Unlocking the Potential of Excess Heat Recovery

Abstract

Uppvärmning och kylning står för en betydande andel av den slutliga energianvändningen och utsläppen av växthusgaser i Europa. Fjärrvärmesystem spelar en central roll i utfasningen av fossila bränslen i värmeförsörjningen genom att möjliggöra integration av centraliserade värmekällor med låga koldioxidutsläpp. I takt med att fossila bränslen och avfallsförbränning fasas ut och tillgången på biomassa blir alltmer begränsad, står fjärrvärmesystem inför ökande utmaningar kopplade till kostnader, resurstillgångar och långsiktig resiliens. I detta sammanhang kan industriell och urban överskottsvärme och -kyla bidra till en koldioxidsnål och flexibel värmeförsörjning. Trots en betydande dokumenterad teknisk potential är integrationen av överskottsvärme i fjärrvärmesystem fortfarande begränsad på grund av rumsliga begränsningar, temperaturskillnader, driftmässig variation samt fragmenterat beslutsfattande mellan industriella aktörer, nätoperatörer och beslutsfattare.

Optimeringsmodeller för energisystem används i stor utsträckning för att stödja långsiktig energiplanering och policyanalys. När de tillämpas på återvinning av överskottsvärme har befintliga modelleringsmetoder dock begränsad förmåga att fånga upp flera dimensioner centrala för beslutsfattande, såsom rumslig genomförbarhet, värmekvalitet, driftsbeteende och osäkerhet. Samtidigt är den empiriska kunskapen begränsad gällande hur överskottsvärme fungerar inom verkliga fjärrvärmesystem under olika tekniska och marknadsmässiga förhållanden. Denna avhandling adresserar dessa kunskapsluckor genom att kombinera fallstudier från verkliga system med metodutveckling inom modellering för att stödja strategisk planering av återvinning av överskottsvärme i fjärrvärmesystem.

Det övergripande syftet med denna avhandling är att utveckla och tillämpa modelleringsmetoder som möjliggör en omfattande och robust analys av integrationen av överskottsvärme i fjärrvärmesystem. Arbetet är strukturerat kring tre forskningsfrågor som var och en behandlar en distinkt men sammanlänkad aspekt av problemområdet.

Den första forskningsfrågan undersöker i vilken mån befintliga energisystemmodeller svarar mot de analytiska behov som beslutsfattare har vid planering av återvinning av överskottsvärme. Genom en strukturerad genomgång av modelleringsverktyg och en analys av intressenters behov visar avhandlingen att befintliga modeller ger robusta beskrivningar av teknikkostnader, energibalanser och långsiktiga investeringsdynamiker, men att deras förmåga att representera rumslig variation, värmekvalitet och driftmässiga begränsningar är begränsad. Dessa begränsningar är särskilt problematiska för återvinning av överskottsvärme, där genomförbarhet och värde i hög grad beror på avståndet till efterfrågan, temperaturnivåer och stabiliteten i värmetillförseln över tid. Analysen visar också att begränsad flexibilitet och transparens i många modeller minskar deras användbarhet i dialog med intressenter. Denna forskningsfråga etablerar därmed behovet av modelleringsmetoder som går bortom enskilda optimeringsmodeller och motiverar utvecklingen av ett multimodellramverk.

Den andra forskningsfrågan undersöker hur ett multimodellramverk kan stärka analysen av hur överskottsvärme integreras i fjärrvärmesystem. För att besvara denna fråga utvecklar avhandlingen ett modulärt multimodellramverk som kopplar samman exergianalys, rumslig kostnadsoptimering av nät, långsiktig teknoekonomisk optimering samt högupplöst operativ validering. Ramverket implementeras genom iterativ mjuk koppling mellan modeller, vilket gör det möjligt att konsekvent integrera rumslig genomförbarhet, värmekvalitet och driftmässiga begränsningar i långsiktig investeringsplanering. Ramverket tillämpas både på ett nytt fjärrvärmesystem och på ett befintligt system. Resultaten visar att rumslig närhet och källtemperatur starkt påverkar tidiga investeringsbeslut, medan elpriser och konkurrens med befintliga tekniker påverkar upptaget av överskottsvärme i mer mogna system. Operativ validering visar också skillnader mellan långsiktiga investeringsbanor och kortsiktiga utnyttjandemönster, vilket understryker betydelsen av termisk lagring och flexibel drift för att anpassa planering och drift.

Den tredje forskningsfrågan undersöker hur fjärrvärmesystem kan planeras och anpassas för att upprätthålla sin resiliens under långsiktig osäkerhet, systemrisker och externa störningar. För att besvara denna fråga utvecklar avhandlingen ett ramverk som kombinerar stokastisk analys, klustring och resiliensanalys genom att integrera osäkerhetssampling, långsiktig optimering och efterföljande resultatanalys. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att identifiera representativa investeringsbanor och utvärdera deras prestanda under ett brett spektrum av framtida förutsättningar. Resultaten visar att system baserade på diversifierade och flexibla teknikportföljer, där återvinning av överskottsvärme kombineras med elektrifieringsalternativ såsom värmepumpar, elpannor och termisk lagring, presterar bäst när det gäller kostnader, utsläpp och robusthet. System som i hög grad är beroende av förbränningsbaserade tekniker är däremot mer känsliga för volatilitet i bränslepriser, policyförändringar och störningar i energitillförseln.

Sammanfattningsvis visar avhandlingens resultat att överskottsvärme kan bidra väsentligt till kostnadseffektiva och koldioxidsnåla fjärrvärmesystem, men endast om rumsliga, termiska, driftrelaterade och osäkerhetsrelaterade faktorer beaktas samlat. Överskottsvärme skapar störst systemvärde när den betraktas som en del av en flexibel och diversifierad teknikportfölj snarare än som en fristående resurs.

Avhandlingens bidrag är tvådelat. För det första ger den empiriska insikter från flera verkliga fjärrvärmesystem och belyser därigenom när och hur industriell och urban överskottsvärme kan integreras effektivt under olika rumsliga, tekniska och policyrelaterade förutsättningar. För det andra utvecklar avhandlingen metodologiska angreppssätt för modellering av överskottsvärme genom ett sammanhängande multimodellramverk som kopplar samman industriella, nätbaserade och systemövergripande perspektiv. Genom att integrera rumsliga analyser, exergianalys, teknoekonomisk modellering, operativ analys och osäkerhetsanalys i ett transparent och utbyggbart arbetsflöde stärker avhandlingen beslutsstöd för planerare, fjärrvärmeoperatörer och beslutsfattare. Den bidrar därmed till en djupare förståelse för hur flexibilitet och anpassningsförmåga, snarare än optimering av enskilda tekniker, utgör grunden för resilienta och hållbara omställningar av fjärrvärmesystem.

Link to DiVA