Sector-Coupling and Renewable Energy Integration in Low-Carbon District Heating: Perspectives of Economics, Environment and Supply Security

Maailmanlaajuisen ilmastokriisin edessä on välttämätöntä vähentää hiilidioksidipäästöjä muuttamalla energiainfrastruktuuriamme. Tämä väitöskirja keskittyy Suomen kaukolämpöjärjestelmien hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen lisäämällä sähköä lämmöksi muuttavia (P2H) teknologioita, kuten lämpöpumppuja ja sähkökattiloita, sekä uusiutuvia energialähteitä, kuten tuulivoimaa, ottaen huomioon erilaiset energiamarkkinoiden skenaariot. Ottaen huomioon lämmityksen merkittävän osuuden Suomen energiakysynnässä ja kaukolämpöjärjestelmien yleisyyden, tämä aihe on keskeinen kansallisten ja kansainvälisten ympäristötavoitteiden saavuttamisessa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan suomalaisten kaupunkien kaukolämpöjärjestelmiä. Tutkimus kattaa keskikokoisen paikallisia polttoaineita biomassa ja turvetta käyttävän järjestelmän sekä pääkaupunkiseudun järjestelmän, joka on vielä riippuvainen fossiilisista tuontipolttoaineista, pääasiassa maakaasusta ja kivihiilestä. Lähestymistapa kattaa ympäristön ja talouden näkökulmat, huomioiden globaalien fossiilisten polttoaineiden hintojen vaihtelut ja kasvavat kustannukset, jotka liittyvät hiilidioksidipäästöjen päästöoikeuksiin ja polttoaineveroihin. Väitöskirjassa arvioidaan sähköistettyjen kaukolämpöjärjestelmien toteutettavuutta eri markkinaolosuhteissa, mukaan lukien matalien, normaalien ja korkeiden energiamarkkinahintojen aikakaudet, kuten EU:n energiakriisi vuonna 2022. Tämä väitöskirja tutkii myös osaksi sähköistettyjen kaukolämpöjärjestelmien teknistä ja taloudellista potentiaalia sähkön reservimarkkinoilla eri skenaarioissa Tulokset osoittavat merkittäviä ympäristöhyötyjä hiilidioksidipäästöjen vähenemänä. Siirtymässä tunnistettiin myös haasteita. Erityisesti biomassan polton lisääntyvä käyttö ja sähkömarkkinoiden volatiliteetti voivat johtaa ympäristö- ja energiaturvallisuushaasteisiin. Kaukolämpöjärjestelmien sähköistäminen tarjoaa suojaa fossiilisten polttoaineiden hintojen vaihtelulta ja tuo pitkän aikavälin taloudellisia etuja, mutta investoinnit ja mahdollinen kuluttajien lämmityskustannusten nousu ovat haasteita lyhyellä ja keskipitkällä aikavälillä. Sähköistettyjen kaukolämpöjärjestelmien osallistuminen sähköjärjestelmän reservimarkkinoille voi tarjota uutta tuottoa, mutta järjestelmän hallinta vaatii huolellista analyysiä. Työssä todettiin, että kaukolämpöjärjestelmät toimivat myös äärimmäisillä energian hinnoilla, mutta yhdistettyjen sähkön- ja lämmöntuotantolaitosten (CHP) sulkeminen johtaisi merkittäviin menetyksiin mahdollisissa sähkömarkkinatuloissa. Kaukolämpöjärjestelmien sähköistäminen on lupaava mahdollisuus kohti kestävää lämmityssektoria. Tämän tavoitteen saavuttaminen vaatii tasapainoista ja integroitua lähestymistapaa, joka sisältää teknologista innovaatiota, strategista suunnittelua ja taloudellisia kannustimia.