The role of district heating for the decarbonisation of the buildings sector: A model-based analysis of district heating potentials in Germany towards climate neutrality 2045 in light of recent legislative changes
Author
Gerlach, Max-Julian
Term
4. Term
Publication year
2023
Submitted on
2023-06-02
Pages
128
Abstract
Bygningssektoren i Tyskland har for anden år i træk ikke opfyldt sit mål om at reducere drivhusgasudledninger, hvor størstedelen skyldes fossile brændsler til opvarmning. Derfor er nye støtteordninger for både fjernvarme og individuel opvarmning lanceret. Fjernvarme dækker i dag cirka 14% af varmebehovet i Tyskland, mens nogle andre lande ligger over 60%. Denne afhandling undersøger, hvilken rolle fjernvarme kan spille i tyske kommuner med over 10.000 indbyggere for at levere varme økonomisk og nå klimaneutralitet i 2045, i lyset af den nye støtteordning BEW og under hensyn til potentialer for vedvarende energi og spildvarme. Forskningsdesignet bygger på teorierne Multi-Level Perspective (om hvordan sektorer forandres over tid) og Choice Awareness (om hvordan et radikalt teknologiskift mod vedvarende fjernvarme kan gennemføres). Sammen med retningslinjer for kommunal varmeplanlægning styrer dette metodevalget. Arbejdet omfatter dataindsamling og analyser af varmebehov, udbredelsen af fjernvarme samt potentialet for vedvarende energi og spildvarme i byområder. Derefter gennemføres en klyngeanalyse og en energisystemanalyse for at vurdere, om fjernvarme er økonomisk gennemførlig. Resultaterne viser, at varmebehovet generelt er højere i byområder med eksisterende fjernvarme end i områder, hvor fjernvarme kun er en mulighed. Frem mod 2045 forventes varmebehovet at falde med omkring 35%, mens kapitalomkostningerne til distribution af fjernvarme fordobles. I dag kan moderne fjernvarme (4. generation) i gennemsnit dække omkring 90% af varmebehovet. Spildvarme og omgivelsesvarme fra søer findes i under 25% af byområderne, mens omgivelsesvarme fra floder og spildevand samt solvarme er de mest lovende varmekilder. Klyngeanalysen kunne ikke fastlægge et optimalt antal klynger ud fra de valgte input. I stedet opstilles to grænsetilfælde: en maks-klynge, der for henholdsvis områder med eksisterende og potentielle fjernvarmenet repræsenterer en stor og en mellemstor by med alle tilgængelige potentialer for vedvarende energi og spildvarme, og en min-klynge, der for de samme to kategorier repræsenterer en mellemstor og en lille by uden sådanne potentialer. Økonomisk set er fjernvarme i dag mere fordelagtig end individuel opvarmning for begge klynger. I 2045 er fjernvarme kun mere fordelagtig i byområder med eksisterende net. Etablering af nye net i 2045 er kun rentabel, hvis der er tilstrækkelige spildvarmepotentialer; ellers er individuel opvarmning mere fordelagtig. Generelt er spildvarme den billigste varmekilde, og hvor den ikke findes, anvendes store varmepumper kombineret med solvarme og varmelagre, hvis de er tilgængelige. Samordnet infrastrukturplanlægning kan desuden sænke omkostningerne ved fjernvarme og forbedre rentabiliteten. Samlet konkluderes, at fjernvarme er gennemførlig i byområder med eksisterende net, mens udrulning af nye net frem mod klimaneutralitet i 2045 er usikker og afhænger væsentligt af investeringstidspunktet og af samordnet infrastrukturplanlægning.
Germany’s buildings sector has missed its greenhouse gas reduction target for two consecutive years, largely due to fossil fuels used for heating. In response, new support schemes for both district heating and individual heating have been introduced. District heating currently supplies about 14% of heat demand in Germany, whereas some other countries exceed 60%. This thesis examines what role district heating can play in German municipalities with more than 10,000 inhabitants to provide heat affordably and achieve climate neutrality by 2045, considering the new BEW funding scheme and the varying potentials for renewable energy and waste heat. The research design draws on the Multi-Level Perspective (explaining how sectors transition) and Choice Awareness (explaining how radical technological change toward renewable district heating can be implemented). Together with municipal heat planning guidelines, these frameworks inform the choice of methods. The study gathers data and analyzes heat demand, the presence of district heating, and the potential for renewable and waste heat in urban areas. It then applies a cluster analysis and an energy system analysis to assess the economic feasibility of district heating. Results show that heat demand is generally higher in urban areas with existing district heating than in areas where district heating is only a potential option. By 2045, heat demand is expected to decline by around 35%, while capital costs for district heating distribution roughly double. Currently, on average, modern 4th Generation district heating can cover about 90% of heat demand. Waste heat and ambient heat from lakes are available in fewer than 25% of urban areas, while ambient heat from rivers and wastewater, along with solar thermal, are the most promising sources. The cluster analysis could not determine an optimal number of clusters with the chosen inputs. Instead, two boundary cases were defined: a max cluster representing, respectively for areas with existing and potential district heating, a large and a medium-sized urban area with all available renewable and waste heat potentials; and a min cluster representing, respectively, a medium-sized and a small urban area with no such potentials. Economically, district heating is currently more favorable than individual heating for both clusters. By 2045, district heating remains more favorable only in urban areas with existing networks. Establishing new networks by 2045 is feasible only where sufficient waste heat is available; otherwise, individual heating is more attractive. In general, waste heat is the cheapest heat source; where it is not available, large-scale heat pumps combined with solar thermal and heat storage are used if possible. Coordinated infrastructure planning can further reduce costs and improve the feasibility of district heating. Overall, district heating is viable in urban areas with existing networks, while rolling out new networks toward climate neutrality by 2045 is uncertain and depends strongly on investment timing and coordinated infrastructure planning.
[This summary has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords
Documents