Evaluation of technical and economic potential of low-temperature district heating. Methodological approach and application in Milan

This thesis provides a methodology for the evaluation of the technical and economic potential, in the current and future heat markets, of large-scale district heating. The aim is to determine at what extent and at what cost district heating can be integrated in the energy market, contributing to an upgrading in terms of efficiency and sustainability. To do so, as an improvement of the models coming from the most referenced studies on the subject, a new methodology has been elaborated and applied to the city of Milano as a case study. The main reasons suggesting a promising potential of district heating as a structural energy efficiency measure originates in the fact that the majority of buildings in Italy, and especially in the analyzed case of the Province of Milan, remain highly dependent on fossil-fueled individual heating systems, for space heating and domestic hot water preparation. In parallel, vast annual volumes of waste heat are rejected and mainly lost unutilized. A prerequisite for DH profitability is that a moderate cost of the infrastructure is required. This is possible if high volumes of heat are distributed on the network and thus if high heat demand densities are found. In future energy systems headed to sustainability and improved overall energy efficiency, where the heat demand density is expected to significantly decrease, 4th generation district heating is expected to be more attractive with respect to the actual 3rd generation technology. Since it is characterized by cheaper construction materials and more efficient systems, by lower distribution losses, by the possibility to exploit excess heat otherwise wasted, it is expected to be able to cope with the reduced heat demands while maintaining a certain economic competitiveness and while ensuring its environmental sustainability. A special focus is therefore set on 4th generation district heating. The investigation is structured orderly by first identifying, through the application of an innovative clustering algorithm, the most suitable district heating areas in which heat demand and available excess heat are both high and overlapping. In these determined areas, the estimation of district heating potential is then performed in terms of costs, according to the basic idea that a district heating system is competitive in a certain area if the total costumer cost of district heat is lower than the cost of the heat generated by any alternative individual heating solution. The methodology developed in this thesis proved to be successful. The obtained results are comparable to those obtained with the traditional methodology (HRE) and they strengthen and emphasize the potential of district heating expansion in the Province of Milan, of 3rd and of excess heat-based, low-temperature 4th generation district heating.

In questa tesi è presentato un modello per la valutazione del potenziale tecnico ed economico del teleriscaldamento su larga scala. Lo scopo è determinare in che misura e a che costo il teleriscaldamento possa essere integrato nel mercato dell’energia, contribuendo ad un miglioramento in termini di efficienza e sostenibilità. A tale scopo, sulla base di modelli esistenti, una nuova metodologia è stata elaborata e applicata alla Provincia di Milano. Le principali ragioni che suggeriscono un importante potenziale del teleriscaldamento sono che nella maggior parte degli edifici esistenti in Italia, specialmente nell’area analizzata della provincia di Milano, sono installati sistemi individuali per il riscaldamento e la produzione di acqua calda, per lo più alimentati da fonti fossili. Parallelamente, rilevanti quantità di calore in eccesso vengono annualmente generate e disperse in ambiente, nella maggior parte dei casi. Un prerequisito affinché un sistema di teleriscaldamento sia redditivo è che i costi associati alla rete di distribuzione siano contenuti. Questa condizione è verificata nel caso in cui il calore richiesto dagli utenti, e quindi distribuito in rete, sia di una certa rilevanza. In un sistema energetico futuro, rivolto verso la sostenibilità ambientale, ci si aspetta che sempre più edifici siano caratterizzati da un ridotto consumo di energia termica per il riscaldamento portando ad una conseguente riduzione della densità termica e ad un aumento dei costi di distribuzione. Poiché è caratterizzato da materiali di costruzione della rete più economici e da ridotte temperature di distribuzione che portano a perdite minori e ad una maggiore efficienza di scambio termico con le utenze, il teleriscaldamento di 4^ generazione sembra avere le caratteristiche necessarie per poter far fronte a ridotte domande di energia termica, pur mantenendo costi di distribuzione contenuti e assicurando nel contempo un limitato impatto ambientale. Nello studio è trattata, per prima cosa, l’identificazione, per mezzo di un algoritmo di clusterizzazione, delle zone più interessanti per lo sviluppo di reti di teleriscaldamento, in cui c’è sinergia tra alta domanda termica e alta quantità di calore in eccesso. In queste aree, il potenziale del teleriscaldamento è poi valutato in termini di costi: c’è convenienza se il costo che l’utente deve pagare per il calore fornito dal sistema di teleriscaldamento è minore di quello che pagherebbe per la stessa quantità di calore generata con una tecnologia individuale. I risultati ottenuti sono comparabili con quelli derivanti dall’applicazione del metodo tradizionale (HRE) e confermano ed enfatizzano il potenziale del teleriscaldamento nella Provincia di Milano, sia nella configurazione attuale che in quella di 4^ generazione, con calore in eccesso a bassa temperatura.