Metsäbioenergia Suomessa

Tässä kandidaatintyössä arvioitiin kirjallisuuskatsauksena metsäpohjaisen bioenergian käyttöä lämmön ja sähkön tuotannossa Suomessa nyt ja lähitulevaisuudessa. Tarkastelussa huomioitiin käyttöteknisiä, ilmastollisia ja poliittisia näkökulmia. Tavoitteena oli luoda kokonaiskatsaus alan nykytilaan, tulevaisuudennäkymiin ja keskeisiin riippuvuuksiin. Metsäbiopolttoaineet edustavat tällä hetkellä lähes kolmasosaa koko Suomen energiankulutuksesta, ja vielä merkittävämpää osuutta suomalaisesta sähkön ja lämmön tuotannosta. Puupolttoaineiden voimalaitoskäyttö keskittyy teollisuuden ja kaukolämmön yhdistettyyn tuotantoon (CHP) sekä pienen mittakaavan lämmön erillistuotantoon. Voimalaitoskäyttöön puupolttoaineet saadaan metsäteollisuuden sivuvirroista sekä metsänhoidon sivutuotteena. Jakeet merkittävyysjärjestyksessä ovat sellunkeitosta saatava mustalipeä; mekaanisen metsäteollisuuden sivuvirrat, kuten sahanpuru ja kuoret; sekä hakkuutähteistä ja metsänhoidosta peräisin oleva metsähake. Voimalaitoskäytössä kiinteät puupolttoaineet ovat fossiilisia vaihtoehtoja haastavampia alhaisen energiatiheyden, korkean kosteuspitoisuuden, epähomogeenisuuden sekä likaantumis- ja korroosio-ongelmien vuoksi. Viimeksi mainittuja torjutaan tyypillisesti seospoltolla turpeen kanssa. Mustalipeä on muista puupolttoaineista poikkeava, ja sitä poltetaan soodakattilassa, jonka tehtävänä on lämmöntuotannon lisäksi epäorgaanisten kemikaalien regenerointi. Ilmastotarkastelussa puupolttoaineet ovat fossiilisia ilmastoystävällisempiä, silloinkin kun otetaan huomioon päästöjen ajallinen jaksotus. Kuljetusmatka, varastointiaika sekä mahdollinen maankäytön muutos vaikuttavat kuitenkin ratkaisevasti kasvihuonekaasupäästöjen suuruuteen. Puupolttoaineiden keruussa on huomioitava myös metsien hiilinielun sekä luonnon monimuotoisuuden ylläpitäminen. Metsien hiilinielu on tällä hetkellä vertailutasoa alhaisempi ja hakkuut lähellä kestävää maksimiarvoa Suomen aktiivisen metsäpolitiikan vuoksi. Monimuotoisuuden ylläpitämisen on arvioitu olevan nykyisillä hakkuutasoilla mahdollista, mutta sääntely perustuu osin vapaaehtoisiin suosituksiin. Poliittisesti Suomi tavoittelee puupolttoaineiden käytön lisäämistä erityisesti metsähakkeen käytön lisäämisen kautta. Tavoitteena on metsähakkeen käytön lähes tuplaaminen seuraavan vuosikymmenen aikana. Skenaarioiden mukaan metsäbioenergian voimalaitoskäyttö kokonaisuutena lisääntyisi jopa 25 prosenttia vuoteen 2030 mennessä. Tavoitteen saavuttamiseksi ohjauskeinoina käytetään puupolttoaineiden kilpailukyvyn tukemista verohelpotuksin ja tuin, voimalaitosinvestointien tukemista, valtionmetsien käytön ohjausta sekä metsänomistajien neuvontaa. Skenaarioiden toteutumiseen liittyy myös epävarmuustekijöitä: muun muassa alueellinen saatavuus, yksityisten metsänomistajien myyntihalukkuus, metsäteollisuuden viennin näkymät ja biojalostuksen kehitys, globaali puun markkinahinta sekä muuttuva poliittinen toimintaympäristö vaikuttavat kaikki metsähakkeen lopullisiin käyttömääriin. Epävarmuuksista riippumatta näyttää selvältä, että metsien rooli energiantuotannossa pysyy lähitulevaisuudessakin merkittävänä, ja että metsät ovat avainasemassa Suomen uusiutuvien ja ilmastollisten tavoitteiden saavuttamisessa

Operational Modelling of Regional Energy System with High Share of Wind Power, Photovoltaics and Large Heat Pumps: Case Study in the Baltic Countries Towards 2030

