Economic assessment of district heating grid infrastructure

Abstract

Die Europäische Union hat sich das ambitionierte Ziel gesetzt, bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen, und die Dekarbonisierung des Wärmesektors ist ein entscheidender Beitrag zu diesem Ziel. Um dies zu initiieren, hat die EU im Jahr 2023 die Energieeffizienz Richtlinie überarbeitet, die die Mitgliedstaaten verpflichtet, Gemeinden mit über 45.000 Einwohnern dazu zu verpflichten, eine Wärme- und Kälteplanung (WKP) durchzuführen. Die WKP umfasst die Untersuchung der Möglichkeit der Nutzung lokaler erneuerbarer Wärmequellen, deren Integration oft eng mit Fernwärmesystemen (FW) verbunden ist. FW ist jedoch eine investitionsintensive Infrastruktur, die vor ihrer Implementierung gründliche Analysen erfordert. Diese Dissertation verwendet techno-ökonomische Ansätze, um das Potenzial von FW auf verschiedenen räumlichen Ebenen zu bewerten, wobei der Fokus auf den mit der Netz-Infrastruktur verbundenen Kosten liegt. Die Auswirkungen der Ergebnisse auf jeder räumlichen Ebene werden diskutiert.Basierend auf den identifizierten Lücken in der Literatur beantwortet diese Arbeit die folgenden Forschungsfragen (FQ):- Wie wirkt sich eine sinkende Wärmenachfrage und ein Anstieg des FW-Marktanteils in FW-Gebieten auf die Wirtschaftlichkeit und das Potenzial der FW-Systeme auf EU-Ebene aus?- Wie beeinflussen Anschlussgraden in dünn besiedelten Gebieten die FW-Potenziale?- Wie lässt sich das wirtschaftliche Potenzial von FW auf nationaler Ebene identifizieren, unter Berücksichtigung des räumlich-zeitlichen Aspekts von Wärmeangebot und -nachfrage in verschiedenen Szenarien, und wie kann dies als Leitfaden für ähnliche Studien in anderen Ländern verwendet werden?- Welche Vor- und Nachteile hat die Verwendung eines generischen FW-Netzmodellierungsansatzes, der auf einem Regressionsmodell zur Bestimmung der FW-Potenziale basiert, und inwieweit stimmen seine Ergebnisse mit denen eines optimierungsbasierten Modells überein? Welche Herausforderungen ergeben sich bei der Verwendung jedes Modells im Kontext der FW-Netzmodellierung und des FW-Potenzials?Entsprechend besteht das Hauptziel dieser Arbeit darin, Methoden zu entwickeln und anzuwenden, um das Fernwärmepotenzial auf EU-, nationaler und lokaler Ebene zu schätzen und die technischen, wirtschaftlichen und politischen Auswirkungen der Ergebnisse auf jeder Ebene zu erläutern.Das Hauptziel der Arbeit wird in vier Teilen behandelt: Im ersten Teil wird ein Vergleich der FW-Netzmodellierung basierend auf dem Konzept der effektiven Breite mit einem detaillierten optimierungsbasierten Modellierungsansatz vorgenommen (Kapitel 3). Der zweite Teil untersucht das FW-Potenzial auf europäischer Ebene (Kapitel 4), wobei der Schwerpunkt auf großen FW-Systemen liegt. Die Untersuchung kleinerer FW-Systeme (z. B. 5. Generation FW-Systeme) fällt nicht in den Rahmen dieser Dissertation. In diesem Kapitel werden neue methodische Elemente zur Modellierung des Einflusses von Anschlussraten unter 100 % auf die Wärmeverteilungskosten in sowohl dicht- als auch dünnbesiedelten Gebieten eingeführt. Anschließend wird das wirtschaftliche Potenzial von FW unter Klimaneutralität in Österreichs untersucht (Kapitel 5). Schließlich fasst Kapitel 6 die Ergebnisse, Stärken und Schwächen der vorherigen Kapitel zusammen und bietet einen Überblick über Herausforderungen und Hindernisse bei der