Systemic costs of renewable energy

Abstract

The EU energy policy targets to reduce the greenhouse gas emission are forcing the energy systems to transform towards carbon-neutrality and increasing energy efficiency. This is to be done through increasing the share of intermittent renewable energy sources, RES, in energy sector and consequently decreasing the greenhouse gas emissions of power generation sector close to zero. To increase the share of intermittent RES based power generation significantly the most crucial characteristic of energy system is its flexibility. In this thesis, the major flexibility measures are presented, the focus being on electrical energy storage, power-to-gas technology and the “back-up” capacity issue in high RES share energy systems. The aim of this thesis is to investigate, what components amount to the total costs of the energy system and what are the policy tools to achieve the energy system transformation cost efficiently, without sacrificing the security of supply. This thesis is thus not intended to provide absolute values for the costs of energy system transformation. The other main focus on this thesis is the Finnish energy system and its development during the international energy system revolution. The studies modeling Finland’s generation capacity development and systemic costs suggest that a self-sufficient 100% RES based energy system for Finland is possible, but on the other hand, the more conservative studies suggest that the role of nuclear power and power imports remain characteristic for Finland also in the future. The ambiguous nature of system cost components and modeling in general, however, make it challenging to determine the veracity of different scenarios.

EU:n energiapolitiikka kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi on pakottamassa energia-järjestelmiä kohti hiilineutraaliutta ja energiatehokkuutta. Tämä saavutetaan lisäämällä uusiutuvia energiamuotoja energiasektorilla ja siten vähentämällä sähköntuotannon kasvihuonepäästöt lähes nollaan. Energiajärjestelmän tärkein ominaisuus uusiutuvien energiamuotojen lisääntyessä, on järjestelmän joustavuus. Tässä opinnäytetyössä esitellään tärkeimmät järjestelmän joustavuutta lisäävät keinot, painopisteenä sähköenergian varastointiteknologiat, power-to-gas-teknologia ja kapasiteetin riittävyyden varmistaminen uusiutuvassa energiajärjestelmässä. Tämän opinnäytetyön tavoitteena on tutkia, mistä osista energiajärjestelmän kokonaiskustannukset muodostuvat ja millä hallinnollisilla toimilla energiajärjestelmän muutos toteutetaan mahdollisimman kustannustehokkaasti, tuotannon varmuutta uhraamatta. Tämä opinnäytetyön tarkoituksena ei ole tarjota numeerisia arvoja energiajärjestelmien kustannuksille. Työn toinen painopiste on Suomen energiajärjestelmän kehityksen tarkastelu kansainvälisen energiajärjestelmien murroksessa. Tutkimukset Suomen energiajärjestelmän kapasiteetin kehityksestä ja kustannuksista osoittavat, että itsenäinen 100 % uusiutuva energiajärjestelmä on Suomelle mahdollinen, mutta toisaalta varovaisempien arvioiden mukaan nykyisen kaltainen ydinvoimaan ja sähkön tuontiin perustuva energiajärjestelmä on tulevaisuudes-sakin Suomelle todennäköisempi. Energiajärjestelmien kustannusten arvioinnin ja mallinnuksen tulkinnanvaraisuus tekee kuitenkin eri skenaarioiden totuudenmukaisuuden arvioimisesta haastavaa.