Sustainability of small-scale renewable energy solutions in northern rural communities

Abstract

This thesis aims to make a proposal for an economically and socially justified and environmentally sustainable of a small-scale hybrid energy generation system for a community of ten houses. The work was performed in frames of the Renewable Community Empowerment in Northern Territories (RECENT) project, financed by the Northern Periphery and Arctic Programme. The aim of the project was to improve the energy efficiency and self-sufficiency of northern communities by utilizing local energy sources. The chosen pilot site of this work was the conceptual eco-district of Päivänpaisteenmaa, to be built in Muhos.

In the theoretical part of this thesis, the concept of sustainability is explored as a goal set for human systems from global to local levels. Constituents of human well-being and intergenerational equity are also explored. Importance of ecosystem services is explained as the fundamental condition to continue supporting life on Earth. Further, the modern energy situation is discussed as an anthropogenic activity in urgent need for change, due to the limited nature of fossil fuel resources and the consequences of CO₂ emissions on our climate. The role of distributed energy generation for sustainability and energy security is explained. Additionally, policy and actions made on different levels to build capacity for sustainable development are reviewed. As part of the RECENT project, guidelines and templates on assessing the sustainability of community renewable energy projects have been made. For this, nine indicators were selected, an evaluation scale suggested, and the use of templates was tested for the concept plan of Päivänpaisteenmaa eco-district.

The practical part of the work explores the feasibility of energy generation and efficient technologies in the pilot site. Comparison of different options was done, their shortcomings and possible synergy advantages, as well as environmental, economic and social impacts were also assessed. The system was sized in order to meet peak energy needs and considering the Northern locale of the pilot site. The key research questions of the work were; What is the technical feasibility of renewable energy generation by ground source heat pump, solar photovoltaic and solar thermal systems in the pilot site? Will the renewable energy investment have a positive social and environmental impact while it is able to return the initial costs of the system? What are the potential savings in CO₂ emissions when adapting these technologies? The work suggested adapting comprehensive energy solution for the family houses including energy efficient building, using heat-storing fireplace, avoid use of electric saunas, ground source heat pump and a shared solar PV system. The payback time calculated was 10 years on average, provide for the families’ hot water needs, 26% of electricity needs and would result in 70% savings in CO₂ emissions.

Tämän diplomityön tavoitteena oli tehdä taloudellisesti ja sosiaalisesti perusteltu sekä ympäristön kannalta kestävä ehdotus hybridienergiajärjestelmästä kymmenen talon yhteisölle. Työ on tehty osana RECENT (Renewable Community Empowerment in Northern Territories) -projektia, jonka rahoittajana toimii Pohjoinen periferia ja Arktinen -ohjelma. Tämän työn tavoitteena oli parantaa pohjoisten yhteisöjen energiatehokkuutta ja energiaomavaraisuutta hyödyntämällä paikallisia energialähteitä. Työhön valittu pilottikohde oli Päivänpaisteenmaan ekokortteli, joka on suunniteltu toteutettavaksi Muhoksen kunnassa.

Tämän työn teoriaosuudessa kestävä kehitys on esitetty päämääränä, jonka tavoitteena on turvata niin ihmisten kuin luonnon järjestelmien hyvinvointi, sekä paikallisella että maailmanlaajuisella tasolla. Kestävään kehitykseen liittyen työssä on käsitelty yksilön ja yhteisön hyvinvoinnin perusehtoja sekä yli sukupolvien ulottuvia tasa-arvokysymyksiä. Ekosysteemipalveluiden tärkeys on esitetty perustavanlaatuisena ehtona monipuolisen elämän jatkuvuudelle. Lisäksi fossiilisten polttoaineiden rajallisuutta ja hiilidioksidipäästöjen vaikutuksia ilmastolle on käsitelty nykyisen, kestämättömän energiantuotannon näkökulmasta. Hajautetun energiantuotannon rooli on käsitelty kestävän kehityksen sekä energiaturvallisuuden näkökulmista. Myöskin kestävää kehitystä edesauttavia, eri tasoilla vaikuttavia lainsäädäntöjä sekä paikallisia toimia on esitelty. Osana RECENT-projektia työssä luotiin lomakkeet sekä ohjeistus yhteisöjen uusiutuvan energian projektien kestävyyden arvioimiseksi. Arviointia varten valittiin yhdeksän kestävyysindikaattoria, joiden antamat tulokset suhteutettiin esitytetyllä mitta-asteikolla. Kestävyysarviointilomakkeet testattiin suunnitellulla Päivänpaisteenmaan ekokorttelilla.

Työn käytännön osuudessa käsitellään energiantuotanto- sekä energiatehokkuusteknologioiden soveltuvuutta pilottikohteelle. Näiden teknologiavaihtoehtojen synergiaetuja ja vajaavaisuuksia vertailtiin soveltuvuuden selvittämiseksi. Pilottikohteen energiajärjestelmän taloudellisia, sosiaalisia ja ympäristöllisiä vaikutuksia arvioitiin. Järjestelmä mitoitettiin ottaen huomioon pilottikohteen pohjoinen sijainti sekä pilottikohteen energian huippukulutukset. Avaintutkimuskysymykset olivat; Mikä on maalämpöpumpun, aurinkosähkö- sekä aurinkolämpöjärjestelmien tekninen soveltuvuus uusiutuvan energian tuotannossa? Onko uusiutuvan energian investoinnilla positiivinen sosiaalinen sekä ympäristöllinen vaikutus, ja kykeneekö se samalla palauttamaan alkuperäisen investoinnin arvon. Työssä ehdotettiin pilottialueen omakotitaloille laajamittaisen energiaratkaisun käyttöön ottamista, johon sisältyy mm. energiatehokkaan rakentamisen toteuttaminen, varaavien tulisijajärjestelmien käyttäminen, sähkökiukaiden välttäminen, maalämpöpumppujärjestelmän hyödyntäminen sekä yhteisaurinkosähköjärjestelmän hankkiminen. Hankintojen keskimääräinen takaisinmaksuaika laskettiin olevan 10 vuotta, tuottaen kotitalouksien kuuman veden, 26 % vuotuisesta sähköntarpeesta sekä saavuttaen 70 % säästön hiilidioksidipäästöissä.