District heating portfolio optimization with the mean-variance portfolio theory - a portfolio analysis of district heating investments in Finland

Abstract

Energy companies face difficult investment decisions regarding their electricity and heating portfolios. Toughening environmental laws and penalties mandate energy companies to reduce their carbon emissions significantly in the near future. Moreover, as heat demand accounts for more than half of the global final energy consumption (International Energy Agency, 2017), the district heating field will have an essential role in the coming years.

To contribute to the district heating literature, this thesis introduces a framework to study the costs and risks of district heating portfolio investments. Compared to more technical-oriented studies, such as Kokkonen (2020), this paper utilizes Markowitz's Mean-Variance Portfolio theory and Monte Carlo simulations to derive levelized cost of heat and investment risk efficient district heating portfolios out of several district heating technologies (i.e., woodchip, heat pumps, waste-to-energy, and geothermal plants). The thesis aims to find LCOH-risk optimized carbon-neutral district heating portfolios and study how these portfolios compare to previous technical-oriented studies (i.e., Kokkonen, 2020; Hast et al., 2018) and the existing district heating capacity.

This thesis has two major findings regarding the carbon-neutral district heating investments. Firstly, coal plants (heat-only and combined heat and power) are strongly represented (75-80% weights) in the least LCOH standard deviation (risk) portfolios, i.e., the Global Mean-Variance portfolios. This is due to the low Levelized cost of heat (LCOH) standard deviations of fossil fuel assets. Secondly, the efficient carbon-neutral portfolios, with the lowest portfolio standard deviations (risk), consisted heavily of woodchips heat-only boilers (55-82%) and heat pumps (39%), and to some extent, waste-to-energy heat-only boilers and geothermal energy. This was also explained by the very competitive levelized cost of heat-risk values of both woodchip heat-only boilers and heat pumps. Furthermore, the efficient portfolio findings were in line with, for instance, Kokkonen (2020) and Hast et al. (2018).

In summary, this study provides investment cost and risk-centered insight regarding the optimal carbon-neutral district heating portfolios. The cost-risk efficiency perspective may also explain why energy companies currently focus on woodchip heat-only boilers and heat pumps and why non-carbon district heating, for example, geothermal projects, is still very uncommon despite the potential. Therefore, results also call for more research to study the investment risks of emerging carbon-neutral technologies along with their technical properties.

Energiayhtiöt ovat suurten ja haastavien hiilineutraaliusinvestointien edessä. Ympäristö- ja energialainsäädäntöjen tiukentuminen velvoittaa energiayhtiöitä vähentämään hiilidioksidipäästöjään merkittävästi lähitulevaisuudessa. Koska lämmöntarve muodostaa yli puolet maailman lopullisesta energiankulutuksesta (International Energy Agency, 2017), kaukolämmöllä tulee olemaan keskeinen rooli tulevaisuuden lämmöntuotannossa.

Pro Gradu -tutkimukseni täydentää siten aikaisempia teknisiä kaukolämpötutkimuksia esittelemällä mallin kaukolämmön tuotantoportfolion investointien kustannusten ja riskien arviointiin. Aikaisempiin teknisiin tutkimuksiin, kuten Kokkonen (2020), verrattuna työni keskittyy tutkimaan tuotantokustannus-investointiriskien optimaalisia portfolioita hyödyntämällä Markowitzin Portfolioteoriaa sekä Monte Carlo -simulaatioita. Tutkielman tavoitteena on muodostaa LCOH-riskioptimoituja hiilineutraaleja kaukolämpöportfolioita ja verrata näitä tuotantokombinaatioita aikaisempiin tutkimustuloksiin (mm. Kokkonen, 2020; Hast ym., 2018) sekä olemassa olevaan kaukolämpökapasiteettiin.

Tutkimuksen analyysin perusteella voidaan muodostaa kaksi keskeistä päähavaintoa hiilineutraaleista kaukolämpöinvestoinneista. Ensinnäkin hiilivoimalaitokset, erillis- ja yhteistuotannon, ovat vahvasti edustettuina (75-80%) matalimman LCOH-keskihajonnan (ts. riski) portfolioissa eli niin sanotuissa Global-Mean-Variance portfolioissa. Ilmiö johtuu fossiilisia polttoaineita käyttävien lämpölaitosten matalasta investointiepävarmuudesta. Toiseksi taas matalimman portfolioriskin sisältävät hiilineutraalit tuotantoportfoliot koostuivat suurimmaksi osaksi erillistuotannon hakelämpölaitoksista (55-82%) ja lämpöpumpuista (39%) sekä jossain määrin jätteenpoltosta ja geotermisestä lämmöstä. Tämä selittyy hakevoimaloiden sekä lämpöpumppujen erittäin kilpailukykyisillä tuotantokustannuksilla (LCOH). Havainnot hiilineutraaleista tuotantoportfolioista ovat verrattavissa esimerkiksi Kokkosen (2020) sekä Hastin ja kumppaneiden (2018) aikaisempiin tuloksiin.

Tämä maisterintutkimus tarjoaa investointikustannus ja -riskikeiskeisen näkökulman optimaalisiin hiilineutraaleihin kaukolämpöportfolioihin. Kustannusriskinäkökulma voi myös osaltaan selittää sen, miksi energiayhtiöt sijoittavat merkittävästi hakevoimaloihin ja lämpöpumppuihin tai miksi esimerkiksi muihin hiilivapaisiin teknologioihin, kuten geotermiseen lämpöön, investointi on edelleen hyvin vähäistä sen tarjoamista mahdollisuuksista huolimatta. Tulokset osoittavat myös tarpeen nousevien lämpöteknologioiden investointiriskien tutkimiseen.