Ei-polttavien kaukolämpöteknologioiden hyödyntäminen Mikkelin hiilineutraaliustavoitteen saavuttamisessa

Abstract

Tämän työn tavoite oli edistää Mikkelin kaupungin hiilineutraaliustavoitetta kaukolämmön tuotannossa korvaamalla turve sekä käytöstä poistuvan energialaitoksen jättämä vaje ei-polttavalla tai uusiutuvalla energialla. Mikkeli pyrkii hiilineutraaliuteen vuoteen 2035 mennessä ja energialaitos lopettaa toimintansa noin 10 vuoden kuluttua. Ei-polttavien ja uusiutuvien energialähteiden lisäksi otettiin huomioon älykkäät kaukolämpöjärjestelmät. Älykkäässä järjestelmässä tuotetaan myös kaukojäähdytystä, järjestelmää optimoidaan kulutuksen mukaan, ja käytetään hyväksi sähköä, energiavarastoja sekä hukkalämpöä.

Mikkeliin on suunnitteilla power-to-gas-laitos, jonka on arvioitu tuottavan noin 40 % kaukolämmöstä hukkalämmöllä vuonna 2030. Suomessa kaukolämmön menoveden lämpötilat ovat korkeat ja tarvittu lämpömäärä suuri varsinkin talvella. Tämä rajaa pois matalan energiatiheyden ja kausivaihtelevia energialähteitä sekä matala lämpöisiä hukkalämmön lähteitä. Arviointia varten luotiin kolme skenaariota, joissa sovellettiin kerättyä tietoa erilaisissa olosuhteissa. Skenaariossa 1 PtG-laitos etenee, turve ajetaan alas ja laitoksen loppuminen tapahtuvat 2035 mennessä. Skenaariossa 2 Mikkeliin rakennetaan ydinvoimala. Skenaariossa 3 turpeesta joudutaan luopumaan ennen vuotta 2030, nopeuttaen siirtymää. Todennäköisimpänä skenaariona pidettiin skenaariota 1. Vetylaitoksen hukkalämpö kattaa suurimman osan vajeesta ja loppu voidaan tuottaa biomassalla tai sähkökattiloilla. Skenaariossa 2 ydinvoima on ei-polttava ja tehokas energialähde, mutta nykyisellään pienydinvoima ei ole vielä kaupallisessa käytössä, ja PtG-laitoksen kanssa tulisi ylituotantoa. Skenaarion 3 aikataululla sähkö- ja biomassakattilat ovat parhaat teknologiat. Ne ovat skaalattavissa ja nopeasti rakennettavissa, mikäli tarve vaatii. Tulevaisuudessa kaukolämpöjärjestelmää tulisi kehittää älykkääseen suuntaan kestävyyden ja tehokkuuden parantamiseksi.

The goal of this thesis was to advance the carbon neutrality goal of Mikkeli’s district heating by replacing peat and an older energy production facility with non-combusting and renewable energy. Mikkeli aims to be carbon neutral by 2035 and the old facility will stop production in ten years. In addition to non-combusting and renewable energy sources, the thesis also considered smart district heating systems. In a smart system, there is also district cooling, load optimization, and electricity, waste heat and energy storage are utilized.

Additionally, Mikkeli is planning to build a power-to-gas facility which has been estimated to produce approximately 40 % of the total district heat consumption of the city after 2030. Because of the cold climate, supply water temperature is high, and a lot of heat is required especially during winter. This heavily restrict low energy density energy sources and seasonally varying energy production. For the analysis, three scenarios were created. In scenario 1, the PtG-facility is completed in schedule, peat combusting ends and the energy facility stops production by 2035. In scenario 2, a nuclear power plant is built in Mikkeli. In scenario 3, peat combusting must be stopped before 2030. The most likely scenario was estimated to be scenario 1. The PtG-facility will replace most of the required heating with waste heat and the rest with biomass or electric boilers. In scenario 2, it was determined that nuclear power is an excellent form of non-combusting energy, but SMR reactors are not available on the market and there would be of overlap with the PtG-facility. In scenario 3, the quickest way to produce district heat with a tight schedule was biomass and electric boilers. They are scaled easily and can be built quickly. In the future, the energy system should be developed towards a smart system in order to improve sustainability and efficiency.