Energy-water nexus : an overview of the Finnish case

Abstract

Energy and water have a significant relationship in energy and water systems. Sustainable energy and water consumption and production are becoming increasingly important. In today’s world, energy and water are basic needs for humans. The Finnish government aims to be carbon neutral by 2035, which will significantly impact the energy sector. Finland is moving away from fossil fuels and increasing renewable energy production. Renewable energy production commonly needs greater system flexibility since flexibility depends on circumstances, conditions, and resources. The increasing amount of renewable energy and decentralized production will create challenges for the Finnish energy system. Finnish water system requires energy during each process stage. Biogas is also produced from sewage in Finland. Thus, water system can impact the energy system in many ways.

The thesis will discuss the Energy-Water Nexus from a Finnish perspective. The word nexus denotes connection between systems or situations. Energy-Water Nexus means connection between water system and energy system. Research methods include a literature review and a briefcase study. The first chapter discusses nexus at a theoretical level: energy use for water and water use for energy. The second chapter includes the Energy-Water Nexus in Finland, where energy and water systems are described and evaluated. Energy sources chiefly included are hydropower, solar power, wind power, biomass, and nuclear power. The end of the second chapter shortly discusses Energy-Water Nexus from a flexibility perspective. Lastly, results are analyzed and discussed. Finnish energy and climate strategy are used as a peer material when results are analyzed. The thesis aims to convey, how efficiently Energy-Water Nexus is utilized or could be utilized in Finland.

The thesis suggests biomass, nuclear power, and hydropower to have the most significant water demand during the full life cycle. However, reached results are estimations and cannot be considered utterly correct. Biogas production from sewage will unlikely offer significant benefits to the Finnish energy industry, but it might offer on-site flexibility for treatment plants. Finnish water and wastewater treatment plants’ energy efficiency occurs to have remained at an even level during recent years. However, further studies are required to investigate water and sewage treatment plants’ energy efficiency, self-sufficient energy production, and effective wastewater treatment in biomass plants. Further research on Energy-Water Nexus is required in the future.

Energialla ja vedellä on tärkeä merkitys yhteiskunnassa, joita ilman yhteiskunnan on haastava tai jopa mahdoton toimia. Kestävä veden- ja energiankulutus sekä tuotanto ovat tärkeitä tavoitteita tulevaisuudessa. Yksi energiatuotannon suuria haasteita on energian varastointi, mihin veden ja energian nexuksella on mahdollista luoda ratkaisuja. Lisäksi Suomessa energian tuotanto on muuttumassa entistä enemmän hajautetuksi tuotannoksi, joka tuo omat haasteensa säätökykyyn.

Työn tavoitteena on tehdä kirjallisuuskatsaus Suomessa toimiviin energia- ja vesijärjestelmiin nexus näkökulmasta tarkastellen. Termi nexus tarkoittaa asiayhteyksien kytköstä ja sanan alkuperä pohjautuu latinan kielestä. Energia-Vesi Nexus tarkoittaa energian ja veden yhteyttä, mikä pohjautuu energiantuotannon vedenkäyttöön sekä veden ja jäteveden energiankulutukseen. Työn alkupuolella tarkastellaan veden ja energian yhteyttä teorian näkökannalta. Työn toisessa osiossa tarkastellaan Suomessa käytettäviä energia- ja vesijärjestelmiä. Pääasiassa tarkasteltavia energianlähteitä ovat vesivoima, biomassa, aurinkoenergia, tuulivoima ja ydinvoima. Energia- ja vesijärjestelmiä tarkastellaan työssä saatavissa olevan datan ja tutkimusten avulla. Lopussa energia-vesi nexusta tarkastellaan lyhyesti joustavuuden näkökulmasta. Kun tarkastellaan energia-vesi nexusta Suomen näkökulmasta, otetaan huomioon Suomen energia- ja ilmastostrategia. Työssä pyritään selvittämän, kuinka merkittävä vaikutus energia-vesi nexusella on Suomessa. Lisäksi selvitetään, kuinka tehokkaasti energia-vesi nexus:ta olisi mahdollista hyödyntää Suomessa.

Tutkielmassa tarkkaan lopputulokseen ei päästy, mutta huomattiin aiheen lisätutkimuksen tarve. Kuitenkin suuntaa antavia päätelmiä saatiin kuten, että biomassan tuotannolla on suuri vedentarve verrattuna muihin energianlähteisiin. Biomassan tuotannon vedenkulutusta on tärkeä tutkia, koska Suomen energiantuotanto hyvin riippuvainen bioenergiasta. Suomessa tulevaisuuden energiastrategioiden muodostamisessa olisi mahdollisesti tarve huomioida paremmin vedenkäyttö ja energianlähteiden joustavuus mahdollisuudet. Lyhyessä Tampereen Vesi case- tutkimuksessa huomattiin, että energiakäyttö vesi- ja jätevesilaitoksilla on pysynyt lähes samana vuosien ajan, mikä voi indikoida energiatehokkuuden tasaantumista. Kuitenkin lisätutkimuksia vaadittaisiin vesi- ja jätevesilaitosten energiatehokkuudesta ja energiantuotannon omavaraisuudesta sekä jätevedenpuhdistuksesta biomassaa tuottavilla laitoksilla.