Umsetzung von Wärmeplänen und der Implementierung der FW. Die wichtigsten Schlussfolgerungen der Dissertation sind wie folgt:- Der in dieser Dissertation angewandte Ansatz, der das Konzept der effektiven Breite einbezieht, bietet eine zuverlässige und einfach umsetzbare Methode zur Bewertung von FW-Potenzialen in den Vormachbarkeitsstudien. Während er für Gemeinden, die bereits fortgeschrittene Planungsverfahren für Wärme und Kälte etabliert haben, möglicherweise zu einfach ist, eignet er sich besonders gut für solche in den frühen Planungsphasen. Darüber hinaus ist er geeignet für die Untersuchung von FW-Potenzialen in größerem Maßstab, wie einer Provinz, einem Bundesland oder einem Land.- Hohe Wärmebedarfsdichten gelten als günstige Voraussetzung für die Implementierung von FW-Systemen. Es ist jedoch wichtig, die zukünftige Entwicklung der Wärmenachfrage bei der Untersuchung von FW-Potenzialen zu berücksichtigen, insbesondere im Hinblick auf die Klimaneutralitätsziele der EU. Sinkt die Wärmenachfrage in der Zukunft, kann dies zu geringeren FW-Potenzialen führen. Daher ist die Modellierung des Einflusses einer Senkung der Wärmenachfrage bei der Schätzung von FW-Potenzialen von Bedeutung.- Um die Gesamteffizienz des Systems aufrechtzuerhalten, erhöhen FW-Betreiber häufig die Anschlussgraden, um überdimensionierte Rohre zu vermeiden, die zu höheren Wärmeverlusten führen können. Ein hoher FW-Marktanteil in FW-Gebieten ist effektiv, um die Wirtschaftlichkeit des FW-Systems in einem Gebiet zu erreichen, und hat erheblichen Einfluss auf die Gesamtkosten des FW-Netzes.- Im Falle einer erheblichen Verringerung der Wärmenachfrage bis 2050 trägt eine drastische Erhöhung des FW-Marktanteils in FW-Gebieten hauptsächlich dazu bei, die spezifischen Netzkosten auf einem wettbewerbsfähigen Niveau zu halten. Trotz der Erhöhung des FW-Marktanteils in FW-Gebieten wächst das FW-Versorgungsniveau aufgrund der allgemeinen Nachfragerückgänge nicht erheblich.- Der Ausbau von FW-Netzen erfordert erhebliche Investitionen in die Netzinfrastruktur. Dies kann nur durch günstige finanzielle und politische Unterstützungsprogramme wie zinsgünstige, langfristige Kredite oder FW-Zonierungen ausgelöst werden.- Die Analyse des wirtschaftlichen Potenzials von FW auf nationaler Ebene ist eine zeit- und rechenintensive Aufgabe. Die Clusterung potenzieller FW-Gebiete mit ähnlichen Merkmalen ist ein effizienter Ansatz, um dieses Problem anzugehen. Anders gesagt, Regionen mit ähnlichen Merkmalen (FW-Potenzial, Gebietsgröße, Verfügbarkeit von Wärmequellen, politische Bedingungen usw.) können einen ähnlichen Ansatz zur Implementierung von FW-Systemen verfolgen.- Der Ansatz zur WKP kann je nach Verfügbarkeit finanzieller Ressourcen, Zugang zu Fachkräften, Detaillierungsgrad, politischem Rahmen und Phase des Prozesses stark variieren. Kommunen neigen dazu, bei der Überarbeitung ihrer Pläne tiefer in die Details einzutauchen.- Es ist entscheidend, ausreichende politische Unterstützung für eine effektive WKP und deren Umsetzung auf kommunaler Ebene zu haben. FW-Zonierung, zusammen mit ausreichender politischer Unterstützung, ist ein wichtiger Faktor für FW-Systeme in dicht besiedelten städtischen Gebieten mit hoher Wärmenachfrage.- Die Arbeit zeigt, dass das wirtschaftliche Potenzial von FW-Systemen in Österreich unter günstigen Bedingungen bis 2050 mehr als die Hälfte der gesamten Wärmenachfrage übersteigen kann.

