaa yhteinen vai oma hallintajärjestelmä. Lisäksi analysoitiin ympäristö- ja energianhallintajärjestelmien integroimista olemassa olevaan laatujärjestelmään. Kansainvälisten ISO-standardien pohjalta rakennetaan hallintajärjestelmä, joka toimii johtamisen työkaluna. Järjestelmä sisältää käytännössä sovitut toimintatavat ja kirjatut menetelmät, joilla voidaan hallita yrityksen todettuja ja mahdollisia ympäristövaikutuksia. Työssä keskityttiin yrityksen toiveiden mukaisesti erityisesti ympäristöjärjestelmään. Tapaustutkimuksen menetelmänä käytettiin kyselyä, haastatteluja ja tehdaskatselmuskierrosta. Standardien sisältöjen ja toimijan nykytilanteen kartoittamisen sekä jatkotoimenpiteiden pohtimisen tuloksena syntyivät teoriakatsaus järjestelmistä, alustavan ympäristökatselmuksen tulokset sekä toimintamalli ympäristöjärjestelmän käyttöönottamiseksi. Toimintamallin esimerkkien avulla yrityksen on mahdollista rakentaa ympäristöjärjestelmä. Työn sovellusosassa kerrottiin, miltä osin energiajärjestelmä eroaa ympäristöjärjestelmästä, eli mitkä asiat tulisi vielä huomioida, jotta energia-asioita voitaisiin jatkossa hallita standardin mukaisesti. Työn toimenpidesuositusten avulla on siten annettu ohjeet myös energianjärjestelmän rakentamiseksi. Järjestelmän rakentamisen jälkeen alkaa ylläpitotyö jatkuvan parantamisen periaatteen mukaisesti.

The role of nuclear power in the future energy system

Currently widely accepted consensus is that greenhouse gas emissions produced by the mankind have to be reduced in order to avoid further global warming. The European Union has set a variety of CO2 reduction and renewable generation targets for its member states. The current energy system in the Nordic countries is one of the most carbon free in the world, but the aim is to achieve a fully carbon neutral energy system. The objective of this thesis is to consider the role of nuclear power in the future energy system. Nuclear power is a low carbon energy technology because it produces virtually no air pollutants during operation. In this respect, nuclear power is suitable for a carbon free energy system. In this master's thesis, the basic characteristics of nuclear power are presented and compared to fossil fuelled and renewable generation. Nordic energy systems and different scenarios in 2050 are modelled. Using models and information about the basic characteristics of nuclear power, an opinion is formed about its role in the future energy system in Nordic countries. The model shows that it is possible to form a carbon free Nordic energy system. Nordic countries benefit from large hydropower capacity which helps to offset fluctuating nature of wind power. Biomass fuelled generation and nuclear power provide stable and predictable electricity throughout the year. Nuclear power offers better energy security and security of supply than fossil fuelled generation and it is competitive with other low carbon technologies.

Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems

An electric system based on renewable energy faces challenges concerning the storage and utilization of energy due to the intermittent and seasonal nature of renewable energy sources. Wind and solar photovoltaic power productions are variable and difficult to predict, and thus electricity storage will be needed in the case of basic power production. Hydrogen’s energetic potential lies in its ability and versatility to store chemical energy, to serve as an energy carrier and as feedstock for various industries. Hydrogen is also used e.g. in the production of biofuels. The amount of energy produced during hydrogen combustion is higher than any other fuel’s on a mass basis with a higher-heating-value of 39.4 kWh/kg. However, even though hydrogen is the most abundant element in the universe, on Earth most hydrogen exists in molecular forms such as water. Therefore, hydrogen must be produced and there are various methods to do so. Today, the majority hydrogen comes from fossil fuels, mainly from steam methane reforming, and only about 4 % of global hydrogen comes from water electrolysis. Combination of electrolytic production of hydrogen from water and supply of renewable energy is attracting more interest due to the sustainability and the increased flexibility of the resulting energy system. The preferred option for intermittent hydrogen storage is pressurization in tanks since at ambient conditions the volumetric energy density of hydrogen is low, and pressurized tanks are efficient and affordable when the cycling rate is high. Pressurized hydrogen enables energy storage in larger capacities compared to battery technologies and additionally the energy can be stored for longer periods of time, on a time scale of months. In this thesis, the thermodynamics and electrochemistry associated with water electrolysis are described. The main water electrolysis technologies are presented with state-of-the-art specifications. Finally, a Power-to-Hydrogen infrastructure design for Lappeenranta University of Technology is presented. Laboratory setup for water electrolysis is specified and factors affecting its commissioning in Finland are presented.

