Investigation Into Sustainable Energy Systems in Nordic Municipalities
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
LICENTIATE T H E SIS Department of Engineering Sciences and Mathematics Division of Energy Science Robert Fischer Investigation into sustainable energy systems in Nordic municipalities energy systems in Nordic into sustainable Robert Fischer Investigation ISSN 1402-1757 Investigation into sustainable energy ISBN 978-91-7790-560-8 (print) ISBN 978-91-7790-561-5 (pdf) systems in Nordic municipalities Luleå University of Technology 2020 Robert Fischer Energy Engineering Licentiate Thesis Investigation into sustainable energy systems in Nordic municipalities Utredning av hållbara energisystem i nordiska kommuner Robert Fischer Energy Engineering Division of Energy Science Department of Engineering Sciences and Mathematics Luleå University of Technology a © Robert Fischer 2020 Printed by Luleå University of Technology, Graphic Production 2020 ISSN 1402-1757 ISBN 978-91-7790-560-8 (print) ISBN 978-91-7790-561-5 (pdf) Luleå 2020 www.ltu.se b Sammanfattning Kommunala energisystem i nordiska miljöer möter flera utmaningar: det kalla klimatet, storskaliga industrier, en stor andel elvärme och långa distanser driver energiförbrukningen. Medan åtgärder vidtas på efterfrågesidan för att minimera energianvändningen, kan utsläppsminskande åtgärder inom gruvdrift, industrier, uppvärmningen och transportsektorn öka förbrukningen av el och biobränslen. Fortsatt tillväxt av intermittent vind- och solkraft ökar elproduktion, men den planerade avvecklingen av svensk kärnkraft kommer att utmana tillförlitligheten i elsystemet i de nordiska länderna. Flaskhalsar i överförings- och distributionsnäten kan begränsa en potentiell tillväxt av elanvändningen i stadsområden, begränsa ny intermittent utbud, och påverka elutbyte mellan länderna. Miljöhänsyn kan begränsa ökad användning av biomassa. Lokala myndigheter är engagerade i att bidra till nationella klimatmål, samtidigt som de följer sina egna mål för ekonomisk utveckling, ökad självförsörjning av energi och överkomliga energikostnader. Mot bakgrund av dessa omständigheter undersöker denna avhandling befintliga tekniska och ekonomiska potentialer för förnybar energi i Norden med fokus på de nordliga länen i Finland, Norge och Sverige. Forskningen syftar vidare till att utveckla optimala lösningar för hållbara nordiska kommunala energisystem, där samspelet mellan stora energisektorer studeras, med tanke på att minimera årliga energisystemkostnader och samtidigt minska koldioxidutsläppen samt analysera påverkan på elimport till och export från kommunen. Denna forskning formulerar ett integrerad kommunalt energisystem som multimåloptimeringsproblem (multi-objective optimisation problem - MOOP), som löses genom att kombinera simuleringsverktyget EnergyPLAN med en evolutionär algoritm implementerad i Matlab. I ett första steg studeras kopplingen av el- och värmesektorerna, och i ett andra steg effekterna av en integrerad och alltmer förnybar transportsektor på energisystemet. Känslighetsanalys på viktiga ekonomiska parametrar och på olika utsläppsfaktorer utförs. Piteå (Norrbottens län, Sverige) är en typisk nordisk kommun som fungerar som en fallstudie för detta arbete. Forskningens slutsatser innebär att det finns betydande teknisk-ekonomiska potentialer för de undersökta förnybara resurserna. Optimeringsresultaten visar att koldioxidutsläppen från ett nordiskt kommunalt energisystem kan minskas med cirka 60% utan en avsevärd ökning av de totala energisystemkostnaderna och att den högsta elimporten kan minskas med upp till 38%. Resultat för år 2030 visar att transportsektorn kan ha en mycket hög elektrifieringsgrad och samtidigt används biobränslen i tunga fordon. Optimala lösningar är mycket känsliga för elpriser, räntor och utsläppsfaktorer. Detta arbete ger viktiga insikter om strategier för koldioxidminskning för integrerade energisektorer i ett perspektiv på nordiska kommuner. Min framtida forskning kommer att förfina transportmodellen, utveckla och tillämpa ett ramverk för beslutsanalys med flera kriterier (multi- criteria decision analysis - MCDA) som ska stödja lokala myndigheter att fastställa tekniskt och ekonomiskt hållbara lösningar i deras energiplanering. c d Abstract Municipal energy systems in Nordic environments face multiple challenges: the cold climate, large-scale industries, a high share of electric heating and long distances drive energy consumption. While actions on the demand side minimize energy use, decarbonization efforts in mining, industries, the heating and the transport sector can increase the consumption of electricity and biofuels. Continued growth of intermittent wind and solar power increases supply, but the planned phase out of Swedish nuclear power will pose challenges to the reliability