European energy systems are in a rapid transition driven by emission reduction targets and development in renewable energy and electrification technologies. Variable wind and solar generation, and electrification are expected to expand fast already within the next decade. Transition from dispatchable power and heat generation towards intermittent and unpredictable generation demands new solutions in flexibility and sector integration. Planning and operation of future energy systems require increasingly sophisticated computational modelling, able consider sufficient operational limitations, temporal resolution and sectoral co-operation. The Baltic countries — Estonia, Latvia and Lithuania — have ambitious targets in achieving emission reductions, increasing renewable generation and renewing their energy system already by 2030. This thesis studies the features of energy system modelling and research — especially in terms of wind and solar power and large heat pumps integration — and investigates the near-term future of the Baltic system using Backbone modelling software. First, an introduction to general trends in energy systems research as well as the operational characteristics of variable generation and heat pumps is given. Then, the special features of the Baltic system, as well as state-of-the-art solutions in computational modelling of energy systems are addressed. Finally, the case study models the hourly operation of the Baltic regional system in 2030 (including power, heat, transport and building sectors) based on realization of the national energy and climate plans. The operation and indicators of the scenario year 2030 are compared with a historical model year of 2017. Additionally, the sensitivity of the 2030 system operation towards different capacities of wind power, photovoltaics and large heat pumps is investigated in a comparative analysis. Results are analysed in terms of operational decisions as well as economic, environmental and energy security indicators. The case study modelling indicates a drastic transition in system operation, especially in Estonia, as oil shale based generation is substituted with renewables, and in Lithuania, ending up with a very ambitious share of variable generation. The modelled transition achieves substantial emission reductions, and increases renewable and domestic generation. The model maintains hourly system balance with active use of existing storages and interconnectors. However, possible energy security concerns are observed regarding Estonian balancing capacity, Latvian natural gas cogeneration plants and Lithuanian very high wind integration and simultaneous grid renovations. Additionally, the modelled power and heat system costs increase compared with 2017 in all three Baltic countries, and the model does not achieve targets in EU effort sharing sector emissions, due to increase in traffic demand and slow progress in end-use electrification. Deployment of wind power, especially onshore wind, seems to reduce emissions and increase domestic and renewable power generation shares in the Baltics inexpensively. The economic indicator results support the nationally planned wind power investment levels. Megawatt-scale photovoltaics competes with offshore installations in price, and can offer support for complementing wind variability, although full-load hours of solar generation in the Baltic region remain low. Large heat pumps show promise in feasibility in supplying district heat in Tallinn, Riga and Vilnius, especially when combined with large heat storages. In addition to improving energy efficiency and emission reductions, heat pumps can offer flexibility to complement variable generation, and support investments and domestic generation by increasing value of electricity

Metsäbioenergia Suomessa

Tässä kandidaatintyössä arvioitiin kirjallisuuskatsauksena metsäpohjaisen bioenergian käyttöä lämmön ja sähkön tuotannossa Suomessa nyt ja lähitulevaisuudessa. Tarkastelussa huomioitiin käyttöteknisiä, ilmastollisia ja poliittisia näkökulmia. Tavoitteena oli luoda kokonaiskatsaus alan nykytilaan, tulevaisuudennäkymiin ja keskeisiin riippuvuuksiin. Metsäbiopolttoaineet edustavat tällä hetkellä lähes kolmasosaa koko Suomen energiankulutuksesta, ja vielä merkittävämpää osuutta suomalaisesta sähkön ja lämmön tuotannosta. Puupolttoaineiden voimalaitoskäyttö keskittyy teollisuuden ja kaukolämmön yhdistettyyn tuotantoon (CHP) sekä pienen mittakaavan lämmön erillistuotantoon. Voimalaitoskäyttöön puupolttoaineet saadaan metsäteollisuuden sivuvirroista sekä metsänhoidon sivutuotteena. Jakeet merkittävyysjärjestyksessä ovat sellunkeitosta saatava mustalipeä; mekaanisen metsäteollisuuden sivuvirrat, kuten sahanpuru ja kuoret; sekä hakkuutähteistä ja metsänhoidosta peräisin oleva metsähake. Voimalaitoskäytössä kiinteät puupolttoaineet ovat fossiilisia vaihtoehtoja haastavampia alhaisen energiatiheyden, korkean kosteuspitoisuuden, epähomogeenisuuden sekä likaantumis- ja korroosio-ongelmien vuoksi. Viimeksi mainittuja torjutaan tyypillisesti seospoltolla turpeen kanssa. Mustalipeä on muista puupolttoaineista poikkeava, ja sitä poltetaan soodakattilassa, jonka tehtävänä on lämmöntuotannon lisäksi epäorgaanisten kemikaalien regenerointi. Ilmastotarkastelussa puupolttoaineet ovat fossiilisia ilmastoystävällisempiä, silloinkin kun otetaan huomioon päästöjen ajallinen jaksotus. Kuljetusmatka, varastointiaika sekä mahdollinen maankäytön muutos vaikuttavat kuitenkin ratkaisevasti kasvihuonekaasupäästöjen suuruuteen. Puupolttoaineiden keruussa on huomioitava myös metsien hiilinielun sekä luonnon monimuotoisuuden ylläpitäminen. Metsien hiilinielu on tällä hetkellä vertailutasoa alhaisempi ja hakkuut lähellä kestävää maksimiarvoa Suomen aktiivisen metsäpolitiikan vuoksi. Monimuotoisuuden ylläpitämisen on arvioitu olevan nykyisillä hakkuutasoilla mahdollista, mutta sääntely perustuu osin vapaaehtoisiin suosituksiin. Poliittisesti Suomi tavoittelee puupolttoaineiden käytön lisäämistä erityisesti metsähakkeen käytön lisäämisen kautta. Tavoitteena on metsähakkeen käytön lähes tuplaaminen seuraavan vuosikymmenen aikana. Skenaarioiden mukaan metsäbioenergian voimalaitoskäyttö kokonaisuutena lisääntyisi jopa 25 prosenttia vuoteen 2030 mennessä. Tavoitteen saavuttamiseksi ohjauskeinoina käytetään puupolttoaineiden kilpailukyvyn tukemista verohelpotuksin ja tuin, voimalaitosinvestointien tukemista, valtionmetsien käytön ohjausta sekä metsänomistajien neuvontaa. Skenaarioiden toteutumiseen liittyy myös epävarmuustekijöitä: muun muassa alueellinen saatavuus, yksityisten metsänomistajien myyntihalukkuus, metsäteollisuuden viennin näkymät ja biojalostuksen kehitys, globaali puun markkinahinta sekä muuttuva poliittinen toimintaympäristö vaikuttavat kaikki metsähakkeen lopullisiin käyttömääriin. Epävarmuuksista riippumatta näyttää selvältä, että metsien rooli energiantuotannossa pysyy lähitulevaisuudessakin merkittävänä, ja että metsät ovat avainasemassa Suomen uusiutuvien ja ilmastollisten tavoitteiden saavuttamisessa

