On the feasibility and techno-economic values of Positive Energy Districts in Europe

Abstract

Städte tragen in hohem Maße zum Primärenergieverbrauch und zu den Kohlenstoffemissionen der Europäischen Union (EU) bei. Während urbane Regionen eine große Menge an Energieressourcen benötigen, tragen sie kaum zur Erzeugung lokaler erneuerbarer Energie bei, um diesen Bedarf zu decken. Die Europäische Kommission hat das Konzept der Positiven Energiedistrikte (PED) eingeführt, um dieses Ungleichgewicht zu beseitigen und die städtischen Gebiete zu dekarbonisieren. Ein PED ist ein Stadtteil, der mehr lokale erneuerbare Energie erzeugt, als er aus dem umliegenden Netz verbraucht. Das EU-weite Ziel ist es, bis 2025 100 PEDs zu errichten, zu planen oder zu bauen. Diese Thesis trägt zur Verbreitung des PED-Konzepts bei, indem sie die Durchführbarkeit und den Wert dieses Konzepts in der EU untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein maßgeschneidertes mathematisches Programmiermodell entwickelt. In dieser Arbeit wird das Modell auf drei Fälle angewandt, um die Durchführbarkeit von elektrifizierten PEDs in der EU zu untersuchen, die für PEDs entscheidenden externen Parameter für die Politikgestaltung aufzudecken und herauszuarbeiten, wie wichtig passive Nachrüstungsmaßnahmen sind, um den PED-Status zu erreichen. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass PEDs in südlichen, warmen Klimazonen mit einem dynamischen Stromtarif am kosteneffizientesten sind. In kalten Klimazonen hingegen, in denen häufig bereits zentralisierte Lösungen wie Fernwärme installiert sind, ist das PED-Konzept wirtschaftlich nicht vorteilhaft. Darüber hinaus ist eine hohe Energieeffizienz des Gebäudebestands, z. B. durch Sanierung der Gebäudehülle, in kalten Klimazonen und dicht besiedelten Bezirken entscheidend, um tatsächlich eine positive Energiebilanz zu erreichen. In wärmeren Klimazonen ist die Kosteneffizienz der passiven Nachrüstung in PEDs eine Entscheidung die von Fall zu Fall zu treffen ist und meist optional für die PED-Machbarkeit. In dieser Arbeit wird ein Schwellenwertindikator zur Unterstützung dieser Einzelfallentscheidung vorgeschlagen. Schließlich unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung der Aufrechterhaltung eines akzeptablen Umfangs des Netzaustauschs, um das ohnehin oft überlastete Stromnetz nicht zusätzlich zu belasten, sondern um diesem Flexibilität zu gewährleisten.

Cities majorly contribute to the European Union’s (EU) primary energy consumption and carbon emissions. While they require a large amount of energy resources, they hardly contribute to generating local renewable energy to cover their demand. The European Commission introduced the Positive Energy District (PED) concept to address this imbalance and decarbonise urban areas. A PED is a neighbourhood that generates more local renewable energy than it consumes from the surrounding grid. The EU-wide goal is to have 100 PEDs established, planned or under construction by 2025. This thesis contributes to the uptake of the PED concept by investigating the concept’s feasibility and values across the EU. To do so, a tailor-made mathematical programming model has been developed. This thesis applies the model to three cases to study the feasibility of electrified PEDs across the EU, unveil PED-crucial external parameters for policy design and elaborate on how important passive retrofitting measures are to achieve PED status. The thesis concludes that PEDs are most cost-efficient in southern, warm climates with a dynamic electricity tariff. On the other hand, in cold climates, where often centralised solutions such as district heating are already installed, the PED concept is not economically feasible. Moreover, a high energy efficiency of the building stock through, e.g. envelop retrofitting is crucial in cold climates and densely populated districts to actually achieve a positive energy balance. In warmer climates, the cost-efficiency of passive retrofitting in PEDs is a case-by-case decision and is mostly optional for PED feasibility. This thesis proposes a threshold indicator to support this case-by-case decision. Finally, this work emphasises the significance of maintaining an acceptable amount of grid exchange not to strain the already often congested power grid but rather to provide flexibility.