Vision for 100 % renewable Åland Islands

Abstract. Energy systems throughout the world are undergoing a transition where renewable energy is substituting combustion of fossil fuels in power and heat production. The motive for the energy transition origins from climate goals that are set out to limit global warming well below two degrees from pre-industrial levels. The objective of the thesis is to study how an existing energy network and local characteristics can be utilized to transform an energy system to operate 100% on renewable energy. As future energy systems are expected to rely highly on variable renewable energy (VRE) generation, the thesis also intends to study which additional investments on unit and system level elements would increase flexibility in an energy system with high intermittency in power supply. The energy system of Åland Islands is studied as a case example, as different stakeholders are currently aiming to convert the island fully renewable by 2025. The thesis outlines the energy system of Åland Islands to comprise of the regional power grid and district heating network located in the capital Mariehamn. Based on literature review, three energy system scenarios were built to represent three alternative energy transition pathways for Åland Islands to be implemented by 2025. An energy system modelling tool developed at VTT was utilized to define the cost-optimal configuration of thermal production units in relation to scenario-wise capacities of VRE generators, flexibility elements and power interconnectors. Modelling results were utilized to evaluate technical feasibility as well as economic and environmental impacts of the studied energy transition pathways. In addition, value of additional flexibility investments in demand and supply balancing was studied. Due to local conditions, Åland is able to base its power supply greatly on intermittent wind energy by 2025. As a key finding of the thesis, strengthening the link between power grid and district heating network via a bio-CHP unit would increase profitability and self-sufficiency of an energy system with high reliance on variable power supply especially, when the CHP unit is integrated to a thermal energy storage (TES). Feasibility of bio-CHP as a flexibility element was found to be reliant of biomass availability and price, however, neither is considered as a constraining factor for bio-CHP applicability in Åland Islands. An additional investment on a centralized electric boiler was discovered to increase internal utilization of local VRE supply, however, resulting in lower profitability of bio-CHP investment as electric boiler was discovered to reduce full load operating hours and annual energy output of the CHP unit. The role of the applied stationary electrochemical batteries were found to be negligible on system-level VRE balancing while usability of stationary electrochemical batteries in short-term grid balancing were unabled to be studied due to the chosen temporal scale in the modelling tool. By investing on local energy assets, Åland would be able to cut reliance of imported electricity to reinforce power self sufficiency on the island. Environmental benefits would arise from discarded fossil carbon emissions from power and district heating sector and as a potential net exporter of renewable energy, Åland would be able to decrease utilization of fossil fuels in surrounding power areas as well. Although the renewable energy transition in Åland Islands is technically possible and brings out environmental benefits, the studied renewable energy transition pathways for Åland Islands were discovered to be economically unprofitable. The current market model on the island has to be shaped to support local renewable generation. An alternative would be to partly fund the renewable energy transition in Åland Islands by public financial support schemes. Methodology applied in the thesis related to required input parameters for energy system modelling and methods to examine the modelling results can be employed to investigate potential renewable energy transition pathways in energy systems throughout the world. The modelling results related to Åland Islands can be applied to evaluate potential benefits of bio CHP and TES in facilitating VRE integration in areas aiming to utilize district heating network to balance intermittent VRE supply. In addition, the results can be utilized to evaluate the applicability of electric boiler in increasing internal utilization of locally produced VRE supply. However, as the energy transition pathways studied in the thesis were designed in particular to Åland Islands, more detailed techno-economic analysis of existing energy system elements and local characteristics should be performed to the region where similar approach to renewable energy transition and VRE integration would be applied as in Åland Islands in this study.Täysin uusiutuvan energiajärjestelmän suunnittelu : case Ahvenanmaa. Tiivistelmä. Energiamurros on käynnissä ympäri maailmaa, kun vähähiiliset ja uusiutuvat energiamuodot korvaavat fossiilisten polttoaineiden käyttöä sähkön ja lämmön tuotannossa. Murroksen takana ovat