Pienydinvoimalan ja lämpövaraston soveltaminen Suomen kaukolämpöverkkoihin
Blomqvist, Aarni (2026)
Kandidaatintyö
2026
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026050437970
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026050437970
Tiivistelmä
Meneillään oleva energiamurros lisää tarvetta päästöttömälle, joustavalle ja toimitusvarmalle lämmöntuotannolle. Yksi mahdollinen ratkaisu kaukolämmön tuotantoon on pienydinvoimala (SMR), jonka yhteyteen liitetty lämpövarasto kattaa osan kaukolämmön huippukuormasta ja mahdollistaa SMR-laitoksen ajon nimellisteholla ympäri vuoden. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on selvittää, minkä kokoinen varasto soveltuu kaukolämpöä tuottavan SMR-laitoksen yhteyteen Suomen olosuhteissa. Työssä tehdään laskennallinen tarkastelu Helsingin ja Lappeenrannan kaukolämpöverkoille vuoden 2023 tuntikohtaisen kysyntädatan perusteella. Varaston toimintaa analysoidaan eri kapasiteeteilla tarkastelemalla vuosittaista purkuenergiaa. Lisäksi kysyntä- ja ulkolämpötiladatan perusteella muodostetaan malli kaukolämmön kysynnän ennustamiseksi varaston ohjauksen tueksi. Tarkasteltava lämpövarasto on lämpötilaeroon perustuva yksisäiliöinen vesivarasto.
Tulosten perusteella varasto voi kattaa 5–15 % vuoden huippukuormasta, kun SMR-laitoksen ympärivuotuinen lämpöteho on Lappeenrannassa 25 MW ja Helsingissä 200 MW. Varasto voi vähentää huipputuotannon tarvetta tehokkaasti jo melko pienillä kapasiteeteilla, kun taas kapasiteetin kasvattaminen lisää hyötyä suhteellisesti vähemmän. Toisaalta huomattiin, että lisäämällä SMR-laitoksen ja muun perustuotannon tehoa varastosta saatava hyöty kasvaisi, erityisesti suuremmilla varastokapasiteeteilla. Työssä muodostettujen kysyntäennustemallien tarkkuus arvioidaan riittäväksi varaston ohjauksen parantamiseen. Työssä ei tarkastella järjestelmän taloudellista kannattavuutta, mutta tulokset eivät viittaa merkittäviin teknisiin esteisiin SMR-laitoksen ja varaston käyttöönotolle. Lisäksi määritetyt varaston purkuenergiat eri kapasiteeteilla tarjoavat lähtökohdan jatkotutkimuksille taloudellisen kannattavuuden arvioimiseksi. Kokonaisuutena SMR-laitoksen ja lämpövaraston yhdistelmä tarjoaa potentiaalisen ratkaisun päästöttömän, joustavan ja toimitusvarman kaukolämmön tuotannon toteuttamiseen tulevaisuudessa. The ongoing energy transition increases the need for emission-free, flexible, and reliable heat production. One potential solution for district heating is a small modular reactor (SMR), combined with a thermal energy storage (TES) system that can cover part of peak heat demand and enable year-round operation of the SMR plant at nominal capacity. The objective of this bachelor’s thesis is to determine a suitable TES size for an SMR district heating power plant under Finnish conditions. A computational analysis is carried out for the district heating networks of Helsinki and Lappeenranta using hourly demand data from 2023. The operation of the TES is analyzed at different capacities based on annual discharged energy. In addition, a model for forecasting district heating demand is developed from demand and outdoor temperature data to support storage control. The TES analyzed in this thesis is a sensible heat single-tank water storage.
The results show that TES can cover 5–15% of the annual peak heat demand when the year-round thermal power of the SMR plant is 25 MW in Lappeenranta and 200 MW in Helsinki. The storage system can effectively reduce the need for peak production at relatively small capacities, while increasing capacity provides proportionally smaller additional benefits. It was also found that increasing the thermal output of the SMR plant and other baseload production would increase the benefits gained from the TES, particularly at larger storage capacities. The accuracy of the demand forecasting models developed in this study is considered sufficient to improve TES control. Although the economic feasibility of the system is not assessed in this thesis, the results do not indicate significant technical barriers to implementing an SMR plant with a TES. Furthermore, the determined discharged energy values at different TES capacities provide a basis for future studies on economic feasibility. Overall, the combination of an SMR plant and a TES offers a potential solution for future emission-free, flexible, and reliable district heating production.
Tulosten perusteella varasto voi kattaa 5–15 % vuoden huippukuormasta, kun SMR-laitoksen ympärivuotuinen lämpöteho on Lappeenrannassa 25 MW ja Helsingissä 200 MW. Varasto voi vähentää huipputuotannon tarvetta tehokkaasti jo melko pienillä kapasiteeteilla, kun taas kapasiteetin kasvattaminen lisää hyötyä suhteellisesti vähemmän. Toisaalta huomattiin, että lisäämällä SMR-laitoksen ja muun perustuotannon tehoa varastosta saatava hyöty kasvaisi, erityisesti suuremmilla varastokapasiteeteilla. Työssä muodostettujen kysyntäennustemallien tarkkuus arvioidaan riittäväksi varaston ohjauksen parantamiseen. Työssä ei tarkastella järjestelmän taloudellista kannattavuutta, mutta tulokset eivät viittaa merkittäviin teknisiin esteisiin SMR-laitoksen ja varaston käyttöönotolle. Lisäksi määritetyt varaston purkuenergiat eri kapasiteeteilla tarjoavat lähtökohdan jatkotutkimuksille taloudellisen kannattavuuden arvioimiseksi. Kokonaisuutena SMR-laitoksen ja lämpövaraston yhdistelmä tarjoaa potentiaalisen ratkaisun päästöttömän, joustavan ja toimitusvarman kaukolämmön tuotannon toteuttamiseen tulevaisuudessa.
The results show that TES can cover 5–15% of the annual peak heat demand when the year-round thermal power of the SMR plant is 25 MW in Lappeenranta and 200 MW in Helsinki. The storage system can effectively reduce the need for peak production at relatively small capacities, while increasing capacity provides proportionally smaller additional benefits. It was also found that increasing the thermal output of the SMR plant and other baseload production would increase the benefits gained from the TES, particularly at larger storage capacities. The accuracy of the demand forecasting models developed in this study is considered sufficient to improve TES control. Although the economic feasibility of the system is not assessed in this thesis, the results do not indicate significant technical barriers to implementing an SMR plant with a TES. Furthermore, the determined discharged energy values at different TES capacities provide a basis for future studies on economic feasibility. Overall, the combination of an SMR plant and a TES offers a potential solution for future emission-free, flexible, and reliable district heating production.