The European Union has set an ambitious target of achieving climate neutrality by 2050, and decarbonizing the heating sector is a crucial contribution towards this goal. To initiate this, the EU revised the Energy Efficiency Directive in 2023, requiring Member States to mandate municipalities with over 45000 residents to conduct heating and cooling (H&C) planning. H&C planning involves exploring the possibility of using local renewable heating sources, whose integration is often intertwined with district heating (DH) systems. DH is, however, an investment-intensive infrastructure that necessitates thorough analyses before its implementation. This thesis employs techno-economic approaches to assess the potential of DH at various spatial levels, focusing on the costs associated with the grid infrastructure. The implications of the findings at each spatial level are discussed.Based on the identified gaps in the literature, this thesis answers the following research questions (RQ):- What is the impact of gradual heat demand reduction and DH market share increase in DH areas on the economic viability and potential of the DH systems on the EU level?- What is the impact of connection rates in sparse urban and suburban areas on the DH potentials?- How to identify the economic potential of DH on a national level while considering the spatiotemporal aspect of heat supply and demand under different scenarios, and how can it be used as a guideline for similar studies in other countries?- What are the main advantages and disadvantages of using a generic DH grid modelling approach based on a regression model for determination of the DH potentials, and to what extent do its results align with those obtained from an optimization-based model? What are the challenges of using each model in the context of DH grid modelling and DH potential?Accordingly, the core objective of this work is to develop and apply methodologies to estimate the DH potential on the EU, national and local levels, and to elaborate on the technical, economic and policy implications of results at each level.The core objective of the thesis is covered in 4 parts: In the first part, a comparison of the DH grid modelling based on the effective width concept with a detailed optimization-based modelling approach is provided (Chapter 3). The second part studies the DH potential on a European level (Chapter 4). Here, the focus is put on large DH systems. The study of smaller DH systems (e.g., 5th-generation DH systems) is out of the scope of this thesis. In this chapter, new methodological elements for modelling the impact of connection rates below 100% on heat distribution costs in both dense and sparse areas are introduced. Subsequently, the economic potential of DH under climate neutrality in the case of Austria is studied (Chapter 5). Finally, Chapter 6 provides a summary of findings, strengths and limitations found in previous chapters as well as a review of challenges and barriers in the implementation of heat plans and utilization of DH. The key conclusions from the thesis are as follows:- The approach adopted in this thesis, which incorporates the effective width concept, offers a reliable and easy-to-implement means of assessing DH potentials in pre-feasibility studies. While it might be simplistic for municipalities that have already established advanced heating and cooling planning procedures, it is particularly well-suited for those in the preliminary planning stages. Moreover, it is suitable for studying DH potentials at a larger scale, such as a province, a state or a country.- High heat demand densities are considered a favourable condition for implementing DH systems. However, it is important to consider the future heat demand development in studying DH potentials, especially in light of the EU's climate neutrality goals. If heat demand decreases in the future, it can lead to lower DH potentials. Therefore, modelling the impact of gradual heat demand reduction in estimating DH potentials is important.- To maintain overall efficiency in the system, DH operators often increase the connection rates to avoid over-dimensioned pipes and suppress higher heat losses. Targeting a high DH market share in DH areas is effective in reaching economic viability for the DH system in an area and highly impacts the overall DH grid costs.- In case of considerable heat demand reduction until 2050, a drastic increase in the DH market share of DH areas can contribute to maintaining the specific grid costs at a competitive level. In spite of the DH market share increase in DH areas, the overall heat supply level does not grow considerably due to overall demand reductions.- Expanding DH grids requires a significant investment in the grid infrastructure. This can only be triggered with favourable financial and political support schemes like low-interest or long-term loans.- Analysing the economic potential of DH on a national level is a time and CPU-intensive task. Clustering the potential DH areas with similar characteristics is an efficient approach to tackling this issue. In other words, regions with similar characteristics (DH potential, size of area, availability of heat sources, political conditions, etc.) can follow a similar approach towards implementing DH systems.- The approach to heating and cooling planning can vary greatly based on the availability of financial resources, access to expert workforces, level of detail, policy framework, and stage of the process. Municipalities tend to delve deeper into the specifics as they revise their plans.- It's crucial to have sufficient policy support in place for effective heating and cooling planning and its implementation at the municipal level. DH zoning, along with sufficient policy support, is a key enabler for DH systems in dense urban areas with high heat demands.