Parametric modeling of life cycle assessment for district heating: a comparison of pipe typologies in France

Identifying decarbonization strategies at the district level is increasingly necessary to align the development of urban projects with European climate-neutral objectives. It is well known that district heating and cooling networks are an attractive energy system solution as they allow the integration of renewable energies or local excess of hot or cold sources. The detailed design and optimization of the network infrastructure are essential to reach the full potential of this energy system. This study aims to put into perspective the environmental profile of the subsystems composing a district heating infrastructure and to compare tube typologies in order to guide decision-making in eco-design processing. The environmental impacts have been determined through a life cycle assessment method, looking at the impact categories presented in EN 15804. The data was extracted from the Ecoinvent database through the software SimaPro. A parametric model was conducted to determine the environmental impacts of each network subsystem (pipes, heat carrier fluid, trenches, heat exchangers, valves, and water pumps) and was sized on a study case in Marseille, France. The hypothesis taken to size each subsystem are valid for any district in France. An economic analysis of such an installation led to find the optimal nominal diameter for the study case. Rigid piping systems and flexible ones were compared separately. Two pre-insulated steel pipes were compared, with the same thermal transmittance of 0.331 W/m2/K and three pre-insulated polymer pipes were compared with the same thermal transmittance of 0.276 W/m2/K. The results show that the main source of impact in a district heating network is by far the piping subsystem: indeed, the choice of tube typology can cut the total environmental impact by up to 80% for rigid and 68% for flexible systems. The second contributor was the trench work subsystem, for most impact categories. A sensitivity analysis was conducted on the use of filler materials in the trenches, showing the importance of integrating decarbonizing strategies during the trench works. The study also underlined through a second sensitivity analysis that heat exchangers were the least significant subsystem of the infrastructure, and that the flow regulating subsystems (valves and pumps) were not to be neglected. This work emphasized the variability of environmental impacts of a district heating infrastructure when choosing the pipe typology and materials, and therefore stressed the importance of optimizing the design choices on the overall environmental impact of the district heating infrastructure. This study includes all the steps necessary to create a parametric tool to guide decision makers in the eco-design of any French district heating network projects.

L'identificazione di strategie di decarbonizzazione a livello di distretto è sempre più necessaria per allineare lo sviluppo di progetti urbani agli obiettivi europei di neutralità climatica. È noto che le reti di teleriscaldamento e teleraffrescamento sono una soluzione interessante per il sistema energetico, in quanto consentono l'integrazione di energie rinnovabili o l'accesso locale di fonti calde o fredde. La progettazione dettagliata e l'ottimizzazione dell'infrastruttura di rete sono essenziali per raggiungere il pieno potenziale di questo sistema energetico. Questo studio mira a tracciare il profilo ambientale dei sottosistemi che compongono un'infrastruttura di teleriscaldamento e a confrontare le tipologie di tubazioni per guidare il processo decisionale nella progettazione ambientale. Gli impatti ambientali sono stati determinati attraverso un metodo di valutazione del ciclo di vita, prendendo in considerazione le categorie di impatto presentate nella norma EN 15804. I dati sono stati estratti dal database Ecoinvent attraverso il software SimaPro. È stato condotto un modello parametrico per determinare gli impatti ambientali di ciascun sottosistema (tubi, fluido termovettore, trincee, scambiatori di calore, valvole e pompe dell'acqua) ed è stato dimensionato su un caso di studio situato a Marsiglia, in Francia. Le ipotesi adottate per il dimensionamento di ciascun sottosistema sono valide per qualsiasi distretto in Francia. L'analisi economica di un impianto di questo tipo ha permesso di determinare il diametro nominale ottimale per il caso di studio. Sono stati confrontati separatamente sistemi di tubazioni rigide: a) due tubi in acciaio preisolati, con la stessa trasmittanza termica di 0,331 W/m2/K, b) flessibili, tre tubi polimerici preisolati con una trasmittanza di 0,276 W/m2/K. I risultati mostrano che la principale fonte di impatto in una rete di teleriscaldamento è di gran lunga rappresentato delle tubazioni: infatti, la scelta della tipologia di tubo può ridurre l'impatto ambientale totale fino all'80% per i sistemi rigidi e al 68% per quelli flessibili. La seconda fonte sono i lavori di scavo, per la maggior parte delle categorie di impatto. È stata condotta un'analisi di sensibilità sull'uso di materiali di riempimento nelle trincee, dimostrando l'importanza di integrare strategie di decarbonizzazione durante i lavori di scavo. Lo studio ha inoltre evidenziato, attraverso una seconda analisi di sensibilità, che l’impatto degli scambiatori di calore risulta essere poco significativo, al contrario dei sottosistemi di regolazione del flusso - valvole e pompe – che non sono da trascurare. Questo lavoro ha messo in evidenza la variabilità degli impatti ambientali di un'infrastruttura di teleriscaldamento al momento della scelta della tipologia di tubazioni e dei materiali, sottolineando quindi l'importanza di ottimizzare le scelte progettuali sull'impatto ambientale complessivo dell'infrastruttura di teleriscaldamento. Questo studio include tutti i passaggi necessari per creare uno strumento parametrico che guidi i decisori nella progettazione ambientale di qualsiasi progetto di rete di teleriscaldamento francese.