Korkean lämpötilan energiavaraston optimointi höyryn- ja sähköntuotannossa sekä potentiaalisten markkina-alueiden kartoitus

Abstract

Tässä diplomityössä tutkitaan korkean lämpötilan lämpövaraston potentiaalisia markkina-alueita Euroopassa sekä lämpövarastojen soveltuvuutta sähkön varastointiin. Työn taustalla on energiajärjestelmän murros, jossa sähköistyminen ja uusiutuvan energian lisääntyminen korostavat tarvetta joustaville ja päästöttömille energian varastointiratkaisuille. Korkean lämpötilan lämpövarastot ovat potentiaalisia ratkaisuja teollisuuden höyryntuotantoon ja joissakin tapauksissa voivat toimia myös sähköntuotannon tukena hyödyntämällä höyryturbiineja.

Markkina-alueiden potentiaalia arvioitiin analysoimalla 21 Euroopan alueen sähkön tuntimarkkinahintoja sekä tarkemmin neljän eri alueen siirtohintoja ja reservimarkkinoiden rakenteita. Tulosten perusteella erityisesti Pohjoismaiden sähkömarkkinat — kuten Suomi ja Ruotsi — osoittautuivat houkutteleviksi alhaisista sähkön keskihinnoista sekä suuresta volatiliteetista johtuen. Näillä alueilla lämpövaraston käyttö voi tuottaa merkittäviä säästöjä suoralla sähköllä tai fossiilisilla tuotantomuodoilla tuotettuun höyryyn verrattuna.

Lämpövaraston sähköntuotantokyvykkyyttä tutkittiin simuloimalla varaston käyttöä prosessihöyryn tuotannossa. Simulaatiossa hyödynnettiin Matlab-ohjelmistoon luotua optimointimallia. Tulokset osoittavat, että vaikka höyryturbiinin hyötysuhde rajaa kannattavien sähköntuotantotuntien määrää, saattaa sähköntuotanto tietyissä olosuhteissa parantaa kokonaiskannattavuutta. Tämä pätee erityisesti alueilla, joilla sähkön hinnan vaihtelu on suurta.

This thesis investigates the potential market areas for high-temperature thermal energy storage (TES) systems in Europe, as well as their suitability for electricity storage applications. The study is motivated by the ongoing transformation of the energy system, where electrification and the increasing share of renewable energy highlight the need for flexible and emission-free energy storage solutions. High-temperature TES systems are promising technologies for industrial steam production and, in some cases, can also support electricity generation through the use of steam turbines.

The market potential was assessed by analyzing hourly electricity market prices in 21 European regions, with a more detailed evaluation of grid tariffs and reserve market structures in four selected areas. Based on the results, Nordic electricity markets — such as Finland and Sweden — emerged as attractive due to their low average electricity prices combined with high price volatility. In these regions, the use of thermal energy storage can result in significant cost savings compared to direct electrification or steam production based on fossil fuels.

The electricity generation capability of the storage system was studied through simulations of steam production in an industrial process. The simulations were performed using an optimization model developed in Matlab. The results indicate that while the efficiency of steam turbines limits the number of economically viable generation hours, electricity production may, under certain conditions, improve the overall cost-effectiveness of the system. This is particularly true in markets characterized by high price volatility.