Ydinvoiman säädettävyys laajamittaisesti sähköä varastoivassa energiajärjestelmässä

Tulevaisuudessa tuuli- ja aurinkovoiman osuus sähköntuotannosta tulee kasvamaan. Näiden uusiutuvien energiamuotojen tuotanto kuitenkin vaihtelee sääolosuhteiden mukaan. Tästä johtuen tarvitaan lisää säätövoimaa, jotta voidaan vastata sähkönkulutukseen tuuli- ja aurinkosähkön tuotannon laskiessa. Tässä työssä tarkastellaan mahdollisuutta toteuttaa sähkönkulutuksen ja tuotannon tasapainottaminen Suomessa sähkön varastoinnin avulla sekä ydinvoiman soveltuvuutta säätövoimaksi ja ydinsähkön varastoinnin kannattavuutta. Työssä vertaillaan mahdollisuuksia sähkön varastointiteknologioiksi, joista valitaan potentiaalisimmat vaihtoehdot kustannus- ja soveltuvuustarkasteluun. Varastointikapasiteetin tarvetta tarkastellaan Suomen nykyisen sähkönkulutuksen ja -tuotannon mukaan sekä tilanteessa, jossa tuuli- ja aurinkovoiman osuus on molemmilla 15 % kokonaistuotantokapasiteetista. Vanhempien sekä nykyaikaisten ydinvoimaloiden soveltuvuutta säätövoimaksi tarkastellaan laitosten säädettävyyden perusteella. Ydinvoimalaa on kuitenkin kannattavinta käyttää mahdollisimman suurella käyttökertoimella, joten tarkastelussa on myös mahdollisuus varastoida sähköä tilanteissa, joissa tuotantoa jouduttaisiin rajoittamaan. Varastointiteknologioiden ja eri skenaarioissa vaadittujen varastointikapasiteettien perusteella voidaan todeta, ettei sähkönkulutuksen ja -tuotannon tasapainottaminen sähkön varastoinnilla ole kannattavaa nykyisillä varastointikustannuksilla ja sähkön hinnoilla. Ydinvoiman voidaan todeta soveltuvan hyvin säätövoimaksi ominaisuuksien puolesta, mutta taloudellisesti se ei ole paras vaihtoehto. Ydinvoimalla tuotetun sähkön varastointi ei ole tällä hetkellä Suomessa kannattavaa matalien sähkön hintojen ja korkeiden varastointikustannusten vuoksi. Sähkön varastoinnista on mahdollista tulla kannattavaa 2020-luvulla. Tämä edellyttää Yhdysvaltojen energiaministeriön asettaman strategian toteutumista, jonka tavoitteena on varastoimalla tuotetun sähkön kustannusten saaminen alle 75 €/MWh.

Evaluation of the main energy scenarios for the global energy transition

Energy scenarios are used as a tool to examine credible future states and pathways. The one who constructs a scenario defines the framework in which the possible outcomes exist. The credibility of a scenario depends on its compatibility with real world experiences, and on how well the general information of the study, methodology, and originality and processing of data are disclosed. In the thesis, selected global energy scenarios’ transparency and desirability from the society’s point of view were evaluated based on literature derived criteria. The global energy transition consists of changes to social conventions and economic development in addition to technological development. Energy solutions are economic and ethical choices due to far-reaching impacts of energy decision-making. Currently the global energy system is mostly based on fossil fuels, which is unsustainable over the long-term due to various reasons: negative climate change impacts, negative health impacts, depletion of fossil fuel reserves, resource-use conflicts with water management and food supply, loss of biodiversity, challenge to preserve ecosystems and resources for future generations, and inability of fossil fuels to provide universal access to modern energy services. Nuclear power and carbon capture and storage cannot be regarded as sustainable energy solutions due to their inherent risks and required long-term storage. The energy transition is driven by a growing energy demand, decreasing costs of renewables, modularity and scalability of renewable technologies, macroeconomic benefits of using renewables, investors’ risk awareness, renewable energy related attractive business opportunities, almost even distribution of solar and wind resources on the planet, growing awareness of the planet’s environmental status, environmental movements and tougher environmental legislation. Many of the investigated scenarios identified solar and wind power as a backbone for future energy systems. The scenarios, in which the solar and wind potentials were deployed in largest scale, met best the set out sustainability criteria. In future research, energy scenarios’ transparency can be improved by better disclosure on who has ordered the study, clarifying the funding, clearly referencing to used sources and indicating processed data, and by exploring how variations in cost assumptions and deployment of technologies influence on the outcomes of the study.

Renewable energy scenarios for South Karelia – non-industrial energy demands

Tässä diplomityössä tarkastellaan täysin uusiutuvaa energiajärjestelmää Etelä-Karjalan maakunnan alueella, mikä onkin jo tällä hetkellä Suomen uusiutuvin maakunta. Diplomityössä tarkastellaan julkisen sektorin, liikenteen ja rakennusten energian kulutusta mutta teollisuuden energiankäyttö jätetään tarkastelun ulkopuolelle. Työssä tutustutaan tämän hetken Etelä-Karjalan energiajärjestelmään ja sen perusteella tehdään referenssi-skenaario. Tulevaisuuden skenaariot tehdään vuosille 2030 ja 2050. Tulevaisuuden skenaarioissa muutos keskittyy järjestelmän sähköistymiseen ja uusiutuvien tuotantomuotojen integroimiseen järjestelmään. Sähköistyminen kasvattaa sähkönkulutusta, joka pyritään kattamaan uusiutuvilla tuotantomuodoilla, lähinnä tuuli- ja aurinkovoimalla. Liikennesektori rajataan kumipyöräliikenteeseen ja sen muutos tulee olemaan haastavin ja aikaa vievin. Muutokseen pyritään liikennepolttoaineiden tuotannolla maakunnassa sekä sähköautoilulla. Uusiutuva energiajärjestelmä tarvitsee tuotannon ja kysynnän joustoa sekä älyä järjestelmältä. Työssä tarkastellaan myös järjestelmän kustannuksia sekä työllisyysvaikutuksia.