ilmastotavoitteet, joiden tarkoituksena on hillitä maapallon lämpötilan nousu selvästi alle kahteen asteeseen esiteollisesta ajasta. Tämä diplomityön tarkoituksena on tutkia, kuinka täysin uusiutuvaan tuotantoon perustuva energiajärjestelmä voidaan toteuttaa alueellisen energiajärjestelmän olemassa olevia elementtejä ja paikallisen uusiutuvan energian mahdollisuuksia hyödyntäen. Koska vaihtelevan tuotannon, kuten tuuli- ja aurinkovoiman, oletetaan lisääntyvän sähköntuotannossa tulevaisuudessa, diplomityön tarkoituksena on myös tutkia, millä yksikkö- ja systeemitason investoinneilla energiajärjestelmän joustavuutta voidaan lisätä sähkön tuotannon ja kysynnän tasaamiseen energiajärjestelmässä, jossa sähköntuotannon vaihtelu on suurta. Ahvenanmaan energiajärjestelmää käytetään case-esimerkkinä, koska eri sidosryhmät pyrkivät muuntamaan Ahvenanmaan energiajärjestelmän täysin uusiutuvaksi vuoteen 2025 mennessä. Tässä työssä energiajärjestelmän tarkastelu rajataan kattamaan Ahvenanmaan sähköverkko ja pääkaupunki Maarianhaminassa sijaitseva kaukolämpöjärjestelmä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella Ahvenanmaalle rakennettiin kolme vaihtoehtoista vuoteen 2025 mennessä toteutettavaa energiaskenaariota. VTT:llä kehitettyä energiamallinnustyökalua hyödyntäen jokaiselle skenaariolle laskettiin kustannusoptimi, jossa polttoon perustuvien energiantuotantolaitosten kapasiteetti optimoitiin etukäteen määritettyjen vaihtelevan tuotannon, joustoelementtien ja siirtoyhteyksien kapasiteettien mukaan. Mallinnuksen tuloksia hyödynnettiin eri energiapolkujen teknisen toteutettavuuden tarkastelussa sekä energiamurroksen talous- ja ympäristövaikutusten arvioinnissa. Lisäksi joustoelementtien tuomaa lisäarvoa kysynnän ja tuotannon tasaamisessa arvioitiin. Paikallisten olosuhteiden ansiosta tuulienergia voi kattaa suurimman osan Ahvenanmaan vuotuisesta sähkönkulutuksesta vuoteen 2025 mennessä. Diplomityön keskeisimpien tulosten mukaan paikallisen sähköverkon ja kaukolämpöverkon vuorovaikutuksen lisääminen bio-CHP investoinnin avulla kasvattaa korkean sähköntuotannon vaihtelun omaavan energiajärjestelmän kannattavuutta ja omavaraisuutta etenkin silloin, kun CHP on yhdistetty kaukolämpövarastoon. Bio CHP:n soveltuvuus energiajärjestelmän joustoelementtinä todettiin olevan riippuvainen biomassan saatavuudesta ja hinnasta; kumpikaan tekijä ei kuitenkaan rajoita bio-CHP:n käyttömahdollisuuksia ja kannattavuutta Ahvenanmaalla. Lisäinvestointi keskitettyyn sähkökattilaan lisää paikallisen sähkön käyttöä energiajärjestelmässä, mutta vähentää CHP investoinnin kannattavuutta, sillä keskitetyn sähkökattilan huomattiin vähentävän bio-CHP:n täysiä ajotunteja ja vuotuista energiantuotantoa. Keskitetyn sähköakun hyödyt systeemitason joustossa todettiin mitättömiksi, kun taas sähköakun potentiaalia sähköverkon alle tunnin mittaisessa säädössä ei voitu tutkia mallinnukseen valitusta tunnin aika-askeleesta johtuen. Investoimalla paikalliseen energiantuotantoon Ahvenanmaa kykenisi vähentämään riippuvuutta tuontisähköstä lisäämällä näin alueen energiaomavaraisuutta. Ympäristöhyödyt Ahvenanmaan energiamurroksesta ilmenevät hiilidioksidivapaasta sähkön- ja lämmöntuotannosta fossiilisten päästöjen suhteen. Potentiaalisena uusiutuvan energian nettoviejänä Ahvenanmaa kykenisi vähentämään fossiilisten polttoaineiden käyttöä myös ympäröivillä energia-alueilla. Vaikkakin energiajärjestelmän muutos todettiin Ahvenanmaalla teknisesti mahdolliseksi, ja vaikka uusiutuva energiajärjestelmä toisi mukanaan ympäristöhyötyjä, tutkitut energiaskenaariot todettiin nykytilanteessa taloudellisesti kannattamattomiksi. Jotta energiajärjestelmän muutos olisi myös taloudellisesti kannattava, nykyinen energiamarkkinamalli Ahvenanmaalla tulisi mukauttaa tukemaan paikallista uusiutuvan energian tuotantoa. Vaihtoehtoisesti Ahvenanmaan energiajärjestelmä voitaisiin osin rahoittaa julkiseen rahaan pohjautuvilla tukimekanismeilla. Diplomityössä käytettyä metodologiaa energiajärjestelmän mallinnukseen vaadittaviin alkuarvoihin ja tulosten analysointiin liittyen voidaan hyödyntää myös muiden täysin uusiutuvaan energiantuotantoon tähtäävien energiajärjestelmien mallinnuksessa ja analysoinnissa. Ahvenanmaan uusiutuvan energiajärjestelmän mallinnustuloksia voidaan etenkin käyttää bio-CHP:n ja kaukolämpövaraston potentiaalisten hyötyjen arvioinnissa alueilla, joissa vaihtelevan tuotannon osuus sähköntuotannossa on suurta, ja joissa paikallista kaukolämpöverkkoa halutaan hyödyntää vaihtelevan sähköntuotannon tasaamiseen. Lisäksi diplomityön tuloksia voidaan hyödyntää keskitetyn sähkökattilan käytettävyyden arvioinnissa alueilla, joissa paikallisesti tuotetun sähkön osuutta omassa energiankulutuksessa halutaan kasvattaa. Koska kuitenkin diplomityössä analysoidut energiaskenaariot on suunniteltu täysin Ahvenanmaan uusiutuvan energiapotentiaalin ja olemassa olevan energiajärjestelmän ominaisuuksien mukaan, yksityiskohtaisempi teknis-taloudellinen energiajärjestelmäanalyysi tulisi tehdä alueelle, jossa vastaavaa lähestymistapaa energiajärjestelmän muutokseen ja uusiutuvan energian integrointiin halutaan soveltaa kuin Ahvenanmaahan sovellettiin tässä diplomityössä