Techno-economic analysis of district heating production capacity replacement investment alternatives : case Kajaani

Abstract

There is an increasing need to address sustainability in energy production to comply with climate targets and preserve nature and living conditions on Earth. As one of the key energy sub-sector, space and domestic hot water heating plays a vital role in the sustainability development in countries with cold climate like Finland. District heating is the leading heating method in Finland. It heats the homes of over half of the population. Consequently, district heating has a vast potential to provide positive impact on the society from various aspects including, inter alia, sustainability, security of supply and affordability of energy.

District heating production capacity investments are long-term and capital-intensive infrastructure investments. While the investments are usually made for decades, the decisions are made under increasing complexity and changing operational environment. This research studied district heating production capacity renewal investment alternatives in Kajaani, Finland. The research focused on analysing five alternative production portfolios with varying role of combustion and non-combustion-based technologies. The analysis was based on dynamic merit order driven production simulations with an hourly resolution and a forecast period of 25 years. The simulations combined local district heating system characteristics and assumptions on how the system’s operating environment may evolve over the period due to potential changes in climate, commodity prices and emission regulation.

The research showed financial outperformance of a production portfolio that minimised combustion. A hybrid solution combining combustion and non-combustion-based heat sources was also found to be relevant alternative. The results emphasised technological, environmental, and financial potential of electrified district heat production under the assumed future operating environment in Finland. The research also demonstrated feasibility of a tailored long-term merit order modeling in district heat production investment analysis.

Energiantuotannon kestävyyteen on kiinnitettävä yhä enemmän huomiota ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi ja maapallon luonnon sekä elinolosuhteiden turvaamiseksi. Energiasektoreista rakennusten ja käyttöveden lämmityksellä on yksi keskeisimmistä rooleista Suomen kaltaisissa kylmän ilmaston maissa. Suomessa merkittävin lämmitysmuoto on kaukolämpö, jolla lämmitetään koteja yli puolelle maan väestöstä. Kaukolämmöllä onkin valtava potentiaali vaikuttaa positiivisella tavalla yhteiskuntaan esimerkiksi kestävyyden, toimitusvarmuuden ja energian kohtuuhintaisuuden näkökulmista.

Kaukolämmön tuotantokapasiteetti-investoinnit ovat pitkäaikaisia ja pääomavaltaisia infrastruktuuri-investointeja. Samalla kun näiden investointien elinkaari on kymmeniä vuosia, päätökset tehdään yhä monimutkaisemmassa ja muuttuvassa toimintaympäristössä. Tässä tutkimuksessa tutkittiin investointivaihtoehtoja kaukolämmön tuotantokapasiteetin uudistamiseksi Suomen Kajaanissa. Tutkimus keskittyi viiden vaihtoehtoisen tuotantoportfolion analysointiin, joissa polttavien ja ei-polttavien teknologioiden roolit vaihtelivat. Analyysi perustui dynaamisen ajojärjestyksen mukaisiin tuotantosimulaatioihin, jotka tehtiin tuntitarkkuudella 25 vuoden ennustejaksolle. Niissä yhdistettiin paikallisen kaukolämpöjärjestelmän keskeisimmät ominaisuudet ja oletukset siitä, miten järjestelmän toimintaympäristö voi kehittyä ennustejaksolla esimerkiksi ilmastonmuutoksen vuoksi.

Tutkimus osoitti taloudellisesti parhaan tuloksen syntyvän polttamisen minimoimiseen perustuvalla tuotantoportfoliolla. Myös polttavia ja ei-polttavia teknologioita yhdistävä hybridiratkaisu todettiin kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi. Tulokset korostivat sähköistetyn kaukolämmön tuotannon teknologista, ympäristöllistä ja taloudellista potentiaalia oletetussa tulevassa toimintaympäristössä Suomessa. Tutkimus osoitti myös räätälöidyn ajojärjestysmallinnuksen soveltuvuuden kaukolämmön tuotannon investointianalyysiin.