Smart low-carbon district heating networks supporting the energy system transition

Abstract

Heating and cooling sector represents approximately 50% of the total energy consumption in the EU. The European Commission has begun to put more emphasis on the heating and cooling sector by publishing the EU strategy on heating and cooling. District heating (DH) is one of the most efficient heating solutions, especially in the colder regions with high population density. The amount of DH based heat production has remained on a rather stable level during the past decade. Furthermore, DH has been mainly produced with fossil fuels nowadays, and in order to tackle the emissions of heat production, current DH systems are facing a transition towards cleaner and more cost-efficient production. This dissertation investigates increasing smartness in DH networks and assesses the introduction of new heat sources to DH networks. In this context, smart DH networks stand for cost-efficient, low-carbon networks that allow prosumers to gain market access to sell their heat to DH networks. This dissertation models increasing the amount of additional heat supply by heat pumps (HPs), solar thermal production, and data center (DC) waste heat in existing DH networks in Finland. Furthermore, the potential for low-temperature DH networks and dynamic pricing of DH production is studied, as well as the future for biomass based combined heat and power (CHP) production in the EU-27. The results of this thesis indicate that increasing the amount low-carbon DH production technologies decreases utilization of existing units, mainly CHP based heat production and heat-only boilers. Decreasing operational hours of CHP units may decrease the profitability of these units, and the future of CHP is at risk. The current investment environment in the EU does not suggest that biomass CHP would contribute significantly to overall energy efficiency. The results suggest that HPs and DC waste heat would be a suitable alternative for low-carbon DH production, and they could supply heat with high operational hours. DCs can supply heat on a stable level but there are still many barriers slowing down DC waste heat utilization, mainly related to business models between different parties. However, if alternative heat production capacity is not owned by the DH companies, the pricing structure of district heat production should be assessed. Pricing for third-party heat should be transparent so that the utilities can easily assess whether the investment is profitable. Solar thermal production is not feasible for a large-scale DH network in Finland with the current price level, but they could benefit from lower distribution temperatures. Additionally, lower distribution temperatures would increase profitability of HPs and potential for additional low-temperature waste heat supply.

Lämmitys ja jäähdytys vastaavat noin 50% EU:n kokonaisenergiankulutuksesta. Euroopan komissio on alkanut korostaa lämmitys- ja jäähdytyssektoria julkaisemalla lämmitystä ja jäähdytystä koskevan EU:n strategian. Kaukolämpö (KL) on eräs tehokkaimmista lämmitysmenetelmistä erityisesti kylmemmillä ja tiivisti asutetuilla alueilla. KL:llä tuotetun lämmityksen määrä on pysynyt melko vakaalla tasolla viimeisen vuosikymmenen. Nykyään KL tuotetaan pääasiallisesti fossiilisilla polttoaineilla ja KL-tuotannon päästöjen vähentämiseksi nykyiset KL-järjestelmät kohtaavat murroksen kohti vähähiilisiä sekä kustannustehokkaampia järjestelmiä. Tässä väitöskirjassa tutkitaan älykkyyden lisäämistä kaukolämmityksessä sekä arvioidaan uusien tuotantomuotojen käyttöönottoa KL-verkoissa. Tässä kontekstissa älykkäillä KL-verkoilla tarkoitetaan kustannustehokkaita, vähäpäästöisiä verkkoja, joissa mahdollistetaan kuluttajien oman lämmöntuotannon myyminen KL-verkkoihin. Tässä väitöskirjassa mallinnetaan lämpöpumppujen, aurinkolämmön, sekä datakeskusten hukkalämmön lisäämistä olemassa oleviin KL-verkkoihin Suomessa. Tämän lisäksi työssä tutkitaan mahdollisuuksia matalammille lämpötiloille KL:n lämmönjakelussa ja KL-tuotannon dynaamiselle hinnoittelulle, sekä arvioidaan biomassaan pohjautuvan yhteistuotannon (CHP) tulevaisuutta Euroopassa. Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat, että vähäpäästöisempien lämmöntuotantomenetelmien lisääminen KL-verkkoihin vähentää erityisesti CHP-laitosten sekä lämpökattiloiden lämmöntuotantoa. Matalammat käyttötunnit CHP-laitoksilla heikentävät laitosten kannattavuutta, minkä vuoksi CHP-tuotannon tulevaisuus on epävarmalla pohjalla. Tällä hetkellä vaikuttaa, että biomassa-CHP:n osuus ei tule kasvamaan merkittävästi EU:ssa ja biomassaa tullaan käyttämään vähemmän energiatehokkaasti. Tulosten perusteella lämpöpumput sekä datakeskusten hukkalämpö soveltuvat hyvin vähäpäästöisen tuotannon lisäämiseen ja molempien tuotantomuotojen käyttötunnit voisivat olla korkealla tasolla nykyisissä järjestelmissä. Datakeskukset pystyvät toimimaan tasaisina lämmöntuottajina, mutta hukkalämmön hyödyntämiselle on yhä useita, pääasiallisesti liiketoimintamalleihin liittyviä, esteitä. Mikäli vaihtoehtoinen tuotantokapasiteetti ei ole KL-verkon haltijan omistuksessa, KL-tuotannon hinnoittelu vaatii uudelleenarviointia. Kolmannen osapuolen tuottaman lämmön myynti KL-verkkoon tulisi olla läpinäkyvää sekä ennustettavaa, jotta kolmansien osapuolien on helpompi arvioida investointien kannattavuus. Aurinkolämmön hyödyntäminen nykyisissä suuren kokoluokan KL-verkoissa ei vaikuta erityisen kannattavalta Suomessa nykyisillä hinnoilla. Matalammat lämmönjakelun lämpötilat parantaisivat lämpöpumppujen kannattavuutta ja lisäisivät sekä aurinkolämmön että hukkalämmön hyödyntämispotentiaalia.