The potential of electricity generation with renewable energy sources in Finland 2030

Electricity systems are planned so the supply and demand always meet. However, since the demand undergoes hourly, daily and seasonal variations, the electricity supply must be very flexible in order to adapt to the constant changes. Recently, a growing climate- and environmental awareness has driven the energy sector in a more sustainable direction. This means that renewable energy sources are increasing in number and importance. However, renewable energy generation is non-dispatchable, which means it cannot be generated on demand and thus lacks the flexibility that electricity systems require. This means that the flexibility must be achieved in other ways. One method that has been proven in practice is energy storage solutions. The subject of study in this thesis is the electricity system of Finland and the possibilities Finland has to commit to generation without fossil fuels before 2030. Two different cases were examined, one where Finland would rely completely on renewable electricity generation and one where electricity generation would be based on renewable energy sources and the three nuclear reactors in Olkiluoto, the already existing Olkiluoto 1 and 2 as well as Olkiluoto 3, which is nearing completion. All the calculations were based on data from 2018, which was scaled to match approximations for the situation in 2030. Existing studies and the current generation capacity were used as reference to approximate the generation potential of the different energy sources. A total renewable electricity generation potential of 89.5 TWh was identified, which means a 280% increase compared to the current generation would be possible. Based on the assumptions made in the study, the Finnish energy ssytem cannot be 100% renewable and self-sufficient yet in 2030. The remaining demand was 6.7 TWh, which would have to be imported from abroad or generated with other means. When the existing nuclear capacity in Olkiluoto was included in the generation, the capacity was enough to cover the assumed demand. An optimisation of energy sources was conducted with the objective to minimise the required energy storage need. The optimisation ruled solar power as too variable to be feasible in a electricity system with limited energy storage capacity. At the same time, wind power, bioenergy and hydropower were concluded as important generation technologies, together with nuclear power. The emission reduction potential in generation with renewable energy sources and nuclear power was also concluded as significant. Direct emissions in such a system would decrease to zero, while the life-cycle emissions would be reduced by 17% from the current level. However, since the generation was 28.7 TWh larger in the electricity system which was considered as self-sufficient, the emission intensity per generated TWh showed a reduction potential of 43%. A carbon-free electricity system is in line with the targets of the European Union to become carbon neutral in 2050. Still, the electricity system is not on its own able to reduce the total emissions by 55% from the 1990 levels, which is a goal set up by the Finnish government. The calculations in the thesis were based on data from Finland, but the results can also be applied to other countries which are similar in climate and consumption habits. For instance, the rest of the Nordic countries.Elsystem är planerade så att eltillförseln alltid anpassas att stämma överens med elanvändningen. Elanvändningen genomgår dock förändringar på tim-, dags- och årstids basis, vilket resulterar i att eltillförseln måste vara flexibel, för att kunna adapteras i enlighet med användningen. På senaste tiden har en ökad klimat- och miljömedvetenhet drivit hela energisektorn mot en mera hållbar riktning, vilket betyder att förnybara energikällor har ökat i antal och betydelse. Det är dock värt att notera att förnybara energikällor är icke-reglerbara, det vill säga att elproduktionen inte kan styras i enlighet med elanvändningen och således saknar de den flexibilitet som elsystem kräver. Flexibiliteten måste därmed uppnås med andra medel. En metod som har bevisats fungera i praktiken är olika lösningar för energilagring. I den här avhandlingen har elsystemet i Finland undersökts i enlighet med de möjligheter som Finland har att kunna frångå elproduktion med fossila bränslen före år 2030. Två olika fall har undersökts. I det första fallet undersöktes ifall Finland skulle kunna vara helt och hållet bunden till elproduktion med förnybara energikällor, medan det andra fallet studerade ett scenario där elproduktionen skulle utföras med förnybara energikällor och de redan existerande två reaktorerna, Olkiluoto 1 och 2, samt den tredje reaktorn, Olkiluoto 3, som närmar sig slutskedet av byggfasen. I beräkningarna användes data från 2018, som sedan skalades om för att stämma överens med den approximerade efterfrågan för 2030. Befintlig forskning och de nuvarande produktionskapaciteterna användes som referens för att uppskatta den potentiella produktionskapaciteten för de olika energikällorna. Totalt sett kunde en potential på 89,5 TWh identifieras för de förnybara energikällorna, vilket skulle motsvara en ökning på 280% jämfört med den nuvarande produktionen. Baserat på de antaganden som gjordes inom ramen för detta arbete, skulle det finska elsystemet inte kunna vara både fullständigt förnybart och självförsörjande ännu år 2030. Enligt uträkningarna var det återstående elbehovet 6,7 TWh. Den resterande elmängden borde endera importeras från utlandet eller produceras på andra sätt. Däremot, när den existerande kärnkraftskapaciteten i Olkiluoto inberäknades i den totala produktionskapaciteten, så räckte produktionskapaciteten till för att täcka den antagna konsumtionen. För det senare fallet utfördes även en optimering för att hitta den förmånligaste fördelningen av energiproduktionskapacitet med hänsyn till att minimera det krav som systemet ställde på energilagringskapaciteten. I enlighet med optimeringen kunde vindkraft, bioenergi och vattenkraft tillsammans med kärnkraft konstateras vara en viktig del av en fossilfri elproduktion. Samtidigt kunde solenergi identifieras vara för variabelt för att lämpa sig för ett elsystem där energilagringskapaciteten är begränsad. Potentialen att minska utsläppen då elproduktionen sköts med förnybara energikällor och kärnkraft kunde även konstateras vara avsevärd. De direkta utsläppen skulle sjunka till noll, medan livscykelutsläppen skulle minska med 17% från den nuvarande nivån. Det måste dock påpekas att elproduktionen var 28,7 TWh högre i det självförsörjande, fossilfria, elsystemet och därmed var utsläppsintensiteten per producerad TWh 43% mindre. Ett fossilfritt elsystem är i enlighet med Europeiska Unionens mål att vara koldioxidneutral år 2050. Ett fossilfritt elsystem är dock inte ensamt tillräckligt för att minska utsläppen med 55% från utsläppsnivån år 1990, vilket är ett mål som den finska regeringen ställt upp. Fastän beräkningarna i avhandlingen är baserade på data från Finland, kan resultaten även tillämpas på andra länder med liknande klimat och konsumtionsvanor, exempelvis de andra nordiska länderna