Decarbonisation of District Heating System : Case District Heating System in the City of Vaasa

In this thesis, methods to optimize the heating system in the Vaasa region and reduce carbon dioxide emissions are studied. The work presents already existing assets in Vaasa, such as the combination of electric boilers and thermal energy storage, which has proven effective in optimizing energy systems. This combination supports carbon neutral heat production and provides balancing services to the electricity grid by participating in different energy markets. Vaasa's CHP plants are also presented, and alternative fuels are considered to make the heating sector in the Vaasa region carbon neutral. Sector coupling mechanisms are essential for balancing consumption and production. Sector coupling refers to the integration and optimization of different energy forms to achieve a more sustainable and efficient energy system. When renewable energy production is high and demand is low, electric boilers can use the excess electricity to produce heat, which can be stored for future use. This approach helps stabilize electricity prices and supports the integration of renewable energy sources. In Vaasa, they have made significant progress in improving heat production. Continuous development is essential, and further improvements are needed to achieve carbon neutrality. This thesis explores various options such as developing the district heating network by combining heating and cooling solutions into bidirectional district heating and demand response in heating. Technologies such as heat-to-power, small nuclear heat, waste heat, and heat pumps are also potential alternatives. The research problem addressed in this thesis is the decarbonisation of the heating sector in the Vaasa region. The theory and key concepts include sector coupling, renewable energy integration, and carbon capture technologies. The methods used involve analysing existing assets, evaluating alternative fuels, and exploring new technologies. In conclusion, the decarbonisation of the heating sector in the Vaasa region requires a multifaceted approach and continuous development of existing assets. This thesis provides insights into the methods and technologies that can be used to achieve carbon neutrality in the heating sector in Vaasa.

Tässä opinnäytetyössä tutkitaan keinoja Vaasan alueen lämmityssektorin hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen ja poistamiseen. Työssä on esitelty Vaasassa jo olemassa olevia ratkaisuja kuten sähkökattiloiden ja lämpöenergiavaraston yhdistelmä, joka on osoittautunut tehokkaaksi energiajärjestelmien optimoinnissa. Tämä yhdistelmä tukee hiilineutraalia lämmöntuotantoa ja tarjoaa myös tasapainotusta sähköverkkoon osallistumalla eri energiamarkkinoille. Myös Vaasan CHP-laitokset on esitelty ja vaihtoehtoisten polttoaineita on mietitty, jotta saataisiin Vaasan alueen lämmitys sektori hiilineutraaliksi. Sektorikytkentämekanismit ovat olennaisia kulutuksen ja tuotannon tasapainottamisessa. Sektorikytkentä tarkoittaa eri energiamuotojen yhdistämistä ja niiden käytön optimointia, jotta saavutetaan ympäristöystävällisempi ja tehokkaampi energiajärjestelmä. Kun uusiutuvan energian tuotanto on korkealla ja kysyntä matalalla, sähkökattilat voivat käyttää ylimääräisen sähkön lämmön tuottamiseen, joka voidaan varastoida tulevaa käyttöä varten. Tämä lähestymistapa auttaa vakauttamaan sähkön hintoja ja tukee uusiutuvien energialähteiden integrointia energiajärjestelmään. Vaasassa on tehty merkittävää edistystä lämmöntuotannon parantamisessa. Jatkuva kehitystyö on tärkeää ja lisäparannuksia tarvitaan, jotta ilmastopäästöt saadaan poistettua järjestelmästä. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan eri vaihtoehtoja kuten kaukolämpöverkon kehittämistä yhdistämällä lämmitys- ja jäähdytysratkaisut kaksisuuntaiseen kaukolämpöverkkoon sekä kysyntäjoustoon lämmityksessä. Myös teknologiat kuten heat-to-power, pienydinlämpö, hukkalämpö ja lämpöpumput ovat potentiaalisia vaihtoehtoja. Tämän työn tutkimusongelma on Vaasan alueen lämmityssektorin hiilidioksidipäästöjen poistaminen. Teoria ja keskeiset käsitteet sisältävät sektorikytkennän, uusiutuvan energian integroinnin ja hiilidioksidin talteenotto. Työssä käytetyt menetelmät sisältävät olemassa olevien ratkaisujen analysoinnin, vaihtoehtoisten polttoaineiden arvioinnin ja uusien teknologioiden tutkimisen. Vaasan alueen lämmityssektorin hiilivapauttaminen vaatii monitasoista lähestymistapaa, joka sisältää olemassa olevien ratkaisujen jatkuvan kehittämisen. Tämä työ antaa tietoa menetelmistä ja teknologioista, joita voidaan käyttää Vaasan lämmityssektorin hiilineutraaliuden saavuttamiseksi.