Energiavarastojen tarve tulevaisuuden fossiilittomassa energiajärjestelmässä Suomessa : sähköntuotantojärjestelmä ja sähkönkulutuspiikit
Kiiski, Oiva (2024)
Kandidaatintyö
2024
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024081364740
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024081364740
Tiivistelmä
Suomi tulee luopumaan fossiilisesta energiantuotannosta vuoteen 2035 mennessä. Tuleva energiajärjestelmä tulee nojautumaan yhä enemmän tuulivoimaan. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan energiavarastojen roolia sähköntuotannossa tasaamassa tuulivoimatuotannon vaihteluita ja lisäenergian tuottamisessa talven kovilla pakkasilla. Tutkimus selvittää kuinka paljon ja minkälaisia energiavarastoja Suomi tarvitsee hyödyntäen aiempia tutkimuksia ja talven 2024 kovien pakkasjaksojen dataa.
Epätasaista tuulivoimantuotantoa sopivat parhaiten tasaamaan suuret keskipitkänajan mekaaniset energiavarastot, joita ovat pumppuvoimalat ja painovoima-akut. Pumppuvoimalat ovat kypsä teknologia kattaen yli 90 % maailman energiavarastoista vuonna 2024. Painovoima-akut puolestaan ovat potentiaalinen uusi teknologia, joiden etuna pumppuvoimaloihin nähden on parempi hyötysuhde, riippumattomuus paikasta ja halvemmat kustannukset. Talven kylmien pakkasjaksojen sähkön kulutushuippujen kattamiseen tarvitaan pitkäaikaisten kemiallisten energiavarastojen apua. Näitä ovat vihreästä vedystä tuotetut ammoniakki ja metanoli. Ne ovat helppoja varastoida ja niille sopivia turbiineja ja polttomoottoreita on jo olemassa.
Tutkimuksesta selvisi, että Suomeen tarvittaisiin noin 20 suurta, teholuokaltaan useiden satojen megawattien ja energianvarastointikapasiteetiltaan muutaman gigawattitunnin kokoista mekaanista energiavarastoa. Lisäksi tarvittaisiin ainakin 500 000 m3 varastot ammoniakkia ja metanolia ja yhteensä 40 keskimääräiseltä teholtaan 50 MW niille sopivaa turbiinia ja polttomoottoria. Lisäksi tutkimuksesta selvisi, että Suomen tulisi ainakin kaksinkertaistaa tuulivoimakapasiteettinsa vuoden 2024 alun tasosta päästäkseen hiilineutraaliustavoitteeseensa. Finland will abandon fossil fuel energy production by year 2035. Future electricity production will rely growingly on wind power. This study focuses on the role of energy storage in leveling wind power fluctuations and providing additional energy at winter’s coldest periods when electricity demand is at its highest. The study’s goal is to find out how much and what kind of energy storages Finland needs with help of previous studies and electricity production data from winter 2024.
Most suitable energy storages for leveling out inconsistent wind power production are mechanical energy storages pumped hydro energy storages (PHES) and solid gravity energy storages (SGES). PHES is mature technology with supplying over 90 % of the world’s energy storage. SGES on the other hand is emerging new technology with better efficiency and economy than PHES. It is also not dependent on place. During the coldest periods of winter, the help of long-term chemical energy storage is needed. That would be provided by ammonia and methanol produced from green hydrogen. They are easy to store and technology for converting their chemical energy back to electricity already exists.
From the study it was found out that Finland would need around 20 big mechanical energy storages with few GWh storage capacity and few hundred MW maximal output power capacity. And in total a storage of at least 500 000 m3 of ammonia and methanol and around 40 suitable turbines and ICEs with average maximum output power of 50 MW. Additionally, it was found out that Finland needs to at least double its wind power production capacity from the level of beginning of the year 2024 to reach its carbon neutrality goals.
Epätasaista tuulivoimantuotantoa sopivat parhaiten tasaamaan suuret keskipitkänajan mekaaniset energiavarastot, joita ovat pumppuvoimalat ja painovoima-akut. Pumppuvoimalat ovat kypsä teknologia kattaen yli 90 % maailman energiavarastoista vuonna 2024. Painovoima-akut puolestaan ovat potentiaalinen uusi teknologia, joiden etuna pumppuvoimaloihin nähden on parempi hyötysuhde, riippumattomuus paikasta ja halvemmat kustannukset. Talven kylmien pakkasjaksojen sähkön kulutushuippujen kattamiseen tarvitaan pitkäaikaisten kemiallisten energiavarastojen apua. Näitä ovat vihreästä vedystä tuotetut ammoniakki ja metanoli. Ne ovat helppoja varastoida ja niille sopivia turbiineja ja polttomoottoreita on jo olemassa.
Tutkimuksesta selvisi, että Suomeen tarvittaisiin noin 20 suurta, teholuokaltaan useiden satojen megawattien ja energianvarastointikapasiteetiltaan muutaman gigawattitunnin kokoista mekaanista energiavarastoa. Lisäksi tarvittaisiin ainakin 500 000 m3 varastot ammoniakkia ja metanolia ja yhteensä 40 keskimääräiseltä teholtaan 50 MW niille sopivaa turbiinia ja polttomoottoria. Lisäksi tutkimuksesta selvisi, että Suomen tulisi ainakin kaksinkertaistaa tuulivoimakapasiteettinsa vuoden 2024 alun tasosta päästäkseen hiilineutraaliustavoitteeseensa.
Most suitable energy storages for leveling out inconsistent wind power production are mechanical energy storages pumped hydro energy storages (PHES) and solid gravity energy storages (SGES). PHES is mature technology with supplying over 90 % of the world’s energy storage. SGES on the other hand is emerging new technology with better efficiency and economy than PHES. It is also not dependent on place. During the coldest periods of winter, the help of long-term chemical energy storage is needed. That would be provided by ammonia and methanol produced from green hydrogen. They are easy to store and technology for converting their chemical energy back to electricity already exists.
From the study it was found out that Finland would need around 20 big mechanical energy storages with few GWh storage capacity and few hundred MW maximal output power capacity. And in total a storage of at least 500 000 m3 of ammonia and methanol and around 40 suitable turbines and ICEs with average maximum output power of 50 MW. Additionally, it was found out that Finland needs to at least double its wind power production capacity from the level of beginning of the year 2024 to reach its carbon neutrality goals.