Critical raw materials – a thorn in the side of Europe's green electrification?

Energy transition, critical materials and geopolitics are becoming increasingly interlinked, and the lack of availability of raw materials is limiting green electrification. Solutions must be sought from sources such as European raw material production, alternative technologies and the circular economy

Prospects of electricity and heat-only SMRs in the Baltic Region

In the recent years, small modular reactors (SMRs) for power and heat generation have gained high interest due to promise of carbon-free generation, design flexibility, low cost, and high safety features. In this study, electricity and heat-only SMRs are modelled in the Estonian, Latvian and Lithuanian energy systems at 2030. The results indicate that heat-only installations could replace fossil-based district heating generation cost-effectively in the Estonian and Latvian capitals. Meanwhile, electricity SMRs in the Baltic region seem profitable only under high price assumptions

Modeling the Baltic countries’ Green Transition and Desynchronization from the Russian Electricity Grid

In the next ten years, the Baltic countries ― Estonia, Latvia, and Lithuania ― are planning large investments in renewable power generation and transfer capacity, substantial phase-out of fossil-based power generation, and desynchronization from the Russian electricity grid. In this article, the operational impacts of these changes on the Baltic energy system from 2017 to 2030 are studied with an open-source Backbone energy system model. The operation of Estonian, Latvian and Lithuanian power and heat, transport, and building sectors are optimized simultaneously on an hourly level, and results are analysed with operational, environmental, economic, and security indicators.   Results suggest that the planned transition would support Baltic targets in renewable generation (from 45% to 92%) and self-reliance (2.3 TWh increase in domestic power generation and 5.5 TWh decrease in natural gas imports) with a moderate impact on system costs. However, an increase in transport CO2 emissions could risk national non-ETS targets. The hourly operation of the system, with a high share of wind and solar, is based on active use of storages and interconnectors. Model results raise concerns about the amount of Estonian dispatchable capacity, the commercial feasibility of Latvian natural gas CHP’s, and the high ramping rates of Lithuanian interconnectors

NORDIC CLEAN ENERGY SCENARIOS : Solutions for Carbon Neutrality

In 2019, the Nordic countries issued a common declaration to make the region carbon neutral. The declaration commits the countries to assess scenarios for how to achieve carbon neutrality, including the implications such scenarios would entail for various sectors. The declaration emphasised the necessity and benefit of collaborative action and invited the Nordic Council of Ministers to prepare a proposal on how to ensure that the Nordic region to fulfil their part of the Paris Climate Agreement. Three Nordic Clean Energy Scenarios were developed to support this work. These scenarios identified five solution tracks that can deliver carbon neutrality by 2050: direct electrification; PtX; bioenergy; CCS technologies; and behavioural change. More importantly, over the next decade, the rate of necessary emission reductions needs to happen at a pace five times faster than currently achieved