of the electricity system in the Nordic countries. Bottlenecks in the transmission and distribution grids may restrict a potential growth of electricity use in urban areas, limit new intermittent supply, peak electricity import and export. Environmental concerns may limit growth of biomass use. Local authorities are committed in contributing to national goals on mitigating climate change, while considering their own objectives for economic development, increased energy self-sufficiency and affordable energy costs. Given these circumstances, this thesis investigates existing technical and economic potentials of renewable energy (RE) resources in the Nordic countries with a focus on the northern counties of Finland, Norway and Sweden. The research further aims to provide sets of optimal solutions for sustainable Nordic municipal energy systems, where the interaction between major energy sectors are studied, considering multiple objectives of minimizing annual energy system costs and reducing carbon emissions as well as analyzing impacts on peak electricity import and export. This research formulates an integrated municipal energy system as a multi-objective optimization problem (MOOP), which is solved by interfacing the energy system simulation tool EnergyPLAN with a multi-objective evolutionary algorithm (MOEA) implemented in Matlab. In a first step, the integration or coupling of electricity and heating sectors is studied, and in a second step, the study inquires the impacts of an increasingly decarbonized transport sector on the energy system. Sensitivity analysis on key economic parameters and on different grid emission factors is performed. Piteå (Norrbotten County, Sweden) is a typical Nordic municipality, which serves as a case study for this research. The research concludes that significant technical potentials exist for the investigated resources. Optimization results show that CO2 emissions of a Nordic municipal energy system can be reduced by about 60% without a considerable increase in total energy system costs and that peak electricity import can be reduced by up to 38%. The outlook onto 2030 shows that the transport sector could be composed of high electrification shares and biofuels. Technology choices for optimal solutions are highly sensitive to electricity prices, discount rates and grid emission factors. The inquiries of this research provide important insights about carbon mitigation strategies for integrated energy sectors within a perspective on Nordic municipalities. Future work will refine the transport model, develop and apply a framework for multi-criteria decision analysis (MCDA) enabling local decision makers to determine a technically and economically sound pathway based on the optimal alternatives provided, and analyze the existing policy framework affecting energy planning of local authorities. e f List of appended papers This licentiate thesis is based on the following papers: Paper I Fischer R.; Elfgren E.; Toffolo A. Energy Supply Potentials in the Northern Counties of Finland, Norway and Sweden towards Sustainable Nordic Electricity and Heating Sectors: A Review. Energies 2018, 11, 751; doi:10.3390/en11040751 Paper II Fischer R.; Elfgren E.; Toffolo A. Towards Optimal Sustainable Energy Systems in Nordic Municipalities. Energies 2020, 13, 290; doi:10.3390/en13020290 Paper III Fischer R.; Elfgren E.; Toffolo A. Optimal Sustainable Transport Solutions Integrated into a Nordic Municipal Energy System. (Conference paper: NORPIE2019) Author contributions R.F.: conceptualization; data curation; formal analysis; investigation; methodology; software; writing—original draft. E.E.: supervision; validation; writing—review and editing. A.T.: formal analysis; methodology; software; supervision; validation; writing—review and editing. g h Acknowledgements First, I am most thankful to Andrea Toffolo and Erik Elfgren, my supervisors at LTU, for the encouragement, guidance and constructive discussions. I also want to express my gratitude to Carl- Erik Grip for sharing his endless experience. I would further like to recognize the project partners of the Arctic Energy project and the LECo project for their help and support during this period. Åsa Wikman and her team at Piteå municipality, Kjell Skogsberg at Energikontor Norr in Luleå, Silva Herrmann at Jokkmokk municipality and Orla Nic Suibhne at WDC, Ireland deserve special recognition for most valuable contributions. Thank you! Finally, I would like to thank friends and family for supporting me during this period. I want to express my deepest gratitude to my wife Annika for her unwavering support, encouragement and tolerance of my absences. I also want to thank my children Felix, Emil and Linnéa for their patience, especially during the last stage of this thesis. Funding This research was supported by the